Дополнительный материал по химии на тему: «КЕРАМИКА»

Дополнительный материал по химии на тему:  «КЕРАМИКА» Керамические   изделия   широко   представлены   в   быту   и   строительстве. Слово керамика настолько прочно вошло в русский язык, что мы удивляемся, когда узнаем, что оно иностранного происхождения. Греческое слово кегатоз означает   «глиняная   посуда».   Керамические   изделия   издревле   получали обжигом   глин   или   их   смесей   с   определенными   минеральными   добавками. Раскопки показывают, что керамические изделия производятся человеком с эпохи   неолита   (8–3­е   тысячелетия   до   н.   э.).   Поскольку   глины   весьма распространены   в   природе,   гончарное   ремесло   независимо   возникло   и развивалось в различных частях света, относительно легко перенималось и распространялось. Глины   –   несцементированные   осадочные   породы   с   преобладанием определенных   минералов,   которые   по   химическому   составу   являются гидроалюмосиликатами.   Геологи   различают   около   шестидесяти   различных видов   глин.   В   настоящее   время   считают,   что   для   глинистых   минералов характерно   наличие   слоев,   включающих   атомы   кремния,   окруженные четырьмя атомами кислорода [SiO4], и атомы алюминия, окруженные шестью атомами   кислорода   [AlO6].   Основными   свойствами   глин   являются пластичность и огнеупорность. Порошок глины, замешанный с водой, образует вязкое   тесто,   способное   формоваться   и   сохранять   приданную   ему   форму. Обожженные в огне изделия приобретают большую твердость и крепость. На этих двух свойствах глины держится керамическая промышленность – одна из самых   древних   на   Земле   и   в   прошлом   одна   из   самых   важных   по   своему значению для прогресса человечества. Еще в древние времена было установлено, что хорошая связанность и вязкость глины, идущей на изготовление керамических изделий, достигается ее промораживанием. Для этого глину помещают в бурты высотой 0,7–0,8 м, поливают   водой   и   закрывают   землей.   Например,   для   производства высококачественной черепицы промораживание в буртах проводят до семи лет. В настоящее время керамические материалы делят на грубые и тонкие. Первые характеризуются высокой пористостью и высоким водопоглощением (не ниже 5–10 %). К ним относятся строительный кирпич, терракота, стенная майолика,   плитки   для   пола,   черепица.   Тонкую   керамику,   в   свою   очередь, делят на пористую и плотную. К тонкой пористой керамике относят фаянс, полуфарфор,  белую  и  цветную  майолику,  а  к   тонкой  плотной   керамике – фарфор. Терракота  –   разновидность   грубой   керамики.   Она   известна   с   эпохи неолита,   то   есть   более   чем   за   5   тыс.   лет   до   н.   э.   Слово   «терракота» итальянское.   Его   дословный   перевод   означает   «обожженная   земля».Терракота   выпускается   промышленностью   в   виде   неглазурованных однотонных   керамических   изделий   с   пористым   черепком   красного, коричневого   или   кремового   цветов.   Цветовой   оттенок   терракоты   в значительной   степени   зависит   от   условий   обжига.   Ее   водопоглощение составляет от 8 до 10 %. Глины для производства терракоты распространены довольно   широко.   В   современном   строительстве   терракота   используется   в виде архитектурно­декоративных изделий и применяется для художественной отделки   интерьеров,   оформления   садов   и  парков  в   виде   вставок,   розеток, барельефов, плиток для стен и садовых дорожек, камней для оград и штакета для клумб. При обжиге глины в атмосфере углеводородов, образующихся, например, при   сжигании   смолистых   корней   хвойных   деревьев,   можно   получить керамические   изделия   серебристо­черных   тонов.   Этот   цвет   обусловлен графитом, образующимся при каталитическом разложении углеводородов на поверхности   раскаленной   глины.   Данным   приемом   исстари   пользовались украинские  кустари­гончары,  изготавливая свою  широко  известную  черную неглазурованную керамическую посуду. Из   кирпичных   глин,  не   содержащих   гальки,  изготавливают   дренажные трубы.   Пористость   этих   глин   может   достигать   20   %.   Дренажные   трубы применяют при мелиоративных работах в сельском хозяйстве, при осушении торфяных   болот,   а   также   при   осушении   местности   под   зданиями   и сооружениями. Майолика близка по свойствам и качеству к терракоте, только в отличие от   последней   покрыта   глазурью.   Глазурь   придает   изделию влагонепроницаемость, предохраняет от загрязнений, улучшает внешний вид, повышает   прочность.  Для   грубых   керамических   изделий,  к   числу   которых относится и майолика, доступной и дешевой является соляная глазурь. Для ее нанесения на поверхность изделия в топку раскаленной печи (1040–1180 °С)   вводят   каменную   соль   (NaCl)   и   водяной   пар.   При   этой   операции   в окислительной   среде   цвет   изделия   будет   коричнево­желтым,   а   в восстановительной   –   серым.   Изделия,   покрытые   соляной   глазурью,   имеют неровную поверхность, что снижает их качество. При соляном глазуровании происходит гидролиз хлорида натрия, и хорошие глазури имеют состав от Na2O ∙ 0,5 Al2O3 ∙ 2,8SiO2 до Na2О ∙ А12О3 ∙ 5,5 SiO2. Полноценная   глазурь  –   прозрачное   бесцветное   или   окрашенное стекловидное покрытие, хорошо растекающееся при нанесении на черепок. Глазурь   обеспечивает   изделию   гладкость   поверхности   и   декоративный эффект. Прочности сцепления глазури с черепком способствует добавление оксида   кальция   СаО.   Это   приводит   к   образованию   промежуточного   слоя, воспринимающего и гасящего напряжения, возникающие между глазурью и черепком   при   быстрой   смене   температур   вследствие   различных коэффициентов температурного расширения. Поэтому в майоликовых массахдля   производства   печных   кафелей   (для   которых   неизбежны   частые температурные перепады) содержание СаО доходит до 37–38 %. Высказываются   предположения,   что   слово   «майолика»   происходит   от названия   острова   Майорка   в   Средиземном   море   –   главного   центра   по экспорту   испано­мавританской   керамики   в   Италию.   Майолика   широко применялась уже во 2–1­м тысячелетиях до н. э. в Ассиро­Вавилонии, затем в Средней Азии, позднее в Испании и Италии. В X–XII вв. в Киевской Руси майолику   использовали   для   облицовки   стен,   настилки   полов,   обрамления оконных и дверных проемов в церковных и дворцовых зданиях. В наше время она   широко   применяется   для   отделки   интерьеров   общественных   и промышленных  зданий. Со   временем  на поверхности  майолики  появляется сетка   волосяных   трещин,   что   свидетельствует   о   большом   различии коэффициентов температурного расширения глазури и черепка. Терракотовые   и   майоликовые   изделия   часто   имеют   сложную конфигурацию. Для ее придания изделия отливают в гипсовых формах или штампуют на прессах в металлических пресс­формах. Фаянс. Слово «фаянс» произошло от названия города Фаэнца (Северная Италия),   в   окрестностях   которого   в   XIV–XV   вв.   было   широко   развито керамическое ремесленничество. До изобретения фарфора фаянс был самым ценным   керамическим   материалом.   От   фарфора   он   отличается   гораздо большим   содержанием   глины   (до   85   %)   и   характеризуется   гораздо   более высокой пористостью и водопоглощением (до 20 %), а также меньшей, по сравнению   с   фарфором,   механической   прочностью.   Температура   обжига фаянса значительно ниже (до 950 °С), чем температура обжига фарфора. В зависимости   от   качества   глины   цвет   фаянса   изменяется   от   белого   до кремового.   По   причине   высокой   пористости   фаянсы   всегда   покрывают глазурью.   Поэтому   некоторые   виды   майолики   приближаются   к   фаянсу. Глазурь может быть прозрачной, цветной или глушеной. Введением в состав фаянсовой массы шамота – алюмосиликатного материала, содержащего 30–45 %   оксида   алюминия   Аl2О3  и   54–70   %   диоксида   кремния   SiO2,   получают шамотированный фаянс, который обладает повышенной термостойкостью и устойчивостью к ударам. Из такого фаянса изготавливают ванны, раковины и другие санитарно­технические изделия.    Фаянс, производившийся характеризовался непросвечиваемостью.   Персидский   фаянс,   производство   которого   прошло длительную эпоху подъема и расцвета (с X по XVII вв. н. э.), имел хорошо просвечивающий   черепок.   Он   готовился   из   массы,   богатой   кварцем,   с небольшими добавками остекленной после обжига глины.   в   Европе,   На всех старинных фаянсовых изделиях на глазури имеется сетка мелких трещин. Специалисты называют эту сетку  цеком. На фарфоровых глазурях цек встречается гораздо реже.) Для коллекционеров и ценителей керамики сетка трещин служит признаком возраста изделия. Причиной разрыва глазури и образования трещин является склонность фаянса к обратимому поглощениювлаги и набуханию, вследствие чего объем черепка увеличивается в пределах 0,016–0,086 %. Фарфор  –   самая   благородная   керамика.   Это   материал,   состоящий   из каолина, глины, кварца и полевого шпата. Его характерные признаки: белый цвет, отсутствие пористости, высокая прочность, термическая и химическая стойкость.   В   художественных   изделиях   из   фарфора   ценится просвечиваемость. Различают две основные разновидности фарфора. 1.  Твердый   фарфор  –   с   небольшим   содержанием   плавня   (полевого шпата) и потому обжигаемый при сравнительно высокой температуре (1380– 1460°С). Масса классического твердого фарфора состоит из 25 % кварца, 25 % полевого шпата и 50 % каолина и глины.  2. Мягкий фарфор – с повышенным содержанием плавней, обжигаемый при температуре 1200–1280 °С. Кроме полевого шпата в качестве плавней используют   мрамор,   доломит,   магнезит,   жженую   кость   или   фосфорит.   С увеличением содержания плавней возрастает количество стекловидной фазы и потому улучшается просвечиваемость фарфора, но снижаются прочность и термостойкость.   Глина   сообщает   фарфоровой   массе   пластичность (необходимую   для   формования   изделий),   но   снижает   белизну   фарфора.   В качестве эталона для оценки белизны фарфора используют свежеосажденный сульфат бария BaSO4. Белизна характеризуется интенсивностью рассеивания света, которая регистрируется фотометром. Обычно проводят два обжига фарфоровых изделий: первый – «на утиль», второй – «политой». Первый обжиг «на утиль» имеет целью «спечь» изделие и обеспечить   ему   определенную   пористость   и   прочность,   достаточную   для глазурования водной суспензией. Второй обжиг необходим для расплавления глазури на поверхности изделия и взаимодействия ее с материалом черепка. Роспись   фарфоровых   изделий   бывает   подглазурная   и   надглазурная. Краски   для   подглазурной   росписи   должны   выдерживать   температуру политого глазурного обжига. Поэтому их набор ограничен. Они не должны разлагаться и растворяться в глазури при обжиге. В качестве керамических красок   в   настоящее   время   используют   исключительно   оксиды   металлов. Оксид кобальта дает синий цвет, никеля – коричневый, меди – зеленый или сине­зеленый,   хрома   –   зеленый,   марганца   –   коричневый   или   фиолетовый, железа – желтый или красный, урана – желтый. Надглазурными   красками   также   являются   оксиды   металлов.   Они закрепляются   на   поверхности   сплавлением   с   глазурью   при   третьем   – «декоративном»   –   обжиге,   осуществляемом   при   относительно   невысоких температурах (770–850°С). Поэтому палитра этих красок значительно шире, чем подглазурных, но они стираются с черепка при долгом употреблении. Для лучшего   сплавления   надглазурных   красок   с   глазурью   их   предварительно смешивают   с   флюсами   (легкоплавкими   стеклами,   содержащими   оксиды свинца, бора и кремния), которые придают краскам дополнительный блеск. Наоттенке красок отражаются состав и характер флюса. В состав красителей надглазурных  красок  входят: Fe2О3  ∙ Al2O3  –  желто­красный  цвет,  Сo2О3  ∙ Мn3О4 ∙ Сr2О3 – черный, 0,25 Fe2O3 ∙ ZnO – светло­коричневый, Fe2О3 ∙ Сr2О3 – коричневый, CoO ∙ Al2O3 – голубой, Сr2О3 – зеленый и др. Фарфоровые   изделия   весьма   разнообразны   по   своему   химическому составу, по свойствам и назначению. Приведем несколько наиболее известных типов фарфора и их характерные особенности. Фарфор бисквитный  – матовый, без глазури. Существует мнение, что бисквитным его называют по причине двукратного обжига. Приставки «бис» и «би» во многих языках означают два. Как уже говорилось, при производстве фарфора   сначала   производят   обжиг,  который   называют   утильным,  а  затем следует   обжиг   при   глазуровании.   Бисквитный   фарфор   также   обжигается дважды,   но   второй   раз   без   глазури.   В   настоящее   время   технология производства бисквитного фарфора может и не включать второго обжига. Фарфор   костяной  –   мягкий   фарфор,   непременной   составной   частью которого является зола костей крупного рогатого скота, состоящая главным образом   из   фосфата   кальция.   В   настоящее   время   ее   иногда   заменяют природными   фосфатами   кальция.   Изготовленные   из   костяного   фарфора изделия характеризуются высокой степенью белизны и просвечиваемости и большой  декоративностью.  В нашей стране  изделия из костяного фарфора высокого   качества   выпускает   фарфоровый   завод   им.   М. В. Ломоносова   в Санкт­Петербурге. Фарфор фриттованный – хорошо просвечивающий мягкий фарфор. Он  содержит 30–50 % каолина, 25–35 % кварца, 25–35 % богатой щелочью  стекольной фритты. Фритта – композиционная добавка к фарфоровой массе,  обеспечивающая образование стекловидной фазы, а следовательно, и  обусловливающая просвечиваемость фарфора. В состав фритт входят: песок,  сода, селитра, гипс, поваренная соль и измельченное свинцовое стекло.