Второй представитель элементов главной подгруппы IV группы (IVА группы) Периодической системы Д. И. Менделеева - кремний Si.

В природе кремний - второй по распространённости после кислорода химический элемент. Земная кора более чем на четверть состоит из его соединений. Наиболее распространённым соединением кремния является оксид кремния (IV) SiO 2 , другое его название - кремнезём.

В природе он образует минерал кварц (рис. 158), многие разновидности которого - горный хрусталь и его знаменитая лиловая форма - аметист, а также агат, опал, яшма, халцедон, сердолик, известны как поделочные и полудрагоценные камни. Из оксида кремния (IV) состоят также обычный и кварцевый песок.

Рис. 158.
Кристаллы кварца, вкраплённые в доломит

Из разновидностей минералов на основе оксида кремния (IV) (кремня, халцедона и др.) первобытные люди изготовляли орудия труда. Именно кремень, этот невзрачный и не очень прочный камень, положил начало каменному веку - веку кремнёвых орудий труда (рис. 159). Причин этому две: распространённость и доступность кремня, а также его способность образовывать при сколе острые режущие края.

Рис. 159.
Орудия каменного века

Второй тип природных соединений кремния - это силикаты. Среди них наиболее распространены алюмосиликаты (понятно, что эти силикаты содержат химический элемент алюминий). К алюмосиликатам относят гранит, различные виды глин, слюды. Силикатом, не содержащим алюминия, является, например, асбест, из которого изготавливают огнеупорные ткани.

Оксид кремния (IV) SiO 2 необходим для жизни растений и животных. Он придаёт прочность стеблям растений и защитным покровам животных (рис. 160). Благодаря ему тростники, камыши и хвощи стоят крепко, как штыки, острые листья осоки режут, как ножи, стерня на скошенном поле колет, как иголки, а стебли злаков настолько крепки, что не позволяют ниве на полях ложиться от дождя и ветра. Чешуя рыб, панцири насекомых, крылья бабочек, перья птиц и шерсть животных прочны, так как содержат кремнезём.

Рис. 160.
Оксид кремния (IV) придаёт прочность стеблям растений и защитным покровам животных

Соединения кремния придают гладкость и прочность волосам и ногтям человека.

Кремний входит и в состав низших живых организмов - диатомовых водорослей и радиолярий, нежнейших комочков живой материи, которые создают свои непревзойдённые по красоте скелеты из кремнезёма (рис. 161).

Рис. 161.
Скелеты диатомовых водорослей (а) и радиолярий (б) состоят из кремнезёма

Свойства кремния . Вы пользуетесь микрокалькулятором с солнечной батарейкой и поэтому имеете представление о кристаллическом кремнии. Это полупроводник. В отличие от металлов, с повышением температуры его электропроводность увеличивается. На спутниках, космических кораблях, станциях и крышах домов (рис. 162) устанавливают солнечные батареи, преобразующие солнечную энергию в электрическую. В них работают кристаллы полупроводников, и в первую очередь кремния. Кремниевые фотоэлементы могут превратить в электрическую до 10% поглощённой солнечной энергии.

Рис. 162.
Солнечная батарея на крыше дома

Кремний горит в кислороде, образуя уже известный вам оксид кремния (IV):

Будучи неметаллом, при нагревании кремний соединяется с металлами с образованием силицидов, например:

Силициды легко разлагаются водой или кислотами, при этом выделяется газообразное водородное соединение кремния - силан:

В отличие от углеводородов, силан на воздухе самовоспламеняется и сгорает с образованием оксида кремния (IV) и воды:

Повышенная реакционная способность силана по сравнению с метаном СН 4 объясняется тем, что размер атома у кремния больше, чем у углерода, поэтому химические связи Si-Н менее прочные, чем связи С-Н.

Кремний взаимодействует с концентрированными водными растворами щелочей, образуя силикаты и водород:

Кремний получают, восстанавливая его из оксида кремния (IV) магнием или углеродом:

Оксид кремния (IV), или диоксид кремния, или кремнезём SiO 2 , как и СO 2 , является кислотным оксидом. Однако в отличие от С02 имеет не молекулярную, а атомную кристаллическую решётку. Поэтому SiO 2 твёрдое и тугоплавкое вещество. Он не растворяется в воде и кислотах, кроме, как вы знаете, плавиковой, но взаимодействует при высоких температурах с щелочами с образованием солей кремниевой кислоты - силикатов:

Силикаты можно получить также сплавлением оксида кремния (IV) с оксидами металлов или с карбонатами:

Силикаты натрия и калия называют растворимым стеклом. Их водные растворы - это хорошо известный силикатный клей.

Из растворов силикатов действием на них более сильных кислот - соляной, серной, уксусной и даже угольной получается кремниевая кислота H 2 SiO 3 (рис. 163):

Рис. 163. Качественная реакция на силикат-ион

Следовательно, H 2 SiO 3 очень слабая кислота. Она нерастворима в воде и выпадает из реакционной смеси в виде студенистого осадка, иногда заполняющего компактно весь объём раствора, превращая его в полутвёрдую массу, похожую на студень, желе. При высыхании этой массы образуется высокопористое вещество - силикагель, широко применяемый в качестве адсорбента - поглотителя других веществ.

Лабораторный опыт № 40
Получение кремниевой кислоты и изучение её свойств

Применение кремния . Вы уже знаете, что кремний применяют для получения полупроводниковых материалов, а также кислотоупорных сплавов. При сплавлении кварцевого песка с углём при высоких температурах образуется карбид кремния SiC, который по твёрдости уступает только алмазу. Поэтому его используют для затачивания резцов металлорежущих станков и шлифовки драгоценных камней.

Из расплавленного кварца изготавливают различную кварцевую химическую посуду, которая может выдерживать высокую температуру и не трескается при резком охлаждении.

Соединения кремния служат основой для производства стекла и цемента.

Обычное оконное стекло имеет состав, который можно выразить формулой Na 2 O СаО 6SiO 2 . Его получают в специальных стекловаренных печах сплавлением смеси соды, известняка и песка.

Отличительная особенность стекла - способность размягчаться и в расплавленном состоянии принимать любую форму, которая сохраняется при застывании стекла. На этом основано производство посуды и других изделий из стекла.

Дополнительные качества стеклу придают различные добавки. Так, введением оксида свинца получают хрустальное стекло, оксид хрома окрашивает стекло в зелёный цвет, оксид кобальта - в синий и т. д. (рис. 164).

Рис. 164.
Изделия из цветного стекла

Стекло - одно из древнейших изобретений человечества. Уже 3-4 тыс. лет назад производство стекла было развито в Египте, Сирии, Финикии и Причерноморье.

Стекло - это материал не только ремесленников, но и художников. Высокого совершенства достигли мастера Древнего Рима, которые умели получать цветные стёкла и делать из их кусочков мозаики.

Рис. 165.
Цветное стекло в витражах собора Нотр-Дам, Шартр

Произведения искусства из стекла являются обязательными атрибутами любого крупного музея, и цветные витражи церквей, мозаичные панно - яркие тому примеры (рис. 165). В одном из помещений Санкт-Петербургского отделения Российской академии наук находится мозаичный портрет Петра I, выполненный М. В. Ломоносовым (рис. 166).

Рис. 166.
Мозаичный портрет Петра I

Области применения стекла очень обширны. Это оконное, бутылочное, ламповое, зеркальное стекло; стекло оптическое - от стёкол очков до стёкол фотокамер; линзы бесчисленных оптических приборов - от микроскопов до телескопов.

Другой важный материал, получаемый на основе соединения кремния, - цемент. Его получают спеканием глины и известняка в специальных вращающихся печах.

Если порошок цемента смешать с водой, то образуется цементное тесто, или, как его называют строители, «цементный раствор», который постепенно затвердевает. При добавлении к цементу песка или щебня в качестве наполнителя получают бетон. Прочность бетона возрастает, если в него вводится железный каркас, - получается железобетон, из которого изготавливают стеновые панели, блоки перекрытий, фермы мостов и т. д.

Производством стекла и цемента занимается силикатная промышленность. Она также выпускает силикатную керамику - кирпич, фарфор (рис. 167), фаянс и изделия из них.

Рис. 167.
Фарфоровые изделия

Открытие кремния . Хотя уже в глубокой древности люди широко использовали в быту соединения кремния, сам кремний был впервые получен в 1824 г. шведским химиком Й. Я. Берцелиусом. Однако за 12 лет до него кремний получили Ж. Гей-Люссак и Л. Тенар, но он был очень загрязнён примесями.

Латинское название силициум берёт своё начало от латинского слова силекс- «кремень». Русское название «кремний» происходит от греческого кремнос - «утёс, скала».

Новые слова и понятия

1. Природные соединения кремния: кремнезём, кварц и его разновидности, силикаты, алюмосиликаты, асбест.
2. Биологическое значение кремния.
3. Свойства кремния: полупроводниковые, взаимодействие с кислородом, металлами, щелочами.
4. Силан.
5. Оксид кремния (IV). Его строение и свойства: взаимодействие с щелочами, основными оксидами, карбонатами и магнием.
6. Кремниевая кислота и её соли. Растворимое стекло.
7. Применение кремния и его соединений.
8. Стекло.
9. Цемент.

Задания для самостоятельной работы

ТЕМА: Оксид кремния (VI ). Кремниевая кислота.

ЦЕЛЬ : учащиеся должны изучить свойства оксида кремния (VI) и

кремниевой кислоты по аналогии с углеродом и его соединениями,

убедиться в том, что их свойства – это следствие строения вещества;

ОБОР-ИЕ: Na2SiO3, HCl, коллекция «Минералы и горные породы», ПСХЭ.

ХОД УРОКА.

I . O рганизационный момент.

II .Проверка домашнего задания.

Ребята! На прошлом уроке мы изучили кремний, дали ему характеристику как химическому элементу и простому веществу. Вспомните, где кремний распространён в природе? Кремний – один из самых распространённых в земной коре элементов, занимает второе место после кислорода (26-27%). Кремний главный элемент в царстве горных пород. Кремнезём SiO2 – основная часть песка, Al2O3·2SiO2·2H2O – каолинит, основная часть глины,

K2O·Al2O3·6SiO2 – полевой шпат (ортоклаз). В большинстве организмов содержание кремния невелико. Однако некоторые морские водоросли накапливают большие количества кремния – это диатомовые водоросли, из животных, много кремния содержат кремниевые губки.

Ребята! Каковы физические свойства кремния?

Известен аморфный и кристаллический кремний. Кристаллический кремний обладает металлическим блеском, тугоплавкий, очень твёрдый, атомная кристаллическая решётка, обладает незначительной электропроводностью . (при комнатной температуре в 1000 раз < чем у ртути). Температура плавления 14200С, температура кипения 26200С.

Назовите области применения кремния.(Большинство Si идёт на производство кремнистых сталей, обладающих высокой жаропрочностью и кислотоустойчивостью. Кристаллы кремния являются полупроводниками, поэтому применяются как выпрямители и усилители тока, в фотоэлементах.)

А теперь воспроизведите на листках химические свойства кремния и получение его в лаборатории и в промышленности.

III . Изучение нового материала.

1.Строение кристаллической решётки SiO2.

2.Нахождение в природе.

3.Физические свойства.

4.Химические свойства.

5.Применение.

6.Кремниевая кислота.

1).Строение кристаллической решётки SiO 2 .

SiO2 – является аналогом углерода. Высшие оксиды их СО2 и SiO2. СО2 – газ, tпл – 56,60С, молекулярная кристаллическая решётка, она состоит из отдельных молекул, несвязанных между собой, а SiO2 – твёрдое вещество, имеет высокую температуру плавления = 17280С, атомная кристаллическая решётка, в которой каждый атом кремния связан с четырьмя атомами кислорода.

Следовательно, оксид кремния имеет одну гигантскую молекулу (SiO2)n, но для простоты записи пишут SiO2.

2)Нахождение в природе.

Стойким соединением кремния является оксид кремния (VI), называемый кремнезёмом. Он встречается в кристаллическом, скрытокристаллическом и аморфном состоянии. Больше SiO2 в кристаллическом состоянии.

SiO2 – кремнезём

кристаллический скрытокристаллический аморфный

(минерал – кварц) (опал, яшма, агат, кремень) (трепел)

Кристаллический - находится в природе в виде минерала кварца. Кварц входит также в состав горных пород – гранита и гнейса. Из мелких зёрен кварца состоит обыкновенный песок. Чистый песок – белого цвета, он называется кварцевый песок, а обычный речной песок содержит примеси железа и поэтому окрашен в желтый цвет. Прозрачные отдельные кристаллы кварца это горный хрусталь. Окрашенный в лиловый цвет примесями, горный хрусталь называется аметистом, а в буроватый – дымчатым топазом. Они являются ювелирными украшениями. Расплавленный кварц, при охлаждении превращается в прозрачное стекло. Кварцевое стекло не пропускает ультрафиолетовые лучи.

Скрытокристаллическими соединениями кремнезёма являются опал, яшма, агат и кремень. Опал и агат имеют красивую окраску. Их использовали для отделки Московского метрополитена. Кремень – твёрдый минерал, он разбивается при ударе на куски с острыми краями, и это сыграло большую роль в историческом развитии человеческого общества. Этот минерал использовался для изготовления орудий труда.

Аморфный SiO2 распространён в природе меньше. Панцири некоторых диатомовых водорослей построены из аморфного SiO2 и скопления этих панцирей образуют местами большие залежи, их называют инфузорной землёй или трепелом (диатомит).

3)Физические свойства.

SiO2 – твёрдое кристаллическое вещество.

4)Химические свойства.

Общие:

а) при температуре реагирует со щелочами.

SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O

б) при температуре реагирует с основными оксидами

SiO2 + CaO = CaSiO3

Специфические.

а) с водой не взаимодействует.

б) при повышении температуры вытесняет более летучие оксиды из солей.

CaCO3 + SiO2 = CaSiO3 + CO2

в) вступает в реакцию с плавиковой кислотой

SiO2 + 4HF = SiF4 + 2H2O

тетрафторид

5)Применение.

1.Кварц – получение стекла, химической посуды.

2.Трепел – в строительстве, в качестве теплоизолятора и звукозаглушающего материала.

3.Украшения.

4.Производство силикатного кирпича.

5.Керамические изделия.

6)Кремниевая кислота.

H2SiO3 по таблице растворимости – одна нерастворимая кислота.

Получить её можно при взаимодействии растворов её солей с кислотами.

Na2SiO3 + 2HCl = 2NaCl + H2SiO3↓

студен. осадок

2Na+ + SiO32- + 2H+ + 2Cl- = 2Na+ + 2Cl- + H2SiO3↓

2H+ + SiO32- = H2SiO3↓

С водой кремниевая кислота образует коллоидные растворы. Является более слабой кислотой, ещё слабее угольной, непрочная, и при нагревании постепенно разлагается.

H2SiO3 = H2O + SiO2

VI. Закрепление. Просмотр I части фильма « Оксид кремния (VI)

V. Задание на дом – конспект, §35,36.

Задача 1 ряду.

Сколько оксида углерода (VI) выделится (в л.) при сплавлении карбоната натрия с 62 г кремнезёма, содержащего 3% примесей соединений железа.

Дано: 1 моль х

m (SiO2) = 62г. Na2CO3 + SiO2 = Na2SiO3 + CO2

Ѡ(прим) – 3% 1 моль 2 моль

V(CO2) - ? M (SiO2) = 28 + 32 = 60 г/моль

mч. в. = Ѡ·mцв / 100% = 97·62/100% = 60,14

υ(SiO2) = m/M = 60,14/60 = 1моль

υ(СО2) = 1 моль

V(CO2) = Vm· υ = 22,4 ·1 = 22,4л.

Задача II ряду.

Сколько потребуется оксида Si (IV), содержащего 0,2 массовых долей примесей, чтобы получить 6,1 г силиката натрия?

Дано: х 0,05

m (Na2SiO3) = 6,1г. SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O

Ѡ(прим) =20% 1 моль 1 моль

m (SiO2) - ? M (SiO2) = 60 г/моль

М (Na2SiO3) = 122 г/моль

υ (Na2SiO3) = m / M = 6,1 / 122 = 0,05 моль

υ (SiO2) = 0,05 моль

m = M · υ = 60 · 0,05 = 3 г.

100% - 20% = 80%

mц. в. = .mч. в. / Ѡ · 100% = 30 / 80 · 100 = 3,75 г.

Задача III ряду.

При взаимодействии 120 г SiO2 c 106 г Na2CO3 выделился СО2. Какая масса этого газа образовалась?

Дано: 1моль х

m (SiO2) = 120г Na2CO3 + SiO2 = Na2SiO3 + CO2

m (Na2CO3) = 106 г 1 моль 1моль 1моль

V (CO2) - ? M (Na2CO3) = 106г/моль

M (SiO2) = 60 г/моль

M (CO2) = 44 г/моль

υ (Na2CO3) = m /M = 106 / 106 = 1 моль (недост)

υ (SiO2) = 120 / 60 = 2 моль (изб)

V (CO2) = 1 моль

m (CO2) = M · υ = 44 · 1 = 44г.

Оксид крем­ния SiO 2 — твердое, очень тугоплавкое вещество (температура плавления более 1700 °С), широко распространенное в природе, где оно встречается главным образом в виде минерала кварца, а также кристобалита и тридимита .

При обычных температурах устойчивой модификацией яв­ляется кварц, с ростом температуры наблюдаются полиморфные превращения:

Кремнезем всех модификаций в виде мономера не существу­ет; он всегда полимерен и «построен» из тетраэдров [SiO 4 ], обра­зующих очень прочную атомную решетку

Каждый атом кремния в кристаллах (SiO 2) n тетраэдрически окружен четырьмя атомами кислорода, каждый из которых является мостиковым. Через общий атом кислорода тетраэдры [SiO 4 ] под разными углами связываются друг с другом, образуя непрерывную трехмерную решетку; взаимное расположение тетраэдров [SiO 4 ] в пространстве определяет ту или иную модификацию кремнезема.

В различных модификациях кремнезема прочность связей неодинакова. Это влияет на величину углов Si -О-Si и расстояний Si -О, например угол связи Si -О-Si в различных модификациях кремнезема изменяется от 120 до 180°. Переходы кварц-три­димит-кристобалит сопровождаются разрывом и преобразова­нием связей, что может происходить только при высоких темпе­ратурах.

Кварц . Нередко встречается в природе в форме чрезвычайно хорошо образованных кристаллов, иногда значительной величи­ны. Кристаллы образованы из тетраэдров, расположенных винто­образно вокруг центральной оси, в виде спирали. В одном и том же кристалле направление спирали может быть противополож­ным. Такие кристаллы являются оптическими изомерами. Они вращают плоскость поляризации света, причем могут быть как право- , так и левовращающими. Те и другие кристаллы отлича­ются как предмет от своего зеркального изображения.

Кварц используется в различных областях науки и техники, и его кристаллы часто выращиваются искусственно. Некоторые разновидности кварца носят особые названия. Прозрачные бесцветные кристаллы называют горным хрусталем . Встречаются и окрашенные разновидности кварца: розовый кварц, фиолетовый (аметист ), темно-коричневый (дымчатый топаз ), зеленый (хризопраз ) и др. Мелкокристаллическая модификация кварца с примесями других веществ называется халцедоном . Разновидно­стями халцедона являются агат , яшма и др. Горный хрусталь и окрашенные разновидности кварца используют как драгоценные и полудрагоценные камни.

Тридимит встречается в вулканических породах, однако в очень небольших количествах. Известен тридимит и метеоритного происхождения.

Кристобалит в природе иногда встречается в виде мелких кристаллов, включенных в лаву, подобно тридимиту . Тридимит и кристобалит обладают более «рыхлой» структурой, нежели кварц. Так, плотность кристобалита , тридимита и кварца равна 2,32; 2,26 и 2,65 г/см 3 соответственно.

Расплав кремнезема при медленном охлаждении легко образует аморфное кварцевое стекло. Кремнезем в виде стекла встречается и в природе. Плотность аморфного стекла равна 2,20 г/см 3 — ниже, чем у всех кристаллических модификаций. Кварцевое стек­ло имеет незначительный температурный коэффициент расшире­ния, поэтому из него готовят лабораторную посуду, устойчивую к резким изменениям температуры.

Все модификации кремнезема в воде практически нераство­римы (при температуре 25 °С растворимость кварца составляет 7, кристобалита — 12, тридимита — 16, кварцевого стекла — 83 мг/л). Поэтому при обычных условиях на них действуют лишь растворы щелочей и плавиковая кислота:

SiO 2 + 2КОН = К 2 SiO 3 + Н 2 О, (1)

SiO 2 + 4НF = SiF 4 + 2Н 2 О. (2)

Последняя реакция используется при «травлении» стекла.

При ставленый диоксид кремния реагирует с основными оксидами, щелочами (реакция (1)) и карбонатами с образованием силикатов:

SiO 2 + СаО = СaSiO 3 , (3)

SiO 2 + Na 2 СО 3 = N а 2 SiO 3 + СО 2 . (4)

Реакции (3) и (4) лежат в основе промышленного по­лучения различных стекол , а также цемента . Так, со­став обычного стекла (например, оконного, для изготовления по­суды) выражается формулой Na 2 О . С аО. 6SiO 2 . Такое стекло получают сплавлением смеси соды, песка и известняка. Процесс проводят при температуре ~1400 °С до полного удаления газов:

Na 2 СО 3 + СаСО 3 + 6SiO 2 = N а 2 О. СаО. 6SiO 2 + 2СО 2 .

Для получения специальных сортов стекла — огнеупорного, «небьющегося» — при варке добавляют оксиды бария, свинца, бора. Для получения цветных стекол вносят также различные до­бавки, например добавка оксида кобальта Со 2 О 3 дает синий цвет, оксида хрома Сr 2 О 3 — зеленый, двуоксида марганца Мn О 2 — ро­зовый.

Оксид SiO 2 является ангидридом ряда кремниевых кислот, состав которых можно выразить общей формулой хSiO 2∙ y Н 2 O , где х и у — целые числа: 1) х = 1, у = 1: SiO 2 . Н 2 О, т.е. Н 2 SiO 3 — метакремниевая кислота; 1) х = 1, y = 2: SiO 2 . 2Н 2 О, т.е. ортокремниевая кислота; 1) x = 2, у = 1: 2SiO 2 . Н 2 О, т.е. Н 2 Si 2 O 5 – двуметакремниевая кислота.

Кислоты, молекулы которых содержат более одной молекулы SiO 2 , относятся к поликремниевым .

Самая простая из кремниевых кислот — Н 2 SiO 3 , которую часто называют просто кремниевой , а ее соли — силикатами. Из силикатов в воде растворимы только силикаты натрия и калия, остальные силикаты — тугоплавкие, нерастворимые в воде вещества.

Растворы силикатов мутнеют при стоянии на воздухе, так как находящийся в нем СО 2 вытесняет кремниевую кислоту из ее со­лей (Н 2 SiO 3 слабее угольной кислоты; константа диссоциации Н 2 SiO 3 по первой ступени равна К 1 = 2,2 . 10 -10).

Н 2 SiO 3 практически нерастворима в воде — это свойство используют как качественную реакцию для обнаружения силикат-ионов :

Na 2 SiO 3 + СО 2 + Н 2 О = N а 2 СО 3 + Н 2 SiO 3 ↓.

Получают силикаты сплавлением SiO 2 со щелочами или кар­бонатами.

Концентрированные растворы силикатов натрия и калия называют жидким стеклом , они имеют сильнощелочную реакцию вследствии того, что сильно гидролизованы :

К 2 SiO 3 + Н 2 О 2КОН + Н 2 SiO 3 ↓.

Жидкое стекло используют, например, для изготовления клея, водонепроницаемых тканей.

Цемент очень широко используется в строительстве как вяжущий материал, который при смешивании с водой затвердевает. Обычно цемент получают в больших вращающихся печах, где производят обжиг и размол различных силикатов (при температу­ре -1000 °С).

Различают несколько типов цементов, однако условно можно выделить два типа цементов по принципу их «свертывания» — обычный цемент и портландский цемент. Процесс «схватывания» обычного цемента, состоящего из силиката кальция, происходит вследствие образования карбоната кальция за счет углекислого газа воздуха:

СаО . SiO 2 + СО 2 + Н 2 О = СаСО 3 ↓ + Н 2 SiO 3 ↓.

При схватывании портландского цемента углекислота не уча­ствует в процессе, а происходит гидролиз силикатов с последующим образованием нерастворимых кристаллогидратов:

Са 3 SiO 5 + Н 2 О = Са 2 SiO 4 + Са (ОН) 2 ,

Са 2 SiO 4 + 4Н 2 О = Са 2 SiO 4 . 4Н 2 O ↓ .

Кварц, горный хрусталь, аметист, халцедон, топаз, оникс… Трудно поверить, но все эти и многие другие «чудеса подземного мира» состоят из одного и того же вещества – кремнезема, или оксида кремния (IV) SiO 2 .

Предположения о том, что в кремнеземе содержится новый, еще неизвестный элемент, высказывались учеными уже в XVIII столетии. Однако в виде простого вещества кремний был выделен лишь в XIX в. Й. Я. Берцелиусом. Вначале он нагревал смесь кремнезёма с порошком железа и углём до 1500 0 С, но чистый кремний получить не удавалось: в присутствии железа образуется ферросилиций – сплав, содержащий оба эти элемента. Поняв, в чем ошибка, Берцелиус изменил способ синтеза. В 1823 г., когда он пропустил над пары фторида кремния (IV), удача, наконец, улыбнулась ему. По реакции SiF 4 + 4K = Si + 4KF был получен порошок аморфного кремния. Берцелиус доказал также, что, сгорая на воздухе, кремний переходит в кремнезём .

Горный хрусталь

K 2 O∙Al 2 O 3 ∙6SiO 2 + 3H 2 O + 2CO 2 = Al 2 O 3 ∙2SiO 2 ∙2H 2 O + 2KHCO 3 + 4SiO 2

Радужный кварц

Получение

В промышленности для получения кремния используют чистый песок SiO 2 . В электрических печах при высокой температуре происходит восстановление кремния из его оксида :

SiO 2 + 2C = Si + 2CO

В лаборатории в качестве восстановителей используют или :

SiO 2 + 2Mg = Si + 2MgO

3SiO 2 + 4Al = 3Si + 2Al 2 O 3

Наиболее чистый кремний получают восстановлением тетрахлорида кремния или :

SiCl 4 + 2H 2 = Si + 4HCl

SiCl 4 + 2Zn = Si + 2ZnCl 2

Физические свойства

Кремний

Полученный указанными выше способами аморфный кремний представляет собой бурый порошок с температурой плавления 1420 0 С. Существует и другая аллотропная модификация кремния – кристаллический кремний . Это твердое вещество темно-серого цвета со слабым металлическим блеском, обладает тепло-и электропроводностью. Кристаллический кремний получают перекристаллизацией аморфного кремния. Аморфный кремний является более реакционноспособным, чем химически довольно инертный кристаллический кремний. Кристаллический кремний – полупроводник, его электропроводность возрастает при освещении и нагревании. Это обусловлено строением кристаллов. Структура кристаллического кремния аналогична структуре алмаза. В его кристалле каждый атом окружен тетраэдрически четырьмя другими и связан с ними ковалентной связью, хотя эта связь значительно слабее, чем между атомами в алмазе. В кристалле кремния даже при обычных условиях ковалентные связи частично разрушаются, поэтому в нем имеются свободные электроны, которые обусловливают небольшую электропроводность. При освещении, нагревании, а также при наличии некоторых примесей увеличивается число разрушаемых связей, а значит, увеличивается число свободных электронов и возрастает электропроводность.

Химические свойства и применение

По химическим свойствам кремний во многом схож с , что объясняется одинаковой структурой внешнего электронного слоя. При обычных условиях кремний довольно инертен, что обусловлено прочностью его кристаллической решетки. Непосредственно при комнатной температуре он взаимодействует только с . При температуре 400 – 600 0 С кремний реагирует с и , а в измельченный кремний сгорает. С и углеродом кремний реагирует при очень высоких температурах. Во всех указанных реакциях кремний играет роль восстановителя.

Si + 2F 2 = SiF 4

Si + 2Cl 2 = SiCl 4

Si + 2Br 2 = SiBr 4

Si + O 2 = SiO 2

3Si + 2N 2 = Si 3 N 4

Кремний как восстановитель взаимодействует и с некоторыми сложными веществами, например с :

Si + 4HF = SiF 4 + 2H 2

С другими галогеноводородами он в реакцию не вступает.

Кремний не растворяется даже в , так как на его поверхности образуется плотная оксидная пленка (SiO 2), которая препятствует реакции. Однако со смесью HNO 3 и HF кремний реагирует потому, что фтороводородная кислота растворяет SiF4:

3Si + 12HF + 4HNO 3 + 3SiF 4 + 4NO + 8H 2 O

Si + 2NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 2H 2

Восстановительные свойства кремния используют для получения некоторых из их . Например:

2MgO + Si = 2Mg + SiO 2

При взаимодействии с металлами кремний играет роль окислителя. Соединения кремния с называются силицидами:

Si + 2Mg = Mg 2 Si

В промышленности цемент получают спеканием глины и известняка СаСО 3 . Если образующийся при этом порошок смешать с водой, то получается масса, постепенно твердеющая на воздухе. При добавлении к цементу песка или щебня в качестве наполнителя получают бетон, который широко используют в строительстве. Прочность бетона возрастает, если в него вводится каркас из железных стержней. Железобетонные панели, блоки перекрытий – основа современного строительства.

Скачать:

Скачать рефераты по другим темам можно

* на изображении записи фотография аметиста