Химия: В формуле SiO2 валентность кремния и кислорода соответственно равны

Что такое катализатор реакции?

Речь идет о веществе, которое способно ускорять протекание превращения многократно. Процесс в химии, протекающий в присутствии ускорителей превращений, называется катализом. Катализ характеризуется тем, что вещество, ускоряющее химический процесс, не расходует в ходе протекания последнего, а также не входит в состав конечных продуктов.

Катализ по своему результату может быть двух видов: положительный и отрицательный. Положительный катализ приводит к увеличению скорости превращения. Отрицательный катализ приводит к замедлению или прекращению протекания химического превращения. Вещества, реализующие, отрицательный катализ называются ингибиторами.

Что такое изотоп?

Изотопами называют видоизменные элементы периодической таблицы Менделеева, которые имеют один и тот же порядковый номер, но различную атомную массу. Название характеризует нахождение подобных структур в одной клеточке периодической таблицы с нормальными элементами (изо – равное, топ – положение, место – в переводе с английского).

Основное назначение посуды

Правильно подобранная посуда в лаборатории обеспечивает успех научной деятельности. Для этого закупаются сотни разных колб, воронок и другой посуды.

По назначению вся посуда делится на три группы:

В настоящее время выпускается большое количество посуды для научных, медицинских и иных лабораторий. Для ее изготовления используется стекло, фарфор и другие, устойчивые к резким изменениям среды, материалы. Каждый лабораторный сосуд должен соответствовать установленным нормам ГОСТа.

В формуле sio2 валентность кремния и кислорода соответственно равны

Виды реакций по числу и составу реагирующих и образующих веществ

Классификация химических реакций по числу и составу реагирующих компонентов подразделяются на превращения, протекающие без изменения состава веществ, вступающих в химическое превращение (р. изомеризации и смены аллотропных модификаций у неорганических соединений) и превращения, осуществляющиеся с изменением состава реагирующих компонентов (р. соединения, замещения, обмена, разложения, отщепления).

Восстановления

Р. Восстановления – это превращения, в ходе которых в результате присоединения электронов уменьшается степень окисления атома реагирующего вещества. Р. восстановления, так же как и р. окисления, подразделяются на: р. полного и частичного восстановления.

Галогениды кремния

Хлорид и фторид кремния – галогенангидриды кремниевой кислоты.SiCl4.

Получают галогениды кремния действием хлорана сплав оксида кремния с углем:

SiO2 C Cl2  →  SiCl4 CO

Галогениды кремния разлагаются водойдо кремниевой кислоты и хлороводорода:

SiCl4      3H2O   →  H2SiO3↓        4HCl

Хлорид кремния (IV) восстанавливается водородом:

SiCl4       2H2  →   Si     4HCl

Замещения

Р. замещения – это превращения веществ, в ходе которых атомы или группы атомов одного веществ замещают атомы или группы атомов другого. Схема: АБ В=АВ Б. Примерами р. замещения являются химические взаимодействия, в ходе которых осуществляется вытеснение нижестоящие в таблице Менделеева элементов 7 группы на вышестоящие (так как последние обладают больше электроотрицательностью).

Какие вещества реагируют с соляной кислотой

В реакцию с соляной кислотой вступают следующие вещества:

• металлы, стоящие в электрохимическом ряду до водорода;

• неметаллы (фтор);

• основания;

• соли;

• оксиды различных металлов;

• органические соединения и биоорганические соединения.

Способность указанных выше веществ реагировать с хлористым водородом определяется их химическими свойствами. Так, например, неметаллы в виде фтора, за счет более высокого уровня электроотрицательной способности вытесняют хлор (компонент хлороводорода) из соединения, или основания (гидроксиды металлов), обладая выраженными основными свойствами, вступая в реакцию с хлороводором, образуют соли металлов (такое химическое превращение называется р. нейтрализации).

Отдельно стоит отметить взаимодействие хлороводорода с белками, которое каждые 1,5 часа (циркадные ритмы) происходит в желудке человека, с образованием аминокислот их хлорных соединений. Такое химическое превращение получило название кислотного гидролиза.

Электроотрицательность представляет собой способность атома перетягивать электронную плотность от других структур в химическом соединении. Соответственно, чем выше данный показатель у того или иного элемента периодической таблицы, тем больше будет выражена его способность перетягивать электронную плотность в веществе, и наоборот.

Электрохимический ряд потенциалов – это последовательное расположение металлов из таблицы Менделеева в порядке повышения их уровня электроотрицательности. Водород занимает в данной последовательности срединное положение. Металлы, расположенные до водорода, будут обладать меньшей способность удерживать электронное облако, то есть обладать более выраженными металлическими свойства, в результате чего хлор (составная часть HCl) будет проще взаимодействовать с подобными атомами.

Характерными признаки реакции хлороводорода с металлами, стоящими в ряду напряжения металлов до водорода, следующие:

выделение газа (в виде газа представлен H2);

образование осадка (в случае реакции со свинцом, соединение PbCl2 малорастворимое, и может выпадать в осадок при определенных условиях).

Карбид кремния

В соединениях кремния с неметаллами — ковалентная связь.

Рассмотрим карбид кремния – карборундSi 4C-4. Это вещество с атомной кристаллической решеткой. Он имеет структуру, подобную структуре алмаза и характеризуется высокой твердостью и температурой плавления, а также высокой химической устойчивостью.

Карборунд окисляется кислородомпри высокой температуре:

SiC 2O2 → SiO2 CO2

Карборунд окисляется кислородом в расплаве щелочи:

SiC 2O2 4NaOH → Na2SiO3 Na2CO3 2H2O

Качественные реакции

Качественная реакция насиликат-ионы SiO32- — взаимодействие  солей-силикатов с сильными кислотами. Кремниевая кислота – слабая. Она легко выделяется из растворов солей кремниевой кислоты при действии на них более сильными кислотами.

Например, если к раствору силиката натрия прилить сильно разбавленный раствор соляной кислоты, то кремниевая кислота выделится не в виде осадка, а в виде геля. Раствор помутнеет и «застынет».

Na2SiO3 2HCl = H2SiO3 2 NaCl

Видеоопытвзаимодействия силиката натрия с соляной кислоты (получение кремниевой кислоты) можно посмотретьздесь.

Классификация по агрегатному состоянию

По агрегатному состоянию вещества каталитические соединения можно подразделить на гомогенные и гетерогенные. Гомогенные вещества, ускоряющие химическую реакцию, находятся в одной фазе с реагентами. Гетерогенные вещества, ускоряющие химическое превращение, находятся в разных фаза с реагентами (например, катализатор представлен жидкость, а реагенты – газами).

Классификация по видам

Классификация химической посуды по видам и форме включает в себя следующие приборы:

Кроме того, в каждой лаборатории есть целые наборы для проведения опытов. Опытный химик пользуется ими, чтобы ускорить работу. В наборе есть все необходимое для безопасного проведения опытов: тигельный сосуд, шпатель, палочка для извлечений веществ, трубки, щипцы для захвата колб и так далее.

Классификация по происхождению

По происхождению вещества, ускоряющие процесс протекания превращений в химии, подразделяются на органические и неорганические. Неорганические соединения в основном представлены тяжелыми металлами (свинец, палладий), спектр органический соединений намного шире.

Основными представителями органических ускорителей превращений являются энзимы (соединения биологического происхождения). Энзимы – это катализаторы, увеличивающие скорость химических реакций в живых организмах. Ферменты (энзимы) имеют следующие особенности:

• в живых организмах объединены в мультиферментные комплексы;
• ускоряют биохимические процессы в организме в несколько десятков тысяч раз;
• имеют высокую избирательность и специфичность (в отличие от неорганических);
• являются простыми или сложными белками;
• подвержены денатурации под действием денатурирующих агентов;
• способны к ренативации (если она возможна);
• большинство термолабильны (активность ферментов находится в прямой зависимости от колебания температур в живом организме);
• действия ферментов может быть усилено индукторами, и ослаблено (или прекращено) ингибиторами.

Материал для производства

Разобравшись, что такое химическая посуда и ее назначение, можно перейти к материалам, из которого она изготавливается. Для того чтобы обеспечить безопасность, все приборы делают из следующих веществ:

Таким образом, узнав название и принадлежность приборов для лабораторий можно создавать собственный исследовательский центр. Главное, чтобы все изделия были высокого качества и соответствовали ГОСТу.

Только тогда можно быть уверенным в правильности проведенных тестов, опытов и анализов.

Модификации и нахождение

Различают аморфный и кристаллический кремний. Первая аллотропная модификация представлена в виде бурого порошка. Структура разупорядоченная, напоминает алмаз. Обладает сильной способностью к реакции. Твердый силициум имеет темно-серый оттенок с металлическим блеском. Структура кубическая, по способности к реагированию проявляет минимальный эффект.

В свободной форме силициум и SiO3 (участие кислорода) не встречается, представлен только в виде соединений. Наиболее устойчив в состоянии оксида кремния или кремнезема. В природе встречается в виде песка и таких минералов, как кварц и горный хрусталь.

Важно отметить, что неметалл входит в состав как камней в виде аметиста и яшмы, так и минералов. Основными группами являются силикаты и алюмосиликаты — это полевые шпаты, глины, слюда и другие компоненты, какие можно встретить в природе.

Обмена

Реакции обмена – это превращения, во время протекания которых происходит обмен атомами или группами атомов между двумя сложными веществами. Данный вид химического процесса можно встретить как органической, так и в неорганической химии. Пример из органической химии: щелочной гидролиз хлор бутана с образованием бутанола и поваренной соли:

Обозначения изотопов

Видоизмененные элементы периодической таблицы Менделеева обозначаются следующим образом: к символу химического элемента, к которому принадлежит изотоп, подписывается верхний левый индекс с обозначением массового числа. Так, например, изотоп кислорода, обладающий массовым числом равным восемнадцати атомных единиц, будет обозначаться следующим образом: 18O. Имеется также другое обозначение подобных атомов (например, кислород – 18).

Общие сведения

Вещество является элементом четырнадцатой группы третьего периода системы химических элементов, атомное число равно 14. Электронное строение, которое влияет на степень окисления кремния, отражается конфигурацией в виде подуровней 1S2 2S2 2P6 3S2 3P2.

• Si 4e=Si^-4 проявляет свойства окислителя;
• Si 2e=Si^ 2 становится восстановителем;
• Si-4e=Si⁴ также имеет восстановительные свойства.

Элемент является типичным неметаллом. Силициум в зависимости от превращения может проявлять свойства как окислителя, так и восстановителя. Для SiO2 степень окисления также зависит от реакции, в которой он участвует.

Окисления

Р. окисления – это превращения, в ходе которых в результате отдачи электронов увеличивается степень окисления атома реагирующего вещества. Классификация данных реакций в органической химии следующая: полное и частичное окисление. Пример полного окисления: р. горения метана с образованием воды и углекислого газа:

CH4 О2=CO2 2H2O. Пример частичного окисления: образование муравьиной кислоты из формальдегида посредством использования сильных окислителей (например, перманганата калия) в присутствии концентрированной серной кислоты:5 HCHO 2 KMnO4 3H2SO4= 5 HCOOH 2 MnSO4 3 H2O K2SO4.

Окислительно-восстановительные

ОВР – это химический процесс, в ходе которого изменяются степени окисления атомов, которые входят в состав реагентов. В ОВР всегда есть окислитель – компонент, присоединяющий электроны и восстановитель – компонент, отдающий электроны. Пример ОВР: 2Na Cl2 = 2NaCl в данном процессе окислителем является хлор (так как его заряд меняется с 0 до -1 – т.е. происходит присоединение электронов), восстановителем является натрий (так как его заряд меняется с 0 до 1 – т.е. происходит отдача электронов).

Важно понимать: определение окислителя и восстановителя необходимо проводить на основе свойства электроотрицательности элементов, атом с большей электроотрицательностью будет окислителем. Данное правило складывается из самого определение электроотрицательности (способность атома присоединять электроны).

Отщепления

Реакции отщепления – это аналог р. разложения химии углевородов. В ходе данных химических процессов реализуется отщепление группы атомов от органической молекулы. Пример: CH3-CH2-OH= CH2=CH2 H20 (р. дегидратации этилового спирта с образованием этилена и воды).

По изменению степени окисления

Степень окисления отражаен условный заряд атома, находящегося в составе соединения. Виды химических реакций по степени окисления подразделяются на р. восстановления, р. окисления, ОВР, протолитические превращения.

Положение в периодической системе химических элементов

Кремний расположен вглавной подгруппе IV группы  (или в 14 группе в современной форме ПСХЭ) и в третьем периодепериодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.

Протолитические реакции и реакции обмена

Протолитическими и обменными процессами называют такие превращения, в ходе протекания которых степень окисления не изменяется. Пример: HNO3 NaOH = NaNO3 H2O.

Разложения

Реакция разложения – вид химического процесса, в ходе которого из сложной молекулы образуются две или более простых. Схематические данное взаимодействие можно представить следующим образом: В=А Б. Примером р. разложения может послужить разложение гидроксида цинка при нагревании: Zn(OH)2=ZnO H20.

Разновидности веществ, ускоряющих химические реакции

Существуют две общепризнанных классификации веществ, которые ускоряют протекания превращений в химии. Первая основывается на агрегатном состоянии катализатора, вторая – на происхождении.

Свойства гетерогенных ускорителей реакции

К данной группе соединений относятся оксиды большинства металлов (Al2O3, CaO, BaO, MgO, TiO2), а также алюмосиликаты и цеолиты. Обозначим основные свойства гетерогенных каталитических веществ:

• являются твердыми веществами;
• обладают развитой поверхностью;
• разводятся на инертном носителе;
• обладают способностью к физической адсорбции реагентов;
• продукты превращения выделяются с поверхности катализатора посредством процесса десорбции;
• катализ возможен благодаря диффузионным процессам.

Свойства гомогенных ускорителей реакции

К данной группе соединений относятся кислоты и основания. Например, серная кислота ускоряет протекание превращение органических субстратов. Основными свойствами гомогенных соединений являются:

• в большинстве своем жидкости;
• образование в ходе превращения промежуточных продуктов;
• снижение энергии активации посредством образования промежуточных продуктов.

Силан

Силан– это бинарное соединение кремния с водородом SiH4, ядовитый бесцветный газ.

Если поместить порошок силицида магния в очень слабый раствор соляной кислоты, то на поверхности раствора образуются пузырьки газа. Они лопаются и загораются на воздухе. Это горит силан. Он образуется при взаимодействии кислоты с силицидом магния:

Mg2Si 4HCl → 2MgCl2 SiH4

Видеоопытполучения силана из силицида магния можно посмотреть здесь.

На воздухе силан горит с образованием SiO2 и H2O:

SiH4        2O2  → SiO2      2H2O

Видеоопытсгорания силана можно посмотреть здесь.

Силан разлагается водой разлагается с выделением водорода:

SiH4       2H2O   →  SiO2      4H2

Силан разлагается (окисляется) щелочами:

SiH4        2NaOH      H2O   →   Na2SiO3      4H2

Силан при нагревании разлагается:

SiH4 → Si 2H2

Силикаты

Силикаты— это соли кремниевой кислоты.  Большинство силикатов нерастворимо в воде, кроме силикатов натрия и калия, их называют «жидким стеклом».

Способы получения силикатов:

1. Растворение кремния, кремниевой кислоты или оксида в щелочи:

H2SiO3 2KOH → K2SiO3 2H2O

Si 2NaOH H2O → Na2SiO3 2H2

SiO2 2KOH → K2SiO3 H2O

2.Сплавление с основными оксидами:

СаО     SiO2   →   CaSiO3

3.  Взаимодействие растворимых силикатов с солями:

K2SiO3 CaCl2    →    CaSiO3 2KCl

Оконное стекло (натриевое стекло) — силикат натрия и кальция: Na2O·CaO·6SiO2.

Стекло получают при сплавлении в специальных печах смеси соды Na2CO3, известняка CaCO3 и белого песка SiO2:

6SiO2 Na2CO3 CaCO3 → Na2O·CaO·6SiO2 2CO2

Для получения специального стекла вводят различные добавки, так стекло содержащее ионы Pb2 – хрусталь; Cr3 – имеет зеленую окраску, Fe3 – коричневое бутылочное стекло, Co2 – дает синий цвет, Mn2 – красновато-лиловый.

Силициды металлов

Силициды – это бинарные соединения кремния с металлами, в которых кремний имеет степень окисления -4. Химическая связь в силицидах металлов — ионная.

Силициды, как правило, легко гидролизуются в воде или в кислой среде.

Например, силицид магния разлагается водой на гидроксид магния и силан:

Mg2Si      4H2O   →  2Mg(OH)2      SiH4

Соляная кислота легко разлагает силицид магния:

Mg2Si      4HCl   →  2MgCl2      SiH4

Получают силициды сплавлением простых веществ или восстановлением смеси оксидов коксомв электропечах:

2Mg Si → Mg2Si

2MgO SiO2 4C → Mg2Si 4CO

Соединения

Реакция соединения – вид химического процесса, при котором из двух и более простых компонентов образуется сложное вещество. Схематически р. соединения можно представить так: А Б В Г=Е, где в составе вещества Е находятся атомы реагентов А,Б,В,Г. К данному классу химических взаимодействий относятся р. оксидов металлов и кислот в неорганической химии.

Разновидностью реакции соединения является р. присоединения (присоединение к одной органической молекуле другой). К подобным химическим взаимодействиям относятся следующие превращения в органической химии: галогенирование, гидрирование, р. гидратации и полимеризации.

Соединения кремния

Основные степени окисления кремния 4, 0 и -4.

Наиболее типичные соединения кремния:

Способы получения

Кремниевая кислота образуется при действии сильных кислот на растворимые силикаты (силикаты щелочных металлов).

Например, при действии соляной кислоты на силикат натрия:

Na2SiO3 2HCl →H2SiO3 2 NaCl

Видеоопытполучения кремниевой кислоты из силиката натрия можно посмотреть здесь.

Даже слабая угольная кислотавытесняет кремниевую кислоту из солей:

Na2SiO3 2Н2O 2CO2 → 2NaHCO3 H2SiO3

Способы получения кремния

В свободном состоянии кремний был получен Берцелиусом в 1822 г. Его латинское название «силиций» произошло от латинского слова «sileх», что означает «кремень». Аморфный кремний в лаборатории можно получить при прокаливании смеси металлического магния с диоксидом кремния.

SiO2 2Mg → Si 2MgO

Видеоопытвзаимодействия оксида кремния (IV) с магнием можно посмотреть здесь.

Еще один способ получения кремнияв лаборатории— восстановление из оксида алюминием:

3SiO2 4Al → 3Si 2Al2O3

В промышленностииспользовать дорогие алюминий и магний неэффективно, поэтому используют другие, более дешевые способы:

1.Восстановление из оксидакоксомв электрических печах:

SiO2 2C → Si 2CO

Однако в таком процессе образующийся кремний загрязнен примесями карбидов кремния, и для производства, например, микросхем уже не подходит.

2. Наиболее чистый кремний получают восстановлением тетрахлорида кремнияводородомпри 1200 °С:

SiCl4 2H2 → Si 4HCl

илицинком:

SiCl4 2Zn → Si 2ZnCl2

3.Также чистый кремний получается при разложениисилана:

SiH4 → Si 2H2

Строение молекулы и физические свойства

Кремниевые кислоты — очень слабые, малорастворимые в воде соединения общей формулы nSiO2•mH2O. Образует коллоидный раствор в воде.

Метакремниевая H2SiO3 существует в растворе в виде полимера:

Таблица валентностей химических элементов. максимальная и минимальная валентность. — инженерный справочник / технический справочник дпва / таблицы для инженеров (ex dpva-info)

Физические свойства

Физические свойства HCl коррелируют с концентрацией данного соединения в растворе. Для того, чтобы не перегружаться цифрами, рассмотрим физические свойства хлористого водорода на примере его концентрированной формы (около 36%):

• низкая температура кипения (t=48 градусов по Цельсию);
• высокая температура плавления (t=30 градусов по Цельсию);
• плотность составляет 1,18 г/см³;
• хлорид водорода обладает способностью к ионизации в водных растворах.
• при низкой температуре приобретает гидратную оболочку: HCL*H20 или HCl*2H2O;
• растворы хлороводородной кислоты бесцветные;
• в чистом виде находится в газообразном агрегатном состояние (а в растворах в жидкой форме);
• во влажном воздухе концентрированные растворы HCl могут сильно дымиться;
• соляная кислота – вещество, обладающее резким запахом.

Физические свойства и нахождение в природе

Оксид кремния (IV)  –  это твердое вещество с атомной кристаллической решеткой. В природе встречается в виде кварца, речного песка, кремнезема и прочих модификаций:

Физические свойства, способы получения и нахождение в природе кремния

Кремний — второй по распространенности элемент на Земле после кислорода. Встречается только в виде соединений. Оксид кремния SiO2 образует большое количество природных веществ – горный хрусталь, кварц, кремнезем.

Простое вещество кремний – атомный кристалл темно-серого цвета с металлическим блеском, довольно хрупок. Температура плавления 1415 °C, плотность 2,33 г/см3. Полупроводник.

Формула и другие названия соляной кислоты

В состав соляной кислоты входят два химических элемента: хлор и водород. Данная кислота состоит из двух атомов и имеет формулу: HCl. Стоит отметить, что соляная кислота – это тривиальное название (т.е. название, применяемое в обиходной речи химиков, не отражающее состава).

Химические свойства

При нормальных условиях кремний существует в виде атомного кристалла, поэтому химическая активность кремния крайне невысокая.

1. Кремний проявляет свойстваокислителя(при взаимодействии с элементами, которые расположены ниже и левее в Периодической системе) и свойствавосстановителя(при взаимодействии с элементами, расположенными выше и правее).

1.1. При обычных условиях кремний реагирует с фтором с образованием фторида кремния (IV):

Si    2F2  → SiF4

При нагревании кремний реагируетсхлором, бромом, йодом:

Si      2Cl2  →   SiCl4

Si       2Br2  →   SiBr4

1.2. При сильном нагревании (около 2000оС) кремний реагируетс углеродом с образованием бинарного соединения карбида кремния (карборунда):

C      Si  → SiC

При температуре выше 600°С взаимодействует с серой:

Si      2S   →  SiS2

1.3.Кремний не взаимодействует с водородом.

1.4.С азотом кремний реагирует в очень жестких условиях:

3Si   2N2  →  Si3N4

1.5.В реакциях сактивными металлами кремний проявляет свойства окислителя. При этом образуются силициды:

2Ca Si → Ca2Si

Si       2Mg   →    Mg2Si

1.6. При нагревании выше 400°С кремний взаимодействуетс кислородом:

Si      O2   →  SiO2 

2.Кремний взаимодействует сосложными веществами:

2.1. В водных растворахщелочейкремний растворяется с образованием солей кремниевой кислоты. При этом щелочь окисляет кремний.

Si       2NaOH      H2O   →   Na2SiO3      2H2

Видеоопыт взаимодействия кремния с раствором щелочи можно посмотреть здесь.

2.2.Кремний не взаимодействует с водными растворами кислот, но аморфный кремний растворяется в плавиковой кислоте с образованием гексафторкремниевой кислоты:

Si       6HF  →   H2[SiF6]       2H2

При обработке кремния безводным фтороводородом комплекс не образуется:

Si(тв.)       4HF(г.)   =   SiF4       2H2

С хлороводородом кремний реагирует при 300 °С, с бромоводородом – при 500 °С.

2.3. Кремний растворяется всмеси концентрированных азотной и плавиковой кислот:

3Si       4HNO3       12HF   →  3SiF4      4NO      8H2O

Электронное строение кремния

Электронная конфигурация  кремния восновном состоянии:

14Si 1s²2s²2p⁶3s²3p²    

Электронная конфигурация  кремния ввозбужденном состоянии:

14Si^* 1s²2s²2p⁶3s¹3p³    

Атом кремния содержит на внешнем энергетическом уровне 2 неспаренных электрона и 1 неподеленную электронную пару в основном энергетическом состоянии и 4 неспаренных электрона в возбужденном энергетическом состоянии.

Степени окисления атома кремния — от -4 до 4. Характерные степени окисления -4, 0, 2, 4.