Химически силиций. Химия на силиций и неговите съединения

- характеристика на силициевия елемент: електронна структура, възможни окислителни състояния, основни съединения: оксид, хидроксид. Аморфен и кристален силиций.

силиций- елемент от третия период и IVA-групата на Периодичната система, серийният номер е 14. Електронната формула на атома 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 = [10 Ne] 3s 2 3p 2. Характерната степен на окисление в съединения + IV.

Мащабът на окисляване на силиция:

Силициевата електронегативност не е висока за неметалите (2.25). Показва неметални (киселинни) свойства; образува оксиди, силициеви киселини, много голям брой соли - силикати под формата на вериги, ленти и триизмерни тетраедърни мрежи, бинарни съединения. Понастоящем е широко развита химията на органични силициеви съединения с Si - C връзки и силиконови органични полимери - силикони и силиконови каучуци с връзки Si - Si, Si - O и Si - C.

Най-важният елемент от неживата природа, второтопо химично разпространение. Той се намира само в свързана форма. Важен елемент за много организми.

Силиконова Si -Обикновено вещество. Грубокристален - тъмно сив, с метален блясък, много твърд, много крехък, непрозрачен, огнеупорен, общ полупроводник. Кристалната решетка е атомна, Si - Si връзките са много силни. Аморфен - бял или тен (с примеси, главно Fe), по-химически активен. Той е устойчив на въздух (покрит е със силен оксиден филм), не реагира с вода. Реагира с HF (конц.), Алкали. Окислява се с кислород, хлор. Възстановен с магнезий. Спечен с графит. Индустриално важно е сплавта с желязо - феросилиций(12–90% Si). Използва се като легираща добавка в стомана и сплави на цветни метали, компонент на полупроводникови материали за микроелектроника и основа на силикони.

Уравненията на най-важните реакции:

приеманев промишлеността: възстановяване на SiCl 4 или SiO 2 по време на калцинирането:

SiCl4 + 2Zn = си+ 2ZnCl2

SiO2 + 2Mg = си+ 2MgO

(последната реакция може да се извърши в лаборатория; аморфният силиций остава след обработка със солна киселина).

Силициев диоксид SiO 2 -Киселинен оксид. Бял прах (кварцов пясък)и прозрачни кристали, естествен продукт, оцветен с примеси (Silica)  - под формата на обикновен пясък и камък (Flint).Кристалната решетка е атомна, всеки силиконов атом е заобиколен от четири кислородни атома и всеки кислороден атом е заобиколен от два силициеви атома. Има няколко кристални модификации (всички минерали), най-важните - кварц, тридимичен кристабалит,редки и изкуствено получени - кит, коезит, стишовит, меланофлогит, влакнест силициев диоксидпри бавно охлаждане на стопилката се образува аморфна форма - кварцово стъкло(в природата, минерала leshateleit).Най-химично активната аморфна форма.

На практика не реагира с вода (хидрат SiO 2 nH 2 O преципитира от разтвора), обикновени киселини. Кварцово стъкло корозира в HF (конц.). Реагира с основи в разтвор (форми ортосиликати)и при сливане (продукти - метасиликати).Лесно се хлорира в присъствието на кокс. Възстановен чрез кокс, магнезий, желязо (при доменния процес).

Използва се като индустриална суровина в производството на силициево, обикновени, термо- и химически устойчиви стъкла,

порцеланови, керамични, абразивни и адсорбенти, каучукови пълнители, смазочни материали, лепила и бои, компоненти на строителни свързващи разтвори, под формата на кварцови монокристали са в основата на ултразвуковите генератори и прецизното движение на кварцовите часовници. Сортове кварц ( скален кристал, розов кварц, аметист, опушен кварц, халцедон, оникси  и др.) - скъпоценни, полускъпоценни или декоративни камъни.

Уравненията на най-важните реакции:

Силициев диоксид полихидрат SiO 2 nH 2 O -Силициеви киселини с променливо съдържание на SiO 2 и H 2 O. Бял, аморфен (стъкловидно) полимер с верижна, лентова, листова, мрежеста и рамкова конструкция. При нагряване постепенно се разлага. Много малко разтворим във вода. Над утайката в разтвор има мономерен слаб силициев силицийкиселина Н 4 SiO 4 (тетраедрична структура, sp3 хибридизация), разтворимост 0,00673 g / 100 g Н20 при 20 ° С. При престояване на разтвора се извършва поликондензация и силициеви киселини H 6 Si 2 O 7, H 2 Si 2 O 5, H 10 Si 2 O 9 и след това хидрозол п метасилициевакиселини) и накрая, хидрогел Si02 nH2O (n< 2). При высушивании гидрогель переходит в силикагель SiO 2 nН 2 O (n < 1). Скорость гелеобразования максимальна в слабокислотной среде.

Той се превръща в разтвор чрез действието на концентрирани основи. За останалите химични свойства  подобно на SiO 2. Минерали в природата опали халцедон (ахат, яспис).Не се получава мономерна мета-силициева киселина H2Si03.

Уравненията на най-важните реакции:

приемане: изместване от силна киселина от силикатен разтвор, например:

K 2 SiO 3 + 2NCl + (n - 1) Н 2 О = 2КС1 + Si02 nH2O↓

Натриев метасиликат Na 2 SiO 3 -Oksosol. Бяло, когато се нагрява се стопява без разлагане. Разтваря се в студена вода (силна хидролиза на аниона). Концентриран разтвор - колоиден ("течно стъкло", съдържа SiO2 nH 2 O hydrosol). Разлага се в гореща вода, реагира с киселини, основи, въглероден диоксид.

Използва се като компонент на заряда при производството на стъкло, специални цименти и бетони, е част от силикатни бои и лепило, студени глазури, алумосиликатни катализатори, при производството на хартия и картон, силикагел и синтетични зеолити. Уравненията на най-важните реакции:

приемане: синтез на сода с пясък

Na2Si03 + Si02 = СО2 + Na2Si03(1150 ° C)

Силикати.Силиконът в окислително състояние + IV, в допълнение към SiO2, е много много и често много сложен по състав и структура силикатни йони(така, с изключение на зетасиликатен йонSi02-2- и ортосиликатен йонSiO4 4-известни йони Si2O7 6-, Si3O9 6-, Si2O10 4- и т.н.). За улесняване на записването, всички силикати са изобразени като съдържащи йон SiO 3 2-.

Като силикатно лепило се използва наситен разтвор на силикати от натрий и калий (вискозно "течно стъкло").

Силикати от натрий и калций са част от стъклото; произвежда се чрез стопяване на кварц от силициев диоксид SiO 2, варовик CaCO 3 и сода Na 2 CO 3:

Често съставът на стъклото се изразява като оксиди, например, обикновено стъкло Na 2 O CaO 6SiO 2.

Сред силикатни минерали ние отбелязваме глина (алумосиликати)), много чиста глина - каолинAl 2 O 3 2SiO 2 2Н 2 O се използва за приготвяне на порцелан.

Силикати и алумосиликати се използват в промишлеността за производство на керамика, цимент, бетон и други строителни материали.

Силициев SiCl 4 тетрахлорид.Двоична връзка. Безцветна течност, има широк диапазон на течно състояние. Молекулата има тетраедрична структура (sp 3 хибридизация). Термоустойчива. "Пуши" във влажен въздух. Напълно хидролизира с вода. Разлага се от алкали. Възстановен от водород, натрий, цинк. Хлорирани алуминиеви оксиди.

Използва се при производството на силиций с висока чистота за полупроводникови технологии.

Уравненията на най-важните реакции:

приеманев промишленост- хлориране на силиций или силициев пясък SiO 2.

Кристалният силиций е основната форма, в която силиций се използва при производството на фотоелектрически преобразуватели и твърди електронни устройства, използващи планарната технология. Активно се развива използването на силиций под формата на тънки слоеве (епитаксиални слоеве) на кристална и аморфна структура на различни субстрати.

Силиконът се получава чрез намаляване на неговия оксид с излишък на магнезий при нагряване:

От двете алотропни модификации на силиций, кристален и аморфен, аморфният силиций е по-химически активен. Той реагира с кислород при нагряване, образувайки

както и с всички халогени, например:

При високи температури силиций се комбинира с въглерод, образувайки карборунд - вещество, което е близо до диамант в твърдост:

В реакции с активни метали, възникващи с образуването на силициди, силицийът действа като окислител:

Под действието на солна киселина върху силицидите се получава най-простото водородно съединение силициев силан.

Силициев оксид и силициеви киселини.

Силициевият оксид е твърдо, много огнеупорно вещество (точка на топене, широко разпространено в природата. Намира се под формата на две модификации - кристален и аморфен кварц. Той е анхидрид на редица силициеви киселини, чийто състав може да се изрази с обща формула където x и y са цели числа:

1), т.е. - метасилициева киселина;

2), т.е. - ортокремова киселина;

3), т.е. - диметакрилова киселина.

Силициевите киселини, молекулите на които съдържат повече от една молекула, принадлежат към полисилиция. Най-простата силициева киселина често се нарича силициева киселина.

Всички силициеви киселини са много слаби (по-слаби от въглищата). Солите на всички силициеви киселини се наричат ​​силикати, въпреки че, като правило, в учебната литература, силикатите означават соли на метакристална киселина. Когато стоят във въздуха, разтворите на силикатите стават мътни, тъй като въглеродният диоксид (IV) във въздуха измества силициевата киселина от нейните соли:

Силициевата киселина е практически неразтворима във вода - това свойство се използва като качествена реакция към йона.

Силикати се получават чрез стопяване на силициев диоксид с алкали или карбонати:

Най-широко използваните силикати са натрий и калий. Концентрираните разтвори на тези соли се наричат ​​течно стъкло; те имат силно алкална реакция, дължаща се на хидролиза. Течното стъкло се използва при производството на лепило и водоустойчиви тъкани.

Силикон и неговите съединения. Силикатна промишленост

Силикон - елемент IVА  групикато въглерод. Следователно, на външното енергийно ниво, той има четири електрона. Тези четири електрона той може да даде и прояви редуциращи свойства, докато неговата степен на окисление ще бъде равна на +4 и може да прикрепи четири електрона и да се прояви окислителни свойствадокато степента на окисление ще има -4 .

В природата силиций е вторият химически елемент след кислорода. В природата той намерени само като съединения, Най-често срещаните силициеви съединения са силициев оксид (IV) - SiO 2 - силициев двуокис, В природата тя образува минерал кварц, Неговото разнообразие е скален кристал, аметист, ахат, топаз, опал, яспис, халцедон, карнел, които се използват като декоративни и полускъпоценни камъни.

Естествени силикати - сложни вещества, Техният състав е изобразен като няколко оксида. Силикатите, които включват алуминий, се наричат алумо-силикати, Това е така каолинит, фелдшпат, слюда.

азбест  Също така е силикат и се използва за производството на огнеупорни тъкани.

От сортовете минерали на базата на силициев окис (IV), примитивните хора правят инструменти. Силиконът е започнал каменна ератова е векът на кремъчните инструменти поради неговата наличност и способността да се оформят остри ръбове.

Силициевият оксид (IV) дава сила за засаждане на стебла и защитни покрития за животни.

Благодарение на този окис, тръстиката, тръстиката, стършещите твърди конски листа, отрязани листа от острици, зърнените стъбла не падат от дъжд и вятър, и рибните люспи, черупките от насекоми, крилата на пеперудите, перата на птиците и животинските косми са трайни.

Силиконът е компонент на диатомовите водорасли и радиолариите.

Силиконовата индустрия получава  възстановяване на кокс от силициев оксид (IV) в електрически пещи.

Те я ​​получават в лабораторията  редукция на силициев оксид (IV) с алуминий или магнезий.

Силиконът съществува във формата две алотропни модификацииаморфен и кристален.

Аморфен силиций  Това е кафяв прах.

Кристален силиций  - плътно тъмно сиво с метален блясък. Той е крехък и огнеупорен. Това се дължи на структурата на нейните кристали. Структурата на силиция е подобна на структурата на диаманта, т.е. в този кристал всеки атом е заобиколен от четири други атома и е свързан с тях. ковалентни връзки.

силиций е полупроводник, С повишаване на температурата, нейната електрическа проводимост се увеличава. Например, слънчевите батерии се инсталират на спътници, космически кораби, станции и покриви. Тези батерии превръщат слънчевата енергия в електрическа енергия, благодарение на полупроводникови кристали като силиций.

При стайна температура силицийът е инертен., но при нагряване реагира с метали и неметали.

силиций изгаряния в кислород  с образуването на силициев оксид (IV).

В тази реакция силицийът увеличава своето окислително състояние от 0 до +4, а кислородът намалява от 0 до -2. Следователно, силицийът действа като редуциращ агент, а кислородът - като окислител.

Редукционните свойства на силиция се използват в металургията получаване на някои металиот техните оксиди.

Силиконът реагира с метали при нагряване, докато образуват съединения, които се наричат силициди, Например, магнезиев силицид се образува в реакцията на магнезий със силиций. При тази реакция магнезият увеличава степента на окисление от 0 до +2, а силиций намалява от 0 до -4. Следователно, магнезият е редуциращ агент, а силицийът е окислително средство.

Силицидите лесно се разлагат с вода или киселини.това произвежда газ силан  - водородно съединение на силиций. Така, когато магнезиев силицид взаимодейства със солна киселина, се образуват магнезиев хлорид и силан.

Силанът във въздуха се самозапалва и изгаря с образуването на силициев оксид (IV) и вода.

Силиконът взаимодейства с концентрирани алкални разтвори., Например взаимодействието на силиций с концентриран разтвор на натриев хидроксид произвежда натриев силикат и водород.

Може да се получи силиций  чрез нагряване на силициев диоксид (IV) с магнезий или въглерод.

В реакцията с магнезий магнезият намалява силиция от силициев оксид (IV), а при реакцията на силициев оксид (IV) с въглерод, въглеродът възстановява силиция от неговия оксид.

Силициев оксид (IV), силициев двуокис  - SiO 2 е твърдо, много огнеупорно вещество, неразтворимо във вода. Този оксид има атомна кристална решетка, в които възли има атоми на силиций и кислород.

Силициевият оксид (IV) е киселинен оксидследователно, притежава всички свойства, характерни за тези оксиди. Въпреки това, този оксид не се разтваря във вода, а реагира с алкални разтвори, Така, при реакцията на силициев оксид (IV) с натриев хидроксид се образуват натриев силикат и вода.

Силициев оксид (IV) реагира с основни оксиди при нагряване, Така в реакцията с калциев оксид се образува калциев силикат.

Силициев оксид (IV) взаимодейства при нагряване с карбонатитака в реакцията с натриев карбонат се образуват натриев силикат и въглероден диоксид.

Натриевите и калиевите силикати се наричат ​​разтворими очила. Техните водни разтвори са силикатно лепило.

Силициевият оксид (IV) реагира с флуороводород и флуороводородна киселина, за да образува газообразен силициев флуорид.

Този имот се използва за офорт върху стъклени надписи, чертежи и етикети.

Съставът на силициева киселина може да се изрази като Н2 SiO3. Силициевата киселина е желатиново, водонеразтворимо вещество. Тя се позовава на много слаби киселини  (дори по-слаби от въглищата). При сушене се образува разтвор, съдържащ силициева киселина силикагелкойто се използва като адсорбент.

Силициева киселина - хлабава връзка  и когато се съхранява или нагрява, се разлага на силициев диоксид (IV) и вода.

Качествена реакция към силикатен йон  е реакцията на силикати с разтвори на силни киселини, като образува силициева киселина под формата на желатинова утайка. Например, при реакцията на натриев силикат със солна киселина се образува сол - натриев хлорид и силициева киселина под формата на желатинова утайка.

Да направим експеримент. За да направите това, нека въглероден диоксид през разтвор на натриев силикат. В този случай можем да наблюдаваме образуването на желатинов седимент. Това образува силициева киселина. Така, силициевата киселина е много слаба, дори по-слаба от въглеродната киселина, която може да я измести от соления разтвор.

А сега към този желатинов седимент добавяме концентриран разтвор на алкали и загряваме духов лампа на пламъка. Утайката започва да се разтваря в резултат на образуването на разтворима сол, натриев силикат.

Използва се силиций  за полупроводникови материали и киселинно-устойчиви сплави. Такова силиконово съединение като силициев карбид  - SiC - използва се за смилане на резците на металорежещи машини и смилане на скъпоценни камъни, тъй като по твърдост е по-малък само от диаманта.

Кварцовите химически стъклари се произвеждат от кварц, който издържа на високи температури и резки температурни промени.

Водоразтворими силикати на натрий и калий (" разтворимо стъкло") Използва се като огнеупорен агент за импрегниране на дърво и тъкани. За производството на огнеупорни и изолационни текстили се използват и естествени силикати - азбест.

Чрез силикатната промишленост включва производството:

· Очила;

· Керамични изделия (порцеланови, керамични, фаянсови), тухли, керемиди и покривни материали;

· Цимент.

Силиконовите съединения са основа за производството на стъкло и цимент. Например, обикновеното прозоречно стъкло се произвежда чрез сливане на смес от сода, варовик и пясък. Стъклото има способността да омекотява и в разтопено състояние да има различна форма, така че се използва за производството на ястия.

Някои свойства на стъклото дават добавки. Например, ако замените натриевия оксид с калиев оксид, можете да получите твърдо вещество бохемско стъклочрез прибавяне на оловен (II) оксид кристално стъклочрез добавяне на хромов (III) оксид зелено стъклопри добавяне на кобалтов оксид -   сини добавяне на манганов (II) оксид - виолетов. Добавяне на соли на злато и селен, се рубинено стъклоот които са направени звездите Московски Кремъл.

За подобряване на механичните свойства на стъклото се подлага закалка, Втвърдяването е, че стъклото на специален състав се нагрява до температура около 600 ° С и след това бързо се охлажда. Такова втвърдяване ви позволява да получите бронирано стъкло.

Стъклото е известно на човека от дълго време, преди три или четири хиляди години, производството на стъкло е било Египет, Сирия, Финикия, Черно море.

Стъкло е невероятен материал. Най- Древен Рим  занаятчиите са се научили как да получават цветно стъкло и да правят мозайка от парчетата си. Стъклопис от прозорци на църкви, музеи, различни мозаечни панели.

Приложения за стъкло  обширен: това е прозорец, бутилка, лампа, огледало и оптика.

Основната суровина при производството на керамични продукти е глина, Когато глината се смесва с вода, се образува пастообразна маса, която след изсушаване и изпичане може да поддържа своята форма. Някои керамични корици глазура  - тънък слой стъклоподобен материал. Глазурата прави керамиката водоустойчива, предпазва я от замърсяване, предпазва от действието на киселини и основи, добавя блясък.

Важно е силиконовото съединение цимент, Получава се чрез синтероване на глина и варовик. Ако смесите циментов прах с вода, така наречените " циментова замазка, Която след това постепенно се втвърдява. Ако добавите към циментовия пясък или чакъл, получавате бетон, Силата на бетона може да се увеличи, ако влезете в желязната рамка, тогава се оказва стоманобетонот които са направени стенни панели, блокове от припокривания.

Получават се силиций 1824   година от шведския химик Bertseliusom, Но преди дванадесет години, силицийът придоби Гей Лусак и Тенарно тя беше много замърсена с примеси.

Латинско име силициевият  от латински силекс  - "кремък". Руското название "силикон" идва от гръцкия kremnos  - "Клиф, скала."

По този начин, силиций - елемент IVА група. Характеризира се с окислителни състояния +4 и -4. В реакции с кислород и други неметали, той проявява редуциращи свойства, а при реакции с метали - окислява. В природата силиций се намира под формата на съединения. Най-разпространеното му съединение е силициев оксид (IV) - силициев диоксид, който е киселинен оксид и проявява свойства, характерни за тези оксиди. Водородното съединение на силиция е силан - SiH 4 , който се образува от действието на киселини или вода върху силициди - метални съединения със силиций. Силициевият оксид (IV) съответства на силициева киселина. Тази слаба двуосновна, желатинова, водонеразтворима киселина. Качествена реакция на силикатния йон е действието на силни киселини върху силикатите, тъй като в резултат на тези реакции се образува желатинова утайка - силициева киселина. Силиконовият оксид (IV) и силикатите се използват широко в промишлеността. Силикатна индустрия включва производството на стъкло и цимент, керамични изделия и тухли.