Siliciu chimic. Chimia siliciului și a compușilor săi

- caracteristică a elementului siliciu: structura electronică, posibile stări de oxidare, compuși principali: oxid, hidroxid. Siliciu amorf și cristalin.

siliciu- un element al perioadei a treia și grupul IVA al sistemului periodic, numărul de serie este 14. Formula electronică a atomului este 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 = [10 Ne] 3s 2 3p 2. Gradul caracteristic al oxidării în compuși + IV.

Scara de oxidare a siliciului:

Electronegativitatea siliciului nu este mare pentru nemetale (2.25). Afișează proprietăți nemetalice (acide); formează oxizi, acizi siliciici, un număr foarte mare de săruri - silicați sub formă de lanțuri, panglici și rețele tridimensionale de tetraedru, compuși binari. În prezent, chimia compușilor organici de siliciu cu legături Si - C și polimeri organici siliconici - siliconi și cauciucuri siliconice cu legături Si - Si, Si - O și Si - C este larg dezvoltată.

Cel mai important element al naturii neînsuflețite, a douaprin prevalența chimică. Se găsește numai într-o formă asemănătoare. Un element vital pentru multe organisme.

Silicon Si -Substanță simplă. Coarse-cristalină - gri închis, cu un luciu metalic, foarte dur, foarte fragil, opac, refractar, un semiconductor obișnuit. Grinzile cristaline sunt atomice, legăturile Si - Si sunt foarte puternice. Amorf - alb sau bronz (cu impurități, în principal Fe), mai activ chimic. Este stabil în aer (este acoperit cu un film puternic de oxid), nu reacționează cu apa. Reacționează cu HF (conc.), Alkalis. Este oxidat de oxigen, clor. Recuperat de magneziu. Sinterizat cu grafit. Din punct de vedere industrial este important un aliaj cu fier - ferosiliciu(12-90% Si). Se utilizează ca aditiv de aliere în oțel și aliaje de metale neferoase, o componentă a materialelor semiconductoare pentru microelectronică, o bază de siliconi.

Ecuațiile celor mai importante reacții:

recepțieîn industrie: restaurarea SiCl 4 sau SiO 2 în timpul calcinării:

SiCl4 + 2Zn = si+ 2ZnCl2

Si02 + 2Mg = si+ 2MgO

(Ultima reacție poate fi efectuată în laborator, siliciul amorf rămâne după tratamentul cu acid clorhidric).

Dioxid de siliciu SiO 2 -Acid oxid. Pulbere albă (nisip de cuart)și cristale clare, produs natural colorat cu impurități (Silica)  - sub formă de nisip obișnuit și piatră (Flint).Grinzile cristaline sunt atomice, fiecare atom de siliciu este înconjurat de patru atomi de oxigen și fiecare atom de oxigen este înconjurat de doi atomi de siliciu. Are câteva modificări de cristal (toate mineralele), cel mai important - cuarț, tridimichi cristobalit,rare și obținute artificial - kitit, coesit, stishovit, melanophlogite, siliciu fibros refractar, cu răcirea lentă a topiturii, se formează o formă amorfă - cuarț de sticlă(în natură, mineralul leshateleit).Forma amorfă cea mai activă din punct de vedere chimic.

Practic, nu reacționează cu apa (precipitații hidrat de SiO 2 nH 2O din soluție), acizi obișnuiți. Sticla de cuarț corrodes în HF (conc.). Reacționează cu alcalii în soluție (forme orthosilicates)și când fuzionarea (produse - metasilicate).Este ușor clorinată în prezența cocsului. Recuperat de cocs, magneziu, fier (în procesul de furnal).

Se utilizează ca materie primă industrială în producția de sticlă siliconică, obișnuită, rezistentă la temperaturi chimice și chimice,

porțelan, ceramică, abrazivi și adsorbanți, umpluturi de cauciuc, lubrifianți, adezivi și vopsele, componente ale soluțiilor de lipire a clădirilor, sub formă de cristale simple de cuarț sunt baza generatoarelor de ultrasunete și a mișcărilor precise ale ceasurilor cu cuarț. Soiurile de cuarț ( cristal de cristal, cuart roz, ametist, cuarț fumos, calcedon, onyxi  etc) - pietre prețioase, semiprețioase sau ornamentale.

Ecuațiile celor mai importante reacții:

Dioxid de siliciu policoshidrat SiO 2 nH 2 O -Acizi siliciici cu conținut variabil de SiO2 și H20. Polimer alb, amorf (vitroacos) cu lanț, panglică, foaie, plasă și structură de cadru. Când se încălzește, se descompune treptat. Foarte puțin solubil în apă. Deasupra precipitatului în soluție există un monomer slab siliciu de siliciuh4Si04 (structura tetraedrică, hibridizare sp3), solubilitate de 0,00673 g / 100 g H20 la 20 ° C. La staționarea soluției, se produce policondensarea și acizii silici H6Si207, H2Si205, H10Si209 și apoi hidrozolul n (sol metasilicicacizi) și, în final, hidrogelul Si02 nH20 (n< 2). При высушивании гидрогель переходит в силикагель SiO 2 nН 2 O (n < 1). Скорость гелеобразования максимальна в слабокислотной среде.

Se transformă în soluție prin acțiunea alcalinelor concentrate. Pentru restul chimice  similar cu SiO2. Minerale în natură opalși chalcedonie (agat, jaspis).Nu s-a obținut acid meta-silicic monomeric H2SiO3.

Ecuațiile celor mai importante reacții:

recepție: deplasarea cu acid tare din soluția de silicat, de exemplu:

K2Si03 + 2HCI + (n-1) H20 = 2KCI + Si02 nH20↓

Metasilicat de sodiu Na2SiO3 -Oksosol. Alb, când se încălzește, se topeste fără descompunere. Se dizolvă în apă rece (hidroliză puternică a anionilor). Soluție concentrată - coloidal ("sticlă lichidă", conține hidrozol de SiO 2 nH 2 O). Se descompune în apă fierbinte, reacționează cu acizi, alcalii, dioxid de carbon.

Se utilizează ca o componentă a încărcăturii în producția de sticlă, cimenturi și betoane speciale, face parte din vopsele și cleiuri silicate, glazuri reci, catalizatori aluminosilicați, în fabricarea hârtiei și cartonului, silicagel și zeoliți sintetici. Ecuațiile celor mai importante reacții:

recepție: fuziunea sifonului cu nisip

Na2SiO3 + Si02 = C02 + Na2Si03(1150 ° C)

Silicații.Siliciul în stare de oxidare + IV este, în plus față de SiO2, în foarte multe și adesea foarte complexe în compoziție și structură ioni de silicat(deci, cu excepția zetasilicat ionSiO3 2- și ortosilicatSiO 4 ioni 4-cunoscuți Si 2 O 7 6-, Si 3 O 9 6-, Si 2 O 10 4-, etc.). Pentru ușurința înregistrării, toate silicații sunt descriși ca conținând ioni de SiO3 2-.

O soluție saturată de silicați de sodiu și potasiu (sticlă lichidă vâscoasă) este utilizată ca adeziv silicat.

Silicatele de sodiu și calciu fac parte din sticlă; se obține prin fuziunea cu siliciu SiO2, calcarul CaCO3 și sodiu Na2CO3:

Adesea, compoziția de sticlă este exprimată în termeni de oxizi, de exemplu, sticlă obișnuită Na2O CaO6SiO2.

Printre mineralele silicate observăm lut (aluminosilicați), lut foarte curat - caolinAl 2 O 3 2SiO 2 2 H 2 O este utilizat pentru fabricarea porțelanului.

Silicatele și aluminosilicații sunt utilizați în industrie pentru producția de ceramică, ciment, beton și alte materiale de construcție.

Siliciu SiCl 4.Conexiune binară. Lichid incolor, are o gamă largă de stare lichidă. Molecula are o structură tetraedrică (hibridizare sp3). Rezistent la căldură. "Fumează" în aer umed. Fully hidrolizat cu apă. Descompus prin alcaline. Reconstituit de hidrogen, sodiu, zinc. Clorat de alumină.

Utilizat la fabricarea siliciului de înaltă puritate pentru tehnologia semiconductoarelor.

Ecuațiile celor mai importante reacții:

recepțieîn industrie- Clorurarea siliciului sau a nisipului de siliciu SiO 2.

Siliconul cristalin este forma principală în care siliciul este utilizat în producția de convertoare fotoelectrice și dispozitive electronice solide, utilizând tehnologia plană. Utilizarea siliciului sub formă de filme subțiri (straturi epitaxiale) de structură cristalină și amorfă pe diferite substraturi se dezvoltă în mod activ.

Siliconul este obținut prin reducerea oxidului său cu un exces de magneziu când este încălzit:

Dintre cele două modificări alotropice ale siliciului, cristalinului și amorfului, siliciul amorf este mai activ chimic. Reacționează cu oxigen când este încălzit, formând

precum și cu toți halogeni, de exemplu:

La temperaturi ridicate, siliciul se combină cu carbon, formând carborundum - o substanță care este aproape de duritatea diamantului:

În reacțiile cu metalele active care apar la formarea silicidelor, siliciul acționează ca agent de oxidare:

Sub acțiunea acidului clorhidric pe silicide, se obține cel mai simplu silan siliconic compus din hidrogen.

Oxid de siliciu și acizi siliciici.

Oxidul de siliciu este o substanță solidă, foarte refractară (punctul de topire, distribuit pe scară largă în natură), care se găsește sub forma a două modificări - silice cristalină și amorfă, anhidridă cu un număr de acizi siliciici a căror compoziție poate fi exprimată prin formula generală unde x și y sunt numere întregi:

1), adică - acid metasilicic;

2), adică - acid ortocremic;

3), adică - acid dimetacrytic.

Acizii siliciici, moleculele cărora conțin mai mult de o moleculă aparțin polisilicului. Cel mai simplu acid silicic este numit adesea acidul silicic.

Toți acizii siliciici sunt foarte slabi (mai slabi decât cărbunele). Sărurile tuturor acizilor siliciui se numesc silicați, deși, de regulă, în literatura de specialitate, silicații implică săruri ale acidului metacilicic. Când stau în aer, soluțiile de silicate cresc tulbure, deoarece dioxidul de carbon (IV) în aer deplasează acidul silicic din sărurile sale:

Acidul silicic este practic insolubil în apă - această proprietate este utilizată ca reacție calitativă la ion.

Silicatele se obțin prin topirea silicei cu alcalii sau carbonați:

Cele mai utilizate silicați sunt sodiul și potasiul. Soluțiile concentrate ale acestor săruri se numesc sticlă lichidă; au o reacție puternic alcalină din cauza hidrolizei. Lichidul de sticlă este utilizat în fabricarea țesăturilor lipicioase și impermeabile.

Silicon și compușii săi. Industria silicelor

Silicon - Elementul IVA  Grupuricum ar fi carbonul. Prin urmare, la nivelul energiei externe, el are patru electroni. Acești patru electroni pe care îi poate da și manifesta reducerea proprietăților, în timp ce gradul de oxidare va fi egal cu +4 și pot atașa patru electroni și se pot manifesta proprietăți de oxidareîn timp ce va avea gradul de oxidare -4 .

În natură siliciul este al doilea element chimic după oxigen. În natură el găsite numai ca compuși. Compușii de siliciu cei mai obișnuiți sunt oxidul de siliciu (IV) - Si02 - silice. În natură, formează un mineral cuarț. Varietatea sa este cristal de rock, ametist, agat, topaz, opal, jaspis, chalcedon, carnelian, care sunt folosite ca pietre ornamentale si semi-pretioase.

Silicate naturale - substanțe complexe. Compoziția lor este descrisă ca mai mulți oxizi. Se numesc silicate, care includ aluminiu alumino-silicați. Este caolinit, feldspat, mica.

azbest  Este, de asemenea, silicat și este utilizat pentru fabricarea țesăturilor refractare.

Din soiurile de minerale bazate pe oxid de siliciu (IV), oamenii primitivi au creat unelte. Siliciul a început vârstă de piatră, adică secolul de unelte de piatră din cauza disponibilității sale și a capacității de a forma muchii tăietoare ascuțite.

Oxidul de siliciu (IV) conferă rezistență tulpinilor de plante și capacelor de protecție pentru animale.

Datorită acestui oxid, trestia, trestia, coarda de coarne stau ferm, frunzele de frunze se taie, tulpinile de cereale nu cad din ploaie și vânt, iar peștii de pește, cochilii de insecte, aripi de fluture, pene de păsări și păr de animale sunt puternice.

Siliconul este o componentă a algelor diatomice și a radiolarilor.

Industria siliciului primește  recuperarea cocsului de oxid de siliciu (IV) în cuptoare electrice.

Îl aduc la laborator  reducerea oxidului de siliciu (IV) cu aluminiu sau magneziu.

Siliconul există în formă două modificări alotrope: amorf și cristalin.

Siliciu amorf  este o pulbere brună.

Cristal Silicon  - gri închis, cu un luciu metalic. Este fragil și refractar. Acest lucru se datorează structurii cristalelor sale. Structura siliciului este similară structurii diamantului, adică în acest cristal, fiecare atom este înconjurat de alți patru atomi și este asociat cu aceștia. legături covalente.

siliciu este un semiconductor. Cu creșterea temperaturii, conductivitatea electrică crește. De exemplu, bateriile solare sunt instalate pe sateliți, nave spațiale, stații și acoperișuri. Aceste baterii transformă energia solară în energie electrică, datorită cristalelor semiconductoare, cum ar fi siliciul.

La temperatura camerei, siliciul este inert., dar când este încălzit reacționează cu metalele și nemetalele.

siliciu arde în oxigen  cu formarea de oxid de siliciu (IV).

În această reacție, siliciul își crește starea de oxidare de la 0 la +4, iar oxigenul scade de la 0 la -2. Prin urmare, siliciul acționează ca agent reducător și oxigenul - ca agent de oxidare.

Proprietățile de reducere a siliciului sunt utilizate în metalurgie obțineți niște metaledin oxizi lor.

Siliconul reacționează cu metalele atunci când este încălzit, cu formarea de compuși numiți siliciuri. De exemplu, se formează silicid de magneziu în reacția dintre magneziu și siliciu. În această reacție, magneziul crește starea sa de oxidare de la 0 la +2, iar siliciul scade de la 0 la -4. Prin urmare, magneziu este un agent reducător, iar siliciul este un agent de oxidare.

Silicidele se descompun ușor cu apă sau cu acizi.aceasta produce gaze silan  - compus hidrogen din siliciu. Deci, când silicidul de magneziu interacționează cu acidul clorhidric, se formează clorură de magneziu și gaz silanic.

Silanul din aer se auto-aprinde și arde cu formarea de oxid de siliciu (IV) și apă.

Siliconul interacționează cu soluțiile alcaline concentrate.. De exemplu, interacțiunea siliciului cu o soluție concentrată de hidroxid de sodiu produce silicat de sodiu și hidrogen.

Se poate obține siliciu  încălzind silicea (IV) cu magneziu sau carbon.

În reacția cu magneziu, magneziu reduce siliciul din oxidul de siliciu (IV) și în reacția oxidului de siliciu (IV) cu carbon, carbonul restabilește siliciul din oxidul său.

Oxidul de siliciu (IV), silice  - SiO2 este o substanță solidă, foarte refractară, insolubilă în apă. Acest oxid are cristal atomic cristal, în care nodurile sunt atomi de siliciu și oxigen.

Oxidul de siliciu (IV) este oxid de acid, prin urmare, prezintă toate proprietățile caracteristice acestor oxizi. Cu toate acestea, acest oxid nu se dizolvă în apă, dar reacționează cu soluții alcaline. Astfel se formează silicat de sodiu și apă în reacția oxidului de siliciu (IV) cu hidroxid de sodiu.

Oxidul de siliciu (IV) reacționează cu oxizi de bază când este încălzit. Astfel, în reacția cu oxid de calciu se formează silicat de calciu.

Oxidul de siliciu (IV) interacționează atunci când este încălzit cu carbonați, astfel încât în ​​reacția cu carbonat de sodiu se formează silicat de sodiu și dioxid de carbon.

Silicații de sodiu și potasiu se numesc sticlă solubilă. Soluțiile lor apoase sunt silicat.

Oxidul de siliciu (IV) reacționează cu acid fluorhidric și acid fluorhidric pentru a forma fluorură de siliciu gazoasă.

Această proprietate este folosită pentru gravarea pe inscripții de sticlă, desene și etichete.

Compoziția acidului silicic poate fi exprimată ca H 2 SiO 3. Acidul silicic este o substanță gelatinoasă, insolubilă în apă. Se referă la ea acizii foarte slabi  (chiar mai slab decât cărbunele). După uscare, se formează soluția care conține acidul silicic silicagel, care este utilizat ca un adsorbant.

Acid silicic - conexiune slabă  și când este depozitat sau încălzit, se descompune în silice (IV) și apă.

Reacție calitativă la ionul de silicat  este reacția silicatelor cu soluții de acizi tari, aceasta formează acid silicic sub forma unui precipitat gelatinoasă. De exemplu, în reacția silicatului de sodiu cu acidul clorhidric se formează o sare - clorură de sodiu și acid silicic sub formă de precipitat gelatinoasă.

Să facem un experiment. Pentru a face acest lucru, săriți dioxidul de carbon printr-o soluție de silicat de sodiu. În acest caz, putem observa formarea sedimentului gelatinos. Acest acid silicic a format. Astfel, acidul silicic este foarte slab, chiar mai slab decât acidul carbonic, care îl poate înlocui din soluția de sare.

Și acum, la acest sediment gelatinos, adăugăm o soluție concentrată de alcalii și încălzim o flacără de duș pe flacără. Precipitatul începe să se dizolve din cauza formării unei săruri solubile, silicat de sodiu.

Se utilizează siliciu  pentru materialele semiconductoare și aliajele rezistente la acid. Un astfel de compus de siliciu ca carbura de siliciu  - SiC - folosit pentru slefuirea incisivelor mașinilor de tăiat metale și pentru lustruirea pietrelor prețioase, deoarece în duritate este inferioară numai diamantului.

Cuarțurile din sticlă chimică sunt fabricate din cuarț, care rezistă temperaturilor ridicate și schimbărilor bruște de temperatură.

Solubilii solubili în apă de sodiu și potasiu (" sticlă solubilă") Utilizat ca agent refractar pentru impregnarea lemnului și țesăturilor. Pentru fabricarea de materiale ignifuge și izolate se utilizează, de asemenea, silicați naturali - azbest.

Prin industria silicată include producția:

· Sticlă;

· Produse ceramice (porțelan, faianță de ceramică), cărămizi, dale și materiale de învelitoare;

· Ciment.

Componentele de siliciu reprezintă baza pentru producția de sticlă și ciment. De exemplu, sticla obișnuită este produsă prin topirea unui amestec de sifon, calcar și nisip. Sticla are capacitatea de a se înmoaie și, în stare topită, să ia o altă formă, astfel încât este utilizată pentru producerea de vase.

Anumite proprietăți ale sticlei oferă aditivi. De exemplu, dacă înlocuiți oxidul de sodiu cu oxid de potasiu, puteți obține un solid bohemian glassprin adăugarea de oxid de plumb (II) sticlă de cristalprin adăugarea de oxid de crom (III) geamul verde, prin adăugarea de oxid de cobalt -   albastru, și adăugarea de oxid de mangan (II) - purpuriu. Adăugând săruri de aur și seleniu, obține rubin de sticlădin care se fac stelele Kremlinul din Moscova.

Pentru a îmbunătăți proprietățile mecanice ale sticlei este supusă întărire. Stingerea este că paharul cu o compoziție specială este încălzit la o temperatură de aproximativ 600 ° C și apoi răcit rapid. Această întărire vă permite să obțineți sticlă antiglont.

Sticla a fost cunoscută omului pentru o lungă perioadă de timp, cu trei sau patru mii de ani în urmă, producția de sticlă a fost Egipt, Siria, Phoenicia, Marea Neagra.

Sticla este un material uimitor. Roma antică  maeștrii au învățat cum să obțină sticlă colorată și să facă mozaicul din bucățile lor. Vitraliile bisericilor, muzeelor, diferitelor panouri de mozaic sunt realizate din sticlă.

Aplicații din sticlă  extensie: este o fereastră, o sticlă, o lampă, o oglindă și o optică.

Principala materie primă din fabricarea produselor ceramice este argila. Atunci când lutul este amestecat cu apă, se formează o masă de pastă, care, după uscare și ardere, își poate menține forma. Unele acoperitoare de ceramică glazură  - un strat subțire de material vitrotic. Glazul face impermeabil ceramica, o protejeaza de contaminare, protejeaza impotriva actiunii acizilor si alcalinilor, adauga stralucire.

Un compus important de siliciu este ciment. Se obține prin sinterizarea argilei și a calcarului. Dacă amestecați pulberea de ciment cu apă, așa-numitul " ciment mortar, Care apoi se întărește treptat. Dacă adăugați la nisip de ciment sau pietriș, veți obține beton. Rezistența betonului poate fi mărită dacă intri în cadrul de fier, atunci se pare că se poate beton armatdin care sunt realizate panouri de perete, blocuri de suprapunere.

Silicon a fost obținut în 1824   an de către chimistul suedez Bertseliusom. Dar, cu doisprezece ani în urmă, siliciul a ajuns Gay Lussac și Tenar, dar a fost foarte poluat cu impurități.

Nume latin siliciu  de la latină silex  - "flint". Numele rusesc "silicon" vine de la limba greacă kremnos  - "stâncă, rocă".

Astfel, siliciu - element IVA de grup. Se caracterizează prin starea de oxidare +4 și -4. În reacțiile cu oxigenul și alte nemetale, prezintă proprietăți de reducere și în reacțiile cu metalele - oxidante. În natură, siliciul se găsește sub formă de compuși. Cel mai obișnuit compus al acestuia este oxidul de siliciu (IV) - silice, care este un oxid acid și prezintă proprietăți caracteristice acestor oxizi. Compusul de hidrogen al siliciului este silan - SiH 4 , care se formează prin acțiunea acizilor sau a apei pe siliciuri - compuși de metal cu siliciu. Oxidul de siliciu (IV) corespunde acidului silicic. Acest acid slabit dibazic, gelatinos, insolubil în apă. O reacție calitativă la ionul silicat este acțiunea acizilor puternici pe silicați, deoarece, ca rezultat al acestor reacții, se formează un precipitat gelatinos - acid silicic. Oxidul de siliciu (IV) și silicații sunt utilizate pe scară largă în industrie. Industria de silicat include producția de sticlă și ciment, produse ceramice și cărămizi.