Kemični silicij. Kemija silicija in njegovih spojin
- lastnosti silicijevega elementa: elektronska struktura, možna oksidacijska stanja, glavne spojine: oksid, hidroksid. Amorfni in kristalni silicij.
Silicij- element tretjega obdobja in IVA-skupina periodičnega sistema, serijska številka je 14. Elektronska formula atoma 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 = [10 Ne] 3s 2 3p 2. Značilna stopnja oksidacije v spojinah + IV.
Stopnja oksidacije silicija:
Silicijeva elektronegativnost pri nekovinah ni visoka (2.25). Pokaže nekovinske (kislinske) lastnosti; oblikuje okside, silicijeve kisline, zelo veliko število soli - silikati v obliki verig, trakov in tridimenzionalnih tetraedrovskih mrež, binarnih spojin. Trenutno je kemija organskih silicijevih spojin s Si - C vezmi in silikonskimi organskimi polimeri - silikoni in silikonskimi kavčuki z vezmi Si - Si, Si - O in Si - C, široko razvita.
Najpomembnejši element nežive narave, drugis kemično razširjenostjo. Najdemo ga le v sorodni obliki. Pomemben element za mnoge organizme.
Silikonski Si -Enostavna snov. Grobo kristalen - temno siv, s kovinskim sijajem, zelo trden, zelo krhek, neprozoren, ognjevzdržen, običajen polprevodnik. Kristalna rešetka je atomska, Si - Si vezi so zelo močne. Amorfni - beli ali tan (z nečistočami, predvsem Fe), bolj kemično aktivna. Stalen je na zraku (prekrit je z močnim oksidnim filmom), ne reagira z vodo. Reagira s HF (konc.), Alkalije. Oksidira ga kisik, klor. Obnovljen z magnezijem. Sintran z grafitom. Industrijsko pomembna je zlitina z železom - ferosilicij(12–90% Si). Uporablja se kot legirni dodatek v jeklu in zlitinah barvnih kovin, ki je sestavni del polprevodniških materialov za mikroelektroniko in je osnova silikonov.
Enačbe najpomembnejših reakcij:
Pridobivanjev industriji: obnova SiCl 4 ali SiO 2 med žganjem:
SiCl 4 + 2Zn = Si+ 2ZnCl2
SiO2 + 2Mg = Si+ 2MgO
(zadnja reakcija se lahko izvede v laboratoriju; amorfni silicij ostane po obdelavi s klorovodikovo kislino).
Silicijev dioksid SiO 2 -Kislinski oksid. Bel prah (kremenčev pesek)in bistri kristali, naravni izdelek obarvan z nečistočami (silicijev dioksid) - v obliki navadnega peska in kamna (kremen).Kristalna rešetka je atomska, vsak silicijev atom je obkrožen s štirimi atomi kisika in vsak atom kisika je obdan z dvema atomoma silicija. Ima več kristalnih modifikacij (vse minerale), najpomembnejše - kvarc, tridimichi kristobalit,redko in umetno pridobljeno - \\ t kitit, koesit, stishovit, melanoflogit, vlaknasti silicijev dioksids počasnim ohlajanjem taline nastane amorfna oblika - kremenovo steklo(v naravi, mineral lechateleit).Najbolj kemično aktivna amorfna oblika.
Praktično ne reagira z vodo (hidrat SiO 2 nH 2 O izloča iz raztopine), običajne kisline. Kremenovo steklo korodira v HF (konc.). Reakcije z alkalijami v raztopini (oblike ortosilikati)in pri fiksiranju (izdelki - metasilicati).Lahko se klorira v prisotnosti koksa. Predelava koksa, magnezija, železa (v plavžnem procesu).
Uporablja se kot industrijska surovina pri proizvodnji silicijevega, navadnega, termično in kemično odpornega stekla,
porcelan, keramika, abrazivi in adsorbenti, gumijasta polnila, maziva, lepila in barve, sestavni deli gradbenih veznih raztopin, v obliki kremenih monokristalov, so osnova ultrazvočnih generatorjev in natančnih premikov kvarčnih ur. Sorte kremena ( rock kristal, vrtni kremen, ametist, dimni kremen, kalcedon, onyxy itd.) - dragoceni, poldragi ali okrasni kamni.
Enačbe najpomembnejših reakcij:
Polihidrat silicijevega dioksida SiO 2 nH 2 O -Silikatne kisline s spremenljivo vsebnostjo SiO 2 in H 2 O Beli, amorfni (steklast) polimer z verigo, trakom, pločevino, mrežo in okvirno strukturo. Ko se segreje postopoma razpade. Zelo malo topne v vodi. Nad oborino v raztopini je monomerna šibka silicijev silicijkislina H 4 SiO 4 (tetraedarna struktura, sp3 hibridizacija), topnost 0,00673 g / 100 g H20 pri 20 ° C. Pri stoječi raztopini se nadaljuje polikondenzacija in silicijeve kisline H 6 Si 2 O 7, H 2 Si 2 O 5, H 10 Si 2 O 9 in nato hidrosol n (sol). metasiliconin končno hidrogel Si02 nH2O (n< 2). При высушивании гидрогель переходит в силикагель SiO 2 nН 2 O (n < 1). Скорость гелеобразования максимальна в слабокислотной среде.
Pretvori se v raztopino z delovanjem koncentriranih alkalij. Za ostalo kemijske lastnosti podoben SiO 2. Minerali v naravi opalin kalcedona (ahat, jaspis).Monomerne meta-silicijeve kisline H2Si03 ni bila dobljena.
Enačbe najpomembnejših reakcij:
Pridobivanje: premik z močno kislino iz raztopine silikata, na primer:
K 2 SiO 3 + 2NCl + (n - 1) N 2 O = 2 KCl + Si02 nH2O↓
Natrijev metasilikat Na 2 SiO 3 -Slanica Bela, ko se segreje tali brez razkroja. Raztopi se v hladni vodi (močna hidroliza aniona). Koncentrirana raztopina - koloidni ("tekoče steklo", vsebuje SiO 2 nH 2 O hidrosol). Razpade se v vroči vodi, reagira s kislinami, lugi, ogljikovim dioksidom.
Uporablja se kot sestavni del polnila v proizvodnji stekla, posebnih cementov in betonov, je del silikatnih barv in lepil, hladnih glazur, aluminosilikatnih katalizatorjev, pri proizvodnji papirja in kartona, silikagela in sintetičnih zeolitov. Enačbe najpomembnejših reakcij:
Pridobivanje: fuzija sode s peskom
Na 2 SiO 3 + SiO 2 = CO 2 + Na2Si03(1150 ° C)
Silikati.Silicij v oksidacijskem stanju + IV je poleg SiO 2 v zelo številnih in pogosto zelo kompleksnih sestavah in strukturah silikatni ioni(tako, razen zetasilikatni ionSi02-3- in ortosilikatni ionSiO4 4-znani ioni Si 2 O 7 6-, Si 3 O 9 6-, Si 2 O 10 4, itd.). Za lažje beleženje so vsi silikati prikazani kot vsebujejo ion SiO3 2-.
Nasičena raztopina silikatov natrija in kalija (viskozno "tekoče steklo") se uporablja kot silikatno lepilo.
Silikati natrija in kalcija so del stekla; proizvaja se s taljenjem kremenčevega kremena SiO 2, apnenca CaCO 3 in soda Na 2 CO 3:
Pogosto je sestava stekla izražena kot oksidi, na primer navadna steklena Na 2 O CaO 6SiO 2.
Med silikatnimi minerali ugotavljamo glina (aluminosilikati. \\ t), zelo čista glina - kaolinAl 2 O 3 2SiO 2 2N 2 O se uporablja za izdelavo porcelana.
Silikati in aluminosilikati se uporabljajo v industriji za proizvodnjo keramike, cementa, betona in drugih gradbenih materialov.
Silikonski SiCl 4 tetraklorid.Binarna povezava. Brezbarvna tekočina, ima širok razpon tekočega stanja. Molekula ima tetraedrično strukturo (sp 3 hibridizacija). Toplotno odporna. "Kadi" v vlažnem zraku. Popolnoma hidroliziran z vodo. Razgradi z alkalijami. Obnovljeno z vodikom, natrijem, cinkom. Klorinira glinica.
Uporablja se pri izdelavi silicija visoke čistosti za polprevodniško tehnologijo.
Enačbe najpomembnejših reakcij:
Pridobivanjev industriji- kloriranje silicija ali kremenovega peska SiO 2.
Kristalni silicij je glavna oblika, pri kateri se silicij uporablja pri proizvodnji fotoelektričnih pretvornikov in polprevodniških elektronskih naprav z uporabo planarne tehnologije. Aktivno se razvija uporaba silicija v obliki tankih plasti (epitaksialnih plasti) kristalne in amorfne strukture na različnih substratih.
Silicij se pridobiva z zmanjšanjem njegovega oksida s presežkom magnezija pri segrevanju: \\ t
Od dveh alotropnih modifikacij silicija, kristaliničnega in amorfnega silicija je kemično aktivnejši. Ko se segreje, reagira s kisikom in se oblikuje
in tudi z vsemi halogeni, na primer:
Pri visokih temperaturah se silicij kombinira z ogljikom in tvori karborund - snov, ki je blizu trdote diamanta:
V reakcijah z aktivnimi kovinami, ki se pojavljajo z nastajanjem silicidov, silicij deluje kot oksidant:
Pri delovanju klorovodikove kisline na silikide dobimo najpreprostejšo vodikove spojine silicijevega silana.
Silicijev oksid in silicijeve kisline.
Silicijev oksid je trdna, zelo ognjeodporna snov (tališče, zelo razširjena v naravi. Najdemo ga v obliki dveh modifikacij - kristaliničnega in amorfnega kvarca. Je anhidrid številnih silicijevih kislin, katerih sestava se lahko izrazi s splošno formulo kjer so x in y cela števila:
1), t.j. - metasilicne kisline;
2), t.j. - ortokremična kislina;
3), t.j. - dimetakritična kislina.
Silikatne kisline, katerih molekule vsebujejo več kot eno molekulo, spadajo v polisilicij. Najenostavnejša silicijeva kislina se pogosto imenuje silikatna kislina.
Vse silicijeve kisline so zelo šibke (šibkejše od premoga). Soli vseh silicijevih kislin se imenujejo silikati, čeprav silikati praviloma pomenijo soli metakristalne kisline. Ko stojijo na zraku, raztopine silikatov postanejo motne, ker ogljikov dioksid (IV) v zraku iz nje izloča silicijevo kislino:
Silicic acid je praktično netopen v vodi - ta lastnost se uporablja kot kvalitativna reakcija na ion.
Silikati se pridobijo s taljenjem kremena z alkalijami ali karbonati: \\ t
Najpogosteje uporabljeni silikati so natrij in kalij. Koncentrirane raztopine teh soli se imenujejo tekoče steklo; zaradi hidrolize imajo močno alkalno reakcijo. Tekoče steklo se uporablja pri izdelavi lepil in vodoodpornih tkanin.
Silicij in njegove spojine. Silikatna industrija
Silicij - element IVA skupinkot ogljik. Zato ima na zunanji energetski ravni štiri elektrone. Te štiri elektrone lahko da in manifestira zmanjšanje lastnosti, medtem ko bo njegova stopnja oksidacije enaka +4 in lahko pripne štiri elektrone in manifestira oksidacijske lastnostimedtem ko bo stopnja oksidacije -4 .
V naravi silicij je drugi kemični element po kisiku. V naravi je le kot spojine. Najpogostejše silicijeve spojine so silicijev oksid (IV) - SiO 2 - silicijev dioksid. V naravi tvori mineral kremena. Njegova sorta je kamniti kristal, ametist, ahat, topaz, opal, jaspis, kalcedon, žganje, ki se uporabljajo kot okrasni in poldragi kamni.
Naravni silikati - kompleksne snovi. Njihova sestava je prikazana kot več oksidov. Silikati, ki vključujejo aluminij, se imenujejo aluminosilikati. To je kaolinit, glinenec, sljuda.
Azbest Prav tako je silikat in se uporablja za proizvodnjo ognjevzdržnih tkanin.
Od sort mineralov, ki temeljijo na silicijevem oksidu (IV), so primitivni ljudje izdelovali orodja. Silicij se je začel staroststoletje kremenih orodij zaradi svoje razpoložljivosti in zmožnosti oblikovanja ostrih rezalnih robov.
Silicijev oksid (IV) daje moč rastlinam in zaščitnim pokrovom za živali.
Zahvaljujoč temu oksidu trdno stojijo trstičje, trstje, horsetails, režejo se šaševi listi, žitne stebla ne padajo zaradi dežja in vetra, ribje luske, lupine žuželk, krila metuljev, perja ptic in živalske dlake so trajne.
Silicij je sestavni del diatomejskih alg in radiolarijev.
Prejemanje silicijeve industrije pridobivanje koksa silicijevega oksida (IV) v električnih pečeh.
Dobijo ga v laboratoriju redukcija silicijevega oksida (IV) z aluminijem ali magnezijem.
Silicij obstaja v obliki dve alotropni spremembiamorfna in kristalinična.
Amorfni silicij Gre za rjavi prah.
Kristalni silicij - trdno temno sivo s kovinskim leskom. Je krhka in ognjeodporna. To je posledica strukture njegovih kristalov. Struktura silicija je podobna strukturi diamanta, to pomeni, da je v tem kristalu vsak atom obdan s štirimi drugimi atomi in je z njimi povezan. kovalentne vezi.
Silicij je polprevodnik. S povečanjem temperature se poveča njegova električna prevodnost. Na primer, sončne baterije so nameščene na satelitih, vesoljskih plovilih, postajah in strehah. Te baterije pretvorijo sončno energijo v električno energijo zaradi polprevodniških kristalov, kot je silicij.
Pri sobni temperaturi je silicij inerten., pri segrevanju pa reagira s kovinami in nekovinami.
Silicij opekline v kisiku s tvorbo silicijevega oksida (IV).
V tej reakciji silicij poveča svoje oksidacijsko stanje od 0 do +4, kisik pa se zmanjša od 0 do -2. Zato silicij deluje kot reducent in kisik - kot oksidant.
V metalurgiji se uporabljajo redukcijske lastnosti silicija pridobivanje nekaterih koviniz njihovih oksidov.
Silicij reagira s kovinami pri segrevanju, pri čemer tvorijo spojine, ki se imenujejo silicidi. Na primer, magnezijev silikid nastane pri reakciji magnezija s silicijem. V tej reakciji magnezij poveča svoje oksidacijsko stanje od 0 do +2, silicij pa se zniža od 0 do -4. Zato je magnezij redukcijsko sredstvo in silicij je oksidacijsko sredstvo.
Silikidi se enostavno razgradijo z vodo ali kislinami.to proizvaja plin silan - vodikove spojine silicija. Torej, ko magnezijev silikid deluje v interakciji s klorovodikovo kislino, se tvorita magnezijev klorid in silan.
Silan v zraku se samodejno vname in požari z nastajanjem silicijevega oksida (IV) in vode.
Silicij komunicira s koncentriranimi alkalnimi raztopinami.. Na primer, interakcija silicija s koncentrirano raztopino natrijevega hidroksida proizvaja natrijev silikat in vodik.
Silicij je mogoče dobiti s segrevanjem silicijevega dioksida (IV) z magnezijem ali ogljikom.
V reakciji z magnezijem magnezij zmanjša silicij iz silicijevega oksida (IV), pri reakciji silicijevega oksida (IV) z ogljikom pa ogljik obnovi silicij iz oksida.
Silicijev oksid (IV), silicijev dioksid - SiO2 je trdna, zelo ognjeodporna snov, netopna v vodi. Ta oksid ima atomska kristalna rešetka, v katerih vozliščih so atomi silicija in kisika.
Silicijev oksid (IV) je kislinskega oksidazato ima vse lastnosti, značilne za te okside. Vendar pa ta oksid ne raztopi v vodi, ampak reagira z alkalijskimi raztopinami. Tako se pri reakciji silicijevega oksida (IV) z natrijevim hidroksidom tvori natrijev silikat in voda.
Silicijev oksid (IV) reagira z osnovnimi oksidi pri segrevanju. Tako se v reakciji s kalcijevim oksidom tvori kalcijev silikat.
Silicijev oksid (IV) med segrevanjem s karbonatiV reakciji z natrijevim karbonatom nastanejo natrijev silikat in ogljikov dioksid.
Natrijev in kalijev silikat se imenuje topna stekla. Njihove vodne raztopine so silikatno lepilo.
Silicijev oksid (IV) reagira s fluorovodikom in fluorovodikovo kislino, da nastane plinski silicijev fluorid.
Ta lastnost se uporablja za jedkanje na steklenih napisih, risbah in etiketah.
Sestava silicijeve kisline lahko izrazimo kot H2S03. Silikatna kislina je želatinasta, v vodi netopna snov. Nanaša se na zelo šibke kisline premog). Po sušenju nastane raztopina, ki vsebuje silicijevo kislino silikagel, ki se uporablja kot adsorbent.
Silikatna kislina - ohlapna povezava in ko se skladišči ali segreva, razpade v silicijev dioksid (IV) in vodo.
Kvalitativna reakcija na silikatni ion je reakcija silikatov z raztopinami močnih kislin, ki tvori silicijevo kislino v obliki želatinaste oborine. Na primer, pri reakciji natrijevega silikata s klorovodikovo kislino nastane sol - natrijev klorid in silicijeva kislina v obliki želatinaste oborine.
Naredimo eksperiment. Če želite to narediti, pustite ogljikov dioksid skozi raztopino natrijevega silikata. V tem primeru lahko opazimo nastajanje želatinaste usedline. Ta je tvorila silicijevo kislino. Silikatna kislina je tako zelo šibka, še slabša od karbonske kisline, ki jo lahko izloči iz raztopine soli.
In zdaj temu želatinastemu sedimentu dodamo koncentrirano raztopino alkalij in segrejemo žarilno svetilko na plamenu. Oborina se začne raztapljati zaradi tvorbe topne soli natrijevega silikata.
Uporablja se silicij za polprevodniške materiale in kislinsko odporne zlitine. Takšna silikonska spojina kot silicijevega karbida - SiC - uporablja se za brušenje sekalcev kovinsko-rezalnih strojev in brušenje dragih kamnov, ker je v trdoti slabša le od diamanta.
Kvarčna kemična steklovina se proizvaja iz kremena, ki vzdrži visoke temperature in nenadne temperaturne spremembe.
Silikati natrija in kalija, topnih v vodi (" topnega stekla") Uporablja se kot ognjevzdržno sredstvo za impregnacijo lesa in tkanin. Za izdelavo ognjevarnih in izolacijskih tekstilij se uporabljajo tudi naravni silikati - azbest.
Silikatna industrija vključuje proizvodnjo:
· Kozarci;
· Keramični izdelki (porcelan, keramika), opeke, ploščice in strešni materiali;
· Cement.
Silicijeve spojine so osnova za proizvodnjo stekla in cementa. Na primer, običajno okensko steklo se proizvaja s taljenjem mešanice sode, apnenca in peska. Steklo ima sposobnost mehčanja in v staljenem stanju ima drugačno obliko, zato se uporablja za proizvodnjo jedi.
Nekatere lastnosti stekla dajejo dodatke. Na primer, če nadomeščate natrijev oksid s kalijevim oksidom, lahko dobite trdno snov bohemsko stekloz dodatkom svinčevega (II) oksida kristalno stekloz dodatkom kromovega (III) oksida zeleno steklopri dodajanju kobaltovega oksida - modrain dodamo manganov (II) oksid - vijolično. Dodajanje soli zlata in selena, dobite ruby steklokatere so zvezde Moskovski Kremelj.
Za izboljšanje mehanskih lastnosti stekla se izpostavi gašenje. Utrjevanje je, da se steklo posebne sestave segreje na temperaturo okoli 600 ° C in nato hitro ohladi. Takšno kaljenje vam omogoča, da dobite neprebojno steklo.
Steklo je človeku znano že dolgo, tri ali štiri tisoč let nazaj, proizvodnja stekla je bila Egipt, Sirija, Fenicija, Črno morje.
Steklo je neverjeten material. V Stari Rim obrtniki so se naučili obarvati steklo in narediti mozaik iz svojih kosov. Steklena okna cerkva, muzejev, različnih mozaičnih plošč so izdelana iz stekla.
Uporaba stekla obsežno: okno, steklenica, svetilka, ogledalo in optični.
Glavna surovina pri proizvodnji keramičnih izdelkov je glina. Ko se glina pomeša z vodo, se tvori pastozna masa, ki po sušenju in žganju ohranja svojo obliko. Nekateri lončarski pokrovi zaledenitev - tanek sloj steklastega materiala. Glaze naredi keramiko vodotesno, jo ščiti pred kontaminacijo, ščiti pred delovanjem kislin in alkalij, dodaja sijaj.
Pomembna silikonska spojina je cement. Pridobiva se s sintranjem gline in apnenca. Če mešamo cementni prah z vodo, tako imenovani " cementno malto, Ki se nato postopoma strdi. Če dodate cementnemu pesku ali gramozu, dobite betona. Moč betona se lahko poveča, če vstopite v železni okvir, potem se izkaže armirani betonod tega so izdelani stenski paneli, bloki prekrivanja.
Silicij smo dobili v 1824 švedski kemik Bercalius. Toda dvanajst let pred tem je dobil silicij Gay Lussac in Tenarvendar je bila zelo onesnažena z nečistočami.
Latinsko ime silicij iz latinščine silex - "kremen". Rusko ime "silicij" prihaja iz grščine kremnos - "Cliff, rock."
Tako silicij - element IV. \\ tA skupin. Zanj so značilna oksidacijska stanja +4 in -4. V reakcijah s kisikom in drugimi nekovinami ima zmanjšane lastnosti in v reakcijah z oksidacijo kovin. V naravi se silicij nahaja v obliki spojin. Njena najpogostejša spojina je silicijev oksid (IV) - silicijev dioksid, ki je kislinski oksid in ima lastnosti, značilne za te okside. Silicijeva vodikova spojina je silan - SiH 4 , ki nastane z delovanjem kislin ali vode na silicide - kovinske spojine s silicijem. Silicijev oksid (IV) ustreza silicijevi kislini. Ta šibka dvobazna, želatinasta, v vodi netopna kislina. Kvalitativna reakcija na silikatni ion je delovanje močnih kislin na silikate, saj se zaradi teh reakcij tvori želatinasta oborina - silicijeva kislina. Silicijev oksid (IV) in silikati se pogosto uporabljajo v industriji. Silikatna industrija vključuje proizvodnjo stekla in cementa, keramičnih izdelkov in opeke.