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?

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

Введение

В вашей квартире ремонт, и необходимо купить керамическую плитку. В магазине, долго перебирая различные варианты форм и расцветок, вы нашли подходящую и, направляясь к кассе, мельком взглянули на ту часть упаковки с плиткой, где написан ее состав. Почти все ингредиенты знакомы, но один из них вызвал у вас удивление - оксид кремния. Естественно, вы захотите узнать о нем побольше. Сегодня я постараюсь удовлетворить ваш интерес.

Определение

Кремний имеет переменную валентность, и из-за этого в химии известно два его соединения с кислородом. Сегодня мы рассмотрим высший оксид кремния, в котором последний имеет валентность IV.

Название

В разных источниках его могут обозвать диоксидом кремния, кремнезёмом или оксидом силиция.

Свойства

Он является кислотным оксидом, которому присущи твердость и прочность. Если нагреть его и любую щелочь/основный оксид, то они будут взаимодействовать друг с другом. Это соединение кремния - стеклообразующее, т. е. из него может получиться переохлажденный расплав - стекло.

Также (в чистом виде) он не пропускает электрический ток (является диэлектриком). У оксида кремния атомная кристаллическая решетка. Он является стойким к воздействию кислот, однако исключение составляют плавиковая и газообразный фтороводород. Продукты реакции с последним - фторид кремния и вода. Если же второй реагент - раствор фтороводорода, то ее продуктами будут гексафторкремниевая кислота и та же вода. Если оксид кремния (IV) сплавить с щелочью/основным оксидом/карбонатом любого активного металла, продуктом реакции станет соль кремниевых кислот - силикат, из них растворимы только силикаты калия и натрия. Продукты взаимодействия любого из последних с водой носят название жидкого стекла. У них сильно щелочная среда, причина этому - гидролиз. Гидролизованные силикаты образуют не истинные, а коллоидные растворы. Если растворы силикатов калия или натрия немного окислить, произойдет выпадение студенистого белого осадка, который составляют гидратированные кремниевые кислоты.

Получение

В промышленности оксид кремния получают, нагревая кремний в кислородной среде. Он окисляется и образует искомый продукт. Также его добывают при помощи термического оксидирования. В лаборатории оксид кремния получают при действии любых кислот на растворимый силикат, для этого подходит даже слабая уксусная. К примеру, если соединить ее и силикат натрия, продуктом реакции станет ацетат натрия и кремниевая кислота. Тут же произойдет разложение последней, и продуктами ее распада станут вода и искомый оксид.

Применение

С помощью оксида кремния производят стекло, керамику, абразивы, бетонные изделия, а также получают сам кремний. Еще он выполняет роль наполнителя в отрасли производства резины. Кристаллы аморфной модификации оксида кремния - кварцевого стекла - имеют пьезоэлектрические свойства, и этим пользуются создатели радиотехники, ультразвуковых установок и зажигалок. Силикаты и кремнезёмы - почти 90% массы литосферы. Также оксид кремния известен как пищевая добавка E551. Это его аморфная непористая разновидность. Она предотвращает слеживание и комкование пищи, в фармацевтике используется как вспомогательное вещество и лекарственный препарат-энтеросорбент. Пленки данного оксида служат изолятором, когда производят микросхемы и другие электронные компоненты. Также с их помощью создают волоконно-оптические кабели. А нагревательные элементы электронной сигареты были бы невозможны без кремнезёмной нити.

Заключение

Вот как широко используется данный оксид. И чтобы увидеть его, не нужно бежать в магазин и любопытства ради рассматривать цемент и бетон. Природный оксид кремния находится у нас под ногами - это обыкновенный песок. Оказывается, и он может быть полезным.

Оксид кремния (II)

Монооксид кремния получают обычно при нагревании SiO 2 или силикатов с такими восстановителями, как водород, кремний или уголь, до температуры свыше ~1100°С в вакууме; при этом лучший выход достигается при использования кремния в качестве восстановителя. Образующийся газообразный мономерный SiO конденсируется в полимерной форме на частях реакционного прибора, которые нагреты не выше 400°С - температуры диспропорционирования SiO. На более горячих частях прибора осаждается бурая смесь из кремния и SiO 2 , которые являются продуктами диспропорционирования.

Si + SiO 2 > SiO

Тесную смесь тонкоизмельченного кремния (>98,5% кремния) с прокаленным и тонкоизмельченным кварцем наивысшей чистоты (целесообразно спрессовать в таблетки) помещают в закрытую с одной стороны трубку из пифагоровой массы или спеченного корунда (ближе к закрытому концу). Трубка присоединена к высоковакуумному насосу. В трубке создают вакуум 10 -3 --10 -4 мм рт. ст., а затем медленно нагревают закрытый конец трубки в электрической печи приблизительно до 1250°С, примерно через 4 ч процесс заканчивается. В той части трубки, которая во время нагревания имела более низкую температуру, находится SiO в виде черной хрупкой массы, а в переходной зоне трубки, имевшей в процессе нагревания температуру 400 - 700°С, - объемистая бурая смесь SiO 2 и кремния. SiO легко отделяется от стенок трубки с помощью шпателя из нержавеющей стали. Окисление SiO на воздухе обычно начинается уже при ~1000°С (хотя он может самопроизвольно тлеть), поэтому трубку после охлаждения следует заполнить азотом или аргоном. Извлечение SiO проводят также в среде инертного газа.

Особенно важно, чтобы нагревающаяся до 400--700°С переходная зона трубки, где образовавшийся SiO снова распадается на кремний и SiO 2 , была как можно короче. Это имеет место в случае использования плохо проводящих тепло керамических трубок. Напротив, в хорошо проводящих тепло металлических трубках, которые тоже рекомендуются для получения SiO, эта переходная зона длиннее, и выход из-за этого чрезвычайно низкий.

Газообразный SiO можно также конденсировать прямо в горячей зоне на охлаждаемом водой «пальце» из железа или меди. При этом он осаждается в волокнистой форме.

Оксид кремния (IV)

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

Na 2 SiO 3 + 2CH 3 COOH > 2CH 3 COONa + H 2 SiO 3

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

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.

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

В настоящее время ведутся работы по получению диоксида кремния с наибольшим выходом. Опишем, один из новейших экологически безопасный и практически безотходный способ получения высокочистого диоксида кремния сорта белая сажа или аэросил. Этот метод выполняется по следующей схеме:

Схема очистки от примесей кварцевого концентрата.

Расплавленный фторид аммония, который при нормальных условиях представляют собой неагрессивное, твердое, кристаллическое вещество, - более энергичный фторирующий реагент, чем газообразный фтороводород. Достоинством фторида аммония является энергичное взаимодействие его расплава с оксидом кремния, при этом образуется кремнефториды аммония, в частности - гексафторосиликат аммония (NH 4) 2 SiF 6 , который в нормальных условиях является неагрессивным, хорошо растворимым в воде порошком. При нагревании (NH 4) 2 SiF 6 возгоняется без разложения, а при охлаждении десублимируется - данное свойство используется для очистки от примесей кварцевого концентрата.

На стадии осаждения гидратированного оксида кремния используется регенерированная аммиачная вода, которая образуется в результате взаимодействия исходного оксида кремния (кварцевого песка) с фторидом аммония. Таким образом, разработанная фтороаммонийная технология получения оксида кремния является практически безотходной, так как использует реагенты, регенерирующиеся в ходе технологического цикла.