Формирование экологических знаний при изучении темы "Кремниевая кислота. Соли кремниевой кислоты"

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Кабардино-Балкарский государственный университет

имени Х.М. Бербекова

Химический факультет

Кафедра педагогики и психологии

Кафедра химической экологии

Маирова Диана Хусеновна

КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

ФОРМИРОВАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ЗНАНИЙ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ТЕМЫ «КРЕМНИЕВАЯ КИСЛОТА. СОЛИ КРЕМНИЕВОЙ КИСЛОТЫ»

Заведующий кафедрой химической экологии

д.х.н., профессор _____________Машуков Н.И.

Заведующий кафедрой педагогики и психологии

д.пед.н., профессор ___________Михайлова Н.Г.

Научный руководитель -

к.т.н., ст. преподаватель__________Шериева М.Л.

Рецензент - к.х.н., доцент _________Ольховая Г.Г.

Нальчик - 2009

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Глава 1 Интеграция и формирование экологических знаний в рамках учебной дисциплины - химии

1.1 Интеграция знаний и умений как условие творческого саморазвития личности

1.2 Кремний и его соединения

1.3 Производство силикатов. Керамическое производство

1.4 Цементное производство

1.5 Стекольное производство

1.6 Отходы и выбросы стекольного производства

1.7 Драгоценные камни

1.8 Сколько в нас кремния

Глава 2 Тема: «Кремниевая кислота. Соли кремниевой кислоты» в школьном курсе химии

Глава 3 Разработка урока «Кремниевая кислота. Соли кремниевой кислоты» для 9 класса с внедрением экологических знаний

3.1 Особенности изучения кремниевой кислоты и ее солей, связанные с экологическими проблемами силикатного производства

3.2 Контрольный опрос в виде тестовых заданий для учеников 9-х классов

Выводы

Выводы

Литература

Приложение 1

1. Химический КВН

2. Дополнительные задания для укрепления химических и экологических знаний учащихся средней общеобразовательной школы

Введение

Реализацию целей школьного экологического образования можно осуществлять разными путями: это и экологизация учебных дисциплин, и создание интегрированных курсов, и введение в практику обучения специального предмета, раскрывающего вопросы экологии и защиты окружающей среды от загрязнения.

В процессе обучения химии в VIII-IX классах важно сосредоточить внимание на проблемах защиты окружающей среды; развитии представлений о взаимосвязи состава, свойств и биологической функции веществ, их двойственной роли в живой природе; биологической взаимозаменяемости химических элементов и последствиях этого процесса для организмов, причинах нарушения биологических циклов.

На завершающемся этапе школьного обучения в X-XI классах создаются предпосылки для понимания таких экологических закономерностей, как цикличность и непрерывность процессов обмена веществ между составляющими компонентами биосферы.

Учитывая соответствующую подготовку учащихся, на любых этапах школьного курса можно разъяснять вопросы, касающиеся состояния окружающей среды: глобальное потепление климата, уменьшение толщины слоя стратосферного озона, кислотные дожди, накопление в почве токсичных металлов и пестицидов, загрязнение больших территорий радионуклидами, истощение природных ресурсов планеты [1].

Экологические проблемы многоаспектны, поэтому для своего решения они требуют комплексного подхода и, как правило, знаний из различных областей науки. Наиболее подходящей формой организации деятельности учащихся, отвечающей этому требованию, являются учебно-исследовательские экологические проекты. В процессе работы над проектом у учащихся формируется комплекс специфических умений, подкрепленный соответствующей теоретической базой. Немаловажную роль в реализации экологического подхода играет включение в учебный процесс задач с экологическим содержанием, а также практических работ.

Итак, Вашему вниманию представляется квалификационная работа на тему: «Формирование экологических знаний при изучении темы «Кремниевая кислота. Соли кремниевой кислоты», которая позволит сформировать конкретные химические и экологические знания у учеников. Работа очень важна и актуальна, так как позволяет не только изучить основной материал, представленный в школьном учебнике, но и дает возможность вникнуть в экологические проблемы, связанные с растущим потреблением изделий и материалов силикатной промышленности и непомерным ростом отходов этих производств, что, несомненно, приводит к негативным последствиям для окружающей природной среды.

В связи с этим, целью настоящей работы является рассмотрение перспектив развития экологических знаний школьников на примере выбранной темы, анализ школьных учебников (тем и заданий, оценка сложности и доступности анализируемого материала). Для достижения поставленной цели, в работе рассматриваются следующие задачи: обзор конкретной темы, а именно «Кремниевая кислота. Соли кремниевой кислоты», подготовка необходимого, по нашему мнению, дополнения к этим темам, внедрение материалов с экологическим уклоном, увеличение числа заданий и тестов, носящих экологический характер, а также проведение различных внеклассных мероприятий с экологическим содержанием.

Работа включает в себя: введение, три главы и заключение. Первая глава излагает основные способы получения кремниевой кислоты в промышленности и производства силикатной промышленности. Во второй главе рассматривается тема «Кремниевая кислота. Соли кремниевой кислоты» так, как она излагается в школьной программе. Третья глава восполняет недостатки школьного курса через раскрытие экологической проблематики, связанной с выбранной темой.

ГЛАВА I ИНТЕГРАЦИЯ И ФОРМИРОВАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ЗНАНИЙ В РАМКАХ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ - ХИМИИ

1.1 Интеграция знаний и умений как условие творческого саморазвития личности

В настоящее время особую актуальность приобретает внедрение в практику обучения таких методов, которые способствовали бы духовному и творческому саморазвитию личности школьника. В этом контексте важна и проблема создания реальных условий для творческого саморазвития как отдельной личности, так и всего ученического коллектива в целом [2].

Очевидно, что с учетом этих тенденций необходимо пересмотреть содержание и методическое обеспечение химического образования, т.е. преподавание химии должно быть переориентировано с изучения предмета «химия» как самоцели на развитие представлений о мире и месте человека в нем через интеграцию химических знаний и умений со знаниями смежных наук, например, экологии, биологии, географии.

Способность учащихся к интеграции, структурированию и систематизации имеющихся знаний и умений для реальных жизненных задач - это один из критериев в достижении высокого уровня творческого саморазвития и формирования экологических знаний личности. Процесс взаимосвязи и взаимопроникновения (интеграции) знаний и умений при обучении химии в контексте приобретения школьниками опыта творческой деятельности посредством рассмотрения экологических проблем можно представить в виде следующей логической последовательности:

1. Интеграция знаний в рамках одной учебной дисциплины, т.е. установление взаимосвязей между темами и разделами курса химии. Такая форма интеграции лежит в основе, например, решения комбинированных задач, проведения полноценного химического эксперимента, т.е. видов деятельности, переходных от репродуктивной к творческой.

2. Взаимосвязи химических знаний с реальными проблемами окружающего мира. Эти проблемы могут иметь социальную, прикладную направленность, характер ситуативной задачи. В любом случае перед учителем химии встает довольно сложный вопрос выявления «мостиков» между содержанием школьного курса химии и актуальными проблемами из различных областей окружающей действительности. Например, для решения социально значимых экологических задач учащихся необходимо не только оперировать достаточно обширными знаниями из нескольких тем курса химии, но и уметь применять их в конкретной ситуации. Это в полной мере можно отнести и к задачам прикладного характера, касающимся сущности химических процессов приготовления пищи, хранения и использования веществ в быту и т.д.

3. Взаимопроникновение и взаимосвязь знаний из разных школьных дисциплин. В данном случае имеются в виду связи комплекса межпредметных знаний, которые переносятся отдельными системами или в совокупности на сложные задачи. Такая форма интеграции знаний предполагает их реализацию в процессе творческой деятельности школьников по решению конкретных задач (например, объяснение влияние алкоголя, никотина, наркотиков на организм человека, особенностей применения бытовых препаратов-аллергенов, особенностей производства различных товаров народного потребления и т.д.).

4. Структурирование и систематизация интегрированных знаний, т.е. мыслительная деятельность школьников по установлению удаленных связей между отдельными понятиями, объектами, их объединением в определенную систему. На этом этапе учащиеся осуществляют перенос (проекцию) имеющихся знаний об основных закономерностях, фактах и явлениях в область творческой исследовательской деятельности для решения новых, ранее неизвестных для них задач. Практически это наивысший уровень развития творческого саморазвития личности, поскольку в процессе решения возникшей задачи школьник сам генерирует новые знания и умения.

На наш взгляд, экологическая тематика наиболее приемлема для интеграции знаний и развития экологических навыков школьника. Экологические проблемы многоаспектны, и для их решения требуется привлечение знаний не только химии, но и смежных наук.

Очевидно, что разработка уроков с экологическим содержанием, проведение каких-либо внеклассных мероприятий, научно-исследовательских работ невозможна без привлечения дополнительных знаний экологического характера. В качестве примера, Вашему вниманию, предоставляется информация о кремниевой кислоте, силикатной промышленности, отходах и выбросах силикатного производства, роли кремния в организме человека и животных, чтобы в дальнейшем сформировать экологические знания школьников и суметь правильно разъяснить им роль силикатной промышленности в жизни современного общества.

1.2 Кремний и его соединения

Кремний - ведущий современный полупроводниковый материал, который широко применяется в электронике, в электротехнике для изготовления интегральных схем, диодов, транзисторов, тиристоров, фотоэлементов и т. д. Технический кремний - легирующий компонент в производстве стали (например, трансформаторная сталь), а также в цветной металлургии (кремневые бронзы) [3].

Природные соединения кремния обычно представляют собой производные не метакремниевой, а группы так называемых поликремневых кислот. Состав этих кислот в общем виде mSiO₂. nH₂O, где n и m целые числа. K природным силикатам относятся полевые шпаты, слюда, глины, асбест и др. Состав этих минералов сложен. Для удобства их часто условно выражают как соединения оксидов, например:

Ортоклаз (минерал из группы

полевых шпатов)…………………… K₂ Al₂ Si₆ O₁₆ = K₂ O • Al₂ O₃ • 6SiO₂

Слюда (мусковит)…………KH₂ Al₃ (SiO₄ )₃ или K₂ O • 3Al₂ O₃ • 6SiO₂ •2H₂ O

Каолин (белая глина)……………………H₄ Al₂ Si₂ O₉ = Al₂ O₃ • 2SiO₃ • 2H₂ O

Асбест …………………………………H₄ Mg₃ Si₂ O₉ = 3MgO • 2SiO₂ • 2H₂ O

Наибольшее распространение в природе имеют силикаты, содержащие алюминий и называемые алюмосиликатами. Как показывают формулы приведенных выше минералов, к числу алюмосиликатов принадлежит слюда, ортоклаз и др. [3,4]

Моноксид кремния - вещество темно-коричневого цвета. При высокой температуре в результате самоокисления-самовосстановления распадается на Si и SiO₂ (реакция диспропорционирования). Вообще же SiO легко окисляется до SiO₂. Используя эту реакцию, искусственно получают тончайшие кварцевые прозрачные покрытия - при обработке препаратов для электронной микроскопии, для поверхностных покрытий алюминиевых зеркал.

Если студень кремневой кислоты частично обезводить, то образуется твердая белая, очень пористая масса, обладающая большой адсорбционной способностью. Этот продукт под названием силикагеля имеет разнообразное применение в промышленности: для улавливания газов, водяных паров, для отчистки нефти, керосина. Наконец, крупнопористый силикагель - незаменимый носитель для многих катализаторов. При полном высушивании и прокаливании кремневой кислоты образуется кремневый ангидрид SiO₂ [4,5].

Кремневые кислоты с большой степенью конденсации сравнительно устойчивы. Но и выделять их в индивидуальном состоянии химики еще не научились. В быту и промышленности используется смесь этих кислот в виде силикатного клея. Если говорить точнее, силикатный клей - это калиевые или натриевые соли поликремневых кислот. Но так как эти кислоты слабые, а соли слабых кислот сильно гидролизуются, то фактически в растворе силикатного клея имеется смесь конденсированных кремниевых кислот.

Нитрид кремния используется в качестве компонента жаростойких и химически устойчивых композиционных материалов. Оп нашел также применение в микроэлектронике в качестве диэлектрика и высокотемпературного полупроводника. Карбид кремния - абразивный материал для шлифованных кругов, матрица для порошковой металлургии, компонент для огнеупоров. К тому же, карбид кремния является основой полупроводниковых диодов и фотодиодов.

Природные силикаты и алюмосиликаты являются сырьем для силикатной промышленности, которая в основном объединяет производства керамическое, цементное и стекольное [4,6].

1.3 Производство силикатов. Керамическое производство

Сырьём для керамического производства служат различного рода глины.

Глина - тонкодисперсная горная порода, состоящая в основном из глинистых минералов. Обычно в глинах содержится примесь кластического аллотигенного материала зерен кварца, полевых шпатов и других материалов, и аутигенного материала - карбонатов, сульфатов, гидроксидов железа и др. П.А. Земятчинский определял глины как горные породы, способные образовывать с водой пластичное тесто, сохраняющее по высыхании приданную ему форму, после обжига приобретающее твердость камня. Глины характеризуются рядом свойств, которые учитываются при их промышленном использовании: пластичностью, воздушной и огневой усадкой, пористостью, огнеупорностью, спеканием, гидроскопичностью и набуханием, адсорбционными свойствами, связующей способностью, вспучиванием, зыбкостью и гидрофильностью. С учетом свойств и состава глин, обусловливающих их использование, можно выделить следующие группы: 1) каолины, 2) огнеупорные и тугоплавкие глины, 3) высокосорбирующие глины (отбеливающие), 4) легкоплавкие глины.

Каолины, точнее, первичные каолины, применяются большинством отраслей промышленности благодаря особенностям своего состава и набору свойств. Как правило, промышленностью используются обогащенные каолины, реже каолин-сырец. Обогащение каолинов проводится путем отмучивания, флотации, магнитной и электромагнитной сепараций и другими методами. Каолиновый концентрат в ряде случаев подвергается облагораживанию (путем обработки реактивами) для придания ему большей белизны. Попутные продукты обогащения каолина - кварц и полевые шпаты. Главные потребители обогащенного каолина - бумажная и керамическая промышленности, а также резиновая, мыловаренная, огнеупорная, химическая. В меньшей степени он используется в парфюмерно-косметической и кабельной отраслях промышленности, а также при изготовлении клеенки, пластмасс, минеральных красок, карандашей, в производстве силумина (сплав Al 87%, Si 13%) и др. Каолин-сырец используется в цементной промышленности, при производстве полукислых огнеупоров. Каолин также идет на изготовление фарфоровых изделий.

Диоксид кремния - основа для получения кремния, производства обыкновенного и кварцевого стекла, а также необходимый компонент керамики и абразивных материалов.

Фарфоровые изделия широко применяют в химической, электротехнической промышленности, в химических лабораториях (фарфоровые тигли, чашки, ступки, стаканы и т. д.). В химической промышленности фарфоровые изделия имеют большое значение вследствие их устойчивости против кислот, щелочей, и других химических реактивов, большой механической прочности, термической устойчивости и огнеупорности. В электротехнической промышленности фарфор применяют в качестве надежного изоляционного материала (фарфоровые изоляторы, «свечи» для автомобильных и авиационных моторов и т. д.).

Наиболее распространена глина, окрашенная соединениями железа в желтый цвет. Из нее готовят строительные кирпичи, кислото- и огнеупорные изделия, дренажные трубы, кровельную черепицу, гончарные изделия и т.д.

1.4 Цементное производство

В виде песка SiO₂ - давно известный строительный материал. Сырьем в цементном производстве служит смесь глины с известняком. Применяют и природный мергель (глинистый известняк), если он по составу удовлетворяет требованиям цементного производства. Такие мергели имеются у нас, например, в районе Новороссийска.

При 1400-1500°С масса спекается с образованием сложных силикатов. Выходящий из печи спекшийся материал называют клинкером. Разломный клинкер упаковывают в бочки или мешки. Готовый продукт представляет собой тонкий серо-зеленый порошок.

Основная масс цемента состоит из сложных химических соединений кальция, магния, кремния, алюминия и железа. Состав этих веществ, представленных в виде соединений оксидов, следующий: 3CaO • SiO₂ , 2CaO •SiO₂ , 3CaO • Al₂ O₃ , 2CaO • Fe₂ O₃. Кроме того, в цементе всегда в переменных количествах содержатся различные примеси.

Основной химический процесс при производстве цемента - спекание при 1200 - 1300 °С смеси глины с известняком, приводящий к образованию силикатов и алюминатов кальция:

Al₂ O • 2SiO₂ • 2H₂ O = Al₂ O₃ • 2SiO₂ + 2H₂ O

CaCO₃ = CaO + CO₂

CaO + SiO₂ = CaSiO₃

3CaO + Al₂ O₃ = 3CaO •Al₂ O₃

При смешивании с водой происходит постепенная гидратация:

3CaO • Al₂ O₃ • 6 H₂O = 3CaO • Al₂O₃ + 6 H₂O

Если при замешивании цементной массы ввести в нее щебень, гравий и тому подобные материалы, то получится бетон. Если же бетоном прикрывают какую-либо основу (каркас) из железных прутьев, проволоки, стержней и т.д., то подобные конструкции называют железобетоном.

Железо и бетон хорошо сцепляются между собой, образуя прочную массу, не разрушающуюся при обычных изменениях температуры (коэффициенты объемного расширения железа и бетона почти одинаковы). Железобетон отличается механической прочностью, большим сопротивлению сжатию и разрыву (сам цемент хорошо выдерживает сжатие, но очень слаб на растяжение).

Композиция из цемента и асбеста (асбоцемент) - ценный материал для кровель. Асбоцементные крыши отличаются долголетием.

Бетон хорошо задерживает радиоактивные излучения и применяется для защиты от них.

Цемент относится к числу так называемых вяжущих материалов. Это материалы, способные из жидкого или тестообразного состояния переходить в твердое, камневидное при обычной температуре.

Вяжущие вещества разделяют на органические (смолы, клеи и др.) и минеральные (цемент, известь и др.). Минеральные вяжущие вещества, в свою очередь, подразделяют на воздушные и гидравлические. К воздушным вяжущим материалам причисляют те из них, которые твердеют на воздухе. Сюда относят известь, алебастр, гипс, магнезиальный цемент и др. Гидравлические вяжущие вещества могут твердеть и сохранять свою прочность, как на воздухе, так и в воде. Сюда относят цемент.

1.5 Стекольное производство

Сырьем в стекольном производстве служат кремнезем SiO₂ и силикаты щелочных и щелочноземельных металлов. Состав стекла в общем виде может быть представлен формулой: xЭ₂О •уЭО •z SiO₂, где Э₂О - окисел щелочного металла (Na₂O, K₂O, Li₂O и др.); ЭО - окисел щелочноземельного металла (СаО, MgO, BaO) и SiO₂ - кислотный окисел (кремневый ангидрид). Окислы щелочной группы понижают вязкость и температуру плавления стекла, а также его твердость. Окислы щелочноземельной группы повышают химическую стойкость стекла, а окислы кислотной группы (SiO₂, а иногда Al₂O₃ , B₂O₃ , P₂O₅ и др.) сообщают высокую термическую, химическую и механическую стойкость.

Производство стекла состоит из следующих процессов: подготовка сырьевых компонентов, получения шихты, варки стекла, охлаждения стекломассы, формования изделий, их отжига и обработки (термической, химической, механической).

Процесс стекловарения условно разделяют на несколько стадий: силикатоообразование, стекловарение, осветление, гомогенизацию и охлаждения («студку»).

Обыкновенное белое стекло получают сплавлением смеси соды Na₂ CO₃ и мела CaCO₃ с большим количеством кремнезема (белого песка) SiO₂. Состав этого стекла может быть выражен формулой Na₂ O • CaO • 6SiO₂.

Если вместо воды взять поташ K₂ CO₃ , то силикат натрия в стекле заменится на силикат калия K₂ SiO₃ . При этом получаются тугоплавкие стекла, состав которых может быть выражен формулой: K₂O • CaO • 6SiO₂. Таким путем получают оконное стекло (так называемое бемское), бутылочное и вообще посудное стекло.

При замене окиси кальция окисью свинца PbO получают хрустальное стекло приблизительного состава K₂ O • PbO •6SiO₂. Свинцовые стекла сильно преломляют лучи света и отличаются блеском. Из них готовят хрустальную посуду, колбы для электроламп и пр.

Существует большое число сортов стекла, изготовляемых для разных целей: оптическое, термометрическое, увиолевое (проницаемое для ультрафиолетовых лучей; обычное стекло не пропускает эти лучи), различные жаростойкие стекла. Стекло является важным строительным материалом. Готовят ткани из стекла. Начинают широко применять стеклянные трубы (достоинство их: большая стойкость против корродирующих агентов). Жаростойкое стекло служит для изготовления кастрюль сковородок и т.д.

Обыкновенное бутылочное стекло окрашено в зеленый цвет солями двухвалентного железа. Цветные стекла получают введением в массу при плавлении различных добавок в мелкораздробленном состоянии. Так, закись кобальта CoO придает стеклу синюю окраску, закись меди Cu₂O красную, окись хрома Cr₂ O₃ ярко-зеленую окраску. Небольшие примеси в стекле в мелкораздробленном состоянии металлического серебра придают ему желтую окраску, а золота - красивую ярко-красную (рубиновое стекло) и т.д.

Силикаты калия и натрия растворяются в воде. В технике эти вещества называют растворимыми стеклами. Их раствор называется жидким стеклом. Находит применение в мыловаренном производстве, в крашении, в производстве бумаги, а также для пропитки дерева и тканей с целью сообщения им несгораемости и стойкости против гниения.

Жидкое стекло - одно из важнейших неорганических клеящих веществ (адгезив). Это связано с тем, что силикат натрия находится в нем в виде макромолекул. Жидким стеклом пропитывают ткани и дерево для придания им огнестойкости; оно применяется для изготовления кислотоупорного цемента, силикатных красок и глазурей.

Почти все виды песка, образующие иногда пластины огромной мощности, состоят из кварца. Чистые прозрачные кристаллы кварца идут на изготовление линз и призм, пропускающих УФ-излучение. Для этих целей используется также кварцевое стекло. Пьезоэлектрические свойства кварца находят применение в приборах для генерации ультразвука. Из непрозрачного технического кварцевого стекла изготавливают крупногабаритную термо- и кислотную химическую аппаратуру, муфели для электрических печей. Особо чистое прозрачное кварцевое стекло применяется для изготовления труб, аппаратов и емкостей для полупроводниковой техники и радиоэлектроники.

1.6 Отходы и выбросы стекольного производства

Производство изделий из стекла связано с образованием большого количества отходов и выбросов, которые можно классифицировать по физико-механическому состоянию следующим образом:

1. твердые отходы (стеклобой, сырьевые материалы цехов подготовки шихты в виде пыли, порошковые отходы цехов обработки сортовой посуды);

2. суспензии и шламы (шламы и осадки систем подготовки шихты, систем пылегазоулавливания и очистки сточных вод, суспензии систем шлифования и полирования стекол);

3. сточные воды (сливы замасливателя в производстве стекловолокна, полировальные, промывные и травильные растворы при обработке и декорировании изделий и т.д.);

4. газообразные выбросы (отходящие газы стекловаренных печей, содержащие оксиды азота и серы, соединения свинца, фтора, фосфора и бора, оксид углерода, бензпирен, дымовые газы сушильных цехов подготовки шихты, газовая фаза и воздух со стадий закалки и охлаждения стекла).

Образование отходов в различных подсистемах производств стекла вызвано рядом причин, ранжированную последовательность которых можно записать в следующем порядке: 1 -- несовершенство технологических процессов отдельных стадий производства стекла; 2 -- недостатки в конструкции оборудования и его несоответствие характеру протекающих процессов; 3 -- несоблюдение технологических регламентов и низкая культура обслуживания и эксплуатации производства.

Из всех классификаций отходов наиболее эффективна классификация, учитывающая их физико-механическое состояние, химико-физическую структуру и специфические свойства.

По свойствам и составу отходов их можно pазделить на близкие к исходному сырью (порошковой шихте), к целевому продукту (стекломасса, например, стеклобой, крошка и пыль цехов обработки изделий), к сырью других производств.

В то же время ряд отходов образуют так называемые вторичные материальные ресурсы, например стеклобой, количество которого для некоторых производств достигает 50% от исходной стекломассы. К таким ресурсам относятся и дымовые газы стекловаренных печей, теплота которых может быть использована в качестве источников энергии.

Классифицируя отходы производства стекла, необходимо выделить их токсичность, т.е. степень воздействия на человека, животный мир и растительность. По этому признаку можно выделить безвредные, токсичные и особо токсичные отходы.

Технология стекла включает две основные стадии: подготовку сырьевых компонентов с получением шихты и стекловарение с выработкой стеклоизделий.

Основным компонентом шихты, используемой для широкого ассортимента стекол, является кварцевый песок, диоксид кремния, который составляет 50--75% массы готового стекла. В состав шихты входят также карбонат натрия, доломит, карбонат калия, сульфаты, нитрат кальция и нитрат натрия, борная кислота, оксиды свинца, цинка, мышьяка, фтористые соединения и др.

Пылеобразование сопутствует начальным операциям разгрузки и транспортирования компонентов шихты, поэтому состав пыли, образующейся на каждой из этих операций, будет различным. Однако даже при локальном попадании в атмосферу (от одной установки), вызванном неправильной организацией воздухообмена, пыль может распространиться по всему отделению.

Концентрация пыли в воздухе отделения подготовки сырья и приготовления шихты может, по зарубежным данным, достигать сотен и даже тысяч миллиграмм на кубический метр. Наибольшее пыление характерно для доломита, известняка (мела), полевого и плавикового шпатов, карбоната натрия и борной кислоты. Количество образующейся пыли достигает для шихт стекольных заводов 1,6% от массы приготовляемой шихты. Максимальные пылепотери приходятся на материалы известняковой группы и полевого шпата (до 85% от общего количества пыли) , а в воздухе отделения при получении шихты содержится до 60-- 70% пылевых частиц размером менее 5 мкм.

Согласно регламентации предельно допустимые выбросы вредных веществ (ПДВ) устанавливаются для каждого источника с учетом суммирования выбросов из других источников, находящихся в зоне отрицательного воздействия промышленного предприятия на окружающее пространство.

Надо иметь в виду, что возможная величина ПДВ является максимально предельной, однако в ряде случаев она может быть превышена в результате несоблюдения технологического регламента, отдельных залповых выбросов, поэтому принимают контрольные уровни (нормы) выбросов, общая масса которых должна быть меньше предельно допустимых. Эта разница для высокотоксичных выбросов в ряде случаев может быть уменьшена в десятки раз.

В стекольном производстве пылевые частицы размером до 50 мкм удерживаются в воздухе длительное время. Пыль обладает фиброгенным действием (Si0₂) и общетоксичным (В₂0₃, As₂0₃ и др.).

Диоксид кремния -- основа кварцевого песка (99--99,5%) -- имеет средний размер кристаллических частиц 0,1--1 мм. На организм человека наибольшее влияние оказывают частицы размером 1--2 мкм. Длительное воздействие этих частиц на легкие приводит к фиброзу -- разрастанию в легких соединительных тканей, ведущего к силикозу -- заболеванию всего организма.

Пыль доломита [(СаМg(С0₃)г] составляет 50% от всей пыли, образующейся при приготовлении шихты. Она обладает фиброгенным действием.

Пыль известняка СаС0₃ (мела) также фиброгенна. Карбонат натрия (Na₂C0₃) обладает большой летучестью, вызывает изъязвление слизистой оболочки носа, раздражает дыхательные пути и приводит к конъюнктивиту.

Оксид бора В₂0₃ является составляющим элементом ряда оптических стекол и стекловолокна. В шихту вводят борную кислоту Н₃В0₃, пыль которой может быть причиной повреждения кожи.

В производстве хрусталя, оптических стекол, эмалей используют материалы, содержащие оксиды свинца (РЬО, РЬ₃0₄), пыль которых высокотоксична и обладает кумулятивным действием -- может накапливаться (аккумулироваться) в организме. Свинец поражает сердечно-сосудистую и нервную системы, кроветворные органы и желудочно-кишечный тракт.

В качестве осветлителя в производстве стекла используют оксид мышьяка (III) As₂0₃, являющийся сильным ядом. На организм человека он оказывает пагубное влияние, разрушая вегетативную нервную систему, приводит к параличу кровеносной системы, действует на обмен веществ. Нарушение питания тканей может привести к злокачественным образованиям. Так же как и свинец, он может накапливаться в организме. Доза, приводящая к серьезному отравлению человека, составляет 0,01-0,052 г.

Из числа вредных веществ, входящих в состав шихты, выделяют оксид хрома Сг₂0₃ и дихромат калия К₂Сг₂0₇, используемые как красители. Эти вещества также крайне токсичны. Они раздражают и изъязвляют слизистые оболочки и кожу, при их взаимодействии наблюдается прободение хрящевой перегородки, носоглотки и поражение желудочно-кишечного тракта.

Отрицательное влияние пылевых выбросов на организм человека требует таких технических решений, которые обеспечивали бы содержание вредных выбросов в атмосфере не выше ПДК.

В окружающей отделение атмосфере на уровне приземного слоя, концентрация вредных веществ не должна превышать 30% от ПДК в рабочей зоне помещения. ПДК веществ, используемых при приготовлении шихты, приведены в табл. 1.

Таблица 1

Компонент шихты	ПДК, мг/м3	Состояние вещества	Класс опасности
	в воздухе рабочей зоны	в воздухе, окружающем отделение
		разовая	средне-суточная
Диоксид кремния (кристаллическая форма): кварц, кристобалит, тридимит при содержании этих веществ в пыли свыше 70% (кварцит, динас и др.)	1	0,5	0,15	Аэрозоль	3
То же, при содержании в пыли этих веществ 10-70% (стадия обработки песка - сушка, отмывка, разделение на фракции)	2	0,5	0,15	-	4
То же, при содержании в пыли этих веществ 2-10% (стадия дозировки, смешения)	4	0,5	0,15	-	4
Оксиды железа с примесью оксидов марганца до 3%	6	0,5	0,15	-	4
Оксиды железа с примесью фтористых или марганцевых соединений	4	0,5	0,15	-	4
Борная кислота	10	нет данных	нет данных	пары и аэрозоль	3
Ванадий и его соединенияпентаоксид ванадияпента- и тетраоксид ванадия	0,10,5	--	0,0020,008	аэрозоль-	12
Германий, оксид германия	2	нет данных	нет данных	-	3
Кобальт металлический, оксид кобальта	0,5	-	-	-	2
Марганец и его соединения в пересчете на MnO2	0,3	-	0,01	-	2
Медь	1	нет данных	нет данных	-	2
Оксид мышьяка (III) и оксид мышьяка (V)	0,3	-	0,003	аэрозоль	2
Свинец, его оксиды и другие соединения	0,01	-	0,0003	-	1
Сурьма металлическая	2	-	-	-	3
Таллий, иодид, бромид	0,01	-	-	-	1
Оксид хрома (VI), хроматы, гидрохроматы (в пересчете на Cr2O3)	0,01	0,0015	0,0015	-	1

До настоящего времени на стекольных производствах задачи повышения степени очистки отбросных газовых потоков от пыли не решены.

Например, по данным И.М. Курыгина, при термической обработке сырья в отделении приготовления шихты его потери составляют 3--4%.

Большие объемы запыленного воздуха при подготовке сырьевых материалов (при сушке 1300--1500 м³/т, при помоле и дроблении 100-150 м³/т , при просеивании 300-400 м³/т) должны быть очищены перед их удалением из отделения. Так как пыль полидисперсная с преобладанием частиц менее 10-20 мкм, то очистка отходящих газовых потоков пыли во многом усложняется. Не менее опасными с точки зрения загрязнения окружающей среды являются стадии стекловарения и выработки стеклоизделий. Традиционно используется явно устаревший термин "варка стекла", который включает ряд физико-химических превращений оксидов при высоких температурах. Поэтому стекловаренная печь должна рассматриваться как реактор, в котором протекают разнообразные гетерогенные и гомогенные процессы: декарбонизация, плавление, протекание реакций в твердой и жидкой фазах при взаимодействии силикатов в сочетании с процессами взаимного растворения.

Все процессы образования стекла протекают при высоких температурах, которые достигаются вследствие подвода тепла при сжигании углеводородного сырья или подвода электроэнергии. Сжигание топлива связано с образованием вредных компонентов отрицательно влияющих на биосферу.

Таким образом, процессами переработки шихты в стекло, приводящими к вредным выбросам и вредным воздействиям, являются следующие:

загрузка шихты в стекловаренную печь, при которой часть ее удаляется топочными газами;

выделение реакционных газов, паров продуктов расплава и удаление мелких капель, образующихся при плавлении шихты и из объема расплавленной стекломассы;

образование вредных компонентов в процессе сжигания топлива; потери теплоты -- тепловое загрязнение с отходящими газами и через стенки основных аппаратов и трубопроводов.

Многие компоненты шихты обладают летучестью в диапазоне температур образования стекла. Большой летучестью обладают соединения бора, оксиды свинца, соединения мышьяка, оксиды сурьмы, селен и его соединения, хлориды и др. Как правило, с повышением температуры варки стекла их удаление будет увеличиваться. Оно зависит также и от состава шихты. Необходимо отметить крайне вредное влияние на биосферу (выбросы) фтористых соединений, цинка, калия, мышьяка, свинца. Например, при пламенной варке хрусталя с содержанием оксида свинца 24% в атмосферу выбрасывается 10--15% оксида свинца, входящего в состав шихты_; который выпадает из атмосферы вокруг стекольных заводов. Фтористые соединения улетучиваются в 5--7 раз интенсивнее, чем свинец. Большие потери бора наблюдаются при варке боросиликатных стекол. В процессе сжигания топлива достигаются высокие температуры газовых потоков, которые передают тепло расплавляемой и жидкой стекломассе. Процессы сжигания реализуются в условиях незначительного избытка воздуха, что сказывается на кинетике образующихся в процессе горения вредных компонентов.

Стекольные производства по своим масштабам несравнимы с энергетическими гигантами, но их экологические задачи аналогичны. Это позволяет обратиться к фундаментальным работам по изучению процессов образования вредных соединений в энергетике.

При сжигании топлива в стеклоагрегате, а также при движении топочных газов в пределах агрегата протекает ряд процессов, обусловленных высокими температурами, резкими перепадами температур, взаимодействием с огнеупорными, изоляционными материалами, а также взаимодействием компонентов самих продуктов сгорания в этих условиях.

Газообразные выбросы включают соединения углерода, серы и азота. Оксиды углерода являются продуктами сжигания углеводородных видов топлива. При наличии достаточного количества кислорода весь объем образующегося в процессах горения оксида углерода (II) (СО) доокисляется до оксида углерода (IV) (СО)₂. Максимальное содержание С0₂ в газе будет при коэффициенте избытка воздуха, равном 1 (при сжигании природного газа содержание С0₂ составляет 9, моторного топлива -- 12, мазута -- 13--14%).

К числу особо токсичных газообразных выбросов относится диоксид серы S0₂ (из общего объема оксидов серы 1% приходится на триоксид серы S0₃). Продолжительность пребывания его в атмосфере сравнительно мала. Он принимает участие в каталитических, фотохимических и других реакциях и превращается в сульфаты, которые выпадают на землю. В соединениях с водой из S0₃ образуется серная кислота. Образуется S0₃ в результате окисления S0₂ кислородом воздуха. Кислотные дожди -- порождение выбросов сгоревшей серы. Время пребывания S0_X в воздухе зависит от содержания в нем аммиака. В сравнительно чистом воздухе оно равно 15--20 сут. Содержание серы в углеводородном сырье различно [данные Государственного института азотной промышленности (ГИАП)]:

Суммарное содержание серы в природном газе,

мг/м³ (в пересчете на серу) 5-450

сероводород 1-25

этил- и метилмеркаптан 2-350

меркаптан С₃ -С₅ 0,5-20

сульфиды 0,5-15

дисульфиды 0-5

серооксид углерода 0,5--30

сероугаерод 0-5

В мазуте содержание серы может достигать 3,5%.

В процессе сжигания топлива образуется ряд соединений азота с кислородом (N₂0;NO;N₂O₃;NО₂;N₂0₄;N₂0₅). Обычно суммарное количество N_уO_x приводят к N0₂. Для оценки вредного воздействия выброшенных N_уO_x надо учитывать то, что активное пребывание NO в атмосфере исчисляется примерно 100 ч, a N₂0 - 4,5 годами [7].

Большая часть N_у,O_x образуется в зоне активного горения. Однако точный расчет образования N_yO_x в топочных устройствах и объеме печи является сложной и трудно решаемой задачей, требующей знаний и условий протекания химических реакций, гидродинамики, тепло- и массопереноса, Установлено, что N_уO_x при горении образуется в результате окисления азота, содержащегося в топливе, и непосредственного окисления азота воздуха. Во многом их содержание определяется коэффициентом избытка воздуха.

Объем оксидов, образующихся в процессе горения природного газа в топках котлов, зависит от организации процесса горения (при одноступенчатом сжигании содержание N_yO_x будет 700--1400см³/м³, при сжигании мазута 280-420 см³/м³). Организованное сжигание позволяет уменьшить объем образующегося N_yO_x соответственно до 60--120; 130-- 220 см³/м³.

Сжигание органических топлив сопровождается образованием канцерогенных веществ и, в частности, бензпирена, который может быть основой для синтеза других токсичных веществ.

Бензпирен образуется при температуре 700--800° С за счет протекания ряда пиролитических реакций. Химическая формула -- C₂₀ H₁₂, молекулярная масса равна 252, температура плавления 179 °С, кипения 480--500°С. В продуктах сгорания бензпирен присутствует в виде капель жидкости или желтых газообразных кристаллов. В отходящих газах котлов, работающих на мазуте, обнаружена зависимость содержания бензпирена от конструкций котла, горелок, коэффициента избытка воздуха и нагрузки от проектной мощности.

ПДК для канцерогенных веществ в 8,5 • 10⁴ раз меньше, чем для N_yO_x.

Приведем некоторые значения ПДК, мг/м³ , отвечающие содержанию вредных веществ в воздухе (табл.2).

Таблица 2

Вещество	Разовая	Среднесуточная
Оксид азота (II)	0,085	0,085
Бензпирен	-	0,00001
Оксид ванадия	-	0,002
Сажа (копоть)	0,15	0,05
Пыль нетоксичная	0,5	0,15
Свинец	0,0003	-
Серная кислота	0,3	0,1
Диоксид серы	0,5	0,05
Оксид углерода (II)	3	1
Оксид фосфора (V)	0,15	0,05
Газообразные соединения фтора	0,02	0,005

Все это говорит о необходимости скорейшего решения проблемы сокращения вредных выбросов при варке стекла и стекловолокна, что возможно в результате сокращения или полного исключения вредных выбросов путем изменения технологии варки, конструкции печей и др. и в сочетании с глубокой очисткой дымовых газов от вредных веществ в специальных установках.

Решение задач промышленной экологии при интенсификации производства стекла, расширении ассортимента стеклоизделий и улучшении их качества требует рассматривать производство стекла как замкнутую систему, взаимодействующую с окружающей средой. В последние годы для анализа таких сложных систем используется системный подход, рассматривающий всю линию как технологическую динамическую систему, состоящую из ряда взаимосвязанных подсистем.

1.7 Драгоценные камни

Бесцветные и различно окрашенные кристаллы SiO₂ - драгоценные камни.

Группа кварца - одна из самых распространенных в природе. Кварц (SiO₂) встречается во множестве горных пород, где он образуется в самых разнообразных условиях. В природе кристаллы кварца встречаются самых разных размеров. Экземпляры в сотни килограммов не являются редкостью. Существует много разновидностей кварца, одинаковых с ним по кристаллической структуре, но отличаются по цвету. Из них наиболее распространены прозрачный и бесцветный горный хрусталь, лимонно-желтый цитрин, ослепительно белый и мутный молочный кварц, розовый кварц нежного пастельного тона, просвечивающий дымчато-коричневый кварц, черный от непрозрачного до слегка просвечивающего - морион и от фиолетового до нежно-сиреневого цвета аметист. В наше время на заводах выращивают кристаллы синтетического кварца, которые идут на нужды пьезо- и пиротехники, медицины и радио [8].

Просвечивающие кристаллы дымчатого кварца и морион используется в ювелирных изделиях, глиптике и мужественно - декоративных работах.

Аметист выделяется среди прочих разновидностей кварца особой красотой. Его цветовая гамма колеблется от нежно-сиреневой до темно-фиолетовой. Встречаются отдельные разновидности, сияющие пурпурным «огоньком». Особенно хорош аметист на солнечном свету. При искусственном освещении он проигрывает в яркости и красоте окраски. Аметистовые щетки используются в ювелирной промышленности для вставок в купоны, серьги, кольца, броши, и как декоративный материал для шкатулок, письменных приборов и сувениров.

Халцедон представляет собой скрытокристаллический кварц микроволокнистого строения. В зависимости от цвета, структуры и текстуры различается несколько разновидностей халцедона. Собственно Халцедон имеет цвета от серого до молочно-белого с характерным восковым или матовым блеском. Встречается халцедон в природе чаще всего в желваках или шарообразных натечных телах, особенно часто в эффузивных породах в виде миндалин. Свое название халцедон получил от древнего г. Халкедона в Малой Азии, откуда он расходился по странам Средиземноморья.

Ценные технические качества халцедона (однородность структуры, отсутствие спайности, высокая твердость, малая истираемость и т.п.) делают его незаменимым материалом для изготовления опорных камней для точных приборов, гладильных досок для бумагоделательных машин и др.

Родонит относится к триклинным пироксенам. По составу это метасиликат марганца (MnSiO₃). Твердость родонита 5.5-6.5, уд. вес 3.4-3.8, спайность совершенная. Живые узоры из черных ветвистых прожилок окислов и гидроокислов марганца оживляют этот камень, создавая на нем фантастические рисунки и даже пейзажи. Родонит прекрасно поддается обработке. Будучи очень плотным, он легко режется алмазной пилой, хорошо шлифуется и отлично принимает зеркальную полировку. Его способность просвечивать в тонких пластинках, окрашенных в яркий малиново-красный цвет, используется при создании витражей. Перечень из родонита очень богат: различные шкатулки, брелоки, пресс-папье, печатки, пепельницы, вазочки, тарелочки, чаши, разрезные ножи, броши, запонки и т.д. Уральские кустари издавна обрабатывали родонит и добились изумительной техники, имитируя ягоды малины, плоды и фрукты, украшавшие шкатулки в виде накладок.

Нетрудно понять, что в будущем применение силикатов станет еще большим. Металлов в земной коре не так уж много. Углерод, который служит основой органических полимеров и пластмасс, составляет всего лишь 0,1% земной коры по массе. Производство древесины ограничено скоростью прироста леса. А использование силикатов практически не ограничено ничем. По силикатному сырью, можно сказать, мы ходим. Правда имеется существенный недостаток у силикатных изделий. Они обладают большой хрупкостью, но этот недостаток в принципе преодолим. Ведь изобрели же японцы небьющийся фарфор. А на сковородках из мелкокристаллического стекла - ситалла еще двадцать лет назад жарили картошку. Прочность таких сковородок близка к чугунным, и бьются они значительно меньше, чем обычное стекло [9].

Впрочем, о силикатах можно говорить бесконечно. Сведений о них так много, что химия силикатов давно выделилась в большую самостоятельную отрасль химического знания.

1.8 Сколько в нас кремния?

Наше обычное равнодушие к горным породам и кирпичам, которому способствует традиционное размежевание между неорганической и органической химией (а также теория витализма), обусловливает игнорирование возможностей роли кремния в живых организмах. Таким образом, 12% (или около этого) SiO₂, обнаруженного в золе после сгорания соломы, длительное время считали случайным загрязнением от силикатов в почве. В действительности кремний играет более активную роль в жизни растений и животных. Ваннагат отмечает, что содержание кремния в живых организмах уменьшается с ростом «сложности» организма: отношение кремния к углероду составляет 250:1 в земной коре, 15:1 - черноземе, 1:1 - в планктоне, 1:100 в папоротнике (мужском) и 1:5000 - у млекопитающих. Может создаться впечатление, что содержание кремния в живых организмах незначительно, однако общее количество кремния, которое содержится в 10¹² тоннах живых организмов на земле (если преобразовать в кварцевый песок и погрузить в вагоны), составило бы подвижной состав, который пять раз опоясал бы экватор! Такое игнорировать нельзя [11].

В организме человека содержится обычно только 10-15 г кремния, который можно было бы рассматривать как случайный остаток растворенной в воде кремниевой кислоты и вдыхаемой нами силикатной пыли. Тем не менее, большее количество кремния в волосах и ногтях наталкивает на мысль, что кремний должен быть связан с их ростом. Оказалось, что это соответствует действительности. Например, русская фармацевтическая целебная мазь, основанная на азотистом циклическом органическом эфире кремния, вызвала рост волос у молодых людей, которые лишились их вследствие хронической болезни. Аналогичный препарат, введенный морским свинкам, вызвал рост волосяного покрова у этих грызунов на 13 см.

Возможно, именно это поможет ответить на вопрос, почему человекообразные обезьяны, которые попали в неволю, теряют свой волосяной покров зимой и жадно едят глину или суглинок весной, чтобы восстановить его (возможно именно поэтому собаки иногда едят траву). Все это еще ждет исчерпывающего объяснения.

Зависимость между кремнием и формированием скелета также «окутана таинственностью», но в то же время известно, что при переломах костей происходит 50-кратное увеличение содержания кремния в соединительной ткани вокруг места перелома. Кремний служит структурным элементом вокруг соединительной ткани, связывая макромолекулы мукополисахаридов и коллагена, играет существенную роль в метаболизме многих растений и морских организмов, оказывает влияние на скорость минерализации и мешает возникновению атеросклероза [12].

Соединения кремния относятся к токсичным веществам: вдыхание мельчайших частиц пыли диоксида кремния и других соединений кремния (например, асбеста) вызывает опасную профессиональную болезнь - силикоз.

Внесение в почву кремния в виде силиката натрия повышает усвоение фосфатов из бедных ими почв.

Применение кремния во многом определяется его полупроводниковыми свойствами, что широко используется в электронике; приборы на его основе работают при температурах до 200° С; кремний используют для изготовления интегральных схем, диодов, транзисторов, солнечных батарей, фотоприемников, детекторов частиц в ядерной физике и других областях; из кремния также готовя линзы в приборах инфракрасной техники. В металлургии кремний применяют в качестве восстановителя, при производстве ферросилиция, для раскисления (удаления растворенного в расплавленных металлах кислорода); кремний является компонентом электротехнических и других сортов стали, чугунов, бронзы, силуминов; большое количество кремния и его производных расходуется на получение кремнийорганических соединений и силицидов ряда металлов; б-SiH применяют для изготовления солнечных батарей, полевых транзисторов и других изделий. Кремний в виде силикатов находит широкое применение в строительстве - цемент, кирпич, оконное стекло, фарфор и т.д., что было описано выше.