Силіциуму хімічний. Хімія кремнію і його сполуки

- характеристика елемента кремнію: електронна будова, можливі ступені окислення, основні сполуки: оксид, гідроксид. Аморфний і кристалічний кремній.

кремній- елемент 3-го періоду і IVA-групи Періодичної системи, порядковий номер 14. Електронна формула атома 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 = [10 Ne] 3s 2 3p 2. Характерна ступінь окислення в з'єднаннях + IV.

Шкала ступенів окислення кремнію:

Електронегативність кремнію невисока для неметалів (2,25). Виявляє неметалічні (кислотні) властивості; утворює оксиди, кремнієві кислоти, дуже велике число солей - силікатів у вигляді ланцюгів, стрічок і тривимірних сіток тетраедрів, бінарні сполуки. В даний час широко розвивається хімія органічних сполук кремнію зі зв'язками Si - С і кремнійорганічних полімерів - силіконів і силіконових каучуків зі зв'язками Si - Si, Si - О і Si - С.

Найважливіший елемент неживої природи, другийпо хімічній поширеності. Зустрічається тільки в зв'язаному вигляді. Життєво важливий елемент для багатьох організмів.

Кремній Si -Проста речовина. Крупнокрісталліческій - темно-сірий, з металевим блиском, вельми твердий, дуже крихкий, непрозорий, тугоплавкий, поширений напівпровідник. Кристалічна решітка - атомна, зв'язку Si - Si дуже міцні. Аморфний - білий або жовто-коричневий (з домішками, в основному Fe), хімічно активніший. Стійкий на повітрі (покритий оксидною плівкою), не реагує з водою. Реагує з HF (конц.), Лугами. Окислюється киснем, хлором. Відновлюється магнієм. Спікається з графітом. Промислово важливим є сплав з залізом - феросиліцій(12-90% Si). Застосовується як легирующая добавка в стали і сплави кольорових металів, компонент напівпровідникових матеріалів для мікроелектроніки, основа силіконів.

Рівняння найважливіших реакцій:

отриманняв промисловості: відновлення SiCl 4 або SiO 2 при прожаренні:

SiCl 4 + 2Zn = Si+ 2ZnCl 2

SiO 2 + 2Mg = Si+ 2MgO

(Остання реакція може бути здійснена і в лабораторії, після обробки соляною кислотою залишається аморфний кремній).

Діоксид кремнію SiO 2 -Кислотний оксид. білий порошок (кварцевий пісок)і прозорі кристали, природний продукт забарвлений домішками (Кремнезем)  - у вигляді звичайного піску і каменю (Кремінь).Кристалічна решітка атомна, кожен атом кремнію оточений чотирма атомами кисню, а кожен атом кисню - двома атомами кремнію. Має кілька кристалічних модифікацій (всі мінерали), найважливіші - кварц, трідіміта кристобалит,рідко зустрічаються і штучно отримані - кітіт, коесит, стишовит, меланофлогіт, волокнистий кремнезём.Тугоплавкій, При повільному охолодженні розплаву утворюється аморфна форма - кварцове скло(В природі мінерал лешательеіт).Найбільш хімічно активна аморфна форма.

Практично не реагує з водою (з розчину осідає гідрат SiO 2 NН 2 O), поширеними кислотами. Кварцові скло роз'їдається в HF (конц.). Реагує з лугами в розчині (утворює ортосілікати)і при сплаву (продукти - метасилікати).Легко хлорується в присутності коксу. Відновлюється коксом, магнієм, залізом (в доменному процесі).

Застосовується як промислова сировина у виробництві кремнію, звичайного, термо- і хімічно стійкого скла,

порцеляни, кераміки, абразивів і адсорбентів, наповнювач гуми, мастил, клеїв і фарб, компонент будівельних сполучних розчинів, у вигляді монокристалів кварцу - основа генераторів ультразвуку і точного ходу кварцових годин. Різновиди кварцу ( гірський кришталь, рожевий кварц, аметист, димчастий кварц, халцедон, Онікс  ін.) - дорогоцінні, напівкоштовні або камені виробів.

Рівняння найважливіших реакцій:

Полігідрат діоксиду кремніяSiO 2 nH 2 O -Кремнієві кислоти з перемінним вмістом SiO 2 і Н 2 O. Білий, аморфний (склоподібний) полімер з цепочечную, стрічковим, листовим, сітчастим і каркасних будовою. При нагріванні поступово розкладається. Дуже мало розчинний у воді. Над осадом в розчині існує мономерна слабка ортокремнієвоїкислота H 4 SiO 4 (тетраедричну будова, sр 3-гібридизація), розчинність 0,00673 г / 100 г Н 2 O при 20 ° C. При стоянні розчину йде поліконденсації і повільно утворюються спочатку кремнієві кислоти H 6 Si 2 O 7, H 2 Si 2 O 5, H 10 Si 2 O 9, потім гидрозолей n (золь метакремнієвоїкислоти) і, нарешті, гідрогель SiO 2 NН 2 O (n< 2). При высушивании гидрогель переходит в силикагель SiO 2 nН 2 O (n < 1). Скорость гелеобразования максимальна в слабокислотной среде.

Перекладається в розчин дією концентрованих лугів. По інших хімічних властивостях подібний до SiO 2. У природі - мінерали опалі халцедон (агат, яшма).Мономерна метакремнієва кислота H 2 SiO 3 не отримується.

Рівняння найважливіших реакцій:

отримання: Витіснення сильною кислотою з розчину силікату, наприклад:

K 2 SiO 3 + 2НCl + (n - 1) Н 2 O = 2КCl + SiO 2 NН 2 O↓

Метасилікат натріяNa 2 SiO 3 -Оксосоль. Білий, при нагріванні плавиться без розкладання. Розчиняється в холодній воді (сильний гідроліз за аніоном). Концентрований розчин - колоїдний ( «рідке скло», містить гидрозолей SiO 2 NН 2 O). Розкладається в гарячій воді, реагує з кислотами, лугами, вуглекислим газом.

Застосовується як компонент шихти у виробництві скла, спеціальних цементів та бетонів, входить до складу силікатних фарб і клею, холодних глазурі, алюмосилікатних каталізаторів, при виготовленні паперу і картону, силікагелю, синтетичних цеолітів. Рівняння найважливіших реакцій:

отримання: Сплав соди з піском

Na 2 SiO 3 + SiO 2 = СО 2 + Na 2 SiO 3(1150 ° C)

Силікати.Кремній в ступені окислення + IV знаходиться, крім SiO 2, в досить численних і часто дуже складних за складом і будовою силікат-іони(Так, крім жетасілікат-іонаSiO 3 2- і ортосілікат-іонаSiO 4 4- відомі іони Si 2 O 7 6, Si 3 O 9 6, Si 2 O 10 4- і ін.). Для простоти запису все силікати зображують як містять іон SiO 3 2-.

Насичений розчин силікатів натрію і калію (в'язке «рідке скло») використовується як силікатний клей.

Силікати натрію і кальцію входять до складу скла; його отримують сплавом кварцу SiO 2, вапняку СаСO 3 і соди Na 2 CO 3:

Часто склад скла виражають через оксиди, наприклад, звичайне скло Na 2 O СаО 6SiO 2.

Серед силікатних мінералів відзначимо глини (алюмосилікати), Дуже чиста глина - каолінAl 2 O 3 2SiO 2 2Н 2 O використовується для виготовлення порцеляни.

Силікати і алюмосилікати застосовують в промисловості при виробництві кераміки, цементу, бетону та інших будівельних матеріалів.

Тетрахлорид кремніяSiCl 4.Бінарна сполука. Безбарвна рідина, володіє широким інтервалом рідкого стану. Молекула має тетраедричну будова (sр 3-гібридизація). Термічно стійкий. «Димить» у вологому повітрі. Повністю гідролізується водою. Розкладається лугами. Відновлюється воднем, натрієм, цинком. Хлорують оксид алюмінію.

Застосовується у виробництві особливо чистого кремнію для напівпровідникової техніки.

Рівняння найважливіших реакцій:

отриманняв промисловості- хлорування кремнію або кварцового піску SiO 2.

Кристалічний кремній - це основна форма, в якій використовується кремній при виробництві фотоелектричних перетворювачів і твердотільних електронних приладів методами планарної технології. Активно розвивається використання кремнію у вигляді тонких плівок (епітаксійних шарів) кристалічної і аморфної структури на різних підкладках.

Кремній одержують відновленням його оксиду надлишком магнію при нагріванні:

З двох аллотропних модифікацій кремнію - кристалічної і аморфної - хімічно більш активним є аморфний кремній. Він реагує з киснем при нагріванні, утворюючи

а також з усіма галогенами, наприклад:

При високій температурі кремній з'єднується з вуглецем, утворюючи карборунд - речовина, по твердості близький до алмазу:

У реакціях з активними металами, що протікають з утворенням силіцидів, кремній виступає в ролі окислювача:

При дії на силіциди соляної кислоти отримують найпростіше водневе з'єднання кремнію силан

Оксид кремнію і кремнієві кислоти.

Оксид кремнію - тверде, дуже тугоплавка речовина (температура плавлення, широко поширене в природі. Він зустрічається у вигляді двох модифікацій - кристалічного і аморфного кварцу. Є ангідридом ряду кремнієвих кислот, склад яких можна виразити загальною формулою де х і у - цілі числа:

1), тобто - метакремнієва кислота;

2), тобто - ортокремаіевая кислота;

3), тобто - двуметакремніевая кислота.

Кремнієві кислоти, в молекулах яких міститься більше однієї молекули відносяться до полікремнієвих. Найпростішою кремнієвої кислотою є яку часто називають просто кремнієва кислота.

Все кремнієві кислоти дуже слабкі (слабше вугільної). Солі всіх кремнієвих кислот називають силікатами, хоча, як правило, в навчальній літературі під силикатами увазі солі метакремнієвої кислоти. При стоянні на повітрі розчини силікатів мутніють, так як знаходиться в повітрі оксид вуглецю (IV) витісняє кремнієву кислоту з її солей:

Кремнієва кислота практично нерозчинні в воді - це властивість використовують як якісну реакцію на іон.

Силікати отримують сплавом оксиду кремнію з лугами або карбонатами:

Найбільш широко використовуються силікати натрію і калію. Концентровані розчини цих солей називають рідким склом; вони мають сильнолужну реакцію внаслідок гідролізу. Рідке скло використовують при виготовленні клею і водонепроникних тканин.

Кремній та його сполуки. силікатна промисловість

Кремній - елемент IVA  групи, Як і вуглець. Тому на зовнішньому енергетичному рівні у нього чотири електрона. Ці чотири електрона він може віддавати і проявляти відновні властивості, При цьому його ступінь окислення буде дорівнює +4 , А може приєднувати чотири електрона і проявляти окисні властивості, При цьому ступінь окислення у нього буде -4 .

В природі кремній - другий по рапространённості після кисню хімічний елемент. У природі він зустрічається тільки у вигляді сполук. Найбільш поширеними сполуками кремнію є оксид кремнію (IV) - SiO 2 - кремнезем. У природі він утворює мінерал кварц. Його різновидом є гірський кришталь, аметист, агат, топаз, опал, яшма, халцедон, сердолік, які використовують як виробні і напівкоштовні камені.

Природні силікати - складні речовини. Їх склад зображують у вигляді декількох оксидів. Силікати, до складу яких входить алюміній, називають алюмосиликатами. це каолинит, польовий шпат, слюда.

азбест  теж є силікатом і використовується для виготовлення вогнетривких тканин.

З різновидів мінералів на основі оксиду кремнію (IV) первісні люди виготовляли знаряддя праці. Кремній поклав початок кам'яного віку, Тобто століття кремінних знарядь праці через його доступності та здатності утворювати гострі ріжучі краю.

Оксид кремнію (IV) надає міцність стебел рослин і захисних покриттів тварин.

Завдяки цьому оксиду очерети, очерети, хвощі стоять міцно, а листя осоки ріжуть, стебла злаків не лягають від дощу і вітру, а луска риб, панцири комах, крила метеликів, пір'я птахів і шерсть тварин міцні.

Кремній входить до складу діатомових водоростей і радіолярій.

У промисловості кремній отримують  відновленням оксиду кремнію (IV) коксом в електропечах.

У лабораторії його отримують  відновленням оксиду кремнію (IV) алюмінієм або магнієм.

Кремній існує у вигляді двох аллотропних модифікацій: Аморфною і кристалічною.

аморфний кремній  є бурий порошок.

кристалічний кремній  - тверда речовина темно-сірого кольору з металевим блиском. Він крихкий і тугоплавок. Це обумовлено будовою його кристалів. Структура кремнію аналогічна структурі алмазу, тобто в цьому кристалі кожен атом оточений чотирма іншими атомами і пов'язаний з ними ковалентними зв'язками.

кремній є напівпровідником. З підвищенням температури його електропровідність збільшується. Наприклад, на супутниках, космічних кораблях, станціях і дахах будинків встановлюються сонячні батареї. Ці батареї, перетворюють сонячну енергію в електричну, за рахунок кристалів напівпровідників, таких як кремній.

При кімнатній температурі кремній інертний, але при нагріванні він реагує з металами і неметалами.

кремній горить в кисні  з утворенням оксиду кремнію (IV).

У цій реакції кремній підвищує свою ступінь окислення з 0 до +4, а кисень знижує з 0 до -2. Тому кремній виступає в ролі відновника, а кисень - в ролі окислювача.

Відновлювальні властивості кремнію використовують в металургії для отримання деяких металівз їх оксидів.

Кремній при нагріванні реагує з металами, При цьому утворюються сполуки, які називаються силіциди. Наприклад, в реакції магнію з кремнієм утворюється силицид магнію. У цій реакції магній підвищує свою ступінь окислення з 0 до +2, а кремній знижує з 0 до -4. Тому магній - відновник, а кремній - окислювач.

Силіциди легко розкладаються водою або кислотами, При цьому утворюється газ силан  - водневе з'єднання кремнію. Так, при взаємодії силіциду магнію з соляною кислотою утворюється хлорид магнію і газ силан.

Сілан на повітрі самозаймається і згорає з утворенням оксиду кремнію (IV) і води.

Кремній вступає у взаємодію з концентрованими розчинами лугів. Наприклад, при взаємодії кремнію з концентрованим розчином гідроксиду натрію утворюється силікат натрію і водень.

Кремній можна отримати  нагріванням оксиду кремнію (IV) з магнієм або вуглецем.

В реакції з магнієм магній відновлює кремній з оксиду кремнію (IV), а в реакції оксиду кремнію (IV) з вуглецем, вуглець воссстанавлівает кремній з його оксиду.

Оксид кремнію (IV), кремнезем  - SiO 2 - тверде, дуже тугоплавка речовина, нерозчинний у воді. Цей оксид має атомну кристалічну решітку, В вузлах якої знаходяться атоми кремнію і кисню.

Оксид кремнію (IV) є кислотним оксидом, Тому проявляє всі властивості, характерні для цих оксидів. Однак цей оксид не розчиняється у воді, але він реагує з розчинами лугів. Так, в реакції оксиду кремнію (IV) з гідросідом натрію утворюється силікат натрію і вода.

Оксид кремнію (IV) вступає в реакції з основними оксидами при нагріванні. Так, в реакції з оксидом кальцію утворюється силікат кальцію.

Оксид кремнію (IV) взаємодіє при нагріванні з карбонатами, Так в реакції з карбонатом натрію утворюється силікат натрію і вуглекислий газ.

Силікати натрію і калію називаються розчинними стеклами. Їх водні розчини являють собою силікатний клей.

Оксид кремнію (IV) реагує з фтороводень і плавиковою кислотою з утворенням газоподібного фториду кремнію.

Цим властивістю користуються для витравлювання на склі написів, малюнків і міток.

Склад кремнієвої кислоти можна виразити як H 2 SiO 3. Кремнієва кислота - драглисте, нерозчинний у воді речовина. Вона відноситься до дуже слабких кислот  (Навіть слабкіше вугільної). При висиханні розчину, що містить кремнієву кислоту, утворюється силікагель, Який застосовують в якості адсорбенту.

Кремнієва кислота - безсила з'єднання  і при зберіганні або при нагріванні розкладається на оксид кремнію (IV) і воду.

Якісною реакцією на силікат-іон  є реакції силікатів з розчинами сильних кислот, при цьому утворюється кремнієва кислота у вигляді драглистого осаду. Наприклад, в реакції силікату натрію з соляною кислотою утворюється сіль - хлорид натрію і кремнієва кислота у вигляді драглистого осаду.

Проведемо експеримент. Для цього припустимо вуглекислий газ через розчин силікату натрію. При цьому ми можемо спостерігати утворення драглистого осаду. Це утворилася кремнієва кислота. Таким чином, кремнієва кислота дуже слабка, навіть слабкіше вугільної, яка може витіснити її з розчину солі.

А тепер до цього студенистому осадку прільyoм концентрований розчин лугу і нагріємо на полум'ї спиртівки. Осад починає розчинятися в наслідок освіти розчинної солі - силікату натрію.

кремній застосовують  для отримання напівпровідникових матеріалів і кислототривких сплавів. Таке з'єднання кремнію, як карбід кремнію  - SiC - використовують для заточування різців металорізальних верстатів і шліфування дорогоцінного каміння, тому що по твердості він поступається лише алмазу.

З кварцу виготовляють кварцову хімічний посуд, яка витримує високу температуру і різкі перепади температур.

Розчинні у воді силікати натрію і калію ( « розчинні скла») Застосовують як вогнетривке засіб для просочення деревини та тканин. Для виготовлення вогнетривких і електроізоляційних текстильних виробів використовуються також природні силікати - азбести.

До силікатної промисловості відносять виробництво:

· Скло;

· Керамических виробів (порцеляни, фаянсу гончарних виробів), цегли, облицювальних плит і покрівельних матеріалів;

· Цементу.

З'єднання кремнію є основою для виробництва скла та цементу. Наприклад, звичайне віконне скло отримують сплавом суміші соди, вапняку і піску. Скло має здатність розм'якшуватися і в розплавленому стані приймати різну форму, тому його використовують для виробництва посуду.

Певні властивості склу надають добавки. Наприклад, якщо замінити оксид натрію на оксид калію, то можна отримати тверде богемское сткело, При додаванні оксиду свинцю (II) можна отримати кришталеве скло, При додаванні оксиду хрому (III) можна отримати зелене скло, При додаванні оксиду кобальту -   синє, А при додаванні оксиду марганцю (II) - фіолетове. Додаючи солі золота і селену, отримують рубінові скла, З якого виготовлені зірки Московського Кремля.

Для поліпшення механічних властивостей скло піддають загартуванню. Загартування полягає в тому, що скло особливого складу нагрівають до температури близько 600 0 C, а потім різко охолоджують. Таке загартування дозволяє отримувати куленепробивне скло.

Скло людині відомо давно, вже три - чотири тис. Років тому виробництво скла було в Єгипті, Сирії, Фінікії, Причорномор'я.

Скло дивовижний матеріал. В Стародавньому Римі  майстри навчилися отримувати кольорові скла і робити з них шматочків мозаїки. Зі скла зроблені вітражі церков, музеїв, різні мозаїчні панно.

Області застосування скла  обширні: це віконне, пляшкове, лампове, дзеркальне і оптичне.

Основною сировиною у виробництві керамічних виробів є глина. При змішуванні глини з водою утворюється тістоподібної маса, здатна після сушки і випалу зберігати додану їй форму. Деякі керамічні вироби покривають глазур'ю  - тонким шаром склоподібного матеріалу. Глазур робить кераміку водонепроникною, оберігає її від забруднень, захищає від дії кислот і лугів, надає блиск.

Важливим з'єднанням кремнію є цемент. Його отримують спіканням глини і вапняку. Якщо змішати порошок цементу з водою, то утворюється так званий « цементний розчин», Який потім поступово твердне. Якщо додати до цементу піску або щебеню, то вийде бетон. Міцність бетону можна збільшити, якщо ввести залізний каркас, тоді виходить залізобетон, З якого виготовляють стінові панелі, блоки перекриттів.

Кремній був отриманий в 1824   році шведським хіміком Берцеліусом. Але за дванадцять років до нього кремній отримав Гей-Люссак і Тенар, Але він був дуже забруднений домішками.

латинська назва силіциуму  від латинського сілекс  - «кремінь». Російська назва «кремній» походить від грецького кремнос  - «скеля, скеля».

Таким чином, кремній - елемент IVA групи. Для нього характерні ступені окислення +4 і -4. У реакціях з киснем та іншими неметалами він проявляє відновні властивості, а в реакціях з металами - окисні. У природі кремній зустрічається у вигляді сполук. Найбільш поширене його з'єднання - оксид кремнію (IV) - кремнезем, який є кислотним оксидом і проявляє властивості, характерні для цих оксидів. Водневим з'єднанням кремнію є силан - SiH 4 , Який утворюється при дії кислот або води на силіциди - з'єднання металів з кремнієм. Оксиду кремнію (IV) відповідає кремнієва кислота. Ця слабка двухосновная, студенистая, нерозчинна у воді кислота. Якісною реакцією на силікат-іон є дія сильних кислот на силікати, так як в результаті цих реакцій утворюється осад - кремнієва кислота. Оксид кремнію (IV) і силікати знаходять широке застосування в промисловості. До силікатної промисловості відносять виробництво скла та цементу, керамічних виробів і цегли.