Кремний и его соединения

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.

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).

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.

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

Важные соединения кремния

Оксид кремния (IV) SiO2 имеет атомное строение, высокий показатель твердости, тугоплавкий (плавится при температуре 1730 °С). Кислотный оксид, соответствует кремниевой кислоте.

Получают:

• в промышленности — нагреванием кремния в атмосфере кислорода:

Химические свойства SiO2:

• не растворяется в кислотах, реагирует только с плавиковой кислотой и газообразным фтороводородом:

На реакции с карбонатами основано получение оконного стекла — смесь из соды, известняка и белого песка прокаливают при температуре, равной 1500 °С: 

Кремниевая кислота и ее соли — силикаты.

Кремниевая кислота H2SiO3 — слабая, малорастворимая.

Кремниевая кислота реагирует только с сильными основаниями и их оксидами, образуя силикаты:

Силикаты, кроме Na2SiO3 и K2SiO3 (их называют жидким стеклом), нерастворимы в воде. Получают следующими методами:

• взаимодействие кремния, оксида кремния или кремниевой кислоты с щелочами:

• реакция растворимых силикатов с солями:

Силициды — это бинарные соединения кремния с металлами, в которых кремний имеет степень окисления -4. Тип химической связи — ионная.

Получают при сплавлении простых веществ или восстановлением смеси оксидов коксом в электропечах:

Вступают в реакцию:

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

Если к порошку силицида магния добавить разбавленную соляную кислоту, то на поверхности раствора образуются пузырьки силана. Они лопаются и загораются на воздухе.

Химические свойства силана:

    5. Карборунд SiC имеет атомный тип кристаллической решетки, сходный с алмазной. Твердый, плавится при температуре 2730 °С.

Получают по схеме:

Окисляется кислородом:

Применение кремния и его соединений — силикатная промышленность.

Кремний используют в металлургии — добавка к стали и другим сплавам; в электронике — изготовление полупроводниковых приборов, радиодеталей и солнечных батарей.

Кремний необходим для поддержания здоровья кожи, волос и ногтей. Кремний участвует в формировании костей, повышает эластичность и прочность кровеносных сосудов, что используется в профилактике сердечно-сосудистых заболеваний. 

Диоксид кремния: 

• производство стекла, керамики, бетона и кирпича. Из керамики, помимо посуды и декоративных изделий, производят изоляторы для высоковольтных ЛЭП и другие изделия, используемые в технике и строительстве;
• чистый кварц используется в приборостроении;
• производство косметики: как эмульгатор и компонент против слеживания.

Силициды входят в состав жаропрочных и кислотоустойчивых сплавов и высокотемпературных полупроводниковых материалов.

Карбид кремния используют как абразив при затачивании резцов металлорежущих станков и шлифовки драгоценных камней, а также в качестве имитации алмаза в ювелирном деле.  

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.

Все тесты

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).

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.

Кремниевая (силиконовая) долина

Регион в штате Калифорния (США), отличающийся большой плотностью высоко технологичных компаний, связанных с производством
компьютеров и микропроцессоров.

Кремний является природным полупроводником, используется как основной материал для производства микросхем. Кремний ближе, чем
вы думаете: внутри гаджета, которым вы пользуетесь 😉

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 — урок. химия, 9 класс.

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.

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.

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).

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).

Оксид кремния (iv) (кремнезем) sio2

Кремнезем существует в виде различных форм: кристаллической, аморфной и стеклообразной. Наиболее распространенной кристаллической формой является кварц. При разрушении кварцевых горных пород образуются кварцевые пески. Монокристаллы кварца — прозрачны, бесцветны (горный хрусталь) или окрашены примесями в различные цвета (аметист, агат, яшма и др.).

Аморфный SiO2 встречается в виде минерала опала: искусственно получают силикагель, состоящий из коллоидных частиц SiO2 и являющийся очень хорошим адсорбентом. Стеклообразный SiO2 известен как кварцевое стекло.

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).

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 (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.

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.

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↑

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

Таблица валентности химических элементов (1 часть):

Таблица валентности химических элементов (2 часть):

Таблица валентности химических элементов (3 часть):

Первоначально за единицу валентности была принята валентность атома водорода. Валентность другого элемента можно при этом выразить числом атомов водорода, которое присоединяет к себе или замещает один атом этого другого элемента.

Определенная таким образом валентность называется валентностью в водородных соединениях или валентностью по водороду: так, в соединениях HCl, H2O, NH3, CH4 валентность по водороду хлора равна единице, кислорода – двум, азота – трём, углерода – четырём.

Валентность кислорода, как правило, равна двум. Поэтому, зная состав или формулу кислородного соединения того или иного элемента, можно определить его валентность как удвоенное число атомов кислорода, которое может присоединять один атом данного элемента.

Определенная таким образом валентность называется валентностью элемента в кислородных соединениях или валентностью по кислороду: так, в соединениях K2O, CO, N2O3, SiO2, SO3 валентность по кислороду калия равна единице, углерода – двум, азота – трём, кремния – четырём, серы – шести.

С точки зрения электронной теории валентность определяется числом неспаренных (валентных) электронов в основном или возбужденном состоянии.

Известны элементы, которые проявляют постоянную валентность. У большинства химических элементов валентность переменная.

Коэффициент востребованности 5 596

Таблица валентности химических элементов.

Ниже приводится таблица валентности химических элементов с примерами соединений.

Валентность (от лат. valēns – «имеющий силу») – способность атомов химических элементов образовывать определённое число химических связей.

Валентность – это мера (численная характеристика) способности химических элементов образовывать определённое число химических связей.

Значения валентности записывают римскими цифрами I, II, III, IV, V, VI, VII, VIII.

Валентность определяют по числу химических связей, которые один атом образует с другими.

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 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 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. 

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).

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

1. SiO2 — кислотный оксид, поэтому аморфный кремнезем медленно растворяется в водных растворах щелочей:

SiO2 2NaOH = Na2SiO3 Н2О

2. SiO2 взаимодействует также при нагревании с основными оксидами:

SiO2 К2О = K2SiO3;

SiO2 СаО = CaSiO3

3. Будучи нелетучим оксидом, SiO2 вытесняет углекислый газ из Na2CO3 (при сплавлении):

SiO2 Na2CO3 = Na2SiO3 CO2↑

4. Кремнезем реагирует с фтороводородной кислотой, образуя кремнефтористоводородную кислоту H2SiF6:

SiO2 6HF = H2SiF6 2Н2О

5. При 250 — 400°С SiO2 взаимодействует с газообразным HF и F2, образуя тетрафторсилан (тетрафторид кремния):

SiO2 4HF (газ.) = SiF4 2Н2О

SiO2 2F2 = SiF4 O2

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.