Как получить водородные соединения кремния. Соединения кремния и их свойства. Силикаты - соли кремниевых кислот
Оксид кремния (IV)
Соединения кремния с водородом и галогенами
При действии соляной кислоты на силицид магния Mg 2 Si получается кремневодород (силан) SiН 4 , подобный метану:
Mg 2 Si + 4 НС1 = 2 MgСl 2 + SiН 4
Силан SiН 4 - бесцветный газ, самовоспламеняющийся на воздухе и сгорающий с образованием диоксида кремния и воды:
SiН 4 + 2 О 2 = SiO 2 + 2 Н 2 О
Силан легко гидролизуется, особенно в щелочной среде:
SiH 4 + 2H 2 O = SiO 2 + 4H 2
SiH 4 + 2NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 4H 2
Хлорид кремния SiCl 4 получается нагреванием смеси диоксида кремния с углем в струе хлора:
SiO 2 + 2 С + 2 С1 2 = SiСl 4 + 2 CO
или хлорированием технического кремния. Он представляет собой жидкость, кипящую при 57 °С.
При действии воды хлорид кремния подвергается полному гидролизу с образованием кремниевой и соляной кислот;
SiСl 4 + 3 Н 2 О = Н 2 SiO 3 + 4 НСl
Хлорид кремния применяется для синтеза кремнийорганических соединений.
Фторид кремния SiF 4 образуется при взаимодействии фтористого водорода с диоксидом кремния:
SiO 2 + 4 НF = SiF 4 + 2 Н 2 О
Это - бесцветный газ с резким запахом.
Как и хлорид кремния, в водных растворах SiF 4 гидролизуется:
SiF 4 + 3 Н 2 О = Н 2 SiO 3 + 4 НF
Образующийся фторороводород взаимодействует с SiF 4 . При этом получается гексафторокремниевая (или кремнефтористоводородная) кислота H 2 SiF 6:
3 SiF 4 + 3 Н 2 О ═ 2 H 2 SiF 6 + H 2 SiO 3
По силе гексафторокремниевая кислота близка к серной. Соли ее - кремнефториды, или фторосиликаты, в большинстве своем растворимы в воде; малорастворимы соли натрия, калия, рубидия, цезия, практически нерастворима соль бария. Сама кислота и все фторосиликаты ядовиты..
Наиболее стойким соединением кремния является диоксид кремния, или кремнезем, SiO 2 . Он встречается как в кристаллическом, так и в аморфном виде.
Кристаллический диоксид кремния находится в природе главным образом в виде минерала кварца.
Кристаллический диоксид кремния очень тверд, нерастворим в воде и плавится около 1610° С, превращаясь в бесцветную жидкость. По охлаждении этой жидкости получается прозрачная стекловидная масса аморфного диоксида кремния, по виду сходного со стеклом.
Аморфный диоксид кремния распространен в природе гораздо меньше, чем кристаллический. На дне морей имеются отложения тонкого пористого аморфного кремнезема, называемого трепелом или кизельгуром. Эти отложения образовались из SiO 2 , входившего в состав организмов диатомовых водорослей и некоторых инфузорий.
1) SiO 2 – кислотный оксид, поэтому аморфный кремнезем медленно растворяется в водных растворах щелочей, образуя соответствующие соли кремневой кислоты (силикаты):
SiO 2 + 2 NaOH ═ Na 2 SiO 3 + H 2 O
2) SiO 2 взаимодействует также при нагревании с основными оксидами:
SiO 2 + K 2 O = K 2 SiO 3
SiO 2 + CaO = CaSiO 3
3) Будучи нелетучим оксидом, SiO 2 вытесняет углекислый газ из Na 2 CO 3 (при сплавлении):
SiO 2 + Na 2 CO 3 = Na 2 SiO 3 + CO 2
4) Кислоты, за исключением плавиковой, не действуют на диоксид кремния. Плавиковая же кислота легко вступает с ним в реакцию, образуя фторид кремния и воду:
SiO 2 + 4 HF ═ SiF 4 + 2 H 2 O
5) При температуре SiO 2 взаимодействует с газообразным HF и F 2 , образуя тетрафторсилан (тетрафторид кремния):
SiO 2 + 4HF = SiF 4 + 2H 2 O
Непосредственно с водородом кремний не взаимодействует. Только при действии воды или кислоты на силициды образуется смесь кремневодородов, называемых силанами : газообразных и жидких, напоминающих предельные углеводороды, Si n H 2 n +2 . В отличие от углеводородов, силаны более реакционноспособны в окислительно-восстановительных реакциях, в которых они всегда проявляют свойства восстановителей за счет Si -4:
SiH 4 + O 2 = SiO 2 + 2H 2 O
Соединения кремния с кислородом.
Кремний образует с кислородом один оксид SiO 2 . Твердое тугоплавкое вещество, нерастворимое в воде и кислотах, за исключением плавиковой кислоты (HF), в которой оксид кремния образует газообразный тетрафторид кремния:
SiO 2 + 4HF = SiF 4 + 2H 2 O
Нерастворимый в воде оксид кремния (IV) обладает слабыми кислотными свойствами, поэтому он взаимодействует с основными оксидами и основаниями, но только при высоких температурах:
Na 2 O + SiO 2 = Na 2 SiO 3 2NaOH + SiO 2 = Na 2 SiO 3 + H 2 O
Соответствующая оксиду SiO 2 кремниевая кислота может быть получена в водном растворе только из силикатов при действии на них более сильных кислот:
Na 2 SiO 3 + 2HCl = H 2 SiO 3 ↓ + 2NaCl
Na 2 SiO 3 + CO 2 + H 2 O = H 2 SiO 3 ↓ + Na 2 CO 3
Кремниевая кислота – очень слабая кислота, и поэтому растворимые в воде силикаты щелочных Ме подвергаются сильному гидролизу по аниону, образуя щелочную среду:
SiO 3 2- + H-OH ↔ HSiO 3 - + OH -
HSiO 3 - + H-OH ↔ H 2 SiO 3 + OH -
В окислительно-восстановительных реакциях оксид кремния (IV) является очень слабым окислителем и может восстанавливаться только сильными восстановителями, такими как Mg или Ca и то при высоких температурах (>1000 0 С):
2Mg + SiO 2 = Si + 2MgO
Вопросы для контроля
1. Охарактеризуйте положение кремния в периодической системе Д.И.Менделеева. какие степени окисления характерны для кремния.
2. Какие вы знаете соединения кремния с галогенами, водородом, кислородом, азотом, металлами? Напишите формулы этих соединений. Как они могут быть получены?
3. Чем отличается оксид кремния (IV) от других кислотных оксидов?
Задачи и упражнения для самостоятельной работы
1. Сверхчистый кремний для транзисторов получают путем превращения химически чистого кремния в бромид кремния (IV), который затем восстанавливают водородом. Напишите уравнения соответствующих реакций.
2. Почему не растворяющийся в концентрированной азотной кислоте кремний растворяется в смеси HNO 3 и HF? Какую роль играет HF в такой смеси?
3. Составьте уравнения реакций между: а) кремнеземом и содой; б) кремнеземом и гидроксидом бария; в) силикатом калия и фтороводородной кислотой.
4. Каков характер среды водного раствора силиката калия? Подтвердите ответ молекулярным и ионными уравнениями реакции, происходящей в этом растворе.
5. Составьте уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:
а) SiO 2 → Si → Mg 2 Si → SiH 4 → SiO 2 → Na 2 SiO 3 → H 2 SiO 3 ;
б) SiCl 4 → Si → K 2 SiO 3 → H 2 SiO 3 → SiO 2 → стекло.
6. В трех пробирках имеются растворы силиката натрия, карбоната натрия и сульфида калия. С помощью какого одного реактива можно определить каждый из указанных растворов? Приведите уравнения соответствующих реакций.
7. Имеется смесь кремния, графита и карбоната кальция. Найдите ее количественный состав, если известно, что при обработке 34 г смеси раствором NaOH получено 22,4 л газа (н.у.), а при обработке такой же порции смеси соляной кислотой получено 2,24 л газа (н.у.).
8. Имеется смесь кремния, алюминия и карбоната кальция. Каков ее количественный состав, если известно, что при обработке смеси избытком раствора щелочи выделяется 17,92 л газа (н.у.), а при обработке такой же порции смеси соляной кислотой – также 17,92 л газа, пропускание которого через раствор гидроксида кальция образовалось 16,2 г Са(НСО 3) 2 ?
ОТВЕТЫ К ЗАДАЧАМ
Хлорoсиланы - важнейшие реагенты химической промышленности, многие из которых получают с помощью хлорирования связи кремний-водород (Si-H). Такое хлорирование, как правило, достигается путем использование токсичных и/или дорогостоящих металлсодержащих реагентов. Исследователи из Тель-Авивского университета нашли новый, простой, селективный и высокоэффективный каталитический способ хлорирования связей Si-H без использования металлов. В качестве катализатора используется соединение бора триc(пентафторфенил)боран B(C 6 F 5) 3 , а в качестве хлорирующего агента - соляная кислота HCl. Механизм реакции был предложен на основе опытов соревнующихся реакций и квантово-механических расчетов. Работа была опубликована в Angewandte Chemie International Edition - одном из наиболее влиятельных химических журналов в мире.
Xлоросиланы - вещества со связью кремний-хлор с общей формулой R 3 Si-Cl (где R - любая органическая группа, водород или другой хлор) - используются во многих отраслях органической химии: синтезе лекарств, полимеров и множества других веществ. Например, почти ни один мультистадийный органический синтез без них не обходится, так как с их помощью защищают многие активные группы (см. также Protecting group). Eсли на молекуле есть несколько активных групп, можно одну из них селективно (не затрагивая другие) заблокировать кремниевым щитом (silyl ether) с помощью соответствующего хлоросилана, затем провести желаемые реакции с другими реактивными группами, а на следующей стадии снять кремниевую защиту, освободив защищеннyю группу для дальнейших реакций. Снимается кремниевая защитная группа довольно легко, при этом не затрагиваются другие части молекулы, поэтому такая защита очень популярна. Для защиты разных групп нужны разные условия. Более того, обычно одни и те же группы, помещенные в разное химическое окружение, будут реагировать по-разному. Поэтому химикам требуются хлоросиланы с разной реактивностью, или, иначе говоря, с разнообразными группами на атоме кремния.
Один из наиболее популярных методов получения хлорсиланов - хлорирование связи кремний-водород (Si-H). Классические (в том числе коммерческие) методы хлорирования этих связей можно условно разделить на стехиометрическиe (на каждый моль хлорируемой связи нужнo соответствующее количество молей активирующего реагента) и каталитические (катализатор активирует молекулу и после ее хлорирования возвращается в исходное состояние, чтобы активировать следующую молекулу). Cтехиометрическoe xлорирование связей Si-H осуществляется посредством солей металлов в сочетании с опасными источниками хлора, такими как токсичные хлориды олова, ядовитый элементный хлор и канцерогенный тетрахлорoметан. Известные методы каталитическогo хлорирования этих связей нетоксичными источниками хлора (такими как соляная кислота) связаны с использованием дорогих катализаторов - переходных металлов, например, палладия. Напрямую, без активации, силаны с соляной кислотой не реагируют.
Несмотря на то что кремний в таблице Менделеева находится прямо под углеродом, иx химия сильно различается (см., например, Впервые получены структуры контактной и сольватноразделённой ионных пар силенил-литиевого соединения «Элементы», 23.09.2016). В частности, связь водорода с кремнием слабее, чем с углеродом, и поляризована так, что водород отрицательно заряжен, и может вести себя как псевдогалоген. Эту особенность использовали ученые из Тель-Авивского университета, чтобы активировать связь Si-H с помощью триc(пентафторфенил)борана B(C 6 F 5) 3 . B(C 6 F 5) 3 - нетоксичное и относительно недорогое (в сравнении с переходными металлами) соединение бора с тремя пентафторфенильными кольцами. Фторфенилы оттягивают электронную плотность с атома бора, поэтому бор взаимодействyeт с отрицательно заряженным атомом водорода на кремнии и ослабляет связь Si-H, позволяя xлору из соляной кислоты (HCl) заменить водород. Из двух атомов водорода (H − от кремния и H + из соляной кислоты) получается молекулярный водород H 2 (рис. 1).
Отдельный пример реакции хлорирования триэтилсилана показан на рис. 3. Соляную кислоту генерируют путем прикапывания концентрированного раствора серной кислоты на поваренную соль. Образуется газообразная соляная кислота, которая по трубке подается в перемешиваемый толуольный раствор хлоросилана и катализатора. Используя всего лишь одну молекулy B(C 6 F 5) 3 к 100 молекулам Et 3 SiH (то есть один мольный процент, 1 mol%) при избытке HCl реакция идет до конца за 15 минут.
С помощью квантовомеханических расчетов авторы получили модель структуры переходного состояния реакции (рис. 4) и энергию, которая нужна для прохода этой реакции в газовой фазе (25,5 ккал/моль).
Просто открыть новую реакцию недостаточно для публикации в хорошем журнале. Надо еще как минимум продемонстрировать возможность ее широкого применения и подтвердить предложенный механизм дополнительными экспериментами и/или теоретическими расчетами. Но и этого может не хватить. Для совсем хорошей публикации желательно продемонстрировать особенность реакции, которой нет у уже известных и использующихся реакций.
Для начала авторы прохлорировали своим методом, используя как B(C 6 F 5) 3 так и его эфират Et 2 O·B(C 6 F 5) 3 , несколько силанов с разнообразными заместителями R - от органокремниевого (tBuMe 2 Si) до силоксидного (Et 3 SiO): Me 2 (tBuMe 2 Si)SiH, Ph 2 (Et 3 SiO)SiH, Me 2 SiClH, Ph 2 SiClH, Ph 2 SiH 2 , PhMeSiH 2 . Также им удалось продемонстрировать постадийное хлорирование силанов с двумя водородами Ph 2 SiH 2 , PhMeSiH 2 , используя различные концентрации катализатора (от 1 до 10 mol%) и варьируя время реакции.
На данном этапе помимо самой реакции никаких необычных результатов обнаружено не было. Тогда авторы проверили хлорирование более реактивного силана с тремя водородами, PhSiH 3 . Тут стоит заметить, что постадийное хлорирование PhSiH 3 - задача непростая, так как реакция может легко проскочить стадию монохлорирования (PhSiClH 2) к двойному хлорированию (PhSiCl 2 H). Здесь авторов oжидал приятный сюрприз. При использовании 10 mol% B(C 6 F 5) 3 за 10 минут реакция проскочила, дав на выходе 87% PhSiCl 2 H и 13% PhSiClH 2 . Однако, при использовании в качестве катализатора эфирата Et 2 O·B(C 6 F 5) 3 в точно таких же условиях (10 mol%, 10 минут) отношение продуктов получилось почти противоположным: 16% PhSiCl 2 H и 84% PhSiClH 2 (реакции 1 и 2 в таблице). Снизив концентрацию катализатора в 10 раз, удалось достичь эксклюзивного получения PhSiClH 2 в одну стадию (реакция 4 в таблице). Двойное хлорированиe c помощью эфирата не происходит целиком даже по истечении 1000 минут (реакция 6 в таблице).
Почему же реакция с эфиратом так отличается от исходной? Ведь эфират использовался только из-за удобства - его легче выделять, и он стабильнее на воздухе, чем безэфирный аналог. В растворе молекула диэтилэфира (Et 2 O) отвязывается от бора и тот должен по идее вести себя идентично исходному катализатору. Возможно сама молекула диэтилэфира как-то участвует в реакции? Подтверждение этой гипотезе было получено анализом раствора после реакции - оказалось что там присутствует этан C 2 H 6 , который мог появиться в растворе только путем распада молекулы диэтилэфира. Тогда исследователи провели стехиометрическую (в соотношении 1:1) реакцию PhSiH 3 с Et 2 O·B(C 6 F 5) без добавления HCl и в качестве продуктов получили фенил(этокси)силан и этан. Диэтилэфир действительно распался (рис. 5).
Судя по всему это и есть первая стадия всех реакций, катализируемых эфиратом. На второй HCl реагирует с этоксисиланом и выделяется этанол, который присоединяется обратно к бору вместо диэтилэфира, продолжая каталитическую цепочку (рис. 6). Авторы предположили, что второе хлорирование замедляется, так как этанол реагирует с уже хлорированной молекулой медленнее чем с нехлорированной. Это предположение было доказано отдельным экспериментом и с помощью квантовомеханических расчетов энергий всех стадий реакции с двумя типами катализаторов.
Замена катализаторов на основе драгоценных металлов в индустрии очень важна ввиду дороговизны последних, ограниченности ресурсов и токсичности. Трис(пентафторфенил)боран всё больше набирает популярность у химиков, занимающихся катализом, и скорее всего мы увидим еще много интересных реакций с его участием.
Характеристика элемента
14 Si 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2
Изотопы: 28 Si (92.27 %); 29 Si (4.68 %); 30 Si (3,05 %)
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 SiO 2 или силикатов.
Соединения Si токсичны; вдыхание мельчайших частиц SiO 2 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.
Способы получения кремния
Самым распространенным природным соединением кремния является кремнезем (диоксид кремния) SiО 2 . Он является основным сырьем для получения кремния.
1) Восстановление SiO 2 углеродом в дуговых печах при 1800"С: SiO 2 + 2С = Si + 2СО
2) Высокочистый Si из технического продукта получают согласно схеме:
a) Si → SiCl 2 → Si
б) Si → Mg 2 Si → SiH 4 → Si
Физические свойства кремния. Аллотропные модификации кремния
1) Кристаллический кремний - вещество серебристо - серого цвета с металлическим блеском, кристаллическая решетка типа алмаза; т. пл. 1415"С, т. кип. 3249"С, плотность 2,33 г/см3; является полупроводником.
2) Аморфный кремний - порошок бурого цвета.
Химические свойства кремния
В большинстве реакций Si выступает в роли восстановителя:
При низких температурах кремний химически инертен, при нагревании его реакционная способность резко возрастает.
1. С кислородом взаимодействует при Т выше 400°С:
Si + О 2 = SiO 2 оксид кремния
2. С фтором реагирует уже при комнатной температуре:
Si + 2F 2 = SiF 4 тетрафторид кремня
3. С остальными галогенами реакции идут при температуре = 300 - 500°С
Si + 2Hal 2 = SiHal 4
4. С парами серы при 600°С образует дисульфид:
5. Реакция с азотом происходит выше 1000°С:
3Si + 2N 2 = Si 3 N 4 нитрид кремния
6. При температуре = 1150°С реагирует с углеродом:
SiO 2 + 3С = SiС + 2СО
По твердости карборунд близок к алмазу.
7. С водородом кремний непосредственно не реагирует.
8. Кремний стоек к действию кислот. Взаимодействует только со смесью азотной и фтороводородной (плавиковой) кислот:
3Si + 12HF + 4HNO 3 = 3SiF 4 + 4NO + 8H 2 O
9. реагирует с растворами щелочей с образованием силикатов и выделением водорода:
Si + 2NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 2H 2
10. Восстановительные свойства кремния используют для выделения металлов из их оксидов:
2MgO = Si = 2Mg + SiO 2
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 FeSi 2 ; Ni 2 Si и NiSi 2 .) Один из наиболее известных силицидов - силицид магния, который можно получать прямым взаимодействием простых веществ:
2Mg + Si = Mg 2 Si
Силан (моносилан) SiH 4
Силаны (кремневодороды) Si n H 2n + 2 , (ср. с алканами), где п = 1-8. Силаны - аналоги алканов, отличаются от них неустойчивостью цепей -Si-Si-.
Моносилан SiH 4 - бесцветный газ с неприятным запахом; растворяется в этаноле, бензине.
Способы получения:
1. Разложение силицида магния соляной кислотой: Mg 2 Si + 4HCI = 2MgCI 2 + SiH 4
2. Восстановление галогенидов Si алюмогидридом лития: SiCl 4 + LiAlH 4 = SiH 4 + LiCl + AlCl 3
Химические свойства.
Силан - сильный восстановитель.
1.SiH 4 окисляется кислородом даже при очень низких температурах:
SiH 4 + 2O 2 = SiO 2 + 2Н 2 О
2. SiH 4 легко гидролизуется, особенно в щелочной среде:
SiH 4 + 2Н 2 О = SiO 2 + 4Н 2
SiH 4 + 2NaOH + Н 2 О = Na 2 SiO 3 + 4Н 2
Оксид кремния (IV) (кремнезем) SiO 2
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 SiO 2 встречается в виде минерала опала: искусственно получают силикагель, состоящий из коллоидных частиц SiO 2 и являющийся очень хорошим адсорбентом. Стеклообразный SiO 2 известен как кварцевое стекло.
Физические свойства
В воде SiO 2 растворяется очень незначительно, в органических растворителях также практически не растворяется. Кремнезем является диэлектриком.
Химические свойства
1. SiO 2 - кислотный оксид, поэтому аморфный кремнезем медленно растворяется в водных растворах щелочей:
SiO 2 + 2NaOH = Na 2 SiO 3 + Н 2 О
2. SiO 2 взаимодействует также при нагревании с основными оксидами:
SiO 2 + К 2 О = K 2 SiO 3 ;
SiO 2 + СаО = CaSiO 3
3. Будучи нелетучим оксидом, SiO 2 вытесняет углекислый газ из Na 2 CO 3 (при сплавлении):
SiO 2 + Na 2 CO 3 = Na 2 SiO 3 + CO 2
4. Кремнезем реагирует с фтороводородной кислотой, образуя кремнефтористоводородную кислоту H 2 SiF 6:
SiO 2 + 6HF = H 2 SiF 6 + 2Н 2 О
5. При 250 - 400°С SiO 2 взаимодействует с газообразным HF и F 2 , образуя тетрафторсилан (тетрафторид кремния):
SiO 2 + 4HF (газ.) = SiF 4 + 2Н 2 О
SiO 2 + 2F 2 = SiF 4 + O 2
Кремниевые кислоты
Известны:
Ортокремниевая кислота H 4 SiО 4 ;
Метакремниевая (кремниевая) кислота H 2 SiO 3 ;
Ди- и поликремниевые кислоты.
Все кремниевые кислоты малорастворимы в воде, легко образуют коллоидные растворы.
Способы по-лучения
1. Осаждение кислотами из растворов силикатов щелочных металлов:
Na 2 SiO 3 + 2HCl = H 2 SiO 3 ↓ + 2NaCl
2. Гидролиз хлорсиланов: SiCl 4 + 4Н 2 О = H 4 SiO 4 + 4HCl
Химические свойства
Кремниевые кислоты - очень слабые кислоты (слабее угольной кислоты).
При нагревании они дегидратируются с образованием в качестве конечного продукта кремнезема
H 4 SiО 4 → H 2 SiO 3 → SiO 2
Силикаты - соли кремниевых кислот
Поскольку кремниевые кислоты чрезвычайно слабые, их соли в водных растворах сильно гидро лизованы:
Na 2 SiO 3 + Н 2 О = NaHSiO 3 + NaOH
SiO 3 2- + Н 2 О = HSiO 3 - + ОН - (щелочная среда)
По этой же причине при пропускании углекислого газа через растворы силикатов происходит вытеснение из них кремниевой кислоты:
K 2 SiO 3 + СO 2 + Н 2 О = H 2 SiO 3 ↓ + K 2 СO 3
SiO 3 + СO 2 + Н 2 О = H 2 SiO 3 ↓ + СO 3
Данную реакцию можно рассматривать как качественную реакцию на силикат-ионы.
Среди силикатов хорошо растворимыми являются только Na 2 SiO 3 и K 2 SiO 3 , которые называются растворимым стеклом, а их водные растворы - жидким стеклом.
Стекло
Обычное оконное стекло имеет состав Na 2 O СаО 6SiO 2 , т. е. является смесью силикатов натрия и кальция. Его получают сплавлением соды Na 2 CO 3 , известняка СаСO 3 и песка SiO 2 ;
Na 2 CO 3 + CaCO 3 + 6SiO 2 = Na 2 O СаО 6SiO 2 + 2СO 2
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% SiO 2 ; 62 - 76 % СаО; 4 - 7 % Al 2 O 3 ; 2-5% Fe 2 O 3 ; 1- 5% МgО.
Кремний (Si) – второй элемент основной (А) подгруппы 4 группы Периодической системы, учрежденной Дмитрием Ивановичем Менделеевым. Кремний очень распространен в природе, поэтому он занимает второе (после кислорода) место по распространенности. Так, без кремния и его соединений не существовало бы Земной коры, которая более чем на четверть состоит из соединений этого химического элемента. В чем же особенности кремния? Каковы формулы его соединений и их применение? Какие важнейшие вещества имеют в своем составе кремний? Попробуем разобраться.
Элемент кремний и его свойства
Кремний существует в природе в нескольких аллотропных модификациях – наиболее распространенными являются кремний в кристаллическом виде и аморфный кремний. Рассмотрим каждую из данных модификаций в отдельности.
Кристаллический кремний
Кремний в данной модификации является темно-серым достаточно твердым и хрупким веществом со стальным блеском. Такой кремний является полупроводником; его полезное свойство заключается в том, что, в отличие от металлов, его электропроводность увеличивается при повышении температуры. Температура плавления такого кремния составляет 1415 °С. К тому же, кристаллический кремний не способен растворяться в воде и различных кислотах.
Применение кремния и его соединений в кристаллической модификации невероятно многообразно. Например, кристаллический кремний входит в состав солнечных батарей, устанавливаемых на космических кораблях и крышах домов. Кремний является полупроводником и способен преобразовывать солнечную энергию в электрическую.
Помимо солнечных батарей, кристаллический кремний используется для создания многих электронных приборов и кремнистых сталей.
Аморфный кремний
Аморфный кремний – бурый/темно-коричневый порошок алмазоподобной структуры. В отличие от кристаллического кремния, данная аллотропная модификация элемента не имеет строго упорядоченной кристаллической решетки. Несмотря на то, что аморфный кремний плавится при температуре, приблизительно равной 1400 °С, он является гораздо более активным по сравнению с кристаллическим. Аморфный кремний не проводит ток и имеет плотность около 2 г/см³.
Такой кремний чаще всего применяется в пищевой промышленности и при изготовлении лекарственных препаратов.
Химические свойства кремния
- Основное химическое свойство кремния – горение в кислороде, в результате которого образуется крайне распространенное соединение – оксид кремния:
Si + O2 → SiO2 (при температуре).
- При нагревании кремний как неметалл образует соединения с различными металлами. Такие соединения называются силицидами. Например:
2Ca + Si → Ca2Si (при температуре).
- Силициды, в свою очередь, без затруднений разлагаются при помощи воды или некоторых кислот. В результате данной реакции образуется особое водородное соединение кремния – газ силан (SiH4):
Mg2Si + 4HCl → 2MgCl2 + SiH4.
- Кремний также способен взаимодействовать с фтором (при нормальных условиях):
Si + 2F2 → SiF4.
- А при нагревании кремний взаимодействует с другими неметаллами:
Si + 2Cl2 → SiCl4 (400–600°).
3Si + 2N2 → Si3N4 (1000°).
Si + C → SiC (2000°).
- Также кремний, взаимодействуя со щелочами и водой, образует соли, называемые силикатами, и газ водород:
Si + 2KOH + H2O → K2SiO3 + H2.
Однако большинство химических свойств данного элемента мы разберем, рассматривая кремний и его соединения, так как именно они являются основными веществами, на которых основано применение и взаимодействие кремния с другими химическими элементами. Итак, какие же соединения кремния являются наиболее распространенными?
Соединения кремния
Ранее мы выяснили, каким элементом является кремний и какими свойствами он обладает. Теперь рассмотрим формулы соединений кремния.
При участии кремния образуется огромное количество различных соединений. Первое место по распространенности занимают кислородные соединения кремния. К данному разряду относится SiO2 и нерастворимая кремниевая кислота.
Кислотный остаток кремниевой кислоты образует различные силикаты (например, CaSiO3 или Al2O3 SiO2). В таких солях и представленных выше соединениях кремния с кислородом элемент имеет типичную для него степень окисления +4.
Также достаточно распространены соли кремния – силициды (Mg2Si, NaSi, CoSi) и соединения кремния с водородом (например, газ силан). Силан, как известно, самовоспламеняется на воздухе с возникновением ослепительной вспышки, а силициды легко разлагаются как при помощи воды, так и различных кислот.
Рассмотрим поподробнее кремний и его соединения, считающиеся самыми распространенными.
Диоксид кремния
Другое название данного оксида – кремнезем. Это твердое и тугоплавкое вещество, которое не растворяется в воде и кислотах и имеет атомную кристаллическую решетку. В природе оксид кремния образует такие минералы и драгоценные камни, как кварц, аметист, опал, агат, халцедон, яшма, кремень и некоторые другие.
Стоит отметить, что именно из кремния первобытные люди изготавливали свои орудия труда и охоты. Кремень положил начало так называемому каменному веку благодаря его повсеместной доступности и способности образовывать острые режущие края при сколе.
Именно оксид кремния делает прочными стебли таких растений, как камыши, тростники и хвощи, листья осоки и стебли злаков. В защитных наружных покровах некоторых животных также содержится кремнезем.
К тому же, он лежит в основе силикатного клея, благодаря которому создается силиконовый герметик и силиконовый каучук.
Химические свойства оксида кремния
Диоксид кремния взаимодействует с огромным количеством химических элементов – как металлов, так и неметаллов. Например:
- При высоких температурах кремнезем взаимодействует со щелочами, образуя при этом соли:
SiO2 + 2KOH → K2SiO3 + H2O (при температуре).
- Как типичный кислотный оксид, данное соединение дает силикаты в результате взаимодействия с оксидами различных металлов:
SiO2 + CaO → CaSiO3 (при температуре).
- Или с карбонатными солями:
SiO2 + K2CO3 → K2SiO3 + CO2 (при температуре).
- Одно из важнейших химических свойств диоксида кремния – это возможность получения из него чистого кремния. Это можно осуществить двумя способами – при взаимодействии диоксида с магнием или углеродом:
SiO2 + 2Mg → 2MgO + Si (при температуре).
SiO2 + 2C → Si + 2CO (при температуре)
Кремниевая кислота
Кремниевая кислота является очень слабой. Она нерастворима в воде и при реакциях образует студенистый осадок, который иногда способен заполнить весь объем раствора. Когда данная смесь высыхает, можно увидеть образовавшийся силикагель, который применяется как адсорбент (поглотитель других веществ).
Наиболее доступный и распространенный способ получения кремниевой кислоты можно выразить при помощи формулы:
K2SiO3 + 2HCl → 2KCl + H2SiO3↓.
Силициды
Рассматривая кремний и его соединения, очень важно сказать о таких его солях, как силициды. Такие соединения кремний образует с металлами, приобретая, как правило, при этом степень окисления -4. Однако такие металлы, как ртуть, цинк, бериллий, золото и серебро не способны взаимодействовать с кремнием и образовывать силициды.
Наиболее распространенными силицидами являются Mg2Si, Ca2Si, NaSi и некоторые другие.
Силикаты
Такие соединения, как силикаты занимают второе место по распространенности после диоксида кремния. Соли-силикаты считаются достаточно сложными веществами, так как имеют непростую структуру строения, а также они входят в состав большинства минералов и горных пород.
К наиболее распространенным в природе силикатам – алюмосиликатам – относят гранит, слюды, различные виды глин. Также известным силикатом является асбест, из которого изготавливаются огнестойкие ткани.
Применение кремния
В первую очередь, кремний применяется для получения материалов-полупроводников и кислотоупорных сплавов. Карбид кремния (SiC) часто используют для затачивания резцов станков и шлифовки ценных камней.
Из расплавленного кварца изготавливается устойчивую и крепкую кварцевую посуду.
Соединения кремния лежат в основе производства стекла и цемента.
Стекла отличаются друг от друга по составу, в котором обязательно присутствует кремний. Например, помимо оконных, существуют тугоплавкие, хрустальные, кварцевые, цветные, фотохромные, оптические, зеркальные и другие стекла.
При смешивании цемента с водой образуется особое вещество – цементный раствор, из которого впоследствии получают такой строительный материал, как бетон.
Производством этих веществ занимается силикатная промышленность. Помимо стекла и цемента, в силикатной промышленности получают кирпич, фарфор, фаянс и различные изделия из них.
Заключение
Итак, мы выяснили, что кремний является важнейшим химическим элементом, широко распространенным в природе. Кремний применяется при строительстве и художественной деятельности, а также незаменим для живых организмов. Многие вещества, начиная от простого стекла и заканчивая ценнейшим фарфором, имеют в своем составе кремний и его соединения.
Изучение химии позволяет познать окружающий наш мир и понять, что не все вокруг, даже самое великолепное и дорогое, настолько таинственно и загадочно, как могло показаться. Желаем успехов в научном познании и изучении такой прекрасной науки, как химия!
