Оксид крем­ния SiO 2 — твердое, очень тугоплавкое вещество (температура плавления более 1700 °С), широко распространенное в природе, где оно встречается главным образом в виде минерала кварца, а также кристобалита и тридимита .

При обычных температурах устойчивой модификацией яв­ляется кварц, с ростом температуры наблюдаются полиморфные превращения:

Кремнезем всех модификаций в виде мономера не существу­ет; он всегда полимерен и «построен» из тетраэдров [SiO 4 ], обра­зующих очень прочную атомную решетку

Каждый атом кремния в кристаллах (SiO 2) n тетраэдрически окружен четырьмя атомами кислорода, каждый из которых является мостиковым. Через общий атом кислорода тетраэдры [SiO 4 ] под разными углами связываются друг с другом, образуя непрерывную трехмерную решетку; взаимное расположение тетраэдров [SiO 4 ] в пространстве определяет ту или иную модификацию кремнезема.

В различных модификациях кремнезема прочность связей неодинакова. Это влияет на величину углов Si -О-Si и расстояний Si -О, например угол связи Si -О-Si в различных модификациях кремнезема изменяется от 120 до 180°. Переходы кварц-три­димит-кристобалит сопровождаются разрывом и преобразова­нием связей, что может происходить только при высоких темпе­ратурах.

Кварц . Нередко встречается в природе в форме чрезвычайно хорошо образованных кристаллов, иногда значительной величи­ны. Кристаллы образованы из тетраэдров, расположенных винто­образно вокруг центральной оси, в виде спирали. В одном и том же кристалле направление спирали может быть противополож­ным. Такие кристаллы являются оптическими изомерами. Они вращают плоскость поляризации света, причем могут быть как право- , так и левовращающими. Те и другие кристаллы отлича­ются как предмет от своего зеркального изображения.

Кварц используется в различных областях науки и техники, и его кристаллы часто выращиваются искусственно. Некоторые разновидности кварца носят особые названия. Прозрачные бесцветные кристаллы называют горным хрусталем . Встречаются и окрашенные разновидности кварца: розовый кварц, фиолетовый (аметист ), темно-коричневый (дымчатый топаз ), зеленый (хризопраз ) и др. Мелкокристаллическая модификация кварца с примесями других веществ называется халцедоном . Разновидно­стями халцедона являются агат , яшма и др. Горный хрусталь и окрашенные разновидности кварца используют как драгоценные и полудрагоценные камни.

Тридимит встречается в вулканических породах, однако в очень небольших количествах. Известен тридимит и метеоритного происхождения.

Кристобалит в природе иногда встречается в виде мелких кристаллов, включенных в лаву, подобно тридимиту . Тридимит и кристобалит обладают более «рыхлой» структурой, нежели кварц. Так, плотность кристобалита , тридимита и кварца равна 2,32; 2,26 и 2,65 г/см 3 соответственно.

Расплав кремнезема при медленном охлаждении легко образует аморфное кварцевое стекло. Кремнезем в виде стекла встречается и в природе. Плотность аморфного стекла равна 2,20 г/см 3 — ниже, чем у всех кристаллических модификаций. Кварцевое стек­ло имеет незначительный температурный коэффициент расшире­ния, поэтому из него готовят лабораторную посуду, устойчивую к резким изменениям температуры.

Все модификации кремнезема в воде практически нераство­римы (при температуре 25 °С растворимость кварца составляет 7, кристобалита — 12, тридимита — 16, кварцевого стекла — 83 мг/л). Поэтому при обычных условиях на них действуют лишь растворы щелочей и плавиковая кислота:

SiO 2 + 2КОН = К 2 SiO 3 + Н 2 О, (1)

SiO 2 + 4НF = SiF 4 + 2Н 2 О. (2)

Последняя реакция используется при «травлении» стекла.

При ставленый диоксид кремния реагирует с основными оксидами, щелочами (реакция (1)) и карбонатами с образованием силикатов:

SiO 2 + СаО = СaSiO 3 , (3)

SiO 2 + Na 2 СО 3 = N а 2 SiO 3 + СО 2 . (4)

Реакции (3) и (4) лежат в основе промышленного по­лучения различных стекол , а также цемента . Так, со­став обычного стекла (например, оконного, для изготовления по­суды) выражается формулой Na 2 О . С аО. 6SiO 2 . Такое стекло получают сплавлением смеси соды, песка и известняка. Процесс проводят при температуре ~1400 °С до полного удаления газов:

Na 2 СО 3 + СаСО 3 + 6SiO 2 = N а 2 О. СаО. 6SiO 2 + 2СО 2 .

Для получения специальных сортов стекла — огнеупорного, «небьющегося» — при варке добавляют оксиды бария, свинца, бора. Для получения цветных стекол вносят также различные до­бавки, например добавка оксида кобальта Со 2 О 3 дает синий цвет, оксида хрома Сr 2 О 3 — зеленый, двуоксида марганца Мn О 2 — ро­зовый.

Оксид SiO 2 является ангидридом ряда кремниевых кислот, состав которых можно выразить общей формулой хSiO 2∙ y Н 2 O , где х и у — целые числа: 1) х = 1, у = 1: SiO 2 . Н 2 О, т.е. Н 2 SiO 3 — метакремниевая кислота; 1) х = 1, y = 2: SiO 2 . 2Н 2 О, т.е. ортокремниевая кислота; 1) x = 2, у = 1: 2SiO 2 . Н 2 О, т.е. Н 2 Si 2 O 5 – двуметакремниевая кислота.

Кислоты, молекулы которых содержат более одной молекулы SiO 2 , относятся к поликремниевым .

Самая простая из кремниевых кислот — Н 2 SiO 3 , которую часто называют просто кремниевой , а ее соли — силикатами. Из силикатов в воде растворимы только силикаты натрия и калия, остальные силикаты — тугоплавкие, нерастворимые в воде вещества.

Растворы силикатов мутнеют при стоянии на воздухе, так как находящийся в нем СО 2 вытесняет кремниевую кислоту из ее со­лей (Н 2 SiO 3 слабее угольной кислоты; константа диссоциации Н 2 SiO 3 по первой ступени равна К 1 = 2,2 . 10 -10).

Н 2 SiO 3 практически нерастворима в воде — это свойство используют как качественную реакцию для обнаружения силикат-ионов :

Na 2 SiO 3 + СО 2 + Н 2 О = N а 2 СО 3 + Н 2 SiO 3 ↓.

Получают силикаты сплавлением SiO 2 со щелочами или кар­бонатами.

Концентрированные растворы силикатов натрия и калия называют жидким стеклом , они имеют сильнощелочную реакцию вследствии того, что сильно гидролизованы :

К 2 SiO 3 + Н 2 О 2КОН + Н 2 SiO 3 ↓.

Жидкое стекло используют, например, для изготовления клея, водонепроницаемых тканей.

Цемент очень широко используется в строительстве как вяжущий материал, который при смешивании с водой затвердевает. Обычно цемент получают в больших вращающихся печах, где производят обжиг и размол различных силикатов (при температу­ре -1000 °С).

Различают несколько типов цементов, однако условно можно выделить два типа цементов по принципу их «свертывания» — обычный цемент и портландский цемент. Процесс «схватывания» обычного цемента, состоящего из силиката кальция, происходит вследствие образования карбоната кальция за счет углекислого газа воздуха:

СаО . SiO 2 + СО 2 + Н 2 О = СаСО 3 ↓ + Н 2 SiO 3 ↓.

При схватывании портландского цемента углекислота не уча­ствует в процессе, а происходит гидролиз силикатов с последующим образованием нерастворимых кристаллогидратов:

Са 3 SiO 5 + Н 2 О = Са 2 SiO 4 + Са (ОН) 2 ,

Са 2 SiO 4 + 4Н 2 О = Са 2 SiO 4 . 4Н 2 O ↓ .

Второй представитель элементов главной подгруппы IV группы (IVА группы) Периодической системы Д. И. Менделеева - кремний Si.

В природе кремний - второй по распространённости после кислорода химический элемент. Земная кора более чем на четверть состоит из его соединений. Наиболее распространённым соединением кремния является оксид кремния (IV) SiO 2 , другое его название - кремнезём.

В природе он образует минерал кварц (рис. 158), многие разновидности которого - горный хрусталь и его знаменитая лиловая форма - аметист, а также агат, опал, яшма, халцедон, сердолик, известны как поделочные и полудрагоценные камни. Из оксида кремния (IV) состоят также обычный и кварцевый песок.

Рис. 158.
Кристаллы кварца, вкраплённые в доломит

Из разновидностей минералов на основе оксида кремния (IV) (кремня, халцедона и др.) первобытные люди изготовляли орудия труда. Именно кремень, этот невзрачный и не очень прочный камень, положил начало каменному веку - веку кремнёвых орудий труда (рис. 159). Причин этому две: распространённость и доступность кремня, а также его способность образовывать при сколе острые режущие края.

Рис. 159.
Орудия каменного века

Второй тип природных соединений кремния - это силикаты. Среди них наиболее распространены алюмосиликаты (понятно, что эти силикаты содержат химический элемент алюминий). К алюмосиликатам относят гранит, различные виды глин, слюды. Силикатом, не содержащим алюминия, является, например, асбест, из которого изготавливают огнеупорные ткани.

Оксид кремния (IV) SiO 2 необходим для жизни растений и животных. Он придаёт прочность стеблям растений и защитным покровам животных (рис. 160). Благодаря ему тростники, камыши и хвощи стоят крепко, как штыки, острые листья осоки режут, как ножи, стерня на скошенном поле колет, как иголки, а стебли злаков настолько крепки, что не позволяют ниве на полях ложиться от дождя и ветра. Чешуя рыб, панцири насекомых, крылья бабочек, перья птиц и шерсть животных прочны, так как содержат кремнезём.

Рис. 160.
Оксид кремния (IV) придаёт прочность стеблям растений и защитным покровам животных

Соединения кремния придают гладкость и прочность волосам и ногтям человека.

Кремний входит и в состав низших живых организмов - диатомовых водорослей и радиолярий, нежнейших комочков живой материи, которые создают свои непревзойдённые по красоте скелеты из кремнезёма (рис. 161).

Рис. 161.
Скелеты диатомовых водорослей (а) и радиолярий (б) состоят из кремнезёма

Свойства кремния . Вы пользуетесь микрокалькулятором с солнечной батарейкой и поэтому имеете представление о кристаллическом кремнии. Это полупроводник. В отличие от металлов, с повышением температуры его электропроводность увеличивается. На спутниках, космических кораблях, станциях и крышах домов (рис. 162) устанавливают солнечные батареи, преобразующие солнечную энергию в электрическую. В них работают кристаллы полупроводников, и в первую очередь кремния. Кремниевые фотоэлементы могут превратить в электрическую до 10% поглощённой солнечной энергии.

Рис. 162.
Солнечная батарея на крыше дома

Кремний горит в кислороде, образуя уже известный вам оксид кремния (IV):

Будучи неметаллом, при нагревании кремний соединяется с металлами с образованием силицидов, например:

Силициды легко разлагаются водой или кислотами, при этом выделяется газообразное водородное соединение кремния - силан:

В отличие от углеводородов, силан на воздухе самовоспламеняется и сгорает с образованием оксида кремния (IV) и воды:

Повышенная реакционная способность силана по сравнению с метаном СН 4 объясняется тем, что размер атома у кремния больше, чем у углерода, поэтому химические связи Si-Н менее прочные, чем связи С-Н.

Кремний взаимодействует с концентрированными водными растворами щелочей, образуя силикаты и водород:

Кремний получают, восстанавливая его из оксида кремния (IV) магнием или углеродом:

Оксид кремния (IV), или диоксид кремния, или кремнезём SiO 2 , как и СO 2 , является кислотным оксидом. Однако в отличие от С02 имеет не молекулярную, а атомную кристаллическую решётку. Поэтому SiO 2 твёрдое и тугоплавкое вещество. Он не растворяется в воде и кислотах, кроме, как вы знаете, плавиковой, но взаимодействует при высоких температурах с щелочами с образованием солей кремниевой кислоты - силикатов:

Силикаты можно получить также сплавлением оксида кремния (IV) с оксидами металлов или с карбонатами:

Силикаты натрия и калия называют растворимым стеклом. Их водные растворы - это хорошо известный силикатный клей.

Из растворов силикатов действием на них более сильных кислот - соляной, серной, уксусной и даже угольной получается кремниевая кислота H 2 SiO 3 (рис. 163):

Рис. 163. Качественная реакция на силикат-ион

Следовательно, H 2 SiO 3 очень слабая кислота. Она нерастворима в воде и выпадает из реакционной смеси в виде студенистого осадка, иногда заполняющего компактно весь объём раствора, превращая его в полутвёрдую массу, похожую на студень, желе. При высыхании этой массы образуется высокопористое вещество - силикагель, широко применяемый в качестве адсорбента - поглотителя других веществ.

Лабораторный опыт № 40
Получение кремниевой кислоты и изучение её свойств

Применение кремния . Вы уже знаете, что кремний применяют для получения полупроводниковых материалов, а также кислотоупорных сплавов. При сплавлении кварцевого песка с углём при высоких температурах образуется карбид кремния SiC, который по твёрдости уступает только алмазу. Поэтому его используют для затачивания резцов металлорежущих станков и шлифовки драгоценных камней.

Из расплавленного кварца изготавливают различную кварцевую химическую посуду, которая может выдерживать высокую температуру и не трескается при резком охлаждении.

Соединения кремния служат основой для производства стекла и цемента.

Обычное оконное стекло имеет состав, который можно выразить формулой Na 2 O СаО 6SiO 2 . Его получают в специальных стекловаренных печах сплавлением смеси соды, известняка и песка.

Отличительная особенность стекла - способность размягчаться и в расплавленном состоянии принимать любую форму, которая сохраняется при застывании стекла. На этом основано производство посуды и других изделий из стекла.

Дополнительные качества стеклу придают различные добавки. Так, введением оксида свинца получают хрустальное стекло, оксид хрома окрашивает стекло в зелёный цвет, оксид кобальта - в синий и т. д. (рис. 164).

Рис. 164.
Изделия из цветного стекла

Стекло - одно из древнейших изобретений человечества. Уже 3-4 тыс. лет назад производство стекла было развито в Египте, Сирии, Финикии и Причерноморье.

Стекло - это материал не только ремесленников, но и художников. Высокого совершенства достигли мастера Древнего Рима, которые умели получать цветные стёкла и делать из их кусочков мозаики.

Рис. 165.
Цветное стекло в витражах собора Нотр-Дам, Шартр

Произведения искусства из стекла являются обязательными атрибутами любого крупного музея, и цветные витражи церквей, мозаичные панно - яркие тому примеры (рис. 165). В одном из помещений Санкт-Петербургского отделения Российской академии наук находится мозаичный портрет Петра I, выполненный М. В. Ломоносовым (рис. 166).

Рис. 166.
Мозаичный портрет Петра I

Области применения стекла очень обширны. Это оконное, бутылочное, ламповое, зеркальное стекло; стекло оптическое - от стёкол очков до стёкол фотокамер; линзы бесчисленных оптических приборов - от микроскопов до телескопов.

Другой важный материал, получаемый на основе соединения кремния, - цемент. Его получают спеканием глины и известняка в специальных вращающихся печах.

Если порошок цемента смешать с водой, то образуется цементное тесто, или, как его называют строители, «цементный раствор», который постепенно затвердевает. При добавлении к цементу песка или щебня в качестве наполнителя получают бетон. Прочность бетона возрастает, если в него вводится железный каркас, - получается железобетон, из которого изготавливают стеновые панели, блоки перекрытий, фермы мостов и т. д.

Производством стекла и цемента занимается силикатная промышленность. Она также выпускает силикатную керамику - кирпич, фарфор (рис. 167), фаянс и изделия из них.

Рис. 167.
Фарфоровые изделия

Открытие кремния . Хотя уже в глубокой древности люди широко использовали в быту соединения кремния, сам кремний был впервые получен в 1824 г. шведским химиком Й. Я. Берцелиусом. Однако за 12 лет до него кремний получили Ж. Гей-Люссак и Л. Тенар, но он был очень загрязнён примесями.

Латинское название силициум берёт своё начало от латинского слова силекс- «кремень». Русское название «кремний» происходит от греческого кремнос - «утёс, скала».

Новые слова и понятия

1. Природные соединения кремния: кремнезём, кварц и его разновидности, силикаты, алюмосиликаты, асбест.
2. Биологическое значение кремния.
3. Свойства кремния: полупроводниковые, взаимодействие с кислородом, металлами, щелочами.
4. Силан.
5. Оксид кремния (IV). Его строение и свойства: взаимодействие с щелочами, основными оксидами, карбонатами и магнием.
6. Кремниевая кислота и её соли. Растворимое стекло.
7. Применение кремния и его соединений.
8. Стекло.
9. Цемент.

Задания для самостоятельной работы

Кремний IV оксид ТУ 6-09-3379-79

SiO 2

Диоксид кремния (кремнезём , SiO 2 ; лат. silica ) - оксид кремния (IV). Бесцветные кристаллы с температурой плавления+1713…+1728 °C, обладающие высокой твёрдостью и прочностью.

Диоксид кремния - главный компонент почти всех земных горных пород, в частности, кизельгура. Из кремнезёма и силикатов состоит 87 % массы литосферы. В крови и плазме человека концентрация кремнезёма составляет 0,001 % по массе.

Свойства

• Относится к группе кислотных оксидов.
• При нагревании взаимодействует с основными оксидами и щелочами.
• Реагирует с плавиковой кислотой.
• SiO 2 относится к группе стеклообразующих оксидов, то есть склонен к образованию переохлажденного расплава - стекла.
• Один из лучших диэлектриков (электрический ток не проводит, если не имеет примесей и не нагревается).

Полиморфизм

Диоксид кремния имеет несколько полиморфных модификаций.

Самая распространённая из них на поверхности земли - α-кварц - кристаллизуется в тригональной сингонии. При нормальных условиях диоксид кремния чаще всего находится в полиморфной модификации α-кварца, которая при температуре выше +573 °C обратимо переходит в β-кварц. При дальнейшем повышении температуры кварц переходит в тридимит и кристобалит. Эти полиморфные модификации устойчивы при высоких температурах и низких давлениях.

В природе также встречаются формы - опал, халцедон, кварцин, лютецит, аутигенный кварц, которые относятся к группе кремнезёма. Опал (SiO 2 *nH 2 O) в шлифе бесцветен, изотропен, имеет отрицательный рельеф, отлагается в морских водоемах, входит в состав многих кремнистых пород. Халцедон, кварцин, лютецит - SiO 2 - представляют собой скрытокристаллические разновидности кварца. Образуют волокнистые агрегаты, розетки, сферолиты, бесцветные, голубоватые, желтоватые. Отличаются между собой некоторыми свойствами - у халцедона и кварцина - прямое погасание, у лютецита - косое, у халцедона - отрицательное удлинение.

При высоких температуре и давлении диоксид кремния сначала превращается в коэсит (который в 1953 году был синтезирован американским химиком Лорингом Коэсом), а затем в стишовит (который в 1961 году был синтезирован С. М. Стишовым, а в 1962 году был обнаружен в метеоритном кратере) [источник не указан 2294 дня ] . Согласно некоторым исследованиям, стишовит слагает значительную часть мантии, так что вопрос о том, какая разновидность SiO 2 наиболее распространена на Земле, пока не имеет однозначного ответа.

Также имеет аморфную модификацию - кварцевое стекло.

Химические свойства

Диоксид кремния SiO 2 - кислотный оксид, не реагирующий с водой.

Химически стоек к действию кислот, но реагирует с газообразным фтороводородом:

и плавиковой кислотой:

Эти две реакции широко используют для травления стекла.

При сплавлении SiO 2 с щелочами и основными оксидами, а также с карбонатами активных металлов образуются силикаты - соли не имеющих постоянного состава очень слабых, нерастворимых в воде кремниевых кислот общей формулы xH 2 O·ySiO 2 (довольно часто в литературе упоминаются не кремниевые кислоты, а кремниевая кислота, хотя фактически речь при этом идет об одном и том же веществе).

Например, может быть получен ортосиликат натрия:

метасиликат кальция:

или смешанный силикат кальция и натрия:

Из силиката Na 2 CaSi 6 O 14 (Na 2 O·CaO·6SiO 2) изготовляют оконное стекло.

Большинство силикатов не имеет постоянного состава. Из всех силикатов растворимы в воде только силикаты натрия и калия. Растворы этих силикатов в воде называют жидким стеклом. Из-за гидролиза эти растворы характеризуются сильно щелочной средой. Для гидролизованных силикатов характерно образование не истинных, а коллоидных растворов. При подкислении растворов силикатов натрия или калия выпадает студенистый белый осадок гидратированных кремниевых кислот.

Главным структурным элементом как твердого диоксида кремния, так и всех силикатов, выступает группа , в которой атом кремния Si окружен тетраэдром из четырёх атомов кислорода О. При этом каждый атом кислорода соединен с двумя атомами кремния. Фрагменты могут быть связаны между собой по-разному. Среди силикатов по характеру связи в них фрагментов выделяют островные, цепочечные, ленточные, слоистые, каркасные и другие.

Получение

Синтетический диоксид кремния получают нагреванием кремния до температуры +400…+500 °C в атмосфере кислорода, при этом кремний окисляется до диоксида SiO 2 . А также термическим оксидированием при больших температурах.

В лабораторных условиях синтетический диоксид кремния может быть получен действием кислот, даже слабой уксусной, на растворимые силикаты. Например:

кремниевая кислота сразу распадается на воду и SiO 2 , выпадающий в осадок.

Натуральный диоксид кремния в виде песка используется там, где не требуется высокая чистота материала.

Применение

Диоксид кремния применяют в производстве стекла, керамики, абразивов, бетонных изделий, для получения кремния, как наполнитель в производстве резин, при производстве кремнезёмистых огнеупоров, в хроматографии и др. Кристаллы кварца обладают пьезоэлектрическими свойствами и поэтому используются в радиотехнике, ультразвуковых установках, в зажигалках.Аморфный непористый диоксид кремния применяется в пищевой промышленности в качестве вспомогательного вещества E551, препятствующего слёживанию и комкованию, парафармацевтике (зубные пасты), в фармацевтической промышленности в качестве вспомогательного вещества (внесён в большинство Фармакопей), а также пищевой добавки или лекарственного препарата в качестве энтеросорбента.

Искусственно полученные плёнки диоксида кремния используются в качестве изолятора при производстве микросхем и других электронных компонентов.

Также используется для производства волоконно-оптических кабелей. Используется чистый плавленый диоксид кремния с добавкой в него некоторых специальных ингредиентов.

Кремнезёмная нить также используется в нагревательных элементах электронных сигарет, так как хорошо впитывает жидкость и не разрушается под нагревом спирали.

Крупные прозрачные кристаллы кварца используются в качестве полудрагоценных камней; бесцветные кристаллы называют горным хрусталём, фиолетовые - аметистами, жёлтые - цитрином.

В микроэлектронике диоксид кремния является одним из основных материалов. Его применяют в качестве изолирующего слоя, а также в качестве защитного покрытия. Получают в виде тонких плёнок термическим окислением кремния, химическим осаждением из газовой фазы, магнетронным распылением.

Пористые кремнезёмы

Пористые кремнезёмы получают различными методами.

Силохром получают путём агрегирования аэросила, который, в свою очередь, получают сжиганием силана (SiH 4). Силохром характеризуется высокой чистотой, низкой механической прочностью. Характерный размер удельной поверхности 60-120 м²/г. Применяется в качестве сорбента в хроматографии, наполнителя резин, катализе.

Силикагель получают путём высушивания геля кремниевой кислоты. В сравнении с силохромом обладает меньшей чистотой, однако может обладать чрезвычайно развитой поверхностью: обычно от 300 м²/г до 700 м²/г.

Кремниевый аэрогель приблизительно на 99,8 % состоит из воздуха и может иметь плотность до 1,9 кг/м³ (всего в 1,5 раза больше плотности воздуха).

Кремний открыл и получил в 1823 году шведский химик Йенс Якоб Берцелиус.

Второй по распространённости элемент в земной коре после кислорода (27,6% по массе). Встречается в соединениях.

Строениеатома кремния в основном состоянии 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2

Строение атома кремния в возбуждённомсостоянии 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3 Степени окисления: +4, -4.

Аллотропия кремния

Известен аморфный и кристаллический кремний.

Поликристаллический кремний

Кристаллический – тёмно-серое вещество с металлическим блеском, большая твёрдость, хрупок, полупроводник; ρ = 2,33 г/см 3 , t°пл. =1415°C; t°кип. = 2680°C.

Имеет алмазоподобную структуру и образует прочные ковалентные связи. Инертен.

Аморфный - бурый порошок, гигроскопичен, алмазоподобная структура, ρ = 2 г/см 3 , более реакционноспособен.

Получение кремния

1) Промышленность – нагревание угля с песком:

2C + SiO 2 t ˚ → Si + 2CO

2) Лаборатория – нагревание песка с магнием :

2Mg + SiO 2 t ˚ → Si + 2MgO Опыт

Химические свойства

Типичный неметалл, инертен.

Как восстановитель:

1) С кислородом

Si 0 + O 2 t ˚ → Si +4 O 2

2) С фтором (без нагревания)

Si 0 + 2F 2 →SiF 4 ­

3) С углеродом

Si 0 + C t ˚ → Si +4 C

(SiC - карборунд - твёрдый; используется для точки и шлифовки)

4) С водородом не взаимодействует.

Силан (SiH 4) получают разложением силицидов металлов кислотой:

Mg 2 Si + 2H 2 SO 4 → SiH 4 ­ + 2MgSO 4

5) С кислотами не реагирует (т олько с плавиковой кислотой Si +4 HF = SiF 4 +2 H 2 )

Растворяется только в смеси азотной и плавиковой кислот:

3Si + 4HNO 3 + 18HF →3H 2 + 4NO­ + 8H 2 O

6) Со щелочами (при нагревании):

Как окислитель:

7) С металлами (образуются силициды):

Si 0 + 2Mg t ˚ →Mg 2 Si -4

Кремний широко используется в электронике как полупроводник. Добавки кремния к сплавам повышают их коррозионную стойкость. Силикаты, алюмосиликаты и кремнезем – основное сырье для производства стекла и керамики, а также для строительной промышленности.
Кремний в технике
Применение кремния и его соединений

Силан - SiH 4

Физические свойства: Бесцветный газ, ядовит, t°пл. = -185°C, t°кип. = -112°C.

Получение кремниевой кислоты

Действие сильных кислот на силикаты - Na 2 SiO 3 + 2HCl → 2NaCl + H 2 SiO 3 ↓

Химические свойства:

При нагревании разлагается: H 2 SiO 3 t ˚ → H 2 O + SiO 2

Соли кремниевой кислоты - силикаты .

1) с кислотами

Na 2 SiO 3 +H 2 O+CO 2 =Na 2 CO 3 +H 2 SiO 3

2) с солями

Na 2 SiO 3 +CaCl 2 =2NaCl+CaSiO 3 ↓

3) Силикаты, входящие в состав минералов, в природных условиях разрушаются под действием воды и оксида углерода (IV) - выветривание горных пород:

(K 2 O Al 2 O 3 6SiO 2)(полевой шпат) + CO 2 + 2H 2 O → (Al 2 O 3 2SiO 2 2H 2 O)(каолинит (глина)) + 4SiO 2 (кремнезём (песок)) + K 2 CO 3

Применение соединений кремния

Природные соединения кремния - песок (SiO 2) и силикаты используются для производства керамики, стекла и цемента.

Керамика
Фарфор = каолин+ глина + кварц + полевой шпат. Родина фарфора – Китай, где фарфор известен уже в 220г. В 1746 г – налажено производство фарфора в России	Фаянс - от названия итальянского города Фаэнца. Где в 14-15веках было развито керамическое ремесленничество. Фаянс – отличается от фарфора большим содержанием глины (85%), более низкой температурой обжига.

Кремний. Нахождение в природе

Кремний после кислорода – самый

распространенный элемент.

Он составляет 27,6 % массы земной коры .

Однако в отличие от углерода в свободном

состоянии кремний в природе не встречается.

Наиболее распространены его соединения: SiO 2 – оксид кремния (IV) и соли кремниевых кислот –

силикаты.

Они образуют оболочку земной коры , которая на

97% состоит из соединений кремния.

Кремний содержится в организмах растений и

животных.

Кремний. Получение

В промышленности кремний получают

восстановлением SiO 2 коксом в электрических печах:

SiO2 + 2С = 2СO + Si.

В лаборатории в качестве восстановителей

используют магний или алюминий :

SiO2 + 2Mg = 2MgO + Si,

SiO2 + 4Al = 2Al2 O3 + 3Si.

Наиболее чистый кремний получают восстановлением тетрахлорида кремния парами

цинка:	SiCl4	2Zn = 2ZnCl2 + Si.

Кремний. Физические свойства

Кристаллический кремний – вещество темно-серого цвета со стальным блеском.

Кристаллическая решетка типа алмаза.

Обладает большой твердостью: царапает стекло.

Очень хрупок. Плотность 2,33 г/см3.

В сверхчистом виде применяется для изготовления полупроводников .

Кремний как полупроводник имеет преимущество перед германием.

Из него изготовляются так называемые солнечные батареи ,

которые служат для непосредственного превращения солнечного света в электрическую энергию (питание радиоустановок космических кораблей ).

Кремний состоит из трех стабильных изотопов :

14 28 Si, 29 14 Si, 30 14 Si.

Кремний. Химические свойства

По химическим свойствам кремний, как и углерод,

является неметаллом.

Но металличность выражена сильнее, чем у углерода, так как он имеет большую величину атомного радиуса

(0,118 нм).

У атомов кремния на внешнем энергетическом уровне 4 электрона.

Поэтому для кремния характерна степень окисления как – 4 , так + 4 (известно соединение SiO , где степень окисления кремния +2 ).

Однако способность принимать электроны у кремния выражена слабее, чем у углерода.

Поэтому его соединение с водородом SiH 4 менее

прочно , чем СН 4 .

Кремний. Химические свойства

Кислоты (кроме смеси НF и НNО3 ) на кремний не действуют . Однако он реагирует с растворенными или расплавленными щелочами :

Si + 2NaOH + H2 O = Na2 SiO3 + H2 .

При высокой температуре кремний соединяется с углем , образуя карбид кремния SiС (карборунд).

Это очень твердое вещество, из которого изготовляют точильные и шлифовальные камни. Химически весьма стоек .

При нагревании кремний реагирует со многими металлами:

Si + 2Mg = Mg2 Si.

Соединения металлов с кремнием называются силицидами .

С водородом кремний непосредственно не соединяется, но его водородные соединения известны.

Кремний. Химические свойства

Они образуют гомологический ряд кремневодородов (силанов ) общей формулы Sin H2n+2 (аналогия с углеродом).

Oднако известно только восемь членов ряда.

Cвязи Si – Н слабее, чем связи С – Н .

Поэтому кремневодороды по сравнению с

соответствующими углеводородами менее устойчивы и более реакционноспособны.

Простейшее водородное соединение – силан SiН 4 –

получается при действии на силицид магния соляной

кислотой: Mg2 Si + 4HCl = 2MgCl2 + SiH4 .

Силан – ядовитый газ с неприятным запахом,

самовоспламеняется на воздухе:

SiH4 + 2О2 = 2Н2 О+ SiО2 .

Оксид кремния (IV)

Оксид кремния (IV ), или кремнезем ,– твердое, очень тугоплавкое вещество. Распространен в природе в двух видах.

1 . Kристаллический кремнезем – в виде минерала кварца и его разновидностей (горный хрусталь ,

хальцедон, агат, яшма, кремень).

Кварц составляет основу кварцевых песков, широко используемых в строительстве и в силикатной промышленности.

2 . Aморфный кремнезем – в виде минерала опала

состава SiO 2 ·nН 2 0 .

Землистыми формами аморфного кремнезема являются диатомит , трепел (инфузорная земля).

Оксид кремния (IV)

Примером искусственного аморфного безводного

кремнезема может служить силикагель .

При 1710 ° С кварц плавится .

В случае быстрого остывания расплавленной

массы образуется кварцевое стекло .

Раскаленное кварцевое стекло не трескается при

быстром охлаждении водой, так как оно имеет

очень малый коэффициент расширения.

Из кварцевого стекла изготовляют

лабораторную посуду и научные приборы.

Оксид кремния (IV). Химические свойства

По химическим свойствам SiO 2 является ангидридом метакремниевой , или просто кремниевой кислоты Н 2 SiO 3 .

При сплавлении его с твердыми щелочами , основными оксидами и карбонатам и образуются силикаты – соли кремниевой кислоты:

SiO2 + 2NaOH = Na2 SiO3 + H2 O,

SiO2 + CaO = CaSiO3 ,

SiO2 + Na2 СO3 = Na2 SiO3 + СО2 .

Из кислот с оксидом кремния (IV ) взаимодействует только

плавиковая кислота:

SiO2 + 4HF = SiF4 + 2H2 O.

С помощью этой реакции производится травление стекла.

Кремниевые кислоты

В воде оксид кремния (IV ) не растворяется и с ней

химически не взаимодействует.

Поэтому кремниевую кислоту получают косвенным

путем, действуя кислотой на раствор силиката

калия или натрия:

SiO3 2 − + 2H+ = H2 SiO3 .

При этом кремниевая кислота (в зависимости от

концентрации исходных растворов соли и кислоты)

может быть получена как в виде студнеобразной массы , содержащей воду, так и в виде коллоидного

раствора (золя).

Кремниевые кислоты

Оксиду кремния (IV) соответствует ряд кислот общей формулы х SiO 2 ·у Н 2 О где х и у – целые числа. Например:

а) х = 1, у = 1 → SiO 2 ·Н 2 О

Н 2 SiO 3 – метакремниевая кислота;

б) х = I, у = 2 → SiO 2 ·2Н 2 О

Н 4 SiO 4 – ортокремниевая кислота;

в) х-2, у = 1 → 2SiO 2 ·Н 2 О

Н 2 Si 2 O 5 – двуметакремнйевая кислота.

Кремниевые кислоты, в которых х >1 , называются

поликремниевыми.

В воде поликремниевые кислоты практически

нерастворимы.

Все кремниевые кислоты слабее угольной.

Кремниевые кислоты, их соли

Н 2 SiO 3 – кислота очень слабая.

При нагревании, по аналогии с угольной кислотой,

легко распадается:

H2 SiO3 = H2 O + SiO2 .

Будучи двухосновной кислотой, диссоциирует ступенчато: H 2 SiO 3 H + + НSiO − з ,

HSiO3 − H+ + SiO3 2 − .

Соли кремниевых и поликремниевых кислот называются силикатами .

Их состав обычно изображают в виде соединений оксидов элементов .

Например, CaSiO 3 можно выразить формулой

СаO·SiО2 .

Кремниевые кислоты, их соли

Силикаты состава R 2 O·nSiO 2 , где R 2 0 – оксиды натрия или калия , называются растворимым стеклом , а их концентрированные водные растворы – жидким стеклом .

Наибольшее значение имеет натриевое растворимое стекло .

В технике его получают как сплавлением кварцевого песка с содой, так и обработкой

аморфного кремнезема концентрированным

раствором щелочи:

SiO2 + Na2 CO3 = Na2 SiO3 + CO2 ,

SiO2 + 2NaOH = Na2 SiO3 + H2 O.

Кремниевые кислоты, их соли

Жидкое стекло применяется:

в качестве связующего при изготовлении кислотоупорных бетонов ,

для изготовления замазок ,

конторского клея,

пропитки тканей, дерева и бумаги для придания им огнестойкости и водонепроницаемости .

Природные соединения кремния

Земная кора состоит из оксида кремния (IV ) и

различных силикатов .

Природные силикаты имеют сложный состав и

строение.

Их можно рассматривать как соли поликремниевых кислот .

Вот состав некоторых природных силикатов:

полевой шпат: К 2 О·А1 2 0 3 ·6SiO 2 ;

слюда : К2 О·3А12 03 ·6SiO2 ·2Н2 О;

aсбест : ЗМgO·2SiO2 ·2Н2 О;

каолинит : А12 03 2SiO2 ·2Н2 О.

Природные соединения кремния

Из перечисленных силикатов алюмосиликатами являются полевой шпат , каолинит и слюда .

В природе наиболее распространены именно

алюмосиликаты, например, полевые шпаты .

Распространены также смеси различных силикатов.

Так, горные породы – граниты и гнейсы – состоят из кристалликов кварца , полевого шпата и слюды .

Горные породы и минералы на поверхности земли под

действием температуры, а затем влаги и оксида

углерода (IV) выветриваются , т. е. медленно разрушаются .

Природные соединения кремния

Процесс выветривания полевого шпата можно

выразить уравнением:

K2 O Al2 O3 6SiO2 + 2H2 O + CO2 =

Al2 O3 2SiO2 2H O + K2 CO3 + 4SiO2 .

Основным продуктом выветривания является минерал каолинит – главная составная часть белой глины.

В результате выветривания горных пород на земле образовались залежи глины , песка и солей .

Из искусственных силикатов наибольшее значение

имеют стекло, цемент и керамика.

Получение стекла

Состав обычного оконного стекла примерно

выражается формулой Na 2 О·СаО·6SiO 2 .

Стекло получают сплавлением в специальных печах смеси соды Na 2 СО 3 , мела СаСO 3 и белого песка SiO 2 .

Сначала образуются силикаты натрия и кальция:

SiO2 + Na2 CO3 = Na2 SiO3 + CO2 ,SiO3 + CO2 + 2SO2 .

Для получения специального стекла изменяют состав исходной смеси.

Заменяя соду Nа 2 СO 3 поташем К 2 СO 3 , получают

тугоплавкое стекло для химической посуды.

Получение стекла

Заменяя мел СаСО 3 оксидом свинца (II) РbО ,

получают хрустальное стекло.

Добавки оксидов металлов к исходной смеси

придают стеклу различную окраску.

Так, оксид хрома (III) Сr 2 О 3 придает зелёную окраску, оксид кобальта (II) СоО – синюю, оксид марганца (IV) МnO 2 – красновато-лилову и т. д.

Из стекла изготовляются волокна и ткани для технических нужд.

Получение цемента

Портландцемент представляет собой вяжущее порошкообразное вещество , которое при смешении

с водой затвердевает на воздухе и в воде в

камнеподобную массу.

Обычно его получают обжигом (1400 – 1600 °С) сырьевой смеси, состоящей из известняка и глины .

Прокаливание производится в специальных цилиндрических вращающихся печах.

Получаемая спекшаяся зернистая масса называется клинкером . Это полуфабрикат.

Клинкер с соответствующими добавками размалывают в тонкий порошок в шаровых мельницах

и получают окончательный продукт.

Получение цемента

В природе встречаются породы, которые содержат

известняк и глину в соотношениях, необходимых для получения портландцемента .

Их называют мергелями . На их основе работают

крупные цементные заводы.

Часто сырьевую смесь готовят искусственным путем.

Регулируя состав смесей, получают различные виды

цемента:

быстротвердеющие,

морозостойкие,

коррозионностойкие и др.

Получение цемента

Из смеси цемента, воды и заполнителей (песок, гравий, щебень, шлак) после их затвердевания

получают искусственный камень – бетон .

Смесь этих материалов до затвердевания называется бетонной смесью.

При затвердевании цементное тесто связывает зерна заполнителей.

Затвердевание происходит даже в воде .

Бетон со стальной арматурой (внутренним каркасом)

называется железобетоном.

Бетоны и железобетоны в больших количествах идут на сооружение гидроэлектростанций , дорог , несущих конструкций зданий .

Получение цемента

Разработаны и изготовляются также бетоны , в

которых в качестве вяжущего используются

органические полимеры или полимеры совместно с

цементом.

Это так называемые пластобетоны , обладающие особыми свойствами.

Производство стекла, цемента и керамики относится к силикатной промышленности ,

перерабатывающей природные соединения кремния.

Изобразить электронное строение атома кремния и указать их характерные степени окисления.

Назвать природные соединения кремния.

Каковы физические и химические свойства кремния?

Охарактеризовать важнейшие химические свойства оксида кремния (IV).

Как, исходя из кремния, получить кремниевую кислоту? Написать уравнения соответствующих реакций.

Что представляют собой силикаты?

Написать ионное уравнение гидролиза силиката натрия. Какие производства относятся к силикатной промышленности?