Szkło – tworzywo o długich tradycjach i jeszcze większej przyszłości
Wszechobecna krzemionka
Czy wiesz, że piasek na plaży, naszyjnik z ametystów, szklany wazonik czy światłowody mają ze sobą wiele wspólnego? Łączy je jeden z najpospolitszych związków chemicznych na Ziemi – tlenek krzemu(IV). Jaką drogę musi przebyć piasek, zanim przemieni się w wiele użytecznych przedmiotów?
Już wiesz
że tlenek krzemu(IV) ma wzór sumaryczny ;
wyróżnia się tlenki kwasowe, zasadowe i obojętne;
że położenie pierwiastka chemicznego w układzie okresowym zależy od budowy jego atomu;
że większość pierwiastków chemicznych występujących w przyrodzie to mieszaniny izotopów.
Nauczysz się
badać i opisywać właściwości fizyczne i chemiczne tlenku krzemu(IV);
wymieniać występujące w przyrodzie odmiany i określać ich zastosowanie;
wyjaśniać, dlaczego szkła kwarcowego używa się do produkcji tygli laboratoryjnych i lamp stosowanych w medycynie do leczenia m.in. chorób skóry (głównie łuszczycy i trądziku);
uzasadniać sposób przechowywania kwasu fluorowodorowego.
iWebXdSiXt_d5e184
1. Występowanie tlenku krzemu(IV) w przyrodzie
Najbardziej zewnętrzna i najlepiej poznana warstwa skalna Ziemi to skorupa ziemska. Tylko 11 pierwiastków występuje w niej w ilości większej niż 0,1%, co stanowi aż 99,895% masy tej części kuli ziemskiej.
RLCMXgjOGAAIS1
Film rozpoczyna ujęcie przedstawiające komputerowy model układu słonecznego. Kamera zbliża się do Ziemi, pokazując ją obracającą się wokół własnej osi, oświetloną przez Słońce z lewej strony. Następuje niewielkie oddalenie i przeniesienie widoku bardziej nad biegun północny. Model zamienia się w rysunek przedstawiający w tym rzucie Ziemię w wydrążonym kawałkiem, prezentującym warstwy planety: cienką czarną skorupę, czerwony płaszcz, złote jądro zewnętrzne i żółte jądro wewnętrzne. Następuje zmiana ujęcia, wycinek Ziemi w postaci ćwiartki kuli z wyraźnie rozdzielonymi warstwami przesuwa się na lewo, a po prawej stronie pojawiają się dane liczbowe i opisowe. I tak Skorupa ma grubość od 6 do 40 kilometrów i składa się ze skał krzemianowych, Płaszcz ma grubość 2800 kilometrów i składa się głównie ze skał krzemianowych, Jądro zewnętrzne ma grubość 2300 kilometrów i składa się z płynnego żelaza i niklu, a Jądro wewnętrzne o grubości 1200 kilometrów to żelazo i nikiel w stanie stałym. Następuje zmiana ujęcia, po lewej stronie pojawia się wykres kołowo tortowy prezentujący skład skorupy ziemskiej, a po prawej stronie legenda tego wykresu. Wynika z niej, że skorupa to 46,10 procent tlenu, 28,20 procent krzemu, 8,23 procent glinu, 5,63 procent żelaza, 4,15 procent wapnia, 2,36 procent sodu, 2,33 procent magnezu, 2,09 procent potasu oraz 0,91 procent reszty pierwiastków. Następuje wyróżnienie paska i fragmentu wykresu o kolorze czerwonym przyporządkowanych krzemowi. Następuje zmiana ujęcia. W lewym górnym rogu ekranu pojawia się zdjęcie czystego kryształu krzemu w postaci czarnej i błyszczącej grudki. Stopniowo obok i poniżej pojawia się pięć innych zdjęć przedstawiających związki krzemu spotykane w przyrodzie. Są to kolejno: białoszary kryształ kwarcu, biała i ostro zakończona szczotka kwarcowa, brązowy cyrkon o gładkich krawędziach, żółtawy ortoklaz oraz jasny, przypominający skamieniałą gałąź anortyt. Następuje zmiana ujęcia. Po lewej stronie ekranu pojawia się zdjęcie pęczka przezroczystych włosów świecących na końcach podpisane Światłowody. Po chwili pośrodku ekranu pojawia się zdjęcie iPhone'a w wersji czarnej podpisane Telefon komórkowy, a po prawej stronie zdjęcia laptopa oraz telewizora LCD, również odpowiednio podpisane.
Film rozpoczyna ujęcie przedstawiające komputerowy model układu słonecznego. Kamera zbliża się do Ziemi, pokazując ją obracającą się wokół własnej osi, oświetloną przez Słońce z lewej strony. Następuje niewielkie oddalenie i przeniesienie widoku bardziej nad biegun północny. Model zamienia się w rysunek przedstawiający w tym rzucie Ziemię w wydrążonym kawałkiem, prezentującym warstwy planety: cienką czarną skorupę, czerwony płaszcz, złote jądro zewnętrzne i żółte jądro wewnętrzne. Następuje zmiana ujęcia, wycinek Ziemi w postaci ćwiartki kuli z wyraźnie rozdzielonymi warstwami przesuwa się na lewo, a po prawej stronie pojawiają się dane liczbowe i opisowe. I tak Skorupa ma grubość od 6 do 40 kilometrów i składa się ze skał krzemianowych, Płaszcz ma grubość 2800 kilometrów i składa się głównie ze skał krzemianowych, Jądro zewnętrzne ma grubość 2300 kilometrów i składa się z płynnego żelaza i niklu, a Jądro wewnętrzne o grubości 1200 kilometrów to żelazo i nikiel w stanie stałym. Następuje zmiana ujęcia, po lewej stronie pojawia się wykres kołowo tortowy prezentujący skład skorupy ziemskiej, a po prawej stronie legenda tego wykresu. Wynika z niej, że skorupa to 46,10 procent tlenu, 28,20 procent krzemu, 8,23 procent glinu, 5,63 procent żelaza, 4,15 procent wapnia, 2,36 procent sodu, 2,33 procent magnezu, 2,09 procent potasu oraz 0,91 procent reszty pierwiastków. Następuje wyróżnienie paska i fragmentu wykresu o kolorze czerwonym przyporządkowanych krzemowi. Następuje zmiana ujęcia. W lewym górnym rogu ekranu pojawia się zdjęcie czystego kryształu krzemu w postaci czarnej i błyszczącej grudki. Stopniowo obok i poniżej pojawia się pięć innych zdjęć przedstawiających związki krzemu spotykane w przyrodzie. Są to kolejno: białoszary kryształ kwarcu, biała i ostro zakończona szczotka kwarcowa, brązowy cyrkon o gładkich krawędziach, żółtawy ortoklaz oraz jasny, przypominający skamieniałą gałąź anortyt. Następuje zmiana ujęcia. Po lewej stronie ekranu pojawia się zdjęcie pęczka przezroczystych włosów świecących na końcach podpisane Światłowody. Po chwili pośrodku ekranu pojawia się zdjęcie iPhone'a w wersji czarnej podpisane Telefon komórkowy, a po prawej stronie zdjęcia laptopa oraz telewizora LCD, również odpowiednio podpisane.
Źródło: Marcin Sadomski, Enricoros (http://commons.wikimedia.org), Rob Lavinsky(http://commons.wikimedia.org), Mauro Cateb (http://commons.wikimedia.org), Zach Vega (http://commons.wikimedia.org), Didier Descouens (http://commons.wikimedia.org), Manfred Mader (http://commons.wikimedia.org), ClkerFreeVectorImages (http://pixabay.com), BigRiz (http://commons.wikimedia.org), Piotr Sosnowski (http://commons.wikimedia.org), Kevin MacLeod (http://incompetech.com), Krzysztof Jaworski, Tomorrow Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
Źródło: Marcin Sadomski, Enricoros (http://commons.wikimedia.org), Rob Lavinsky(http://commons.wikimedia.org), Mauro Cateb (http://commons.wikimedia.org), Zach Vega (http://commons.wikimedia.org), Didier Descouens (http://commons.wikimedia.org), Manfred Mader (http://commons.wikimedia.org), ClkerFreeVectorImages (http://pixabay.com), BigRiz (http://commons.wikimedia.org), Piotr Sosnowski (http://commons.wikimedia.org), Kevin MacLeod (http://incompetech.com), Krzysztof Jaworski, Tomorrow Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
Film rozpoczyna ujęcie przedstawiające komputerowy model układu słonecznego. Kamera zbliża się do Ziemi, pokazując ją obracającą się wokół własnej osi, oświetloną przez Słońce z lewej strony. Następuje niewielkie oddalenie i przeniesienie widoku bardziej nad biegun północny. Model zamienia się w rysunek przedstawiający w tym rzucie Ziemię w wydrążonym kawałkiem, prezentującym warstwy planety: cienką czarną skorupę, czerwony płaszcz, złote jądro zewnętrzne i żółte jądro wewnętrzne. Następuje zmiana ujęcia, wycinek Ziemi w postaci ćwiartki kuli z wyraźnie rozdzielonymi warstwami przesuwa się na lewo, a po prawej stronie pojawiają się dane liczbowe i opisowe. I tak Skorupa ma grubość od 6 do 40 kilometrów i składa się ze skał krzemianowych, Płaszcz ma grubość 2800 kilometrów i składa się głównie ze skał krzemianowych, Jądro zewnętrzne ma grubość 2300 kilometrów i składa się z płynnego żelaza i niklu, a Jądro wewnętrzne o grubości 1200 kilometrów to żelazo i nikiel w stanie stałym. Następuje zmiana ujęcia, po lewej stronie pojawia się wykres kołowo tortowy prezentujący skład skorupy ziemskiej, a po prawej stronie legenda tego wykresu. Wynika z niej, że skorupa to 46,10 procent tlenu, 28,20 procent krzemu, 8,23 procent glinu, 5,63 procent żelaza, 4,15 procent wapnia, 2,36 procent sodu, 2,33 procent magnezu, 2,09 procent potasu oraz 0,91 procent reszty pierwiastków. Następuje wyróżnienie paska i fragmentu wykresu o kolorze czerwonym przyporządkowanych krzemowi. Następuje zmiana ujęcia. W lewym górnym rogu ekranu pojawia się zdjęcie czystego kryształu krzemu w postaci czarnej i błyszczącej grudki. Stopniowo obok i poniżej pojawia się pięć innych zdjęć przedstawiających związki krzemu spotykane w przyrodzie. Są to kolejno: białoszary kryształ kwarcu, biała i ostro zakończona szczotka kwarcowa, brązowy cyrkon o gładkich krawędziach, żółtawy ortoklaz oraz jasny, przypominający skamieniałą gałąź anortyt. Następuje zmiana ujęcia. Po lewej stronie ekranu pojawia się zdjęcie pęczka przezroczystych włosów świecących na końcach podpisane Światłowody. Po chwili pośrodku ekranu pojawia się zdjęcie iPhone'a w wersji czarnej podpisane Telefon komórkowy, a po prawej stronie zdjęcia laptopa oraz telewizora LCD, również odpowiednio podpisane.
Drugim po tlenie najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem w skorupie ziemskiej jest krzem, a tlenek krzemu(IV), zwany zwyczajowo krzemionką, jest równie powszechny jak woda. KrzemionkakrzemionkaKrzemionka to podstawowy składnik piasku, skałskałaskał i gleb. W przyrodzie spotykamy ją zarówno w postaci krystalicznej, o uporządkowanej strukturze wewnętrznej (jako kwarc, trydymit i krystobalit), jak i w formie bezpostaciowej, czyli amorficznej (w przypadku np. agatów, opali, jaspisu, onyksu, ziemi okrzemkowej). Odmiany te charakteryzują się brakiem uporządkowanej struktury wewnętrznej.
RmYKwiM15VPEx1
Ilustracja przedstawia diagram drzewiasty występowania w przyrodzie tlenku krzemu. W górnej części rozpoczyna go pole z napisem Krzemionka, od którego prowadzą dwie strzałki do pól opisanych jako Odmiany bezpostaciowe oraz Odmiany krystaliczne. Obydwa te pola ilustrowane są rysunkami prezentującymi nieregularne budowy atomowe związków bezpostaciowych i regularne struktury kryształów. Od pola Odmiany krystaliczne odchodzą kolejne trzy strzałki do pól opisanych jako Krystobalit (białoszare kuleczki zatopione w czarnej skale), Trydymit (bardzo płaskie, białe kryształki o nieco trójkątnym kształcie, lecz w rzeczywistości sześcioboczny) i Kwarc (przezroczyste kryształy słupkowe wystające ze wspólnej podstawy). Ostatnia odmiana dzieli się dodatkowo na bezbarwne, ilustrowane zdjęciem kryształów prawie zupełnie przezroczystych oraz barwne, gdzie na zdjęciu pokazano kryształy o barwie fioletowej.
Źródło: UCL Mathematical and Physical Sciences (https://www.flickr.com), Rob Lavinsky (http://commons.wikimedia.org), Fred Kruijen (http://commons.wikimedia.org), JJ Harrison (http://commons.wikimedia.org), Didier Descouens (https://commons.wikimedia.org), Jdrewitt (http://commons.wikimedia.org), Wimmel (http://commons.wikimedia.org), Krzysztof Jaworski, Grażyna Makles, licencja: CC BY-SA 3.0.
Kryształy kwarcu niezależnie od postaci, w jakiej występują, zachwycają swoją barwą. Dlatego znajdują zastosowanie jako kamienie ozdobne i jubilerskie. Bezbarwna odmiana kwarcu zwana jest kryształem górskim (od greckiego krystallos – dawniej oznaczającego lód). Zabarwione odmiany krystaliczne to np.: przezroczysty ametyst (którego fioletową barwę wywołuje domieszka żelaza), ciemnobrunatny kwarc, tzw. dymny, żółty cytryn, kwarc różowy (który swoją barwę zawdzięcza domieszkom tytanu i manganu).
Agat jest wyjątkowo oryginalnym minerałem – nie ma na świecie dwóch identycznych okazów. To jeden z najładniejszych i najciekawszych kamieni. Główną jego ozdobą są przepiękne, naprzemianległe, różnobarwne warstewki. Opal to kamień, który przyciąga uwagę piękną grą barw. Nazwa onyks, z greckiego pazur, nawiązuje do twardości, wyglądu i ostrych krawędzi tego minerału. Jaspis dzięki związkom żelaza może być zabarwiony na kolor czerwony, brązowy, żółty lub zielony.
RjlHt1TX77wpw1
Zdjęcie przedstawia przezroczysty kryształ górski, mleczny w środku z wyraźnie sterczącymi na wszystkie strony przezroczystymi słupkami.
Źródło: Didier Descouens (https://commons.wikimedia.org), licencja: CC BY-SA 3.0.
RFLhcD58iVYmA1
Zdjęcie przedstawia czaszkę wykonaną z kryształu górskiego, której pochodzenie niektórzy przypisują prekolumbijskim ludom Ameryki Południowej. Jednak najnowsze badania wykazują ich europejskie pochodzenie i wiek nie przekraczający 300 lat.
Źródło: Rafał Chałgasiewicz (http://commons.wikimedia.org), licencja: CC BY 3.0.
Rvwvhd1WMqlQM1
Zdjęcie przedstawia czaszkę wykonaną z kryształu górskiego, której pochodzenie niektórzy przypisują prekolumbijskim ludom Ameryki Południowej. Jednak najnowsze badania wykazują ich europejskie pochodzenie i wiek nie przekraczający 300 lat.
Źródło: JJ Harrison (http://commons.wikimedia.org), licencja: CC BY-SA 3.0.
R1NUlDmI2UFkc1
Zdjęcie przedstawia portret profilowy rzymskiego cesarza Karakalli wykonany z ametystu zeszlifowanego do postaci gemmy, czyli owalnej płytki ozdobionej reliefem.
Źródło: Marie-Lan Nguyen (http://commons.wikimedia.org), licencja: CC BY 2.5.
R1QWiSGA5h6rW1
Zdjęcie przedstawia brązowy kryształ kwarcu dymnego w postaci pojedynczego słupka na białej podstawie mineralnej pokrytej drobnymi białymi kryształkami. Tło białe.
Źródło: JJ Harrison (http://commons.wikimedia.org), licencja: CC BY-SA 3.0.
R1NU6GLQn2bCu1
Zdjęcie przedstawia oszlifowany kwarc dymny w formie szlifu szmaragdowego, czyli prostokątnego. Kamień jest bladożółty i przejrzysty, leży na białym tle.
Źródło: Mauro Cateb (http://commons.wikimedia.org), licencja: CC BY-SA 3.0.
R1DLncIg5mU251
Zdjęcie przedstawia nieoszlifowany kamień szlachetny o nazwie cytryn. Barwa żółta, wygląda jakby do jednego kryształu w pionie przyklejono drugi na ukos. Tło zdjęcia czarne, kamień wyraźnie podświetlony z boku.
Zdjęcie przedstawia oszlifowany cytryn w formie szlifu szmaragdowego, czyli prostokątnego. Kamień jest jasnożółty i lekko przejrzysty, leży na białym tle.
Źródło: Mauro Cateb (http://commons.wikimedia.org), licencja: CC BY-SA 3.0.
R1N0KcTAqWVHG1
Zdjęcie przedstawia kryształ kwarcu różowego na czarnym tle. Kryształ ma formę bryłki o nieregularnym wyglądzie, lecz wyraźnie krystaliczną.
Źródło: Parent Géry (http://commons.wikimedia.org), licencja: CC BY-SA 3.0.
R1TA29oiootX21
Zdjęcie przedstawia pięć oszlifowanych kawałków kwarcu różowego o mlecznoróżowej barwie. Trzy mają szlif szmaragdowy, czyli prostokątny, zaś dwa są nieregularnymi pięciobokami. Wszystkie kamienie leżą obok siebie na białym tle.
Źródło: Mauro Cateb (http://commons.wikimedia.org), licencja: CC BY-SA 3.0.
R1HbOL33GlAxm1
Zdjęcie przedstawia agat w przekroju o widocznych warstwach czerwonych, bordowych, i białych. Zewnętrzna warstwa kamienia żółtawa. Widoczne jest jedno epicentrum warstw, z prawej strony mocno rozciągnięte, aż do krawędzi kamienia.
Źródło: Hannes Grobe (http://commons.wikimedia.org), licencja: CC BY-SA 2.5.
RFHGSdbepTCfg1
Zdjęcie przedstawia agat w przekroju o widocznych warstwach czerwonych i białych. Zewnętrzna warstwa kamienia usunięta. Widoczne jedno epicentrum główne oraz kilka małych epicentrów w pobliżu dolnej krawędzi. Na kamieniu widoczne są pęknięcia.
Źródło: Lech Darski (http://commons.wikimedia.org), licencja: CC BY-SA 3.0.
RnrtRouelV65D1
Zdjęcie przedstawia nieoszlifowany opal niebieski w odmianie szlachetnej, czyli opalizującej, co oznacza zmienność barw w zależności od kąta obserwacji.
Źródło: Hannes Grobe (http://commons.wikimedia.org), licencja: CC BY-SA 2.5.
RU0cwtVOAqeEI1
Zdjęcie przedstawia oszlifowany opal niebieski w odmianie szlachetnej, czyli opalizującej, co oznacza zmienność barw w zależności od kąta obserwacji. Szlif owalny, kamień ma formę nieco spłaszczonej kropli.
Źródło: CRPeters (http://commons.wikimedia.org), licencja: CC BY-SA 3.0.
R149wlvIN5g0V1
Zdjęcie przedstawia nieoszlifowany jaspis w zbliżeniu. W kamieniu widoczne są bordowe, żółtawe i pomarańczowe plamy oddzielone od siebie białymi cienkimi warstwami.
Źródło: Tommy (http://commons.wikimedia.org), licencja: CC BY 2.0.
R1AKoYIVJ6ddQ1
Zdjęcie przedstawia oszlifowany jaspis na białym tle. Kamień jest intensywnie ceglastoczerwony, ma gładkie ścianki i widoczne czarne plamy. Lewy dolny róg wydaje się odłupany.
Źródło: Doronenko (http://commons.wikimedia.org), licencja: CC BY 3.0.
R1M3zExlGcmRG1
Zdjęcie przedstawia prawie idealnie czarny, gładko oszlifowany onyks w postaci lekko wydłużonej, przypominającej kształtem fasolę lub orzech nerkowca. Lewa dolna strona kamienia biała.
Źródło: Simon Eugster (http://commons.wikimedia.org), licencja: CC BY-SA 3.0.
RVvBZHqXXmxQr1
Zdjęcie przedstawia stary metalowy naszyjnik, w który wprawiono czarny, gładko oszlifowany onyks o owalnym kształcie.
Źródło: shehal (http://www.flickr.com), edycja: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY 2.0.
R8LLPfxWNqnVd1
Zdjęcie przedstawia wysoką, kolumnową formację skalną przysypaną po bokach ziemią okrzemkową w samym środku trawiastej równiny. Zdjęcie wykonano na duńskiej wyspie Fur znanej z bogatych pokładów tego typu ziemi oraz pięknych skamielin.
Źródło: Slaunger (http://commons.wikimedia.org), edycja: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY-SA 3.0.
iWebXdSiXt_d5e235
2. Właściwości fizyczne tlenku krzemu(IV)
Badanie właściwości fizycznych krzemionki
Doświadczenie 1
Problem badawczy
Jakie właściwości fizyczne wykazuje podstawowy składnik piasku?
Hipoteza
Tlenek krzemu(IV) to twarda, nierozpuszczalna w wodzie substancja stała, która nie przewodzi prądu elektrycznego.
Co będzie potrzebne
tlenek krzemu(IV) w postaci piasku kwarcowego,
woda,
zlewki,
bagietka,
kawałek szyby,
2 elektrody grafitowe,
drucik,
bateria,
żarówka.
Instrukcja
Niewielką ilość tlenku krzemu(IV) podziel na 3 porcje.
Pierwszą z nich umieść w zlewce, nalej wodę i zawartość zamieszaj bagietką.
Drugą część krzemionki wykorzystaj do sprawdzenia, czy substancja ta rysuje szkło. W tym celu przesuń piasek palcami po kawałku szyby.
Trzecią porcję wprowadź do zlewki, w której należy umieścić dwie elektrody, połączone drucikiem z żarówką i z baterią, zamykając obwód elektryczny.
Podsumowanie
Tlenek krzemu(IV) jest substancją stałą, krystaliczną, nie rozpuszcza się w wodzie. Ze względu na dużą trwałość wiązań między krzemem i tlenem kwarc jest minerałem twardym. W 10‑stopniowej skali twardości Mohsaskala twardości Mohsaskali twardości Mohsa twardość szkła okiennego wynosi 5‑6, a kwarcu – 7. Po zamknięciu obwodu, w którym umieszczono piasek, żarówka się nie zaświeciła, czyli tlenek krzemu(IV) nie przewodzi prądu elektrycznego.
R1aLdI1zlwiBG1
Ilustracja przedstawia dziesięciostopniową skalę twardości Mohsa z przykładami dla każdego stopnia w postaci zdjęć i podpisów. Licząc od lewej są to: twardość jeden, talk. Twardość dwa, gips, Twardość trzy, kalcyt. Twardość cztery, fluoryt, Twardość pięć apatyt. Twardość sześć, ortoklaz, twardość siedem, kwarc. Twardość osiem, topaz. Twardość dziewięć, korund, Twardość dziesięć, diament.
Skala twardości Mohsa
R18bWfVI9DHkS1
Film rozpoczyna komputerowa animacja przedstawiająca piaszczysty brzeg morza i fale stopniowo napływające na plażę i cofające się z niej. Następuje zbliżenie na piasek i poszczególne ziarna. Na pierwszym planie, na tle wody pojawia się komputerowy model przezroczystego ziarnka krystalicznego tlenku krzemu.
Film rozpoczyna komputerowa animacja przedstawiająca piaszczysty brzeg morza i fale stopniowo napływające na plażę i cofające się z niej. Następuje zbliżenie na piasek i poszczególne ziarna. Na pierwszym planie, na tle wody pojawia się komputerowy model przezroczystego ziarnka krystalicznego tlenku krzemu.
Źródło: Marcin Sadomski, Kevin MacLeod (http://incompetech.com), Krzysztof Jaworski, Tomorrow Sp. z o.o., licencja: CC BY 3.0.
Źródło: Marcin Sadomski, Kevin MacLeod (http://incompetech.com), Krzysztof Jaworski, Tomorrow Sp. z o.o., licencja: CC BY 3.0.
Film rozpoczyna komputerowa animacja przedstawiająca piaszczysty brzeg morza i fale stopniowo napływające na plażę i cofające się z niej. Następuje zbliżenie na piasek i poszczególne ziarna. Na pierwszym planie, na tle wody pojawia się komputerowy model przezroczystego ziarnka krystalicznego tlenku krzemu.
iWebXdSiXt_d5e332
3. Właściwości chemiczne tlenku krzemu(IV)
Badanie właściwości chemicznych krzemionki1
Doświadczenie 2
Problem badawczy
Jakie właściwości chemiczne wykazuje podstawowy składnik piasku?
Hipoteza
Tlenek krzemu(IV) to substancja o małej aktywności chemicznej i charakterze kwasowym.
Co będzie potrzebne
tlenek krzemu(IV) w postaci piasku kwarcowego,
woda,
stężony roztwór wodorotlenku sodu,
stężony kwas solny,
probówki,
korki,
łapa do probówek,
palnik gazowy,
wkraplacze,
łyżka.
Instrukcja
Zanim przystąpisz do wykonania tego doświadczenia, załóż okulary i rękawice ochronne.
Do trzech probówek wprowadź piasek kwarcowy.
Do pierwszej probówki dodaj wodę, do drugiej wprowadź stężony roztwór wodorotlenku sodu, a do trzeciej – stężony kwas solny.
Zatkaj probówki korkiem i zamieszaj ich zawartość.
Odkorkuj probówki i ogrzewaj je w płomieniu palnika.
Podsumowanie
Tlenek krzemu(IV) nie reaguje z wodą ani z kwasem solnym, nawet po ogrzaniu. Roztwarza się pod wpływem wodorotlenku sodu, co można opisać równaniem reakcji:
Tlenek krzemu(IV) to tlenek kwasowy, o małej aktywności chemicznej. Ponadto (czego nie mieliśmy już okazji zaobserwować) analogiczne przemiany zachodzą podczas stapiania tlenku krzemu(IV) z wodorotlenkami, tlenkami zasadowymi i solami, np.:
Nie reaguje z kwasami, za wyjątkiem kwasu fluorowodorowego:
Nie rozkłada się pod wpływem wysokiej temperatury, ale może wówczas reagować z nielicznymi pierwiastkami, np.:
węglem
magnezem
Te reakcje chemiczne wykorzystuje się do otrzymywania krzemu.
RDb9yHnQpNqDf1
Film, na którym w laboratorium pojawia się chemik ubrany w fartuch i okulary oraz rękawice. Zerka na instrukcję z napisem: BADANIE WŁAŚCIWOŚCI CHEMICZNYCH TLENKU KRZEMU(IV). Na ekranie prezentowne są kolejno: probówki, korki, palnik, wkraplacz, zlewka z wodą, zlewka ze stężonym roztworem NaOH, zlewka ze stężonym kwasem solnym, zlewka z piaskiem kwarcowym i łyżka. Chemik wprowadza do 3 probówek piasek kwarcowy. Następnie do pierwszej probówki dodaje wodę, do drugiej za pomocą wkraplacza r-r NaOH, a do trzeciej r-r HCl (też za pomocą wkraplacza). Probówki zamyka korkiem i miesza ich zawartość. Następnie probówki ogrzewa w płomieniu palnika. Po chwili obserwuje, że: ani w 1, ani w 3 probówce nic się nie zmieniło, a w 2 probówce część piasku się rozpuściła.
Film, na którym w laboratorium pojawia się chemik ubrany w fartuch i okulary oraz rękawice. Zerka na instrukcję z napisem: BADANIE WŁAŚCIWOŚCI CHEMICZNYCH TLENKU KRZEMU(IV). Na ekranie prezentowne są kolejno: probówki, korki, palnik, wkraplacz, zlewka z wodą, zlewka ze stężonym roztworem NaOH, zlewka ze stężonym kwasem solnym, zlewka z piaskiem kwarcowym i łyżka. Chemik wprowadza do 3 probówek piasek kwarcowy. Następnie do pierwszej probówki dodaje wodę, do drugiej za pomocą wkraplacza r-r NaOH, a do trzeciej r-r HCl (też za pomocą wkraplacza). Probówki zamyka korkiem i miesza ich zawartość. Następnie probówki ogrzewa w płomieniu palnika. Po chwili obserwuje, że: ani w 1, ani w 3 probówce nic się nie zmieniło, a w 2 probówce część piasku się rozpuściła.
Film, na którym w laboratorium pojawia się chemik ubrany w fartuch i okulary oraz rękawice. Zerka na instrukcję z napisem: BADANIE WŁAŚCIWOŚCI CHEMICZNYCH TLENKU KRZEMU(IV). Na ekranie prezentowne są kolejno: probówki, korki, palnik, wkraplacz, zlewka z wodą, zlewka ze stężonym roztworem NaOH, zlewka ze stężonym kwasem solnym, zlewka z piaskiem kwarcowym i łyżka. Chemik wprowadza do 3 probówek piasek kwarcowy. Następnie do pierwszej probówki dodaje wodę, do drugiej za pomocą wkraplacza r-r NaOH, a do trzeciej r-r HCl (też za pomocą wkraplacza). Probówki zamyka korkiem i miesza ich zawartość. Następnie probówki ogrzewa w płomieniu palnika. Po chwili obserwuje, że: ani w 1, ani w 3 probówce nic się nie zmieniło, a w 2 probówce część piasku się rozpuściła.
Polecenie 1
Które etapy obserwowanego doświadczenia stwarzają zagrożenie dla eksperymentatora? Dlaczego?
Wskazówka
Które substancje używane podczas doświadczenia mają właściwości żrące? Dlaczego należy zwracać uwagę na to, w którą stronę ma być skierowany wylot probówki?
iWebXdSiXt_d5e482
4. Zastosowanie tlenku krzemu(IV)
Już od najdawniejszych czasów ludzie wykorzystywali niezwykłe właściwości krzemionki. MinerałminerałyMinerał zwany krzemieniem dzięki swojej twardości służył do krzesania ognia. Jest łupliwy, a jego odłamki mają ostre krawędzie, dlatego był wykorzystywany przez ludzi paleolitu jako surowiec do produkcji narzędzi kamiennych. Dziś krzemień jest surowcem wykorzystywanym w przemyśle ceramicznym i używanym do produkcji farb. Powłoki z farb krzemianowych są trwałe, odporne na wilgoć i mają dużą odporność mechaniczną. Są całkowicie niepalne i odporne na rozwój mikroorganizmów. Z krzemienia pasiastego ze względu na rzadkość jego występowania, walory estetyczne i odpowiednią twardość powstają oryginalna biżuteria oraz ozdoby.
Riuwb66WIp92o1
Zdjęcie przedstawia kawałek czarnego krzemienia na białym tle. Widoczne są miejsca, w których od skały odpadły dwa kawałki pozostawiając wgłębienie z ostrymi krawędziami.
Źródło: Der Messer (http://commons.wikimedia.org), edycja: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY-SA 3.0.
RNmfcVbjkRC2b1
Zdjęcie przedstawia dwa narzędzia z krzemienia na czarnym tle opatrzone małymi etykietkami z numerami katalogowymi. Narzędzia te mają kształty grotów włóczni lub strzał, lecz brak skali porównawczej uniemożliwia ocenę ich wielkości. Narzędzia mają kolor piaskowy.
Źródło: Didier Descouens (https://commons.wikimedia.org), licencja: CC BY-SA 3.0.
RmW58QlgROeB81
Zdjęcie przedstawia okrągły, gładko oszlifowany kawałek krzemienia pasiastego na niebieskim tle. Kamień cały pokryty jest nieregularnym wzorem składającym się z powyginanych pasków, naprzemiennie czarnych, białych i brązowych. Kamień błyszczy, świadczą o tym widoczne w dolnej jego części odblaski lampek oświetlających ekspozycję.
Źródło: Andrzej Otrębski (http://commons.wikimedia.org), licencja: CC BY-SA 3.0.
Re7ke4XXXxIvO1
Zdjęcie przedstawia przykład biżuterii z krzemienia pasiastego, naszyjnik. W metalową, przypuszczalnie srebrną oprawkę w kształcie kotka wprawiono cztery kawałki krzemienia pasiastego. Największy, o wyraźnym biało beżowym wzorze tworzy brzuch kota, nieco mniejszy beżowy to głowa, a dwa najmniejsze wypełniają przestrzeń na uszy. Kotek ma również wąsy zrobione z dwóch drucików zlutowanych z resztą metalowej oprawki i przyklejonych do kamienia.
Źródło: Thorton (http://commons.wikimedia.org), licencja: CC BY-SA 3.0.
R1PBtQHlzv2ft1
Zdjęcie przedstawia prawie idealną kulkę z krzemienia pasiastego o bardzo nieregularnym, brązowo białym wzorze zanikającym w dolnej części. Kulka jest wygładzona na wysoki połysk i ma widoczne rysy. W samym środku od jej powierzchni odbija się kształt okna i sylwetka osoby wykonującej zdjęcie.
Źródło: Adam Ognisty (http://commons.wikimedia.org), licencja: CC BY-SA 3.0.
Stopiony kwarc przy powolnym chłodzeniu tworzy tzw. szkło kwarcowe, z którego wytwarza się m.in. lampy w solariach, salach szpitalnych, światłowody, tygle laboratoryjne. Kryształy kwarcu mają właściwości piezoelektryczne. Gdy umieścimy je w zmiennym polu elektrycznym, wówczas kryształy te kurczą się i rozszerzają, emitując ultradźwięki. Ultradźwięki umożliwiają uzyskanie obrazów różnych obiektów, co wykorzystano w sonarach – do lokalizacji gór lodowych, ławic ryb, jak i w medycynie – do badania USG. Kryształy kwarcu służą też do produkcji niezwykle dokładnych zegarów oraz zapalniczek i zapalarek – ze względu na zjawisko piezoelektryczne, polegające na powstawaniu ładunków elektrycznych na powierzchni tego kryształu, w skutek naprężeń mechanicznych. Jako kamień ozdobny jest stosowany w jubilerstwie. W przemyśle optycznym używa się go do wyrobu soczewek i pryzmatów.
R8GzB24FCYgPZ1
Zdjęcie przedstawia wnętrze kapsuły solarium podczas pracy. Na pierwszym planie widać stopy i nogi osoby zażywającej kuracji, w głębi fragment łokcia. Wokół niebieskie rurki lamp emitujących promieniowanie ultrafioletowe.
Źródło: Evil Erin (http://www.flickr.com), licencja: CC BY 2.0.
R4dLgYgyhGR3u1
Zdjęcie przedstawia szklane naczynia laboratoryjne. Dwie leżące płasko kolbki kuliste z okrągłymi szyjkami, pomiędzy nimi talerzyk z błyszczącym szkliwem, powyżej trzy naczynia stojące, w tym dwa tygielki i jedna zlewka.
Źródło: Szlomo Lejb (https://commons.wikimedia.org, licencja: CC BY-SA 3.0.
RUSvik01vfN5K1
Zdjęcie przedstawia wiązkę nitek światłowodowych na czerwonym tle. Na końcach większości przezroczystych rureczek świecą się zielone oraz czerwone punkty
Źródło: roshan1286 (http://www.flickr.com), licencja: CC BY 2.0.
R5aQ9UBbzfRP61
Zdjęcie przedstawia zegarek ręczny bez paska. Koperta metalowa, srebrna, podobnie wskazówki. Cyferblat biały z czarnymi cyframi arabskimi. Pomiędzy cyframi 8 i 4 widoczny napis QUARTZ.
Źródło: Tomasz Sienicki (http://commons.wikimedia.org), licencja: CC BY 3.0.
R9EIQynkahHFY1
Zdjęcie przedstawia zapalniczkę benzynową. Zapalniczka ma korpus metalowy, pozłacany i jest otwarta. Jedyne jej czarne elementy to zawias pokrywki oraz pokrętło kółka krzesiwka. Tło białe.
Rysunek przedstawia piezoelektryczną ręczną zapalarkę do gazu. Korpus podłużny, szary, w połowie długości czerwony przycisk spustowy, po lewej stronie na końcu wąskiej srebrnej rurki wylot iskrownika.
Źródło: Nemo (http://pixabay.com), licencja: CC0.
R10WpZaw3JMyf1
Zdjęcie przedstawia trójkątny pryzmat ze szkła kwarcowego leżący na ciemnym podłożu. Z lewej strony pod niewielkim kątem na powierzchnię boczną pryzmatu pada wąska wiązka białego światła i częściowo odbija się w górę. Większa część wiązki wnika jednak w pryzmat i przechodzi przez niego na drugą stronę, gdzie na przeciwległej krawędzi rozprasza się w tęczowy słup. Słup ten, w miarę oddalania się od pryzmatu staje się coraz szerszy.
Źródło: Spigget (http://commons.wikimedia.org/), edycja: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY-SA 3.0.
REbtQOJdJ1vCk1
Zdjęcie przedstawia fotograficzny obiektyw manualny stałoogniskowy rosyjskiej produkcji, na co wskazują oznaczenia modelu MIR-1B, napisane cyrylicą. Widoczna przednia soczewka, w której odbija się zawartość pokoju, m.in. okno z zasłonami i krzesło, oznaczenia parametrów jasność dwa przecinek osiem, długość ogniskowej trzydzieści siedem milimetrów. Widoczne są też dwa metalowe karbowane pierścienie kontrolne: ogniskowej i wartości przysłony.
Źródło: Wuhazet - Henryk Żychowski (http://commons.wikimedia.org), licencja: CC BY 3.0.
R1e8H5BVC0qLu1
Na zdjęciu widoczna jest biżuteria wykonana z kilkunastu niewielkich ametystów połączonych ze sobą w coś w rodzaju bukietu. Wszystkie kamienie mają fioletowy kolor, za wyjątkiem silnie podświetlonego po lewej stronie, który wydaje się przezroczysty i bezbarwny. Kamienie połączone są ze sobą za pomocą metalowych drucików.
Źródło: Marie-Lan Nguyen (http://commons.wikimedia.org), licencja: CC BY 2.5.
R17suqoXMDaK31
Zdjęcie przedstawia dwa oszlifowane kamienie z kwarcu różowego o kształtach wielościennych kropli, stanowiące zapewne elementy biżuterii, lecz bez oprawy. Lewy kamień ułożony jest klasycznie, to znaczy szerszą stroną do dołu, natomiast prawy obrócony jest w prawo o 90 stopni.
Źródło: Mauro Cateb (http://commons.wikimedia.org), licencja: CC BY-SA 3.0.
R1AcclhXxo0OS1
Ilustracja przedstawia komputerową grafikę ilustrującą schemat działania sonaru. Składa się z izometrycznego rzutu fragmentu wybrzeża oraz statku płynącego po morzu. Na przekroju widoczne jest też dno morskie, którego fragment przeskanowany już wcześniej sonarem zaznaczony został w postaci kolorowego pasa. Obszar bezpośrednio pod okrętem wyróżnia się barwną czerwoną, ponieważ jest to jednocześnie miejsce, w którym dno morskie zaczyna być pofałdowane. Sonar umożliwia bowiem załodze okrętu uzyskać trójwymiarowy obraz dna wiele metrów pod statkiem.
Sonar
R6up1g24LDQjv1
Zdjęcie przedstawia czarnobiały obraz ultrasonograficzny przedstawiający ludzki płód w łonie matki. wyraźnie widoczne są głowa dziecka po lewej stronie, tułów w środku i kończyny po prawej. Cały obraz ma kształt odwróconego wachlarza, poza którym obraz jest czarny.
Badanie USG
Piasek jest podstawowym składnikiem zaprawy murarskiej i cementu oraz surowcem do produkcji wyrobów ceramicznych, a także różnych rodzajów szkła, np.: okiennego, ozdobnego, wodnego. Ponadto z piasku otrzymuje się krzem i jego stopy, wytwarza karborund ( – twardy materiał szlifierski).
RHGdH1gxghhqm1
Zdjęcie przedstawia wiadro na budowie pełne świeżej zaprawy murarskiej. Wewnątrz wiadra znajduje się też trójkątna kielnia.
Źródło: Stanisław Skowron, http://commons.wikimedia.org, licencja: CC0.
RisuNjTFDV8e11
Zdjęcie przedstawia dwudziestopięciokilogramowe worki cementu ułożone na palecie transportowej i ściągnięte grubą folią. Marka producenta została wymagana z obrazka.
Źródło: KVDP (http://commons.wikimedia.org), edycja: Krzysztof Jaworski, licencja: CC0.
R9kizloRlpmAK1
Zdjęcie przedstawia białe płytki ceramiczne ułożone w dwóch stosach po około dziesięć płytek na starej, drewnianej podłodze. Stos po lewej stronie to płytki większe, prawdopodobnie podłogowe. Stos po prawej zawiera płytki mniejsze, ścienne.
Źródło: Ken_Mayer (http://www.flickr.com), edycja: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY 2.0.
RQD8dzBvEriIz1
Zdjęcie przedstawia ozdobną butelkę z grubego, niebieskiego szkła. Butelka ma kształt pofalowany i leży na boku, na białej, płaskiej powierzchni.
Źródło: Matthew Bowden (http://commons.wikimedia.org), licencja: CC0.
R1XALfrKEpQP81
Zdjęcie przedstawia przezroczystą butelkę o kwadratowym przekroju wypełnioną cieczą z dziwacznymi, barwnymi kształtami i pnączami. Zawartość wygląda jak wodorosty, lecz w rzeczywistości jest efektem przeprowadzonego doświadczenia chemicznego.
Źródło: Nevit Dilmen (http://commons.wikimedia.org), edycja: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY-SA 3.0.
RujeMmLAjA8rm1
Zdjęcie przedstawia czarną, półkulistą bryłę wykonaną z monokrystalicznego węgliku krzemu, zwanego też karborundem. Na pierwszy rzut oka przypominająca spłaszczoną kroplę półkula wydaje się idealnie gładka, ale w rzeczywistości jej powierzchnia jest pofałdowana. Jednak i tak bardzo dobrze odbija ona światło, przez co ma właściwości lustrzane.
Źródło: David Monniaux (http://commons.wikimedia.org), edycja: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY-SA 3.0.
RRM9z1CHGqjGb1
Zdjęcie przedstawia kawałek krystalicznego krzemu na białym tle. Ma on postać czarnej, błyszczącej bryły o powierzchni przypominającej nieco pomiętą folię aluminiową.
Źródło: Enricoros (http://commons.wikimedia.org), edycja: Krzysztof Jaworski, licencja: CC0.
Ciekawostka
Sodowe szkło wodne zostało wynalezione przed około 6000 laty przez mieszkańców Teb – starożytnego miasta w górnym Egipcie. To stężony wodny roztwór krzemianu sodu z dodatkiem wodorotlenku sodu, który zapobiega hydrolizie. Do połowy XIX wieku nie znaleziono zastosowania dla tej substancji, więc popadła ona w zapomnienie. Dzisiaj szkło wodne pełni wiele funkcji, np.: służy do wyrobu klejów i kitów kwasoodpornych oraz ognioodpornych, wykorzystywanych w budownictwie. Produkuje się z niego żywice silikonowe, używa się go do produkcji proszków do prania, farb, a nawet jako dodatku do żywności. Jest skutecznym środkiem do impregnacji drewna i tkanin. Szkło wodne umożliwia tworzenie tzw. chemicznych ogrodów, w których chemiczne roślinki „wyrastają” w mgnieniu oka.
R1Ut2WrX5X7Ln1
Film rozpoczyna ujęcie stołu laboratoryjnego z wyposażeniem niezbędnym do przeprowadzenia doświadczenia. Są tam metalowe szczypce, pinceta, szalka Petriego, szeroka i płytka zlewka nazywana krystalizatorem, butelka ze szkłem wodnym, mała zlewka z płynem, drucik z rękojeścią i kilka papierowych banknotów zabawek. Następuje zbliżenie na butelkę szkła wodnego, a następnie zmiana ujęcia na przedstawiające przelewanie przez demonstratora szkła wodnego z butelki do krystalizatora. Następuje demonstracja lepkości cieczy, w trakcie której podczas przechylania krystalizatora szkło wodne przelewa się z wyraźnymi opóźnieniami. Zmiana ujęcia, zbliżenie szalki z banknotem i krystalizatora. Demonstrator za pomocą pincety zanurza papierowy banknot w szkle wodnym. Zmiana ujęcia, demonstrator długimi szczypcami bierze z szalki banknot nie zanurzony wcześniej w szkle wodnym i wkłada go w płomień palnika gazowego. Banknot natychmiast się spala czerwonożółtym płomieniem. Zmiana ujęcia na zbliżenie końcówki szczypiec trzymających banknot wyraźnie błyszczący od naniesionego na niego szkła wodnego. W momencie umieszczenia takiego banknotu nad palnikiem płomień zmienia barwę na pomarańczową, ale papier się nie pali. Zmiana ujęcia na przedstawiające zbliżenie blatu z kawałkiem drutu i małą zlewką z płynem. Eksperymentator łapie pincetą drucik i macza go w roztworze ze zlewki, a następnie przenosi drut do płomienia, który zabarwia się na żółto.
Film rozpoczyna ujęcie stołu laboratoryjnego z wyposażeniem niezbędnym do przeprowadzenia doświadczenia. Są tam metalowe szczypce, pinceta, szalka Petriego, szeroka i płytka zlewka nazywana krystalizatorem, butelka ze szkłem wodnym, mała zlewka z płynem, drucik z rękojeścią i kilka papierowych banknotów zabawek. Następuje zbliżenie na butelkę szkła wodnego, a następnie zmiana ujęcia na przedstawiające przelewanie przez demonstratora szkła wodnego z butelki do krystalizatora. Następuje demonstracja lepkości cieczy, w trakcie której podczas przechylania krystalizatora szkło wodne przelewa się z wyraźnymi opóźnieniami. Zmiana ujęcia, zbliżenie szalki z banknotem i krystalizatora. Demonstrator za pomocą pincety zanurza papierowy banknot w szkle wodnym. Zmiana ujęcia, demonstrator długimi szczypcami bierze z szalki banknot nie zanurzony wcześniej w szkle wodnym i wkłada go w płomień palnika gazowego. Banknot natychmiast się spala czerwonożółtym płomieniem. Zmiana ujęcia na zbliżenie końcówki szczypiec trzymających banknot wyraźnie błyszczący od naniesionego na niego szkła wodnego. W momencie umieszczenia takiego banknotu nad palnikiem płomień zmienia barwę na pomarańczową, ale papier się nie pali. Zmiana ujęcia na przedstawiające zbliżenie blatu z kawałkiem drutu i małą zlewką z płynem. Eksperymentator łapie pincetą drucik i macza go w roztworze ze zlewki, a następnie przenosi drut do płomienia, który zabarwia się na żółto.
Film rozpoczyna ujęcie stołu laboratoryjnego z wyposażeniem niezbędnym do przeprowadzenia doświadczenia. Są tam metalowe szczypce, pinceta, szalka Petriego, szeroka i płytka zlewka nazywana krystalizatorem, butelka ze szkłem wodnym, mała zlewka z płynem, drucik z rękojeścią i kilka papierowych banknotów zabawek. Następuje zbliżenie na butelkę szkła wodnego, a następnie zmiana ujęcia na przedstawiające przelewanie przez demonstratora szkła wodnego z butelki do krystalizatora. Następuje demonstracja lepkości cieczy, w trakcie której podczas przechylania krystalizatora szkło wodne przelewa się z wyraźnymi opóźnieniami. Zmiana ujęcia, zbliżenie szalki z banknotem i krystalizatora. Demonstrator za pomocą pincety zanurza papierowy banknot w szkle wodnym. Zmiana ujęcia, demonstrator długimi szczypcami bierze z szalki banknot nie zanurzony wcześniej w szkle wodnym i wkłada go w płomień palnika gazowego. Banknot natychmiast się spala czerwonożółtym płomieniem. Zmiana ujęcia na zbliżenie końcówki szczypiec trzymających banknot wyraźnie błyszczący od naniesionego na niego szkła wodnego. W momencie umieszczenia takiego banknotu nad palnikiem płomień zmienia barwę na pomarańczową, ale papier się nie pali. Zmiana ujęcia na przedstawiające zbliżenie blatu z kawałkiem drutu i małą zlewką z płynem. Eksperymentator łapie pincetą drucik i macza go w roztworze ze zlewki, a następnie przenosi drut do płomienia, który zabarwia się na żółto.
R3mzOpreFnonl1
Film rozpoczyna się ujęciem przedstawiającym elementy niezbędne do przeprowadzenia eksperymentu. Są to menzurka z wodą destylowaną, duża zlewka, butelka szkła wodnego oraz pięć małych zlewek z różnokolorowymi substancjami. Substancje te podpisane są wzorami chemicznymi związków azotanu wapnia, azotanu niklu dwa, azotanu żelaza trzy, azotanu miedzi dwa i azotanu manganu dwa. Zmiana ujęcia na małe zlewki z tymi związkami ustawione w tej samej kolejności. Można teraz dokładnie przyjrzeć się ich formie i kolorom. Wszystkie mają postać małych kryształków, ale o różnych barwach: białych, zielonych, żółtawych, niebieskich i różowych. Zmiana ujęcia, demonstrator napełnia zlewkę szkłem wodnym oraz wodą z menzurki. Następnie do roztworu wsypuje kryształki wszystkich azotanów. Następuje zbliżenie na dno zlewki z mieszaniną kryształków, z których w górę zaczynają strzelać barwne smugi i odrostki. Na ekranie, w miarę postępu komentarza lektora pojawiają się zapisy reakcji kolejnych wsypanych do zlewki substancji z krzemianem sodu. We wszystkich przypadkach są to reakcje wymiany, w wyniku których powstają krzemiany manganu, miedzi, żelaza, niklu i wapnia oraz azotan sodu. Zmiana ujęcia na powolną prezentację zawartości całej zlewki z bliska.
Film rozpoczyna się ujęciem przedstawiającym elementy niezbędne do przeprowadzenia eksperymentu. Są to menzurka z wodą destylowaną, duża zlewka, butelka szkła wodnego oraz pięć małych zlewek z różnokolorowymi substancjami. Substancje te podpisane są wzorami chemicznymi związków azotanu wapnia, azotanu niklu dwa, azotanu żelaza trzy, azotanu miedzi dwa i azotanu manganu dwa. Zmiana ujęcia na małe zlewki z tymi związkami ustawione w tej samej kolejności. Można teraz dokładnie przyjrzeć się ich formie i kolorom. Wszystkie mają postać małych kryształków, ale o różnych barwach: białych, zielonych, żółtawych, niebieskich i różowych. Zmiana ujęcia, demonstrator napełnia zlewkę szkłem wodnym oraz wodą z menzurki. Następnie do roztworu wsypuje kryształki wszystkich azotanów. Następuje zbliżenie na dno zlewki z mieszaniną kryształków, z których w górę zaczynają strzelać barwne smugi i odrostki. Na ekranie, w miarę postępu komentarza lektora pojawiają się zapisy reakcji kolejnych wsypanych do zlewki substancji z krzemianem sodu. We wszystkich przypadkach są to reakcje wymiany, w wyniku których powstają krzemiany manganu, miedzi, żelaza, niklu i wapnia oraz azotan sodu. Zmiana ujęcia na powolną prezentację zawartości całej zlewki z bliska.
Film rozpoczyna się ujęciem przedstawiającym elementy niezbędne do przeprowadzenia eksperymentu. Są to menzurka z wodą destylowaną, duża zlewka, butelka szkła wodnego oraz pięć małych zlewek z różnokolorowymi substancjami. Substancje te podpisane są wzorami chemicznymi związków azotanu wapnia, azotanu niklu dwa, azotanu żelaza trzy, azotanu miedzi dwa i azotanu manganu dwa. Zmiana ujęcia na małe zlewki z tymi związkami ustawione w tej samej kolejności. Można teraz dokładnie przyjrzeć się ich formie i kolorom. Wszystkie mają postać małych kryształków, ale o różnych barwach: białych, zielonych, żółtawych, niebieskich i różowych. Zmiana ujęcia, demonstrator napełnia zlewkę szkłem wodnym oraz wodą z menzurki. Następnie do roztworu wsypuje kryształki wszystkich azotanów. Następuje zbliżenie na dno zlewki z mieszaniną kryształków, z których w górę zaczynają strzelać barwne smugi i odrostki. Na ekranie, w miarę postępu komentarza lektora pojawiają się zapisy reakcji kolejnych wsypanych do zlewki substancji z krzemianem sodu. We wszystkich przypadkach są to reakcje wymiany, w wyniku których powstają krzemiany manganu, miedzi, żelaza, niklu i wapnia oraz azotan sodu. Zmiana ujęcia na powolną prezentację zawartości całej zlewki z bliska.
iWebXdSiXt_d5e539
5. Krzem − pierwiastek życia i elektroniki
Właściwości fizyczne i chemiczne krzemu
Krzem to substancja stała o barwie ciemnoszarej i metalicznym połysku. Tworzy kryształy podobne do kryształów diamentu. Jest półprzewodnikiem. To pierwiastek twardy (6,5 w skali Mohsa) i kruchy. Ma wysoką temperaturę topnienia (1863 K), podczas którego zmniejsza swoją objętość, podobnie jak woda. Jest mało aktywny chemicznie. Nie reaguje z wodą ani z kwasami, z wyjątkiem kwasu fluorowodorowego. W temperaturze pokojowej krzem reaguje tylko z fluorem, tworząc czterofluorek krzemu – . Po ogrzaniu wchodzi w reakcje z innymi fluorowcami, z tlenem i azotem, dzięki czemu w temperaturach ok. 1000 K powstają tlenek i azotek , a w temperaturach powyżej 2300 K reaguje m.in. z węglem, tworząc węglik. W wysokich temperaturach reaguje także z metalami, tworząc krzemki np. . W roztworach zasad krzem roztwarza się z wydzieleniem wodoru.
Rke7hd97CoP5G1
Plansza prezentuje w postaci tekstowej ważne informacje o roli krzemu w organizmie człowieka. Można się z niej dowiedzieć, że dzienne zapotrzebowanie to od dwudziestu do trzydziestu miligramów, przy czym kobiety w ciąży, osoby starsze i po operacjach kostnych potrzebują go więcej. Następna informacja głosi o korzystnej roli krzemu w usuwaniu toksyn z organizmu, usuwaniu podrażnień i stanów zapalnych skóry, ograniczaniu wypadania włosów i wzmacniania paznokci. Tablicę kończy informacja o wpływie niedoboru krzemu na kłopoty z pamięcią.
Źródło: epodreczniki.plKrzysztof Jaworski, Grażyna Makles, Enricoros (http://commons.wikimedia.org), licencja: CC BY 3.0tylko do użytku edukacyjnego na epodreczniki.pl.
R1YjjfoJsUrAs1
Ilustracja ma postać tablicy, na której zapisano sześć reakcji charakterystycznych dla krzemu: syntezy krzemianu sodu w reakcji z wodnym roztworem wodorotlenku sodu (z wydzieleniem wodoru), reakcji z kwasem fluorowodorowym w wyniku czego powstają fluorek krzemu i wodór, utleniania czystego krzemu, łączenia krzemu z azotem w azotek krzemu, syntezy węgliku krzemu oraz krzemku magnezu.
Źródło: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY 3.0.
Otrzymywanie krzemu
W warunkach laboratoryjnych można otrzymać krzem z krzemionki, redukując ją magnezem. Na skalę przemysłową krzem jest produkowany przez prażenie krzemionki, węgla i żelaza w piecu elektrycznym. Do zapoczątkowania tych procesów potrzebna jest wysoka temperatura ponad 2273 K. Wydzielony krzem uwalnia się od domieszek tlenku magnezu oraz resztek substratów przez kolejne traktowanie spieku kwasem solnym, a następnie fluorowodorem. W przemyśle elektronicznym potrzebny jest bowiem krzem o wysokiej czystości.
Zastosowanie krzemu
Krzem wkroczył na arenę elektroniki na początku lat pięćdziesiątych ubiegłego wieku. Kiedy w 1947 r. został skonstruowany germanowy tranzystor ostrzowy, uznano go za jedno z największych osiągnięć XX wieku. Dziś tranzystory są coraz mniejsze, szybsze i mniej energochłonne. Obecnie krzem służy do produkcji półprzewodnikowych układów scalonych, wafli do wytwarzania chipów krzemowych, kolektorów słonecznych, żaroodpornych płytek, którymi pokrywa się powierzchnie statków. Ponadto krzem stosuje się jako dodatek stopowy, gdyż poprawia właściwości kwasoodporne stali. Stopy krzemu z glinem są używane do odlewów. Z kolei dietetycy nazywają go pierwiastkiem zdrowia i długowieczności.
Ciekawostka
Kilogram to jedyna jednostka SI, dla której podstawą definicji jest określony przedmiot, a nie odwołanie się do stałych fizycznych. Nowy wzorcowy kilogram ma być doskonalszy od obecnie uznawanego, wykonanego w kształcie walca ze stopu platyny z irydem. Ma to zagwarantować jego powiązanie ze stałą AvogadraAmedeo Avogadro (znany też jako Amadeo Avogadro)Avogadra. Do jego wykonania wybrano krzem. Regularny układ atomów w takim krysztale pozwolił naukowcom z góry ustalić, że krzemowa kula o masie 1 kilograma będzie miała średnicę 93,75 mm. Dwa takie wzorce – w tzw. projekcie Avogadro – wykonano w Australii.
RFFZMZlCsvRcP1
Zdjęcie przedstawia wzorzec kilograma w Sèvres wykonany ze stopu platyny z irydem. Ma on postać walca o wysokości i średnicy 39 mm i jest przechowywany pod dwoma szklanymi kloszami.
Wysokość i średnica wzorca kilograma z Sèvres to 39 mm
RfvrYXETiSX2t1
Zdjęcie przedstawia nowy wzorzec kilograma wykonany w ramach projektu Avogadro z monokryształu krzemu. Jest to jednocześnie najdoskonalsza wykonana przez człowieka kula na świecie, a jej średnica wynosi 93,75 mm. Idealnie gładka kula trzymana jest w dłoni w rękawiczce lateksowej przez naukowca, na tle pomieszczenia wypełnionego sprzętem badawczym.
Najdoskonalsza materialna kula na świecie (monokryształ krzemu)
iWebXdSiXt_d5e609
Podsumowanie
Tlenek krzemu(IV) występuje w przyrodzie w postaci krystalicznej, głównie jako kwarc, oraz bezpostaciowej jako opal i ziemia okrzemkowa.
Tlenek krzemu(IV) to ciało stałe, krystaliczne, bezbarwne, nierozpuszczalne w wodzie ani w innych popularnych rozpuszczalnikach. To substancja o wysokiej temperaturze topnienia i dużej twardości.
Tlenek krzemu(IV) wykazuje małą aktywność chemiczną; nie rozkłada się pod wpływem wysokiej temperatury, nie reaguje z wodą, kwasami (wyjątkiem jest kwas fluorowodorowy), po ogrzaniu reaguje z tlenkami i wodorotlenkami metali oraz z nielicznymi pierwiastkami, np. z węglem, magnezem. Zalicza się go do tlenków o charakterze kwasowym.
Praca domowa
Polecenie 2.1
Uzupełnij puste miejsca w równaniach reakcji chemicznych. Pamiętaj o współczynnikach stechiometrycznych.
Polecenie 2.2
Na plażę często zabieramy aparat fotograficzny. Dlaczego powinniśmy zakładać osłonę na obiektyw?
Polecenie 2.3
W życiu codziennym spotykamy się często z różnorodnym zastosowaniem związków krzemu. O wielu z tych zastosowań była już mowa, ale temat nie został jeszcze wyczerpany. Chcąc uzupełnić to zagadnienie, odpowiedz na pytanie: jakie związki krzemu można wykorzystać:
do produkcji soczewek kontaktowych i szamponów? Wskazówka: Materiał ten łatwo się odkształca, umożliwia swobodne oddychanie oczu i włosów, soczewki z niego wykonane nie wysychają, a włosy mają ładny połysk;
jako osłony termiczne w pojazdach kosmicznych? Wskazówka: Oprócz dużej twardości tego związku (9,5 w skali Mohsa) jego dodatkową zaletą jest wysoka odporność termiczna;
do otrzymywania środka suszącego, który umieszcza się np. w kartoniku z butami? Wskazówka: Jego porowata struktura tworzy olbrzymią powierzchnię, dzięki czemu ma on doskonałe właściwości osuszające;
do tworzenia m.in. warstwy izolacyjnej w skafandrach kosmonautów czy też jako wypełnienie termoregulacyjne w samolotach? Wskazówka: Substancje o najmniejszym dla ciał stałych współczynniku przewodnictwa ciepła, a także o najmniejszej dla ciał stałych gęstości.
iWebXdSiXt_d5e695
Słowniczek
Amedeo Avogadro (znany też jako Amadeo Avogadro)
Biogram Amedeo Avogadro (znany też jako Amadeo Avogadro) nie istniejeR1VtfireV13aA1
Litograficzny portret Amedeo Avogadro na bazie rysunku autorstwa C. Sentiera.
Źródło: C. Sentier (http://commons.wikimedia.org), edycja: Krzysztof Jaworski, licencja: CC0.
Karierę zawodową rozpoczął jako prawnik. Następnie został profesorem fizyki matematycznej. Avogadro stwierdził, że równe objętości wszystkich gazów, w tych samych warunkach temperatury i ciśnienia, zawierają jednakowe liczby cząsteczek (prawo Avogadra). Jego hipoteza była kluczem do rozwiązania wielu problemów, przed którymi stanęły nauki chemiczne XIX wieku. Liczba NIndeks dolny AA = 6,02 · 10Indeks górny 2323, związaną z definicją mola, jednej z podstawowych jednostek układu SI, nazwano od nazwiska uczonego liczbą Avogadra.
naturalne, jednorodne składniki skorupy ziemskiej o charakterystycznym składzie i specyficznych właściwościach fizycznych; większość z nich jest częścią ciał krystalicznych o uporządkowanej budowie wewnętrznej, w której atomy i jony zajmują ściśle określone miejsce, tworząc sieć przestrzenną; minerały łączą się ze sobą w formy zwane skałami
Carl Friedrich Christian Mohs
RcV1fuCLWNXrt1
Friedrich Mohs
Źródło: Josef Kriehuber (http://commons.wikimedia.org), edycja: Krzysztof Jaworski, licencja: CC0.
Carl Friedrich Christian Mohs
Studiował chemię, matematykę i fizykę na Uniwersytecie w Halle, a także mineralogię na Akademii Górniczej we Freibergu. W 1802 roku przeniósł się do Austrii, gdzie zajmował się badaniem i klasyfikacją minerałów. Największym, najbardziej znanym i powszechnie wykorzystywanym do dziś osiągnięciem Mohsa jest zaproponowana przez niego w 1812 r. dziesięciostopniowa skala twardości minerałów (skala Mohsaskala twardości Mohsaskala Mohsa). Pozwala ona określać stopień odporności minerałów twardszych na zarysowania przez minerały bardziej miękkie.
podział skał ze względu na sposób powstawania
Definicja: podział skał ze względu na sposób powstawania
R1ZE7xdSCewVX1
Ilustracja przedstawia podział skał ze względu na sposób powstawania wraz z ilustracjami poglądowymi oraz przykładami. Pierwsza grupa to skały magmowe, takie jak granit, bazalt i pumeks, powstające z krzepnięcia magmy w głębi Ziemi lub na jej powierzchni. Drugi rodzaj, to skały osadowe, takie jak piaskowiec, wapień i gips powstające w procesie sedymentacji materiału, najczęściej w środowisku wodnym. I trzecia, ostatnia grupa to skały przeobrażone, takie jak marmur, gnejs i łupki powstałe w wyniku działania wysokiego ciśnienia i temperatury na skały już istniejące.
Źródło: Dake (http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Granite_softgreen.jpg), Zumthie(http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bentheimer-Sandstein.jpg), Piotr Sosnowski(http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Marmur_z_serpentynitem.jpg), Grażyna Makles, Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY-SA 3.0.
skala twardości Mohsa
Definicja: skala twardości Mohsa
skala twardości minerałów opracowana przez niemieckiego fizyka i chemika − Friedricha MohsaCarl Friedrich Christian MohsFriedricha Mohsa w roku 1812; dziesięciostopniowa skala stosowana do określania stopnia odporności twardszych minerałów na zarysowania przez materiały bardziej miękkie; pozwala określić, który minerał od innego, ale nie określa, o ile jest twardszy
skała
Definicja: skała
naturalny zespół jednego lub wielu różnych minerałów powstały w wyniku różnych procesów geologicznych lub kosmologicznych, tworzący podstawowy składnik skorupy ziemskiej
iWebXdSiXt_d5e973
Zadania
Ćwiczenie 1
R1SlBfnmFanLc1
zadanie interaktywne
zadanie interaktywne
Źródło: Grażyna Makles, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 2
RZnLWJd0BMHLx1
zadanie interaktywne
zadanie interaktywne
Oceń, czy podane zdania są prawdziwe, czy fałszywe.
Prawda
Fałsz
Tlenku krzemu(IV) ma charakter kwasowy.
□
□
Tlenek krzemu(IV) reaguje z kwasami.
□
□
Krzem to pierwiastek, który zajmuje drugie miejsce we Wszechświecie ze względu na rozpowszechnienie.
□
□
Krzemionka to ciało stałe, twarde, o wysokiej temperaturze topnienia, aktywne chemicznie.
□
□
Szkło kwarcowe jest wrażliwe na nagłe zmiany temperatury.
□
□
Tlenek krzemu(IV) nie rozkłada się pod wpływem wysokiej temperatury.
□
□
Do wyrobu narzędzi i broni kiedyś używano krzemianów.
□
□
Źródło: Grażyna Makles, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 3
R1GZOchoxErRg1
zadanie interaktywne
zadanie interaktywne
Uzupełnij poniższe zdania, wybierając brakujące elementy z listy.
Trawienie szkła polega na ...................................... się krzemionki w wyniku jej reakcji z kwasem .......................................
Kwas fluorowodorowy ...................................... być przechowywany w naczyniach szklanych i porcelanowych, ponieważ ...................................... z krzemionką.
W skali Mohsa twardość kwarcu jest ...................................... od diamentu i ...................................... od szkła.
Krzem otrzymujemy w reakcji ...................................... z .......................................
Źródło: Grażyna Makles, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 4
RumVofQ1oAdhF1
zadanie interaktywne
zadanie interaktywne
Krzem i jego związki znajdują wiele zastosowań w różnych gałęziach gospodarki. Połącz w pary nazwy substancji z ich zastosowaniem.
jako środek suszący, impregnacja drewna, papieru, tkanin, wyrób kitów żaroodpornych i kwasoodpornych, zapalniczki piezoelektryczne, wyrób sonarów, do wyrobu pryzmatów, produkcja szkła laboratoryjnego, wyroby jubilerskie, produkcja cementu, produkcja szkła, produkcja zaprawy murarskiej
wodorotlenek, nie zaświeciła, kwas, krystaliczną, substancją stałą, małej, reaguje, nie przewodzi, sól, nie rozpuszcza, tlenek krzemu(IV), twardym, nie reaguje
, czyli ...................................... jest ....................................... Przyglądając się drobinom piasku można stwierdzić, że krzemionka ma postać ....................................... Związek ten ...................................... się w wodzie i innych popularnych rozpuszczalnikach. Ze względu na dużą trwałość wiązań między krzemem i tlenem kwarc jest minerałem ....................................... Po zamknięciu obwodu z żarówka się ......................................, czyli krzemionka ...................................... prądu elektrycznego. Tlenek krzemu(IV) jest związkiem o ...................................... aktywności chemicznej. Związek ten ...................................... z wodą, ani z kwasem solnym, ...................................... z wodorotlenkiem sodu, dając .......................................
Źródło: Grażyna Makles, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 6
RUBxDAoEAY0VZ1
zadanie interaktywne
zadanie interaktywne
Rozwiąż krzyżówkę.
Nazwa należącego do 14. grupy układu okresowego pierwiastka, którego elektrony są rozmieszczone na trzech powłokach elektronowych.
Szkło stosowane do produkcji światłowodów.
Na zjawisku piezoelektrycznym opiera się budowa kwarcowego...
Odmiana kwarcu o fioletowym zabarwieniu.
Skała osadowa wykorzystywana przez człowieka w prehistorii jako materiał do wyrobu narzędzi, broni i do krzesania ognia.
Sole kwasu krzemowego.
Charakter chemiczny tlenku krzemu(IV).
Nazwa zwyczajowa węgliku krzemu.
Wielkocząsteczkowe związki krzemoorganiczne, które mogą być m.in. wykorzystywane w budownictwie jako materiały uszczelniające i łączące.
Najczęściej spotykany w przyrodzie minerał, którego składnikiem jest .
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Źródło: Grażyna Makles, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 7
RNBWv1JdKP7A51
zadanie interaktywne
zadanie interaktywne
Odszukaj krzem w układzie okresowym, określ jego położenie, liczbę atomową oraz opisz budowę atomu tego pierwiastka. Uzupełnij puste miejsca, wybierając brakujące elementy z listy.
A = 14, 14 protonów, 14 elektronów i 28 neutronów, Z = 28, 14 protonów, 14 elektronów i 14 neutronów, 28 protonów, 28 elektronów i 28 neutronów, Z = 14, 4, 3, 14, 4, 14, IV B, 3, 3, 14
Krzem znajduje się w .......................................................................................... grupie i w .......................................................................................... okresie układu okresowego pierwiastków chemicznych.
Jego liczba atomowa to ...........................................................................................
W skład izotopu krzemu Si-28 wchodzi: ...........................................................................................
Atom krzemu dysponuje .......................................................................................... elektronami walencyjnymi.