Công Ty Hóa Chất Hanimex HANIMEX Chemical
Tính Chất Hoá Học Của Đá – Hanimex Chem
Đá trong tự nhiên có rất nhiều loại như đá vôi , đá thạch anh , đá mắc ma , đá trầm tích , đá núi lửa… Tuỳ vào tính chất hoá học của đá mà có nhiều cách xử lý như đánh bóng , làm mòn , làm mờ để có ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống. Hôm nay Hanimex xin được chia sẻ đến bạn đọc tính chất hoá học của một loại đá đang có nhiều ứng dụng đó chính là đá thạch anh.
Thạch anh là một hợp chất gồm một phần silic và hai phần oxy, silic dioxide, SiO2. Cấu tạo hóa học của nó (và nguyên tố silic, Si) được khám phá ra bởi nhà hóa học Jöns Jakob Berzelius vào năm 1823. Silicon dioxide thường được gọi là silic.
Theo IUPAC, hai tên sau đều đúng: silicon dioxide và dioxosilane
Phản ứng
Ở nhiệt độ trong phòng, SiO2 trong sự biến thể hầu như đều trơ và không phản ứng với các chất khác. Thậm chí ở nhiệt độ tương đối cao, về mặt hóa học silica rat ổn định. Với lý do đó, thạch anh kíp (thủy tinh silica) được sử dụng rộng rãi cho các thiết bị hóa học, đặc biệt khi phản ứng xúc tác của ion dương kim loại trong thủy tinh thông thường cần được tránh. Lý do vì phản ứng của silica rất mạnh trong liên kết Si-O, nhưng cấu trúc phân tử lại lớn.
Là thạch cao khan của một axit (axit orthosilicic, H4SiO4), thạch anh nhìn chung không bị tấn công bởi axit. Ngoại lệ nổi bật của axit hydroflourix, HF, sẽ phân hủy thạch anh để hình thành silicon fluoride đầu tiên SiF4, sau đó tới axit hydroflourosilicic:
SiO2 + 6 HF → H2SiF6 + 2 H2O [1]
SiO2 cũng bị tấn công bởi các chất kiềm (như là KOH). Tốc độ phản ứng phụ thuộc vào sự biến đổi và kích cỡ tinh thể: Thạch anh kết tinh sẽ hòa tan rất chậm trong dung dịch kiềm nóng, trong khi SiO2 sẽ hòa tan dễ dàng ở nhiệt độ trong phòng:
SiO2 + 2 KOH → K2SiO3 + H2O [2]
Phản ứng thích hợp với chất phản ứng, bởi dung dịch kiềm và chất tẩy đôi khi được dùng để loại bỏ rêu và địa y từ vật mẫu khoáng sản. Những tinh thể thạch anh thường không phải vấn đề, nhưng tôi sẽ rất cẩn thận khi lau sạch những tinh thể kín khác nhau.
Một phản ứng tương tự dẫn đến sự hình thành chất gel silica trong bê tông, khi hợp chất kiềm của bê tông, đặc biệt Ca(OH)2 phản ứng với silica không kết tinh và thạch anh tinh thể kín (đó là, opal và chalcedony). Gel silica hút nước, sung và làm nứt bê tông trong vài thập kỷ.
Tất cả các dạng silica hòa tan trong natron nấu chảy (Na2CO3) hoặc (K2CO3) để hình thành silicat.
SiO2 + K2CO3 → K2SiO3 + CO2
Ở nhiệt độ cao trong nhiều môi trường địa chất, thạch anh đóng vai trò như một axit, và phản ứng với các khoáng kiềm. Một ví dụ nổi bật đó là sự hình thành khoáng wollastoniteCa3Si3O9 từ thạch anh và canxit trong quy trình biến chất đá trong nhiệt độ khoảng từ 600°C trở lên:
3 SiO2 + 3 CaCO3 → Ca3Si3O9 + 3 CO2
Phản ứng đối lập xảy ra trong quá trình phong hóa đá silicat, ví dụ ở đây có axit carbonic H2CO3 trong dung dịch khí tượng thải rag axit silicic và hình thành carbonates
Thạch anh là một kim loại silicon. Silicon được bù lại ở nhiệt độ khoảng 2000°C trong phản ứng thu nhiệt dưới đây:
SiO2 + 2 C → Si + 2 CO
Liên kết Si-O mạnh hơn liên kết C-O, và phản ứng chỉ xảy ra do CO thoát khỏi hệ thống như một khí, nên sự cân bằng phản ứng bị đẩy sang phía bên phải. Sự hình thành CO thay vì CO2 tiêu biểu cho phản ứng khử với carbon ở nhiệt độ cao. Silicon được hình thành trong quy trình này không đủ tinh khiết cho sự sản xuất tinh thể và cần được thực hiện trong trong một quy trình phức tạp hơn. Vì vậy sự phong phú về kim loại của nó, silicon tinh khiết tương đối đắt.
Tính tan trong nước
Tính tan của SiO2 trong nước phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, cấu trúc bề mặt của nó và sự biến đổi cấu trúc. Bảng dưới đây sẽ khái quát tính tan ở nhiệt độ trong phòng và áp suất thường.
Chất Tính tan trong nước ở 25°C
Tinh thể thạch anh dạng tinh thể lớn 2.9 mg/l [1] / 6-11 mg/l [2]
Chalcedony 22-34mg/l [2]
Cristobalite 6 mg/l [1]
Tridymite 4.5 mg/l [1]
Stishovite 11 mg/l [1]
Thủy tinh thạch anh (không kết tinh) 39 mg/l [1] / 120 mg/l [2]
Dữ liệu từ:
[1] – ➛Hollemann & Wiberg, 1985
[2] – ➛Rykart, 1995
Ở nhiệt độ trong phòng, trên thực tế, thạch anh không tan trong nước. Vòi nước gần như đều bão hòa với silica hòa tan (tương ứng với thạch anh), và quy trình hòa tan thường rất chậm, vậy nên không cần lo lắng về các tinh thể thạch anh bị phá hủy bởi sự lau chùi liên tục.
Tuy nhiên sự hòa tan silica trong đá và đất đóng vai trò quan trọng trong khí hậu nóng ẩm. Sự hình thành đất đá ong có liên hệ tới silica bị gột rửa khỏi lớp bề mặt và sự giàu có về các hợp chất- ít nhất là dưới những điều kiện khí hậu đó- thì ít tan trong nước, như là oxit sắt, oxit nhôm.
Ở nhiệt độ trên 100°C và áp suất cao, tính tan của thạch anh tăng nhanh. Ở khoảng , nó ở giữa 700 và 1200 mg/l, phụ thuộc vào áp suất.
SiO2 tan trong nước do hình thành axit orthosilicic, H4SiO4:
SiO2 + 2 H2O → H4SiO4
Axit orthosilicic là một axit rất yếu, yếu hơn axit carbonic. Nó phân ly với pK1 của 9.51 theo phản ứng:
H4SiO4 + H2O ↔ H3SiO4– + H3O+
Không có phân tử SiO2 hoặc khối tetrahedra SiO4 trong dung dịch nước. Phản ứng đảo là cách thức mà thạch anh mọc ra, nhưng phân tử H4SiO4 không đơn giản là sắp xếp hai phân tử nước, nó cần một phân tử H4SiO4 khác hoặc một phân tử silica sẵn có với met hydroxyt có đuôi (-OH):
H4SiO4 → 2 H2O + SiO2 (không xảy ra trực tiếp)
H4SiO4 + H4SiO4 → H2O + H6Si2O7
[SinOm]-OH + H4SiO4 → [Sin+1Om+2]-OH + 2 H2O
Axit orthosilicic chỉ ổn định trong dung dịch nước loãng, một dung dịch nước không thể tách được axit tinh khiết. Thuộc tính thú vị nhất của axit orthosilicic là khuynh hướng trùng hợp của nó trong các dung dịch nước để hình thành trước hết là một sol sau đó là met gel axit polysilicic: các phân tử axit orthosilicic tập hợp thành các phân tử lớn theo phản ứng
Sau khi bạn bắt đầu tập trung vào một dung dịch H4SiO4, các phân tử sẽ trùng hợp. Ở nhiệt độ trong phòng dưới điều kiện phòng thí nghiệm, điểm kết thúc của quy trình là sự hình thành silica vô định hình. Chất gel của axit silicic bị trùng hợp có lẽ là chất tạo ra trước của opal và các đá thạch anh tinh thể kín (theo nghĩa rộng hơn là chalcedony) trong tự nhiên
