Kemijski silicij. Kemija silicija i njegovih spojeva
- karakteristika silicijskog elementa: elektronička struktura, moguća oksidacijska stanja, glavni spojevi: oksid, hidroksid. Amorfni i kristalni silicij.
silicij- element trećeg razdoblja i IVA-skupina Periodnog sustava, serijski broj je 14. Elektronska formula atoma je 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 = [10 Ne] 3s 2 3p 2. Karakteristični stupanj oksidacije u spojevima + IV.
Skala oksidacije silicija:
Silicijska elektronegativnost nije visoka za nemetale (2.25). Pokazuje svojstva nemetala (kiselina); oblikuje okside, silicijske kiseline, vrlo velik broj soli - silikati u obliku lanaca, vrpci i trodimenzionalne tetraedre mreže, binarni spojevi. Danas je široko razvijena kemija organskih silicijevih spojeva sa Si - C vezama i silikonskim organskim polimerima - silikoni i silikonske gume s vezama Si - Si, Si - O i Si - C.
Najvažniji element nežive prirode, drugikemijskom prevalencijom. Nalazi se samo u povezanom obliku. Vitalni element za mnoge organizme.
Silikonski Si -Jednostavna tvar. Grubo kristalni - tamno sivi, s metalnim sjajem, vrlo tvrd, vrlo lomljiv, neproziran, vatrostalan, uobičajeni poluvodič. Kristalna rešetka je atomska, Si - Si veze su vrlo jake. Amorfni - bijeli ili tan (s nečistoćama, uglavnom Fe), kemijski aktivniji. Stabilan je na zraku (prekriven je jakim oksidnim filmom), ne reagira s vodom. Reagira s HF (konc.), Alkalijama. Oksidira ga kisik, klor. Oporavio se magnezijem. Sinteriran s grafitom. Industrijski važna je legura s željezom - ferrosilicium(12–90% Si). Koristi se kao legirajući dodatak u čeliku i legurama obojenih metala, sastavni dio poluvodičkih materijala za mikroelektroniku, bazu silikona.
Jednadžbe najvažnijih reakcija:
recepcijau industriji: obnova SiCl 4 ili SiO 2 tijekom kalcinacije:
SiCl4 + 2Zn = si+ 2ZnCl2
Si02 + 2Mg = si+ 2MgO
(Posljednja reakcija može se provesti u laboratoriju; amorfni silicij ostaje nakon obrade klorovodičnom kiselinom).
Silikon dioksid SiO2 -Kiseli oksid. Bijeli prah (kvarcni pijesak)i bistri kristali, prirodni proizvod obojen s nečistoćama (Silikagel) - u obliku običnog pijeska i kamena (Flint).Kristalna rešetka je atomska, svaki atom silicija je okružen s četiri atoma kisika, a svaki atom kisika je okružen s dva atoma silicija. Ima nekoliko kristalnih modifikacija (svi minerali), najvažnije - kvarc, tridimiči kristobalit,rijetko i umjetno dobiveno - kitit, coesit, stishovit, melanoflogit, vlaknasti silicij, uz sporo hlađenje taline, formira se amorfni oblik - kvarcno staklo(u prirodi, mineral leshateleit).Naj kemijski aktivniji amorfni oblik.
Praktično ne reagira s vodom (hidrat SiO2 nH2O taloži iz otopine), uobičajenim kiselinama. Kvarcno staklo korodira u HF (konc.). Reagira s alkalijama u otopini (oblici ortosilikati)i kada se stapaju (proizvodi - metasilikati).Lako se klorira u prisutnosti koksa. Obnovljeno koksom, magnezijem, željezom (u procesu visoke peći).
Koristi se kao industrijska sirovina u proizvodnji silikonskih, običnih, termo i kemijski otpornih stakala,
porculan, keramika, abrazivi i adsorbensi, gumena punila, maziva, ljepila i boje, sastavni dijelovi otopina za lijepljenje građevina, u obliku kvarcnih monokristala, temelj su ultrazvučnih generatora i preciznih pomaka kvarcnih satova. Sorte kvarca ( rock kristal, ružičasti kvarc, ametist, dimni kvarc, kalcedon, onyxy itd.) - dragocjeno, poludrago ili ukrasno kamenje.
Jednadžbe najvažnijih reakcija:
Polihidrat silicijevog dioksida SiO2NH2O -Silikatne kiseline s promjenjivim sadržajem SiO2 i H2O. Bijeli, amorfni (staklasto) polimer s lančanom, trakastom, limenom i mrežastom strukturom. Kada se zagrije, postupno se raspada. Vrlo malo topljiv u vodi. Iznad taloga u otopini nalazi se monomerni slab silicij silicijkiselina H4SiO4 (tetraedarska struktura, sp3 hibridizacija), topivost 0,00673 g / 100 g H20 na 20 ° C. Pri stajanju otopine dolazi do polikondenzacije i silicijeve kiseline H6Si2O7, H2Si205, H10Si02O9, te hidrosol n (sol). metasilicici na kraju, hidrogel Si02 nH2O (n< 2). При высушивании гидрогель переходит в силикагель SiO 2 nН 2 O (n < 1). Скорость гелеобразования максимальна в слабокислотной среде.
Pretvara se u otopinu djelovanjem koncentriranih alkalija. Za ostalo kemijska svojstva slično SiO2. Minerali u prirodi opali kalcedon (ahat, jaspis).Monomerna meta-silicijska kiselina H2Si03 nije dobivena.
Jednadžbe najvažnijih reakcija:
recepcija: premještanje jake kiseline iz silikatne otopine, na primjer:
K 2 SiO 3 + 2NCl + (n - 1) N 2 O = 2 KCl + Si02 nH20↓
Natrijev metasilikat Na 2 SiO 3 -Oksosol. Bijela, kada se zagrijava topi bez raspadanja. Otapa se u hladnoj vodi (jaka anionska hidroliza). Koncentrirana otopina - koloidni ("tekuće staklo" sadrži SiO2 nH2O hidrosol). Raspada se u vrućoj vodi, reagira s kiselinama, lužinama, ugljičnim dioksidom.
Koristi se kao sastojak naboja u proizvodnji stakla, posebnih cementa i betona, dio je silikatnih boja i ljepila, hladnih glazura, aluminosilikatnih katalizatora, u proizvodnji papira i kartona, silikagela i sintetičkih zeolita. Jednadžbe najvažnijih reakcija:
recepcija: fuzija sode s pijeskom
Na2Si03 + Si02 = C02 + Na2Si03(1150 ° C)
Silikata.Silicij u oksidacijskom stanju + IV je, pored SiO2, u vrlo brojnim i često vrlo složenim sastavima i strukturi silikatni ioni(Dakle, osim zetasilikatni ionSi02- i 2- ortosilikatni ionSi02 4-poznati ioni Si2O7 6-, Si3O9 6-, Si2O10 4-, itd.). Radi lakšeg snimanja, svi silikati su prikazani kao oni koji sadrže ion SiO3 2-.
Kao silikatno ljepilo koristi se zasićena otopina natrijevog i kalijevog silikata (viskozno "tekuće staklo").
Silikati natrija i kalcija dio su stakla; dobiva se fuzioniranjem kvarca silicijevog dioksida SiO2, vapnenca CaCO 3 i soda Na 2 CO 3:
Često se sastav stakla izražava oksidima, na primjer običnim staklenim Na2O CaO6SiO2.
Među silikatnim mineralima bilježimo glina (aluminosilikati), vrlo čista glina - kaolinaAl 2 O 3 2SiO 2 2N 2 O koristi se za izradu porculana.
Silikati i aluminosilikati koriste se u industriji za proizvodnju keramike, cementa, betona i drugih građevinskih materijala.
Silicij SiCl4.Binarna veza. Bezbojna tekućina ima širok raspon tekućeg stanja. Molekula ima tetraedarnu strukturu (sp3 hibridizacija). Toplinski otporan. "Puši" u vlažnom zraku. Potpuno hidrolizira vodom. Razgrađuje se alkalijama. Obnovljeno vodikom, natrijem, cinkom. Klorinira glinica.
Koristi se u proizvodnji silicija visoke čistoće za poluvodičku tehnologiju.
Jednadžbe najvažnijih reakcija:
recepcijau industrija- kloriranje silicija ili kvarcnog pijeska SiO2.
Kristalni silicij je glavni oblik u kojem se silicij koristi u proizvodnji fotoelektričnih pretvarača i poluvodičkih elektroničkih uređaja koji koriste planarnu tehnologiju. Aktivno se razvija uporaba silicija u obliku tankih filmova (epitaksijalnih slojeva) kristalne i amorfne strukture na različitim supstratima.
Silicij se dobiva redukcijom njegovog oksida s viškom magnezija kada se zagrijava:
Od dvije alotropne modifikacije silicija, kristalnog i amorfnog, amorfni silicij je kemijski aktivniji. On reagira s kisikom kada se zagrijava, formirajući
kao i sa svim halogenima, na primjer:
Na visokoj temperaturi silikon se kombinira s ugljikom, tvoreći karborund - tvar koja je blizu tvrdoći prema dijamantu:
U reakcijama s aktivnim metalima koji se javljaju pri stvaranju silicida, silicij djeluje kao oksidacijsko sredstvo:
Pod djelovanjem klorovodične kiseline na silicide dobiva se najjednostavniji vodikov spoj silicij silan.
Silicijev oksid i silicijske kiseline.
Silicij oksid je čvrsta, vrlo vatrostalna tvar (točka taljenja, široko rasprostranjena u prirodi. Nalazi se u obliku dvije modifikacije - kristalnog i amorfnog silicija. To je anhidrid velikog broja silicijevih kiselina čiji se sastav može izraziti općom formulom gdje su x i y cijeli brojevi:
1), tj. metasilikatnu kiselinu;
2), tj. ortokremijska kiselina;
3), tj. - dimetakritična kiselina.
Silikatne kiseline, čije molekule sadrže više od jedne molekule, pripadaju polisilikonu. Najjednostavnija silikatna kiselina često se naziva jednostavno silicijska kiselina.
Sve silicijske kiseline su vrlo slabe (slabije od ugljena). Soli svih silicijevih kiselina nazivaju se silikati, iako silikati u pravilu podrazumijevaju soli metacilikinske kiseline. Kada stoje na zraku, otopine silikata postaju mutne, jer ugljični dioksid (IV) u zraku istiskuje silicijsku kiselinu iz njenih soli:
Silikatna kiselina je praktički netopljiva u vodi - ovo svojstvo se koristi kao kvalitativna reakcija na ion.
Silikati se dobivaju taljenjem silicijevog dioksida s alkalijama ili karbonatima:
Najčešće korišteni silikati su natrij i kalij. Koncentrirane otopine ovih soli nazivaju se tekuće staklo; zbog hidrolize imaju jako alkalnu reakciju. Tekuće staklo se koristi u proizvodnji ljepila i vodootpornih tkanina.
Silicij i njegovi spojevi. Silikatna industrija
Silicij - element IV grupekao ugljik. Stoga, na vanjskoj razini energije, on ima četiri elektrona. Ta četiri elektrona može dati i očitovati reducirajuća svojstva, dok će njegov stupanj oksidacije biti jednak +4 i može vezati četiri elektrona i manifestirati oksidacijska svojstvadok će stupanj oksidacije imati -4 .
U prirodi silicij je drugi kemijski element nakon kisika. U prirodi on nalazimo samo kao spojeve, Najčešći silicijevi spojevi su silicijev oksid (IV) - SiO2 - silika, U prirodi tvori mineral kvarc, Njegova je raznolikost kameni kristal, ametist, ahat, topaz, opal, jaspis, kalcedon, karnelin, koji se koriste kao ukrasno i poludrago kamenje.
Prirodni silikati - složene tvari, Njihov sastav je prikazan kao nekoliko oksida. Silikati, koji uključuju aluminij, nazivaju se aluminijevog silikata, Tako je kaolinit, feldspat, tinjac.
azbest Također je silikat i koristi se za proizvodnju vatrostalnih tkanina.
Od sorti minerala na bazi silicijevog oksida (IV) primitivni ljudi su napravili alate. Silicij je počeo kameno dobaTo je stoljeće kremenih alata zbog njegove dostupnosti i mogućnosti oblikovanja oštrih reznih rubova.
Silicij oksid (IV) daje snagu za biljke stabla i zaštitne pokrivače životinja.
Zahvaljujući ovom oksidu čvrsto stoje trska, trska, preslice, a rezovi šaša, stabljike žitarica ne padaju od kiše i vjetra, a riblje ljuske, školjke insekata, krila leptira, perje ptica i životinjska dlaka su jake.
Silicij je sastavni dio diatoloških algi i radiolarija.
Silicijska industrija prima obnavljanje koksa silicij oksida (IV) u električnim pećima.
Dobili su ga u laboratoriju redukcija silicijevog oksida (IV) s aluminijem ili magnezijem.
Silikoni postoje u obliku dvije alotropne modifikacijeamorfni i kristalni.
Amorfni silicij je smeđi prah.
Kristalni silicij - čvrsto tamno sivo s metalnim sjajem. Krhak je i otporan. To je zbog strukture njegovih kristala. Struktura silicija slična je strukturi dijamanta, tj. U tom kristalu svaki atom je okružen s četiri druga atoma i povezan je s njima. kovalentne veze.
silicij je poluvodič, S povećanjem temperature povećava se njegova električna vodljivost. Na primjer, solarne baterije su instalirane na satelitima, svemirskim letjelicama, stanicama i krovovima. Ove baterije pretvaraju solarnu energiju u električnu energiju, zahvaljujući poluvodičkim kristalima kao što je silicij.
Na sobnoj temperaturi silicij je inertan., ali kad se zagrije reagira s metalima i ne-metalima.
silicij gori u kisiku s formiranjem silicijevog oksida (IV).
U ovoj reakciji silicij povećava svoje oksidacijsko stanje od 0 do +4, a kisik se smanjuje od 0 do -2. Stoga silicij djeluje kao reducirajući agens, a kisik - kao oksidacijsko sredstvo.
Svojstva redukcije silicija koriste se u metalurgiji dobiti neke metaleiz njihovih oksida.
Silicij reagira s metalima pri zagrijavanjus formiranjem spojeva koji se nazivaju silicides, Na primjer, magnezijev silikid nastaje u reakciji magnezija s silicijumom. U ovoj reakciji magnezij povećava svoje oksidacijsko stanje od 0 do +2, a silicij se smanjuje od 0 do -4. Stoga je magnezij reducirajući agens, a silicij oksidirajući agens.
Silikidi se lako razgrađuju s vodom ili kiselinama.to proizvodi plin silan vodikov spoj silicija. Dakle, kada magnezij silikid reagira s klorovodičnom kiselinom, nastaju magnezijev klorid i silan.
Silan u zraku samozapaljen i gori uz stvaranje silicijevog oksida (IV) i vode.
Silicij djeluje s koncentriranim alkalnim otopinama., Na primjer, interakcija silicija s koncentriranom otopinom natrijevog hidroksida proizvodi natrijev silikat i vodik.
Može se dobiti silicij zagrijavanje silike (IV) s magnezijem ili ugljikom.
U reakciji s magnezijem magnezij reducira silicij iz silicijevog oksida (IV), a reakcijom silicijevog oksida (IV) s ugljikom ugljik obnavlja silicij iz njegovog oksida.
Silicij oksid (IV), silika SiO2 je kruta, vrlo vatrostalna tvar, netopiva u vodi. Ovaj oksid ima atomska kristalna rešetka, u kojima su čvorovi atomi silicija i kisika.
Silicij oksid (IV) je kiseli oksidprema tome, pokazuje sva svojstva karakteristična za ove okside. Međutim, ovaj oksid ne otapa se u vodi, ali reagira s alkalnim otopinama, Tako se u reakciji silicijevog oksida (IV) s natrijevim hidroksidom stvaraju natrijev silikat i voda.
Silicij oksid (IV) reagira s bazičnim oksidima kada se zagrijava, Tako se u reakciji s kalcijevim oksidom stvara kalcijev silikat.
Silicij oksid (IV) međudjeluje kada se zagrijava s karbonatimaU reakciji s natrijevim karbonatom nastaju natrijev silikat i ugljični dioksid.
Natrijevi i kalijev silikati nazivaju se topljivim staklom. Njihove vodene otopine su silikatno ljepilo.
Silicijev oksid (IV) reagira s vodikovim fluoridom i fluorovodičnom kiselinom kako bi nastao plinoviti silicijev fluorid.
Ova nekretnina koristi se za bakropis na staklenim natpisima, crtežima i naljepnicama.
Sastav silicijeve kiseline može se izraziti kao H2Si03. Silikatna kiselina je želatinozna, netopljiva u vodi. Ona se odnosi na vrlo slabe kiseline (čak i slabiji od ugljena). Nakon sušenja nastaje otopina koja sadrži silikatnu kiselinu silikagelkoji se koristi kao adsorbent.
Silikatna kiselina - labava veza i kada se skladišti ili zagrijava, razgrađuje se na silicij (IV) i vodu.
Kvalitativna reakcija na silikatni ion je reakcija silikata s otopinama jakih kiselina, što tvori silicilnu kiselinu u obliku želatinoznog taloga. Na primjer, u reakciji natrijevog silikata s klorovodičnom kiselinom nastaje sol - natrijev klorid i silikatna kiselina u obliku želatinoznog taloga.
Napravimo eksperiment. Da biste to učinili, preskočite ugljični dioksid kroz otopinu natrijevog silikata. U ovom slučaju možemo uočiti stvaranje želatinoznog sedimenta. To je formiralo silicijsku kiselinu. Stoga je silikatna kiselina vrlo slaba, čak i slabija od ugljične kiseline, koja ga može istisnuti iz otopine soli.
A sada ovoj želatinoznoj sedimentu dodamo koncentriranu otopinu lužine i zagrijavamo svjetiljku na plamenu. Precipitat počinje otapati zbog stvaranja topljive soli, natrijevog silikata.
Koristi se silicij za poluvodičke materijale i legure otporne na kiseline. Takav spoj od silicija kao silicij karbid - SiC - koristi se za brušenje sjekutića alata za rezanje metala i poliranje dragog kamenja, jer je u tvrdoći slabiji samo od dijamanta.
Kvarcni kemijski stakleni proizvodi proizvedeni su od kvarca, koji izdrži visoke temperature i nagle promjene temperature.
Silikati natrija i kalija topivi u vodi (" topljivo staklo") Koristi se kao vatrostalno sredstvo za impregniranje drva i tkanina. Za proizvodnju vatrootpornih i izolacijskih tekstila koriste se i prirodni silikati - azbest.
Silikatna industrija uključuje proizvodnju:
· Staklo;
· Keramički proizvodi (porculan, keramika), opeka, crijep i krovni materijali;
· Cement.
Silikonski spojevi osnova su za proizvodnju stakla i cementa. Na primjer, obično staklo od prozora proizvodi se spajanjem smjese sode, vapnenca i pijeska. Staklo ima sposobnost omekšavanja, au rastaljenom stanju ima drugačiji oblik, pa se koristi za proizvodnju posuđa.
Određena svojstva stakla daju aditive. Na primjer, ako zamijenite natrijev oksid kalijevim oksidom, možete dobiti krutinu bohemsko staklododatkom olova (II) oksida kristalno staklododavanjem krom (III) oksida zeleno staklo, dodavanjem kobaltnog oksida - plava, te dodavanjem mangan (II) oksida - ljubičasto. Dodavanje soli zlata i selena rubin staklood kojih su napravljene zvijezde Moskovski Kremlj.
Za poboljšanje mehaničkih svojstava stakla podvrgnut je kaljenje, Gašenje je da se staklo posebnog sastava zagrije na temperaturu od oko 600 ° C, a zatim se brzo ohladi. Takvo stvrdnjavanje omogućuje vam da dobijete neprobojno staklo.
Staklo je čovjeku poznato već dugo, prije tri ili četiri tisuće godina, proizvodnja stakla Egipat, Sirija, Fenicija, Crno more.
Staklo je nevjerojatan materijal. Drevni Rim majstori su naučili kako dobiti obojena stakla i napraviti mozaik od svojih komada. Vitražni prozori crkava, muzeja, raznih mozaičkih ploča izrađeni su od stakla.
Primjena stakla opsežna: to je prozor, boca, lampa, ogledalo i optički.
Glavna sirovina u proizvodnji keramičkih proizvoda je glina, Kada se glina pomiješa s vodom, formira se pastozna masa, koja nakon sušenja i pečenja može zadržati svoj oblik. Neke posude za keramiku glazura - tanki sloj staklastog materijala. Glaze čini keramiku vodootpornom, štiti je od kontaminacije, štiti od djelovanja kiselina i lužina, dodaje sjaj.
Važan spoj silicija je cement, Dobiva se sinteriranjem gline i vapnenca. Ako pomiješamo cementni prah s vodom, tzv. cementni mort, Koji se tada postupno stvrdnjava. Ako dodate cementnom pijesku ili šljunku, dobivate beton, Čvrstoća betona može se povećati ako uđete u željezni okvir, a onda se ispostavi armirani betonod kojih su zidni paneli, blokovi preklapanja izrađeni.
Silicij je dobiven u 1824 švedskog kemičara Bertseliusom, Ali prije dvanaest godina, silicij je dobio Gay Lussac i Tenar, ali je bila vrlo zagađena nečistoćama.
Latinski naziv silicij s latinskog silex - "kremena". Ruski naziv "silicij" dolazi od grčkog kremnos - "Stijena, stijena."
Dakle, silicij - element IV. \\ t skupina. Odlikuje se oksidacijskim stanjima +4 i -4. U reakcijama s kisikom i drugim nemetalima pokazuje smanjena svojstva, au reakcijama s metalima - oksidirajući. U prirodi se silicij nalazi u obliku spojeva. Njegov najčešći spoj je silicijev oksid (IV) - silicijev dioksid, koji je kiseli oksid i pokazuje svojstva karakteristična za te okside. Silicijev vodikov spoj je silan - SiH 4 koji nastaje djelovanjem kiselina ili vode na silicide - spojeve metala sa silicijumom. Silicijev oksid (IV) odgovara silicinskoj kiselini. Ova slaba dvobazna, želatinozna kiselina, netopljiva u vodi. Kvalitativna reakcija na silikatni ion je djelovanje jakih kiselina na silikate, jer se kao posljedica tih reakcija stvara želatinozni talog - silicijeva kiselina. Silicij oksid (IV) i silikati su naširoko koristi u industriji. Silikatna industrija uključuje proizvodnju stakla i cementa, keramičkih proizvoda i opeke.