Кремний и его соединения. Силикатная промышленность

Что собой представляет кремний

Кремний в химии имеет обозначение Si (силициум) от латинского слова silex «кремень». Это типичный неметалл, элемент 14 группы (по прежней классификации — главной подгруппы IV группы) и третьего периода периодической системы Д.И. Менделеева. Атомный номер 14. Атомная масса 28,09.

В реакциях с металлами si — окислитель:

Кремний образует силициды с s-металлами и большинством d-металлов.

Состав силицидов данного металла может быть различен. (Например, FeSi и FeSi2; Ni2Si и NiSi2.) Один из наиболее известных силицидов — силицид магния, который можно получать прямым взаимодействием простых веществ:

2Mg Si = Mg2Si

Все тесты

Кислородные соединения

Известно 2 соединения силициума с кислородом: монооксид (SiO) и диоксид (SiO2). Первый, двухвалентный, является неустойчивым: на воздухе он медленно окисляется до четырехвалентного: SiO O2 → 2SiO2. При повышении температуры (от 400° C до 1000°C) реакция будет протекать так: 4SiO O2 → 2Si2O3.

Si2O3 относится к низшим кислородным соединениям кремния. Данные о нем довольно ограничены — еще не так давно в среде химиков существование этого вещества оспаривалось. Объяснялось это не только трудностью его получения, но и необычностью основных свойств.

По внешнему виду SiO — порошок, тёмно-коричневого цвета, механически прочный, обладающий хорошими диэлектрическими характеристиками. Его химические свойства:

• Инертен по отношению к кислотам (кроме плавиковой): SiO HF → SiF2 H2O.
• Хорошо растворяется в щелочах: SiO 4NaOH → Na4SiO4 H2 H2O.
• Проявляет свойства восстановителя.

Двухвалентный оксид в естественном виде в природе не встречается. Однако в газообразном состоянии он присутствует в космических пылевых облаках.

Получают монооксид путем нагревания кремния при недостатке кислорода, температура протекания реакции составляет 400 °C и выше: 2Si O2 → 2SiO.

Еще один способ — восстановление диоксида кремнием при высоких температурах: SiO2 Si → 2SiO.

Монооксид кремния используется при изготовлении волоконной оптики, изоляционных материалов, полупроводников (оптические слои).

Второе соединение с кислородом — диоксид кремния (наиболее характерное и устойчивое). Он широко распространен в природе — присутствует в составе практически всех горных пород.

Кремниевые кислоты

Известны:

— ортокремниевая кислота H4SiО4;

— метакремниевая (кремниевая) кислота H2SiO3;

— ди- и поликремниевые кислоты.

Все кремниевые кислоты малорастворимы в воде, легко образуют коллоидные растворы.

Кремний и его соединения. силикатная промышленность

Кремний, химические свойства, получение

Нахождение в природе

Кремний в чистом виде (как самородный минерал) встречается крайне редко. Но, соединяясь с кислородом, он образует SiO2 — кремнезем, входящий в состав многих минералов: песок, кварц, полевой шпат, слюда, некоторые поделочные и полудрагоценные камни: яшма, гранат, турмалин и др., что обуславливает высокое (не менее 26%) содержание кремния в земной коре.

Оксид кремния(iv) — урок. химия, 9 класс.

Производственное применение стабильного оксида

1. Крупные кристаллы кварца популярны в ювелирном деле — в качестве полудрагоценных камней (например, горный хрусталь, опал).
2. В промышленности — авиационная индустрия, оптика, электроника.
3. При производстве зубной пасты — как «мягкий» абразив.
4. В качестве огнеупорного вещества в сталелитейном производстве.
5. В фармацевтической отрасли (как загуститель) — при производстве мазей, суспензий, гелей.
6. При производстве ядохимикатов (средство для борьбы с клопами «Гектор») — порошок не отравляет насекомых, но он выводит воду из их организма, что приводит к последующему обезвоживанию и гибели вредителей.
7. В пищевой промышленности — как стабилизатор суспензий, загуститель, порошок для фильтрации (в производстве пива, масел, натуральных соков), для предотвращения слеживания и комкования сыпучих продуктов (сахара, муки, соли). Кроме того, этот материал используется как энтеросорбент и даже самостоятельная пищевая добавка (E551 — в сырах, специях, сухих завтраках).

Добавка E551 считается полностью безопасной для организма человека — он разрешена к использованию не только в России и странах бывшего СНГ, но также в государствах ЕС и США.

Однако вдыхание пыли двуокиси кремния может привести к появлению проблем со стороны дыхательной системы — бронхиту, реже — силикозу легких (заболеванию, снижающему способность легких перерабатывать кислород) и даже спровоцировать развитие онкозаболеваний.

Силан (моносилан) sih4

Силаны (кремневодороды) SinH2n 2, (ср. с алканами), где п = 1-8. Силаны — аналоги алканов, отличаются от них неустойчивостью цепей -Si-Si-.

Моносилан SiH4 — бесцветный газ с неприятным запахом; растворяется в этаноле, бензине.

Способы получения:

1. Разложение силицида магния соляной кислотой: Mg2Si 4HCI = 2MgCI2 SiH4

2. Восстановление галогенидов Si алюмогидридом лития:
SiCl4 LiAlH4 = SiH4↑ LiCl AlCl3

Химические свойства.

Силан — сильный восстановитель.

1.SiH4 окисляется кислородом даже при очень низких температурах:

SiH4 2O2 = SiO2 2Н2О

2. SiH4 легко гидролизуется, особенно в щелочной среде:

SiH4 2Н2О = SiO2 4Н2

SiH4 2NaOH Н2О = Na2SiO3 4Н2

Силикаты — соли кремниевых кислот

Поскольку кремниевые кислоты чрезвычайно слабые, их соли в водных растворах сильно гидро лизованы:

Na2SiO3 Н2О = NaHSiO3 NaOH

SiO32- Н2О = HSiO3- ОН- (щелочная среда)

По этой же причине при пропускании углекислого газа через растворы силикатов происходит вытеснение из них кремниевой кислоты:

K2SiO3 СO2 Н2О = H2SiO3↓ K2СO3

SiO3 СO2 Н2О = H2SiO3↓ СO3

Данную реакцию можно рассматривать как качественную реакцию на силикат-ионы.

Среди силикатов хорошо растворимыми являются только Na2SiO3 и K2SiO3, которые называются растворимым стеклом, а их водные растворы — жидким стеклом.

Способы по-лучения

1. Осаждение кислотами из растворов силикатов щелочных металлов:

Na2SiO3 2HCl = H2SiO3↓ 2NaCl

2. Гидролиз хлорсиланов: SiCl4 4Н2О = H4SiO4 4HCl

Способы получения кремния

Самым распространенным природным соединением кремния является кремнезем (диоксид кремния) SiО2. Он является основным сырьем для получения кремния.

1) Восстановление SiO2 углеродом в дуговых печах при 1800’С: SiO2 2С = Si 2СО

2) Высокочистый Si из технического продукта получают согласно схеме:

a) Si → SiCl2 → Si

б) Si → Mg2Si → SiH4 → Si

Стекло

Обычное оконное стекло имеет состав Na2O • СаО • 6SiO2, т. е. является смесью силикатов натрия и кальция. Его получают сплавлением соды Na2CO3, известняка СаСO3 и песка SiO2;

Na2CO3 CaCO3 6SiO2 = Na2O • СаО • 6SiO2 2СO2↑

Технология получения

В лабораторных условиях кремний получают:

• прокаливанием белого песка (оксид кремния IV) с металлическим магнием:

• восстановлением из оксида кремния IV с помощью алюминия:

Промышленные способы получения кремния:

Однако, такой кремний имеет примеси карбида кремния и не подходит для производства микросхем.

Продукт со степенью чистоты до 99,9% получают:

Физические признаки и получение sio2

Другое название соединения — кремнезем. Это твердое вещество с атомной кристаллической решеткой (в узлах расположены отдельные атомы, соединенные ковалентными связями). Температура плавления — 1713 °C, кипения — 2590 °C. Получение:

1. Окисление кремния: Si O2 → SiO2.
2. Разложение водой сульфида: SiS2 2H2O → SiO2 2H2S.
3. Воздействие кислот на растворимые силикаты: Na2SiO3 2CH3COOH (уксусная кислота) → 2CH3COONa H2SiO3; H2SiO3 → SiO2 H2O.

В природе соединение встречается в виде обычного и кварцевого песка (из-за содержащихся в нем примесей может приобретать разную окраску), крупных прозрачных кристаллов горного хрусталя или фиолетового аметиста, агата, яшмы, в минералах тридимит и кристобалит (редкие камни).

Физические свойства

В воде SiO2 растворяется очень незначительно, в органических растворителях также практически не растворяется. Кремнезем является диэлектриком.

Физические свойства кремния. аллотропные модификации кремния

Кремний имеет две аллотропные модификации:

1. Кристаллический — свойства обусловлены наличием кубической кристаллической решетки. Атомы расположены на вершине и в центре каждой грани, прочно связаны друг с другом ковалентной связью.
2. Аморфный — порошок бурого цвета на основе разупорядоченной кристаллической структуры. Гигроскопичный, активнее вступает в реакции.

Таблица 1. Основные физические параметры кристаллического кремния. 

Характеристика элемента

14Si 1s22s22p63s23p2

Аr = 28,0855

Изотопы: 28Si (92.27 %); 29Si (4.68 %); 30Si (3,05 %)

ЭО = 1,8

Кремний — второй после кислорода по распространенности в земной коре элемент (27,6 % по массе). В свободном состоянии в природе не встречается, находится преимущественно в виде SiO2 или силикатов.

Соединения Si токсичны; вдыхание мельчайших частиц SiO2 и др. соединений кремния (например, асбеста) вызывает опасную болезнь — силикоз

В основном состоянии атом кремния имеет валентность = II, а в возбужденом состоянии = IV.

Наиболее устойчивой степенью окисления Si является 4. В соединениях с металлами (силицидах) С.О. -4.

Химические свойства

Диоксид кремния — соединение довольно инертное. По химическим свойствам — ангидрид кремневой кислоты. При нормальных условиях (комнатная температура) он слабо реагирует только с концентрированными щелочами и фторводородной кислотой.

При нагревании двуокись кремния взаимодействует с плавиковой кислотой: SiO2 4HF → SiF4 2H2O. Какие еще особенности присущи двуокиси силициума:

1. Взаимодействие со щелочами происходит только при повышенном давлении. В результате реакций образуются силикаты — соединения с кремнекислым радикалом: SiO2 2NaOH → Na2SiO3 H2O; KOH SiO2 → K2SiO3 H2O.
2. Аналогично протекают и реакции взаимодействия с карбонатами щелочных металлов: SiO2 Na2CO3 → Na2SiO3 CO2.
3. Реагирование с оксидами щёлочноземельных металлов: SiO2 CaO → CaSiO3.
4. С водой кремнезем не вступает во взаимодействие.
5. При нагревании до 1000 °C силициум будет реагировать с металлами, образуя при этом чистый кремний: SiO2 2Mg → Si 2MgO.
6. Протекание реакций с неметаллами: SiO2 2H2 → Si 2H2O; SiO2 3C → SiC (карборунд) 2CO.

При реакции сплавления двуокиси кремния с фосфатом кальция и углеродом происходит образование силиката, угарного газа (CO) и выделение чистого фосфора (P): 3SiO2 Ca3 (PO4)2 5C → 3CaSiO3 5CO 2P.

Фосфат кальция — минеральное удобрение, используемое в сельском хозяйстве как источник фосфора.

Химические свойства si

Определяются положением кремния в периодической системе Д.И. Менделеева и строением атома: электронная формула 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2. Проявляет степени окисления: -4, 0, 2, 4. Валентность: II и IV.

Окислительные свойства кремний проявляет в реакциях с активными металлами:

С водородом не реагирует, но при растворении силицидов в кислотах образуется силан:

Восстановительные свойства кремния. 

• галогены (Cl, Br, J) при нагревании, со фтором при комнатной температуре:

Цемент

Порошкообразный вяжущий материал, образующий при взаимодействии с водой пластичную массу, превращающуюся со временем в твердое камневидное тело; основной строительный материал.

Химический состав наиболее распространенного портланд-цемента (в % по массе) — 20 — 23% SiO2; 62 — 76 % СаО; 4 — 7 % Al2O3; 2-5% Fe2O3; 1- 5% МgО.