Opis krzemu. Krzem i jego związki. Przemysł krzemianowy

Krzem i jego związki. Przemysł krzemianowy

Krzem - Element IVA   grupyjak węgiel. Dlatego na zewnętrznym poziomie energii ma cztery elektrony. Te cztery elektrony może dawać i manifestować redukcja właściwości, podczas gdy stopień utlenienia będzie równy +4 i może dołączyć cztery elektrony i zamanifestować się właściwości utleniającepodczas gdy stopień utlenienia będzie miał -4 .

W naturze   krzem jest drugim pierwiastkiem chemicznym po tlenie. W naturze on znaleziono tylko jako związki. Najczęstszymi związkami krzemu są tlenek krzemu (IV) - SiO 2 - krzemionka. W naturze tworzy minerał kwarc. Jego odmianą jest kryształ górski, ametyst, agat, topaz, opal, jaspis, chalcedon, karneol, które są używane jako kamienie ozdobne i półszlachetne.

Naturalne krzemiany - substancje złożone. Ich skład jest przedstawiony jako kilka tlenków. Krzemiany, w tym aluminium, są nazywane glinokrzemiany. To jest kaolinit, skalenie, mika.

Azbest   Jest również krzemianem i jest stosowany do produkcji materiałów ogniotrwałych.

Z odmian minerałów opartych na tlenku krzemu (IV) ludzie prymitywni tworzyli narzędzia. Rozpoczął się krzem epoka kamieniato znaczy wiek narzędzi krzemiennych ze względu na jego dostępność i zdolność do formowania ostrych krawędzi tnących.

Tlenek krzemu (IV) nadaje siłę łodygom roślin i osłonom dla zwierząt.

Dzięki temu tlenkowi, trzcinom, trzcinom, skrzypom stoją mocno, a liście turzycy ścięte, łodygi zbóż nie spadają z deszczu i wiatru, a łuski ryb, muszle owadów, skrzydła motyla, pióra ptaków i sierść zwierząt są silne.

Krzem jest składnikiem okrzemek alg i radiolarian.

Otrzymuje przemysł krzemowy   odzysk koksu z tlenku krzemu (IV) w piecach elektrycznych.

Dostają to w laboratorium   redukcja tlenku krzemu (IV) za pomocą aluminium lub magnezu.

Krzem istnieje w formie dwie modyfikacje allotropowe: bezpostaciowy i krystaliczny.

Amorficzny krzem   jest brązowym proszkiem.

Kryształowy Krzem - lity ciemnoszary z metalicznym połyskiem. Jest kruchy i ogniotrwały. Wynika to ze struktury jego kryształów. Struktura krzemu jest podobna do struktury diamentu, to znaczy w tym krysztale każdy atom jest otoczony czterema innymi atomami i jest z nimi powiązany. wiązania kowalencyjne.

Krzem jest półprzewodnikiem. Wraz ze wzrostem temperatury zwiększa się jego przewodność elektryczna. Na przykład baterie słoneczne są instalowane na satelitach, statkach kosmicznych, stacjach i dachach. Te baterie przekształcają energię słoneczną w energię elektryczną dzięki kryształom półprzewodnikowym, takim jak krzem.

W temperaturze pokojowej krzem jest obojętny., ale po podgrzaniu reaguje z metalami i niemetalami.

Krzem pali się tlenem   z tworzeniem się tlenku krzemu (IV).

W tej reakcji krzem zwiększa swój stopień utlenienia z 0 do +4, a tlen zmniejsza się z 0 do -2. Dlatego krzem działa jako środek redukujący, a tlen - jako środek utleniający.

Redukcyjne właściwości krzemu są stosowane w metalurgii do uzyskać niektóre metalez ich tlenków.

Krzem reaguje z metalami po podgrzaniu, z tworzeniem związków, które są nazywane krzemki. Na przykład krzemek magnezu powstaje w reakcji magnezu z krzemem. W tej reakcji magnez zwiększa swój stopień utlenienia z 0 do +2, a krzem obniża się z 0 do -4. Dlatego magnez jest środkiem redukującym, a krzem jest środkiem utleniającym.

Krzemki łatwo rozkładają się z wodą lub kwasami.wytwarza to gaz silan   - związek wodorowy krzemu. Tak więc, gdy krzemek magnezu wchodzi w interakcję z kwasem chlorowodorowym, tworzy się chlorek magnezu i gaz silanowy.

Silan w powietrzu samozapala się i spala się z utworzeniem tlenku krzemu (IV) i wody.

Krzem oddziałuje ze stężonymi roztworami alkalicznymi.. Na przykład oddziaływanie krzemu ze stężonym roztworem wodorotlenku sodu daje krzemian sodu i wodór.

Krzem można uzyskać   ogrzewanie krzemionki (IV) z magnezem lub węglem.

W reakcji z magnezem magnez redukuje krzem z tlenku krzemu (IV), aw reakcji tlenku krzemu (IV) z węglem węgiel przywraca krzem z tlenku.

Tlenek krzemu (IV), krzemionka   - SiO 2 jest stałą, bardzo ogniotrwałą substancją, nierozpuszczalną w wodzie. Ten tlenek ma atomowa sieć krystaliczna, w którym węzły zawierają atomy krzemu i tlenu.

Tlenek krzemu (IV) jest tlenek kwasowydlatego wykazuje wszystkie właściwości charakterystyczne dla tych tlenków. Jednak ten tlenek nie rozpuszcza się w wodzie, ale reaguje z roztworami alkalicznymi. Zatem krzemian sodu i woda powstają w reakcji tlenku krzemu (IV) z wodorotlenkiem sodu.

Tlenek krzemu (IV) reaguje z tlenkami zasadowymi po podgrzaniu. Zatem w reakcji z tlenkiem wapnia powstaje krzemian wapnia.

Tlenek krzemu (IV) oddziałuje podczas ogrzewania węglanami, więc w reakcji z węglanem sodu tworzy się krzemian sodu i dwutlenek węgla.

Krzemiany sodu i potasu nazywane są szkłem rozpuszczalnym. Ich roztwory wodne są klej krzemianowy.

Tlenek krzemu (IV) reaguje z fluorowodorem i kwasem fluorowodorowym, tworząc gazowy fluorek krzemu.

Ta właściwość jest używana do trawienia napisów szklanych, rysunków i etykiet.

Skład kwasu krzemowego   może być wyrażona jako H 2 SiO 3. Kwas krzemowy jest galaretowatą substancją nierozpuszczalną w wodzie. Ona odnosi się do bardzo słabe kwasy   (nawet słabszy niż węgiel). Po wysuszeniu powstaje roztwór zawierający kwas krzemowy żel krzemionkowy, który jest używany jako adsorbent.

Kwas krzemowy - luźne połączenie   a gdy jest przechowywany lub ogrzewany, rozkłada się na krzemionkę (IV) i wodę.

Reakcja jakościowa na jon krzemianowy   jest reakcją krzemianów z roztworami mocnych kwasów, które tworzą kwas krzemowy w postaci galaretowatego osadu. Na przykład w reakcji krzemianu sodu z kwasem chlorowodorowym tworzy się sól - chlorek sodu i kwas krzemowy w postaci galaretowatego osadu.

Zróbmy eksperyment. W tym celu pomiń dwutlenek węgla przez roztwór krzemianu sodu. W tym przypadku możemy zaobserwować tworzenie się galaretowatego osadu. Powstał kwas krzemowy. Tak więc kwas krzemowy jest bardzo słaby, nawet słabszy niż kwas węglowy, który może wypierać go z roztworu soli.

A teraz do tego galaretowatego osadu dodajemy stężony roztwór alkaliów i podgrzewamy lampę spirytusową na płomieniu. Osad zaczyna się rozpuszczać z powodu tworzenia rozpuszczalnej soli, krzemianu sodu.

Krzem jest używany   do materiałów półprzewodnikowych i stopów kwasoodpornych. Taki związek krzemu jak węglik krzemu   - SiC - służy do mielenia siekaczy obrabiarek do metalu i polerowania kamieni szlachetnych, ponieważ w twardości jest gorszy tylko od diamentu.

Kwarcowe szkło chemiczne produkowane jest z kwarcu, który wytrzymuje wysokie temperatury i nagłe zmiany temperatury.

Rozpuszczalne w wodzie krzemiany sodu i potasu („ rozpuszczalne szkło„) Używany jako środek ogniotrwały do ​​impregnacji drewna i tkanin. Do produkcji tekstyliów ognioodpornych i izolacyjnych stosuje się również naturalne krzemiany - azbest.

W przemyśle krzemianowym obejmuje produkcję:

· Szkło;

· Wyroby ceramiczne (porcelana, fajans ceramiczny), cegły, płytki i materiały dachowe;

· Cement.

Związki krzemu są podstawą do produkcji szkła i cementu. Na przykład zwykłe szkło okienne wytwarza się przez stopienie mieszaniny sody, wapienia i piasku. Szkło ma zdolność zmiękczania i w stanie stopionym przyjmowania innego kształtu, dlatego jest używane do produkcji naczyń.

Pewne właściwości szkła dają dodatki. Na przykład, jeśli zastąpisz tlenek sodu tlenkiem potasu, możesz uzyskać ciało stałe czeskie szkłoprzez dodanie tlenku ołowiu (II) szkło kryształoweprzez dodanie tlenku chromu (III) można uzyskać zielone szkłopodczas dodawania tlenku kobaltu -   niebieskii dodanie tlenku manganu (II) - fioletowego. Dodawanie soli złota i selenu, uzyskaj rubinowe szkłoz których powstają gwiazdy Kreml moskiewski.

Poddaje się poprawie właściwości mechanicznych szkła gaszenie. Hartowanie polega na tym, że szkło o specjalnym składzie jest podgrzewane do temperatury około 600 ° C, a następnie szybko chłodzone. Takie hartowanie pozwala uzyskać kuloodporne szkło.

Szkło było znane człowiekowi od dawna, trzy lub cztery tysiące lat temu, produkcja szkła była Egipt, Syria, Fenicja, Morze Czarne.

Szkło to niesamowity materiał. W Starożytny rzym   mistrzowie nauczyli się, jak zdobyć kolorowe szkło i zrobić mozaikę ze swoich elementów. Witraże kościołów, muzeów, różne mozaikowe panele są wykonane ze szkła.

Zastosowania szklane   obszerny: to okno, butelka, lampa, lustro i optyka.

Głównym surowcem do produkcji wyrobów ceramicznych jest glina. Gdy glinę miesza się z wodą, tworzy się pastowata masa, która po wysuszeniu i wypaleniu jest w stanie utrzymać swój kształt. Niektóre okładki ceramiki oblodzenie   - cienka warstwa materiału szklistego. Glazura sprawia, że ​​ceramika jest wodoodporna, chroni ją przed zanieczyszczeniami, chroni przed działaniem kwasów i zasad, dodaje połysku.

Ważny jest związek krzemu cement. Otrzymywany jest przez spiekanie gliny i wapienia. Jeśli mieszasz proszek cementowy z wodą, tzw. zaprawa cementowa, Który następnie stopniowo twardnieje. Jeśli dodasz do cementowego piasku lub żwiru, dostaniesz beton. Siła betonu może zostać zwiększona, jeśli wejdziesz w żelazną ramę, a potem się okaże żelbetowyz których panele ścienne, bloki nakładania się są wykonane.

Krzem otrzymano w 1824   rok przez szwedzkiego chemika Bercalius. Ale dwanaście lat przedtem dostał się krzem Gay Lussac i Tenar, ale był bardzo zanieczyszczony zanieczyszczeniami.

Nazwa łacińska krzem   z łacińskiego silex   - „krzemień”. Rosyjska nazwa „krzem” pochodzi od greki kremnos   - „urwisko, skała”.

Tak więc krzem - element IVA   grupy. Charakteryzuje się stopniami utlenienia +4 i -4. W reakcjach z tlenem i innymi niemetalami wykazuje właściwości redukujące, aw reakcjach z metalami - utleniające. W naturze krzem występuje w postaci związków. Jego najczęstszym związkiem jest tlenek krzemu (IV) - krzemionka, która jest tlenkiem kwasu i wykazuje właściwości charakterystyczne dla tych tlenków. Związek wodorowy krzemu to silan - SiH 4 , który powstaje w wyniku działania kwasów lub wody na krzemki - związki metali z krzemem. Tlenek krzemu (IV) odpowiada kwasowi krzemowemu. Ten słaby dwuzasadowy, galaretowaty, nierozpuszczalny w wodzie kwas. Jakościową reakcją na jon krzemianowy jest działanie silnych kwasów na krzemiany, ponieważ w wyniku tych reakcji powstaje galaretowaty osad - kwas krzemowy. Tlenek krzemu (IV) i krzemiany są szeroko stosowane w przemyśle. Przemysł krzemianowy obejmuje produkcję szkła i cementu, wyrobów ceramicznych i cegieł.

Krzem otrzymuje się przez redukcję jego tlenku z nadmiarem magnezu po podgrzaniu:

Spośród dwóch alotropowych modyfikacji krzemu, krystaliczny i amorficzny, amorficzny krzem jest bardziej aktywny chemicznie. Reaguje z tlenem po podgrzaniu, formowaniu

a także ze wszystkimi halogenami, na przykład:

W wysokiej temperaturze krzem łączy się z węglem, tworząc karborund - substancję o twardości zbliżonej do diamentu:

W reakcjach z metalami aktywnymi występującymi z tworzeniem krzemków krzem działa jako środek utleniający:

Pod działaniem kwasu chlorowodorowego na krzemki otrzymuje się najprostszy związek wodorosilanu krzemu.

Tlenek krzemu i kwasy krzemowe.

Tlenek krzemu jest substancją stałą, bardzo ogniotrwałą (temperatura topnienia, szeroko rozpowszechniona w naturze. Występuje w postaci dwóch modyfikacji - krystalicznej i amorficznej krzemionki. Jest to bezwodnik wielu kwasów krzemowych, których skład można wyrazić wzorem ogólnym, w którym x i y są liczbami całkowitymi:

1), tj. - kwas metakrzemowy;

2), tj. - kwas ortokremaowy;

3), tj. - kwas dimetakrytowy.

Kwasy krzemowe, których cząsteczki zawierają więcej niż jedną cząsteczkę, należą do polikrzemu. Najprostszy kwas krzemowy jest często nazywany po prostu kwasem krzemowym.

Wszystkie kwasy krzemowe są bardzo słabe (słabsze niż węgiel). Sole wszystkich kwasów krzemowych nazywane są krzemianami, chociaż z reguły w literaturze naukowej krzemiany oznaczają sole kwasu metakrzemowego. Stojąc w powietrzu, roztwory krzemianów stają się mętne, ponieważ dwutlenek węgla (IV) w powietrzu wypiera kwas krzemowy z jego soli:

Kwas krzemowy jest praktycznie nierozpuszczalny w wodzie - ta właściwość jest stosowana jako reakcja jakościowa na jon.

Krzemiany otrzymuje się przez stopienie krzemionki z alkaliami lub węglanami:

Najszerzej stosowanymi krzemianami są sód i potas. Skoncentrowane roztwory tych soli nazywane są ciekłym szkłem; mają silnie alkaliczną reakcję z powodu hydrolizy. Płynne szkło stosuje się do produkcji tkanin klejowych i wodoodpornych.

- charakterystyka elementu silikonowego: struktura elektroniczna, możliwe stany utleniania, związki zasadowe: tlenek, wodorotlenek. Amorficzny i krystaliczny krzem.

Krzem- element trzeciego okresu i grupy IVA układu okresowego, numer seryjny to 14. Elektroniczna formuła atomu wynosi 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 = [10 Ne] 3s 2 3p 2. Charakterystyczny stopień utlenienia związków + IV.

Skala utleniania krzemu:

Elektroujemność krzemu nie jest wysoka dla niemetali (2.25). Pokazuje właściwości niemetalowe (kwasowe); tworzy tlenki, kwasy krzemowe, bardzo dużą liczbę soli - krzemiany w postaci łańcuchów, wstęg i trójwymiarowych sieci czworościanów, związki binarne. Chemia jest obecnie szeroko rozwijana. związki organiczne   krzem z wiązaniami Si-C i polimerami silikonowymi - silikony i kauczuki silikonowe z wiązaniami Si-Si, Si-O i Si-C.

Najważniejszy element przyrody nieożywionej, drugiwedług rozpowszechnienia chemicznego. Znajduje się tylko w powiązanej formie. Istotny element dla wielu organizmów.

Silicon Si -Prosta substancja. Grubokrystaliczny - ciemnoszary, z metalicznym połyskiem, bardzo twardy, bardzo delikatny, nieprzezroczysty, ogniotrwały, wspólny półprzewodnik. Sieć krystaliczna jest atomowa, wiązania Si-Si są bardzo silne. Amorficzny - biały lub podpalany (z zanieczyszczeniami, głównie Fe), bardziej aktywny chemicznie. Jest stabilny na powietrzu (jest pokryty silną warstwą tlenku), nie reaguje z wodą. Reaguje z HF (conc.), Alkalis. Jest utleniany przez tlen, chlor. Odzyskany przez magnez. Spiekane z grafitem. Przemysłowo ważny jest stop z żelazem - żelazokrzem(12–90% Si). Jest on stosowany jako dodatek stopowy w stali i stopach metali nieżelaznych, składnik materiałów półprzewodnikowych dla mikroelektroniki, baza silikonów.

Równania najważniejszych reakcji:

Pierwszew przemyśle: przywrócenie SiCl 4 lub SiO 2 podczas kalcynacji:

SiCl 4 + 2Zn = Si+ 2ZnCl2

SiO2 + 2Mg = Si+ 2MOg

(Ostatnia reakcja może być przeprowadzona w laboratorium; amorficzny krzem pozostaje po obróbce kwasem solnym).

Dwutlenek krzem SiO 2 – Tlenek kwasu. Biały proszek (piasek kwarcowy)i przezroczyste kryształy, naturalny produkt zabarwiony zanieczyszczeniami (krzemionka)   - w postaci zwykłego piasku i kamienia (krzemień).Sieć krystaliczna jest atomowa, każdy atom krzemu jest otoczony przez cztery atomy tlenu, a każdy atom tlenu jest otoczony przez dwa atomy krzemu. Ma kilka modyfikacji kryształów (wszystkie minerały), najważniejsze - kwarc, tridimichi cristobalite,rzadkie i sztucznie uzyskane - kitit, coesit, stishovit, melanophlogite, krzemionka włóknista, przy powolnym chłodzeniu stopu tworzy się postać amorficzna - szkło kwarcowe(w naturze minerał lechateleit).Najbardziej chemicznie aktywna postać amorficzna.

Praktycznie nie reaguje z wodą (hydrat SiO 2 nH 2 O wytrąca się z roztworu), zwykłe kwasy. Szkło kwarcowe koroduje w HF (stęż.). Reaguje z alkaliami w roztworze (formy ortokrzemiany)i podczas łączenia (produkty - metakrzemiany).Jest łatwo chlorowany w obecności koksu. Odzyskany przez koks, magnez, żelazo (w procesie wielkopiecowym).

Jest stosowany jako surowiec przemysłowy w produkcji szkła silikonowego, zwykłego, termo i chemicznie odpornego,

porcelana, ceramika, materiały ścierne i adsorbenty, wypełniacz kauczukowy, smary, kleje i farby, składniki roztworów wiążących do budownictwa, w postaci pojedynczych kryształów kwarcu stanowią podstawę generatorów ultradźwiękowych i precyzyjnych ruchów zegarków kwarcowych. Odmiany kwarcu ( kryształ górski, kwarc różowy, ametyst, kwarc dymny, chalcedon, onyks   itp.) - kamienie szlachetne, półszlachetne lub ozdobne.

Równania najważniejszych reakcji:

Dwutlenek krzemu polihydrat SiO 2 nH 2 O -Kwasy krzemowe o zmiennej zawartości SiO 2 i H 2 O. Biały, bezpostaciowy (szklisty) polimer o strukturze łańcucha, wstęgi, arkusza, siatki i ramy. Po podgrzaniu stopniowo się rozkłada. Bardzo słabo rozpuszczalny w wodzie. Powyżej osadu w roztworze występuje monomeryczny słaby krzem krzemowykwas H 4 SiO 4 (struktura tetraedryczna, hybrydyzacja sp 3), rozpuszczalność 0,00673 g / 100 g H2O w 20 ° C. Po odstawieniu roztworu zachodzi polikondensacja i kwasy krzemowe H 6 Si 2 O 7, H 2 Si 2 O 5, H 10 Si 2 O 9, a następnie hydrosol n (sol metasilikonkwasy) i na koniec hydrożel SiO 2 nH 2 O (n< 2). При высушивании гидрогель переходит в силикагель SiO 2 nН 2 O (n < 1). Скорость гелеобразования максимальна в слабокислотной среде.

Jest przekształcany w roztwór przez działanie skoncentrowanych zasad. Do końca właściwości chemiczne   podobny do SiO 2. Minerały w przyrodzie opali chalcedon (agat, jaspis).Nie otrzymano monomerycznego kwasu metakrzemowego H2SiO3.

Równania najważniejszych reakcji:

Pierwsze: przemieszczenie przez silny kwas z roztworu krzemianu, na przykład:

K2 SiO3 + 2NCl + (n - 1) H 2O = 2KCl + SiO2 nH2O↓

Metakrzemian sodu Na 2 SiO 3 -Solanka Biały, gdy podgrzewany topi się bez rozkładu. Rozpuszcza się w zimnej wodzie (silna hydroliza anionów). Stężony roztwór - koloidalny („płynne szkło”, zawiera hydrosol SiO 2 nH 2 O). Rozkłada się w gorącej wodzie, reaguje z kwasami, zasadami, dwutlenkiem węgla.

Jest stosowany jako składnik wsadu do produkcji szkła, specjalnych cementów i betonów, jest częścią farb i klejów krzemianowych, zimnych glazur, katalizatorów glinokrzemianowych, w produkcji papieru i kartonu, żelu krzemionkowego i syntetycznych zeolitów. Równania najważniejszych reakcji:

Pierwsze: połączenie sody z piaskiem

Na2 SiO3 + SiO2 = CO2 + Na2 SiO3(1150 ° C)

Krzemiany.Krzem w stanie utlenienia + IV jest oprócz SiO 2 w bardzo licznych i często bardzo złożonych w składzie i strukturze jony krzemianowe(tak, z wyjątkiem jon zetasilikatowySiO 3 2- i jon ortokrzemianowySiO4 4-znane jony Si2O7 6-, Si3O9 6-, Si2O10 4- itd.). Dla ułatwienia rejestracji wszystkie krzemiany przedstawiono jako zawierające jon SiO3 2-.

Nasycony roztwór krzemianów sodu i potasu (lepkie „płynne szkło”) jest stosowany jako klej krzemianowy.

Krzemiany sodu i wapnia są częścią szkła; otrzymuje się go przez stopienie kwarcowego kwarcu SiO 2, wapienia CaCO 3 i sody Na 2 CO 3:

Często skład szkła jest wyrażany w kategoriach tlenków, na przykład zwykłego szkła Na2O CaO 6SiO2.

Wśród minerałów krzemianowych zauważamy glina (glinokrzemiany), bardzo czysta glina - kaolinAl 2 O 3 2SiO 2 2Н 2 O służy do produkcji porcelany.

Krzemiany i glinokrzemiany są stosowane w przemyśle do produkcji ceramiki, cementu, betonu i innych materiałów budowlanych.

Krzem SiCl 4.Połączenie binarne. Bezbarwna ciecz, ma szeroki zakres stanu ciekłego. Cząsteczka ma strukturę tetraedryczną (hybrydyzacja sp 3). Odporny termicznie. „Pali” w wilgotnym powietrzu. W pełni zhydrolizowany wodą. Rozkładany przez alkalia. Przywrócony przez wodór, sód, cynk. Chlorowany tlenek glinu.

Używany do produkcji krzemu o wysokiej czystości do technologii półprzewodnikowej.

Równania najważniejszych reakcji:

Pierwszew przemysł- Chlorowanie krzemu lub piasku krzemionkowego SiO 2.

Krystaliczny krzem jest główną formą, w której krzem jest wykorzystywany do produkcji przetworników fotoelektrycznych i półprzewodnikowych urządzeń elektronicznych wykorzystujących technologię płaską. Aktywnie stosuje się krzem w postaci cienkich warstw (warstw epitaksjalnych) o strukturze krystalicznej i amorficznej na różnych podłożach.