КРЕМНИЯ ОКСИД
Кремний и его соединения
Кремний 14Si является аналогом углерода, находится в главной подгруппе IV группы, в 3-м периоде. Как и углерод, кремний является неметаллом и проявляет в своих соединениях и положительные и отрицательные степени окисления, наиболее характерными из которых являются +4 и -4.
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.
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
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
При низких температурах кремний химически инертен, при нагревании его реакционная способность резко возрастает.
1. С кислородом взаимодействует при Т выше 400°С:
Si + О2 = SiO2 оксид кремния
2. С фтором реагирует уже при комнатной температуре:
Si + 2F2 = SiF4 тетрафторид кремня
3. С остальными галогенами реакции идут при температуре = 300 — 500°С
Si + 2Hal2 = SiHal4
4. С парами серы при 600°С образует дисульфид:
Si + 2S = SiS2
5. Реакция с азотом происходит выше 1000°С:
3Si + 2N2 = Si3N4 нитрид кремния
6. При температуре = 1150°С реагирует с углеродом:
SiO2 + 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 + 4HNO3 = 3SiF4 + 4NO + 8H2O
9. реагирует с растворами щелочей с образованием силикатов и выделением водорода:
Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2H2↑
10. Восстановительные свойства кремния используют для выделения металлов из их оксидов:
2MgO = Si = 2Mg + SiO2
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
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
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.
Физические свойства
В воде SiO2 растворяется очень незначительно, в органических растворителях также практически не растворяется. Кремнезем является диэлектриком.
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
Кремниевые кислоты
Известны:
— ортокремниевая кислота H4SiО4;
— метакремниевая (кремниевая) кислота H2SiO3;
— 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:
Na2SiO3 + 2HCl = H2SiO3↓ + 2NaCl
2. Гидролиз хлорсиланов: SiCl4 + 4Н2О = H4SiO4 + 4HCl
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.
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↑
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.
Кремний IV оксид
Кремний IV оксид ТУ 6-09-3379-79
SiO2
Диоксид кремния (кремнезём, SiO2; лат. silica) — оксид кремния (IV). Бесцветные кристаллы с температурой плавления+1713…+1728 °C, обладающие высокой твёрдостью и прочностью.
Диоксид кремния — главный компонент почти всех земных горных пород, в частности, кизельгура. Из кремнезёма и силикатов состоит 87 % массы литосферы. В крови и плазме человека концентрация кремнезёма составляет 0,001 % по массе.
Свойства
- Относится к группе кислотных оксидов.
- При нагревании взаимодействует с основными оксидами и щелочами.
- Реагирует с плавиковой кислотой.
- SiO2 относится к группе стеклообразующих оксидов, то есть склонен к образованию переохлажденного расплава — стекла.
- Один из лучших диэлектриков (электрический ток не проводит, если не имеет примесей и не нагревается).
Полиморфизм
Диоксид кремния имеет несколько полиморфных модификаций.
Самая распространённая из них на поверхности земли — α-кварц — кристаллизуется в тригональной сингонии.
При нормальных условиях диоксид кремния чаще всего находится в полиморфной модификации α-кварца, которая при температуре выше +573 °C обратимо переходит в β-кварц.
При дальнейшем повышении температуры кварц переходит в тридимит и кристобалит. Эти полиморфные модификации устойчивы при высоких температурах и низких давлениях.
В природе также встречаются формы — опал, халцедон, кварцин, лютецит, аутигенный кварц, которые относятся к группе кремнезёма. Опал (SiO2*nH2O) в шлифе бесцветен, изотропен, имеет отрицательный рельеф, отлагается в морских водоемах, входит в состав многих кремнистых пород.Халцедон, кварцин, лютецит — SiO2 — представляют собой скрытокристаллические разновидности кварца. Образуют волокнистые агрегаты, розетки, сферолиты, бесцветные, голубоватые, желтоватые.
Отличаются между собой некоторыми свойствами — у халцедона и кварцина — прямое погасание, у лютецита — косое, у халцедона — отрицательное удлинение.
При высоких температуре и давлении диоксид кремния сначала превращается в коэсит (который в 1953 году был синтезирован американским химиком Лорингом Коэсом), а затем в стишовит (который в 1961 году был синтезирован С. М.
Стишовым, а в 1962 году был обнаружен в метеоритном кратере)[источник не указан 2294 дня].
Согласно некоторым исследованиям, стишовит слагает значительную часть мантии, так что вопрос о том, какая разновидность SiO2 наиболее распространена на Земле, пока не имеет однозначного ответа.
Также имеет аморфную модификацию — кварцевое стекло.
Получение
Синтетический диоксид кремния получают нагреванием кремния до температуры +400…+500 °C в атмосфере кислорода, при этом кремний окисляется до диоксида SiO2. А также термическим оксидированием при больших температурах.
В лабораторных условиях синтетический диоксид кремния может быть получен действием кислот, даже слабой уксусной, на растворимые силикаты. Например:
кремниевая кислота сразу распадается на воду и SiO2, выпадающий в осадок.
Натуральный диоксид кремния в виде песка используется там, где не требуется высокая чистота материала.
Применение
Диоксид кремния применяют в производстве стекла, керамики, абразивов, бетонных изделий, для получения кремния, как наполнитель в производстве резин, при производстве кремнезёмистых огнеупоров, в хроматографии и др. Кристаллы кварца обладают пьезоэлектрическими свойствами и поэтому используются в радиотехнике, ультразвуковых установках, в зажигалках.Аморфный непористый диоксид кремния применяется в пищевой промышленности в качестве вспомогательного вещества E551, препятствующего слёживанию и комкованию, парафармацевтике (зубные пасты), в фармацевтической промышленности в качестве вспомогательного вещества (внесён в большинство Фармакопей), а также пищевой добавки или лекарственного препарата в качестве энтеросорбента.
Искусственно полученные плёнки диоксида кремния используются в качестве изолятора при производстве микросхем и других электронных компонентов.
Также используется для производства волоконно-оптических кабелей. Используется чистый плавленый диоксид кремния с добавкой в него некоторых специальных ингредиентов.
Кремнезёмная нить также используется в нагревательных элементах электронных сигарет, так как хорошо впитывает жидкость и не разрушается под нагревом спирали.
Крупные прозрачные кристаллы кварца используются в качестве полудрагоценных камней; бесцветные кристаллы называют горным хрусталём, фиолетовые — аметистами, жёлтые — цитрином.
В микроэлектронике диоксид кремния является одним из основных материалов. Его применяют в качестве изолирующего слоя, а также в качестве защитного покрытия. Получают в виде тонких плёнок термическим окислением кремния, химическим осаждением из газовой фазы, магнетронным распылением.
Пористые кремнезёмы
Пористые кремнезёмы получают различными методами.
Силохром получают путём агрегирования аэросила, который, в свою очередь, получают сжиганием силана (SiH4). Силохром характеризуется высокой чистотой, низкой механической прочностью. Характерный размер удельной поверхности 60—120 м²/г. Применяется в качестве сорбента в хроматографии, наполнителя резин, катализе.
Силикагель получают путём высушивания геля кремниевой кислоты. В сравнении с силохромом обладает меньшей чистотой, однако может обладать чрезвычайно развитой поверхностью: обычно от 300 м²/г до 700 м²/г .
Кремниевый аэрогель приблизительно на 99,8 % состоит из воздуха и может иметь плотность до 1,9 кг/м³ (всего в 1,5 раза больше плотности воздуха).