КРЕМНИЙ И ЕГО СОЕДИНЕНИЯ.

I. Характеристика кремния, исходя из положения в периодической системе.

 

Si 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p²

)))

2 8 4

 

28 ₁p = 14 + ₀n = 14

Si = -----------------------

14 e^- = 14

Высший оксид: SiO₂

Высший гидроксид: H₂SiO₃

Ст. ок.: -4,0 +2 +4

 

II. Физические свойства:

 

Вещество темно - серого цвета со стальным блеском, кристаллической структуры. Структура кремния аналогична структуре алмаза. Элемент обладает полупроводниковыми свойствами, т.к. при освещении и нагревании разрушаются ковалентные связи; увеличивается число свободных электронов и возрастает электрическая проводимость. Кремний хрупок, его плотность равна 2,33 г/см³, тугоплавкое вещество, состоит из трех стабильных изотопов:

28 29 30

Si (92, 27%); Si (4, 68%); Si (3, 0,5%).

14 14 14

 

III. Распространение в природе:

 

Кремний находится на втором месте по распространению после кислорода в природе. Массовая доля в земной коре 27,6%. В природе встречается в виде оксида кремния (IV) и силикатов. Кремний входит в состав живых организмов. Выделен в 1823 г шведским химиком Берцелиусом.

 

IV. Получение:

 

1. В промышленности:

Электропечи:

SiO₂ + 2C ®^t Si + 2CO­

1. В лаборатории:

Алюмотермией, металлотермией:

а) SiO₂ + 2Mg ®^t Si + 2MgO

б) 3SiO₂ + 4Al ®^t 3Si + 2Al₂O₃

1. Наиболее чистый кремний получают из тетрахлорида кремния:

SiCl₄ + 2Zn ®^t Si + 2ZnCl₂

 

 

V. Химические свойства:

Кремний - инертный элемент. В реакции вступает в жестких условиях, это связано с прочностью его кристаллической решетки.

1. Непосредственно взаимодействует только с F:

Si + 2F₂ ® SiF₄ - фторид кремния.

2. Взаимодействует со щелочами:

Si + 2NaOH + H₂O ® Na₂SiO₃ + 2H₂­

3. SiO₂ + 2C ®^t SiC + CO₂­

карбид

кремния

(карборунд)

Карборунд по прочности приближен к алмазу.

4. С металлами:

Si + 2Mg ®^t Mg₂Si

силицид

магния

При взаимодействии силицидов с кислотами образуется водородное соединение - силан.

Силан ядовитый газ с резким неприятным запахом, самовоспламеняющийся на воздухе:

Mg₂Si + 4HCl ® 2MgCl₂ + SiH₄­

силан

SiH₄ + O₂ ®^t SiO₂ + 2H₂O

5. Si + O₂ ®^t SiO₂

 

VI. Применение:

1. Кремний используют в радиотехнике как полупроводниковый элемент.
2. Изготавливают из кремния солнечные батареи, превращающие световую энергию в электрическую.
3. В металлургии кремний используют для получения кремнистых сталей, обладающих высокой жаростойкостью и кислотостойкостью.

 

VII. Важнейшие соединения:

 

I. Оксид кремния (IV) SiO₂ - диоксид кремния (кремнезем).

Кремнезем это твердое, тугоплавкое вещество, встречается в природе в двух видах:

1. Кристаллический кремнезем (кварц): у кварца есть несколько разновидностей:

а) горный хрусталь окрашенный в лиловый цвет называется аметист, в бурый цвет - дымчатый топаз.

б) халцедон

в) агат

г) яшма

Кварц составляет основу кварцевых песков, используемых в строительстве и силикатной промышленности.

 

II. Аморфный кремнезем (инфузорная земля,трепел, диатомит) SiO₂ · n H₂O

Примером искусственного аморфного кремнезема служит силикагель, который получают из мета - силиката натрия:

 

SiO₂

Na₂SiO₃ + 2HCl ®^t 2NaCl + H₂SiO₃

H₂O

 

Температура плавления кремнезема t = 1700 - 1710 ⁰ C, р = 2,6 г/см³

SiO₂ очень твердое вещество. Это объясняется тем, что у него атомная кристаллическая решетка.

У кремния координационное число = 4. Атом кремния заключен в тетраэдр вместе с 4 атомами кислорода, причем атом кремния находится в центре. Весь кусок кремнезема можно рассматривать как кристалл, формула которого (SiO₂) · n. Такое строение обуславливает его высокую твердость и тугоплавкость, чем резко отличается от CO₂;

 

SiO₂ - кислотный оксид.

 

O O

½ ½

O ¾ Si ¾ O ¾ Si ¾ O

½ ½

O O

½ ½

O ¾ Si ¾ O ¾ Si ¾ O

½ ½

O O

 

Химические свойства:

Оксид кремния может реагировать:

1. Со сложными веществами:

а) Со щелочами:

SiO₂ + 2NaOH =^t Na₂SiO₃ + H₂O

 

б) С оксидами:

SiO₂ + CaO =^t CaSiO₃

 

в) С солями:

SiO₂ + Na₂CO₃ =^t Na₂SiO₃ + CO₂­

 

г) С кислотами (только с плавиковой кислотой):

SiO₂ + 4HF ® SiF₄ + 2H₂O

Эта реакция лежит в основе травления стекла. В воде SiO₂ не растворяется, поэтому кремниевую кислоту получают при действии кислот на силикаты:

Na₂SiO₃ + 2HCl = 2NaCl + H₂SiO₃¯

 

Диоксид кремния соответствует ряду кислот. Состав кремниевых кислот можно выразить формулой: m SiO₂ · n H₂O, где m и n - целые числа.

Кислоты, у которых m>1 - поликремниевые или многокремниевые.

 

SiO₂ · H₂O ® H₂SiO₃ - метакремниевая кислота

SiO₂ · 2H₂O ® H₄SiO₄- ортокремниевая кислота

SiO₂ 2SiO₂ · H₂O ® H₂Si₂O₅-двуметакремниевая кислота

3SiO₃ · 2H₂O ® H₄Si₃O₈ - поликремниевая кислота

 

При нагревании кремниевых кислот до 100⁰ С, они постепенно теряют воду и получается твердое белое вещество силикагель, который используется как адсорбент и в качестве катализатора при химических реакциях:

H₂SiO₃ - слабая кислота, малорастворимая в воде, при нагревании легко теряет воду, образует два вида солей: а) средние - силикаты; б) кислые - гидросиликаты.

 

СИЛИКАТЫ.

 

Получение:

 

1. SiO₂ + 2KOH ® K₂SiO₃ + H₂O

2. SiO₂ + Na₂CO₃ ® Na₂SiO₃ + CO₂­

Силикаты, как правило, бесцветны, тугоплавки, практически не растворимы в воде:

 

К растворимым в воде силикатам относятся: Na₂SiO₃, K₂SiO₃, BaSiO₃.

Силикаты натрия и калия получили название растворимое стекло. Водные растворы силиката натрия и калия, благодаря гидролизу, имеют сильно - щелочную реакцию:

2Na₂SiO₃ + H₂O ® Na₂Si₂O₅ + 2NaOH

двуметасиликат

натрия

Растворимое стекло применяют как огнеупорный материал, используемый для получения огнеупорных тканей, огнезащитных красок, в производстве цемента, клея, замазок, для укрепления слабых грунтов.

 

Природные соединения кремния:

 

Природные соединения имеют сложное строение и состав. Наибольшее распространение в природе имеют силикаты, содержащие алюминий - алюмосиликаты:

1. Каолин (белая глина): Al₂O₃ · 2SiO₂ · 2H₂O

2. Слюда белая:K₂O · 3Al₂O₃ · 6SiO₂ · 2H₂O

3. Полевой шпат: K₂O · Al₂O₃ · 6SiO₂

4. Большое значение имеет асбест

CaO · 3MgO · 4SiO₂

5. тальк 3MgO · 4SiO₂ · H₂O

Процесс разрушения горных пород под воздействием воды и воздуха называется

выветриванием. В результате выветривания образуется почва, поэтому выветривание - важный процесс в природе.

 

Силикатная промышленность:

Эта промышленность, которая занимается производством стекла, цемента, керамики. Состав стекла - Na₂O · CaO · 6SiO₂

 

Получение стекла:

Основателем стекольной промышленности в России является М.В. Ломоносов.

 

1. SiO₂ + Na₂CO₃ ®^t Na₂SiO₃ + CO₂­

2. SiO₂ + CaCO₃ ®^t Ca SiO₃ + CO₂­

3. Na₂SiO₃ + Ca SiO₃ + 4SiO₂ ®Na₂O · CaO · 6SiO₂

 

Силикат натрия можно также получить:

2SiO₂ + С + 2Na₂SO₄ ®^t 2Na₂SiO₃ + CO₂­ + 2SO₂­

Cтекло бывает разного вида:

1. Тугоплавкое: K₂O · CaO · 6SiO₂

Na₂CO₃ заменяют на K₂CO₃ (поташ)

1. Борсиликатное (твердое, термостойкое стекло) используется для изготовления химической посуды. Na₂O · CaO · B₂O₃.

3. Хрустальное стекло: PbO · K₂O · 6SiO₂

Добавки различных оксидов металлов придают стеклу различные окраски:

Cr₂O₃ - зеленую, CaO - синюю, MnO₂ - лилово-красную.

4. Увиолевое стекло - стекло, хорошо пропускающее ультрафиолетовые лучи (в нем содержание

Fe₂O₃ снижено до - 0,08%).

Из стекла изготавливают волокна и ткани для технических нужд. Освоен выпуск стекло-кристаллических металлов - ситаллов, которые имеют большую прочность и из них готовят посуду, электрические изоляторы.

Керамика - это материалы и изделия выработанные из природных глин путем формовки, сушки, обжига. Это кирпич, черепица, облицовочная плитка, глиняная посуда, фаянс, фарфор.

 

ЦЕМЕНТ.

Зеленовато - серый порошок, который при смешивании с водой затвердевает в камнеподобную массу. Цемент получают из известняков и глины путем их обжига (t = 1400 - 1600⁰ С) до спекания.

Обжиг ведут в цилиндрических печах длиной до 150 м, вращающихся, при этом образуется зернистая масса - клинкер, который размалывают с соответствующими добавками, получая силикат цемент.

Обычную цементную смесь готовят искусственно из 25% известняка и 75% глины. Природные известково - глинистые породы, отвечающие по составу цементной смеси - мергели.

 

БЕТОН (искусственный камень).

Смесь цемента, воды и наполнителей (песок, гравий, щебень, шлак).

Бетон со стальной арматурой (внутренним каркасом) называется железобетоном. Пластобетоны - бетоны, в которых используются органические полимеры.

 

 

Домашнее задание:

 

Г. М. Чернобельская «Общая химия», Москва, «Медицина», 1991 г.; стр. 213-223.

 

Вопросы для закрепления:

 

1. Электронное строение атомов углерода и кремния.

2. Оксиды и гидроксиды углерода и кремния.

3. Сравните свойства углекислого газа и угарного газов.

4. Угольная кислота и её соли.

5. Качественные реакции на карбонат и гидрокарбонат и анионы.