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.
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
(Silicium), Si - хим. элемент IV группы периодической системы элементов; ат. н. 14, ат. м. 28,086. Кристаллический кремний- темно-серое вещество со смолистым блеском. В большинстве соединений проявляет степени окисления - 4, +2 и +4. Природный кремний состоит из стабильных изотопов 28Si (92,28%), 29Si (4,67%) и 30Si (3,05%). Получены радиоактивные 27Si, 31Si и 32Si с периодами полураспада соответственно 4,5 сек, 2,62 ч и 700 лет. К. впервые выделен в 1811 франц. химиком и физиком Ж. Л. Гей-Люссаком и франц. химиком Л. Ж. Тенаром, но идентифицирован лишь в 1823 швед, химиком и минералогом Й. Я. Берцелиусом.
По распространенности в земной коре (27,6%) Кремний- второй (после кислорода) элемент. Находится преим. в форме кремнезема Si02 и др. кислородсодержащих веществ (силикатов, алюмосиликатов и т. д.). При обычных условиях образуется стабильная полупроводниковая модификация К., отличающаяся гранецентрированной кубической структурой типа алмаза, с периодом а = 5,4307 А. Межатомное расстояние 2,35 А. Плотность 2,328 г\см. При высоком давлении (120-150 кбар)переходит в более плотные полупроводниковые и металлическую модификации. Металлическая модификация-сверхпроводник с т-рой перехода 6,7 К. С ростом давления точка плавления понижается с 1415 ± 3° С при давлении 1 бар до 810° С при давлении 15 104 бар (тройная точка сосуществования полупроводникового, металлического и жидкого К.). При плавлении происходят увеличение координационного числа и металлизация межатомных связей. Аморфный кремний по характеру ближнего порядка, отвечающего сильно искаженной объемноцентрированной кубической структуре, близок к жидкому. Дебаевская т-ра близка к 645 К. Коэфф. температурного линейного расширения изменяется с изменением т-ры по экстремальному закону, ниже т-ры 100 К он становится отрицательным, достигая минимума (-0,77 · 10 -6) град -1 при т-ре 80 К; при т-ре 310 К он равен 2,33 · 10 -6 град -1 , а при т-ре 1273 К -4,8 · 10 град -1 . Теплота плавления 11,9 ккал/г-атом;tкип.3520 К.
Теплота сублимации и испарения при т-ре плавления соответственно 110 и 98,1 ккал/г-атом. Теплопроводность и электропроводность кремния зависят от чистоты и совершенства кристаллов. С ростом т-ры коэфф. теплопроводности чистого К. вначале увеличивается (до 8,4 кал/см X X сек · град при т-ре 35 К), а затем убывает, достигая 0,36 и 0,06 кал/см · сек · град при т-ре соответственно 300 и 1200 К. Энтальпия, энтропия и теплоемкость К. в стандартных условиях равны соответственно 770 кал/г-атом, 4,51 и 4,83 кал/г-атом — град. Кремний диамагнитен, магнитная восприимчивость твердого (-1,1 · 10 -7 э.м.е./г) и жидкого (-0,8 · 10 -7 э.м.е./г). Кремний слабо зависит от т-ры. Поверхностная энергия, плотность и кинематическая вязкость жидкого К. при т-ре плавления составляют 737 эрг/см2, 2,55 г/см3 и 3 · 10 м2/сек. Кристаллический кремния типичный полупроводник с шириной запрещенной зоны 1,15 эв при т-ре 0 К и 1,08 эв - при т-ре 300 К. При комнатной т-ре концентрация собственных носителей зарядов близка к 1,4 · 10 10 см -3 , эффективная подвижность электронов и дырок - соответственно 1450 и 480 см 2 /в · сек, а удельное электрическое сопротивление - 2,5 · 105 ом · см. С ростом т-ры они изменяются по экспоненциальному закону.
Электро свойства кремния зависят от природы и концентрации примесей, а также от совершенства кристалла. Обычно для получения полупроводникового К. с проводимостью р- и n-типа его легируют элементами IIIв (бором, алюминием, галлием) и Vв (фосфором, мышьяком, сурьмой, висмутом) подгрупп, создающими совокупность соответственно акцепторных и донорных уровней, расположенных вблизи границ зон. Для легирования используют и др. элементы (напр., ), формирующие т. и. глубокие уровни, к-рые обусловливают захват и рекомбинацию носителей зарядов. Это позволяет получать материалы с высоким электр. сопротивлением (1010 ом · см при т-ре 80 К) и небольшой продолжительностью существования неосновных носителей зарядов, что важно для увеличения быстродействия различных устройств. Коэфф. термоэдс кремния существенно зависит от т-ры и содержания примесей, увеличиваясь с ростом электросопротивления (при р = 0,6 ом — см, а = 103 мкв/град). Диэлектрическая проницаемость кремния (от 11 до 15) слабо зависит от состава и совершенства монокристаллов. Закономерности оптического поглощения кремния сильно изменяются с изменением его чистоты, концентрации и характера дефектов строения, а также длины волны.
Граница непрямого поглощения электромагнитных колебаний близка к 1,09 эв, прямого поглощения - к 3,3 эв. В видимой области спектра параметры комплексного показателя преломления (n - ik) весьма существенно зависят от состояния поверхности и наличия примесей. Для особо чистого К. (при λ = 5461 А и т-ре 293 К) n = 4,056 и к = 0,028. Работа выхода электронов близка к 4,8 эв. Кремний хрупок. Его твердость (т-ра 300 К) по Моосу - 7; НВ = 240; HV щ = 103; И = 1250 кгс/мм2; модуль норм, упругости (поликристалла) 10 890 кгс/мм2. Предел прочности зависит от совершенства кристалла: на изгиб от 7 до 14, на сжатие от 49 до 56 кгс/мм2; коэфф. сжимаемости 0,325 1066 см2/кг.
При комнатной т-ре кремний практически не взаимодействует с газообразными (исключая ) и твердыми реагентами, кроме щелочей. При повышенной т-ре активно взаимодействует с металлами и неметаллами. В частности, образует карбид SiC (при т-ре выше 1600 К), нитрид Si3N4 (при т-ре выше 1300 К), фосфид SiP (при т-ре выше 1200 К) и арсениды Si As, SiAS2 (при т-ре выше 1000 К). С кислородом реагирует при т-ре выше 700 К, образуя двуокись Si02, с галогенами - фторид SiF4 (при т-ре выше 300 К), хлорид SiCl4 (при т-ре выше 500 К), бромид SiBr4 (при т-ре 700 К) и нодид SiI4 (при т-ре 1000 К). Интенсивно реагирует со мн. металлами, образуя твердые растворы замещения в них или хим. соединения - силициды. Концентрационные области гомогенности твердых растворов зависят от природы растворителя (напр., в германии от 0 до 100%, в железе до 15%, в альфа-цирконии менее 0,1%).
Металлов и неметаллов в твердом кремне значительно меньше и обычно ретроградна. При этом предельные содержания примесей, создающих в К. неглубокие уровни, достигают максимума ( 2 · 10 18 , 10 19 , 2 · 10 19 , 1021, 2 · 10 21 см) в области т-р от 1400 до 1600 К. Примеси с глубокими уровнями отличаются заметно меньшей растворимостью (от 1015 для селена и 5 · 10 16 для железа до 7 · 10 17 для никеля и 10 18 см-3 для меди). В жидком состоянии кремний неограниченно смешивается со всеми металлами, часто с весьма большим выделением тепла. Чистый кремний готовят из технического продукта 99% Si и по — 0,03% Fe, Аl и Со), получаемого восстановлением кварца углеродом в электро печах. Вначале из него отмывают к-тами (смесью соляной и серной, а затем фтористоводородной и серной) примеси, после чего полученный продукт (99,98%) обрабатывают хлором. Синтезированные очищают дистилляцией.
Полупроводниковый кремний получают восстановлением хлорида SiCl4 (или SiHCl3) водородом или термическим разложением гидрида SiH4. Окончательную очистку и выращивание монокристаллов осуществляют бестигельной зонной плавной или по методу Чохральского, получая особо чистые слитки (содержание примесей до 1010-1013 см-3) ср > 10 3 ом · см. В зависимости от назначения К. в процессе приготовления хлоридов или при выращивании монокристаллов в них вводят дозированные количества необходимых примесей. Так готовят цилиндрические слитки диаметром 2- 4 и длиной 3-10 см. Для спец. целей выпускают и более крупные монокристаллы. Технический кремний и особенно его с железом используют в качестве раскислателей стали и восстановителей, а также легирующих присадок. Особо чистые образцы монокристаллического К., легированного различными элементами, находят применение в качестве основы разнообразных слаботочных (в частности, термоэлектрических, радио-, свето- и фототехнических) и сильноточных (выпрямители, преобразователи) устройств.
Силиций или кремний
Кремний относится к неметаллам, его атомы на внешнем энергетическом уровне имеют 4 электрона. Он может отдавать их, проявляя степень окисления + 4 , и присоединять электроны, проявляя степень окисления — 4 . Однако способность присоединять электроны у кремния значительно меньше, чем у углерода. Атомы кремния имеют большой радиус, чем атомы углерода.
Нахождение кремния в природе
Кремний очень распространён в природе. на его долю приходится свыше 26% массы земной коры. По распространённости он занимает второе место (после кислорода) . В отличие от углерода C в свободном состоянии в природе не встречается. Он входит в состав различных химических соединений, в основном разных модификаций оксида кремния (IV) и солей кремниевых кислот (силикатов) .
Получение кремния
В промышленности кремний технической чистоты (95 — 98%) получают, восстанавливая SiO 2 коксом в электрических печах при прокаливании:
SiO 2 + 2C = Si + 2CO
SiO 2 + 2Mg = Si + 2MgO
Таким способом получают аморфный с примесями порошок кремния бурого цвета. Перекристаллизацией из расплавленных металлов (Zn , Al) его можно перевести в кристаллическое состояние.
Для полупроводниковой техники кремний очень высокой чистоты получают, восстановлением при 1000°C тетрахлорид кремния SiCl 4 парами цинка:
SiCl 4 + 2Zn = Si + 2ZnCl 2
и очищая его после этого специальными методами.
Физические и химические свойства кремния
Чистый кристаллический кремний — хрупкий и твёрдый, царапает . Подобно алмазу, он имеет кубическую кристаллическую решётку с ковалентным типом связи. Температура плавления его 1423 °C . При обычных условиях кремний малоактивный элемент, соединяется только с фтором, но при нагревании вступает в различные химические реакции.
Его используют как ценный материал в полупроводниковой технике. По сравнению с другими полупроводниками он отличается значительной стойкость против действия кислот и способностью сохранять большое электрическое сопротивление до 300°C . Технический кремний и ферросилиций используют также в металлургии для производства жароустойчивых, кислотоустойчивых и инструментальных сталей, чугунов и многих других сплавов.
С металлами кремний образует химические соединения, называемые силицидами, при нагревании с магнием образуется силицид магния:
Si + 2Mg = Mg 2 Si
Силициды металлов по структуре и свойствам напоминают карбиды, так металлоподобные силициды, так же как и металлоподобные карбиды, отличаются большой твёрдостью, высокой температурой плавления, хорошей электропроводностью.
При прокаливании смеси песка с коксом в электрических печах образуется соединения кремния с углеродом — карбид кремния, или карборунд:
SiO 2 + 3C = SiC + 2CO
Карборунд — тугоплавкое бесцветное твёрдое вещество, ценный абразивными и жароустойчивым материалом. Карборунд, как и , имеет атомную кристаллическую решётку. В чистом состоянии — это изолятор, но в присутствии примесей становится полупроводником.
Кремний как и , образует два оксида: оксид кремния (II) SiO и оксид кремния (IV) SiO 2 . Оксид кремния (IV) — твёрдое тугоплавкое вещество, широко распространённое в природе в свободном состоянии. Это химически устойчивое вещество, взаимодействует только со фтором и газообразным фтористым водородом или плавиковой кислотой:
SiO 2 + 2F 2 = SiF 4 + O 2
SiO 2 + 4HF = SiF 4 + 2H 2 O
Приведённое направление реакций объясняется тем, что кремний имеет большое сродство к фтору. Кроме того, тетрафторид кремния — летучее вещество.
В технике прозрачный SiO 2 используют для изготовления устойчивого тугоплавкого кварцевого стекла, которое хорошо пропускает ультрофиалетовые лучи, имеет большой коэффицент расширения, поэтому выдерживает значительные мгновенные изменения температуры. Аморфная модификация оксида кремния (II) трепел — имеет большую пористость. Его используют как тепло и звукоизолятор, для производства динамита (носитель взрывчатого ) и так далее. Оксид кремния (IV) в виде обычного песка — один из основных строительных материалов. Его используют в производстве огнестойких и кислотостойких материалов, стекла, как флюс в металлургии и так далее.
Сравнимая молекулярные формулы, химические и физические свойства оксида углерода (IV) и оксида кремния (IV) , легко увидеть, что свойства этих сходных по химическому составу соединений различны. Это объясняется тем, что оксид кремния (IV) состоит не просто из молекул SiO 2 , а из их ассоциатов, в которых атомы кремния соединяются между собой атомами кислорода. Оксиду кремния (IV) (SiO 2 )n .Изображение её на плоскости такое:
¦ ¦ ¦
O O O
¦ ¦ ¦
¦ ¦ ¦
O O O
¦ ¦ ¦
— O — Si — O — Si — O — Si — O —
¦ ¦ ¦
O O O
¦ ¦ ¦
Атомы кремния расположены в центре тетраэдра, а атомы кислорода — по углам его. Связи Si — O очень прочные, этим и объясняется большая твёрдость оксида кремния (IV) .
Оксид кремния (II)
Монооксид кремния получают обычно при нагревании SiO 2 или силикатов с такими восстановителями, как водород, кремний или уголь, до температуры свыше ~1100°С в вакууме; при этом лучший выход достигается при использования кремния в качестве восстановителя. Образующийся газообразный мономерный SiO конденсируется в полимерной форме на частях реакционного прибора, которые нагреты не выше 400°С - температуры диспропорционирования SiO. На более горячих частях прибора осаждается бурая смесь из кремния и SiO 2 , которые являются продуктами диспропорционирования.
Si + SiO 2 > SiO
Тесную смесь тонкоизмельченного кремния (>98,5% кремния) с прокаленным и тонкоизмельченным кварцем наивысшей чистоты (целесообразно спрессовать в таблетки) помещают в закрытую с одной стороны трубку из пифагоровой массы или спеченного корунда (ближе к закрытому концу). Трубка присоединена к высоковакуумному насосу. В трубке создают вакуум 10 -3 --10 -4 мм рт. ст., а затем медленно нагревают закрытый конец трубки в электрической печи приблизительно до 1250°С, примерно через 4 ч процесс заканчивается. В той части трубки, которая во время нагревания имела более низкую температуру, находится SiO в виде черной хрупкой массы, а в переходной зоне трубки, имевшей в процессе нагревания температуру 400 - 700°С, - объемистая бурая смесь SiO 2 и кремния. SiO легко отделяется от стенок трубки с помощью шпателя из нержавеющей стали. Окисление SiO на воздухе обычно начинается уже при ~1000°С (хотя он может самопроизвольно тлеть), поэтому трубку после охлаждения следует заполнить азотом или аргоном. Извлечение SiO проводят также в среде инертного газа.
Особенно важно, чтобы нагревающаяся до 400--700°С переходная зона трубки, где образовавшийся SiO снова распадается на кремний и SiO 2 , была как можно короче. Это имеет место в случае использования плохо проводящих тепло керамических трубок. Напротив, в хорошо проводящих тепло металлических трубках, которые тоже рекомендуются для получения SiO, эта переходная зона длиннее, и выход из-за этого чрезвычайно низкий.
Газообразный SiO можно также конденсировать прямо в горячей зоне на охлаждаемом водой «пальце» из железа или меди. При этом он осаждается в волокнистой форме.
Оксид кремния (IV)
В лабораторных условиях синтетический диоксид кремния может быть получен действием кислот, даже слабой уксусной, на растворимые силикаты. Например:
Na 2 SiO 3 + 2CH 3 COOH > 2CH 3 COONa + H 2 SiO 3
Кремниевая кислота сразу распадается на воду и SiO 2 , выпадающий в осадок.
Синтетический диоксид кремния получают нагреванием кремния до температуры 400--500°C в атмосфере кислорода, при этом кремний окисляется до диоксида SiO 2 . А также термическим оксидированием при больших температурах.
Натуральный диоксид кремния в виде песка используется там, где не требуется высокая чистота материала.
В настоящее время ведутся работы по получению диоксида кремния с наибольшим выходом. Опишем, один из новейших экологически безопасный и практически безотходный способ получения высокочистого диоксида кремния сорта белая сажа или аэросил. Этот метод выполняется по следующей схеме:
Схема очистки от примесей кварцевого концентрата.
Расплавленный фторид аммония, который при нормальных условиях представляют собой неагрессивное, твердое, кристаллическое вещество, - более энергичный фторирующий реагент, чем газообразный фтороводород. Достоинством фторида аммония является энергичное взаимодействие его расплава с оксидом кремния, при этом образуется кремнефториды аммония, в частности - гексафторосиликат аммония (NH 4) 2 SiF 6 , который в нормальных условиях является неагрессивным, хорошо растворимым в воде порошком. При нагревании (NH 4) 2 SiF 6 возгоняется без разложения, а при охлаждении десублимируется - данное свойство используется для очистки от примесей кварцевого концентрата.
На стадии осаждения гидратированного оксида кремния используется регенерированная аммиачная вода, которая образуется в результате взаимодействия исходного оксида кремния (кварцевого песка) с фторидом аммония. Таким образом, разработанная фтороаммонийная технология получения оксида кремния является практически безотходной, так как использует реагенты, регенерирующиеся в ходе технологического цикла.
Кремний IV оксид ТУ 6-09-3379-79
SiO 2
Диоксид кремния (кремнезём , SiO 2 ; лат. silica ) - оксид кремния (IV). Бесцветные кристаллы с температурой плавления+1713…+1728 °C, обладающие высокой твёрдостью и прочностью.
Диоксид кремния - главный компонент почти всех земных горных пород, в частности, кизельгура. Из кремнезёма и силикатов состоит 87 % массы литосферы. В крови и плазме человека концентрация кремнезёма составляет 0,001 % по массе.
Свойства
- Относится к группе кислотных оксидов.
- При нагревании взаимодействует с основными оксидами и щелочами.
- Реагирует с плавиковой кислотой.
- SiO 2 относится к группе стеклообразующих оксидов, то есть склонен к образованию переохлажденного расплава - стекла.
- Один из лучших диэлектриков (электрический ток не проводит, если не имеет примесей и не нагревается).
Полиморфизм
Диоксид кремния имеет несколько полиморфных модификаций.
Самая распространённая из них на поверхности земли - α-кварц - кристаллизуется в тригональной сингонии. При нормальных условиях диоксид кремния чаще всего находится в полиморфной модификации α-кварца, которая при температуре выше +573 °C обратимо переходит в β-кварц. При дальнейшем повышении температуры кварц переходит в тридимит и кристобалит. Эти полиморфные модификации устойчивы при высоких температурах и низких давлениях.
В природе также встречаются формы - опал, халцедон, кварцин, лютецит, аутигенный кварц, которые относятся к группе кремнезёма. Опал (SiO 2 *nH 2 O) в шлифе бесцветен, изотропен, имеет отрицательный рельеф, отлагается в морских водоемах, входит в состав многих кремнистых пород. Халцедон, кварцин, лютецит - SiO 2 - представляют собой скрытокристаллические разновидности кварца. Образуют волокнистые агрегаты, розетки, сферолиты, бесцветные, голубоватые, желтоватые. Отличаются между собой некоторыми свойствами - у халцедона и кварцина - прямое погасание, у лютецита - косое, у халцедона - отрицательное удлинение.
При высоких температуре и давлении диоксид кремния сначала превращается в коэсит (который в 1953 году был синтезирован американским химиком Лорингом Коэсом), а затем в стишовит (который в 1961 году был синтезирован С. М. Стишовым, а в 1962 году был обнаружен в метеоритном кратере) [источник не указан 2294 дня ] . Согласно некоторым исследованиям, стишовит слагает значительную часть мантии, так что вопрос о том, какая разновидность SiO 2 наиболее распространена на Земле, пока не имеет однозначного ответа.
Также имеет аморфную модификацию - кварцевое стекло.
Химические свойства
Диоксид кремния SiO 2 - кислотный оксид, не реагирующий с водой.
Химически стоек к действию кислот, но реагирует с газообразным фтороводородом:
и плавиковой кислотой:
Эти две реакции широко используют для травления стекла.
При сплавлении SiO 2 с щелочами и основными оксидами, а также с карбонатами активных металлов образуются силикаты - соли не имеющих постоянного состава очень слабых, нерастворимых в воде кремниевых кислот общей формулы xH 2 O·ySiO 2 (довольно часто в литературе упоминаются не кремниевые кислоты, а кремниевая кислота, хотя фактически речь при этом идет об одном и том же веществе).
Например, может быть получен ортосиликат натрия:
метасиликат кальция:
или смешанный силикат кальция и натрия:
Из силиката Na 2 CaSi 6 O 14 (Na 2 O·CaO·6SiO 2) изготовляют оконное стекло.
Большинство силикатов не имеет постоянного состава. Из всех силикатов растворимы в воде только силикаты натрия и калия. Растворы этих силикатов в воде называют жидким стеклом. Из-за гидролиза эти растворы характеризуются сильно щелочной средой. Для гидролизованных силикатов характерно образование не истинных, а коллоидных растворов. При подкислении растворов силикатов натрия или калия выпадает студенистый белый осадок гидратированных кремниевых кислот.
Главным структурным элементом как твердого диоксида кремния, так и всех силикатов, выступает группа , в которой атом кремния Si окружен тетраэдром из четырёх атомов кислорода О. При этом каждый атом кислорода соединен с двумя атомами кремния. Фрагменты могут быть связаны между собой по-разному. Среди силикатов по характеру связи в них фрагментов выделяют островные, цепочечные, ленточные, слоистые, каркасные и другие.
Получение
Синтетический диоксид кремния получают нагреванием кремния до температуры +400…+500 °C в атмосфере кислорода, при этом кремний окисляется до диоксида SiO 2 . А также термическим оксидированием при больших температурах.
В лабораторных условиях синтетический диоксид кремния может быть получен действием кислот, даже слабой уксусной, на растворимые силикаты. Например:
кремниевая кислота сразу распадается на воду и SiO 2 , выпадающий в осадок.
Натуральный диоксид кремния в виде песка используется там, где не требуется высокая чистота материала.
Применение
Диоксид кремния применяют в производстве стекла, керамики, абразивов, бетонных изделий, для получения кремния, как наполнитель в производстве резин, при производстве кремнезёмистых огнеупоров, в хроматографии и др. Кристаллы кварца обладают пьезоэлектрическими свойствами и поэтому используются в радиотехнике, ультразвуковых установках, в зажигалках.Аморфный непористый диоксид кремния применяется в пищевой промышленности в качестве вспомогательного вещества E551, препятствующего слёживанию и комкованию, парафармацевтике (зубные пасты), в фармацевтической промышленности в качестве вспомогательного вещества (внесён в большинство Фармакопей), а также пищевой добавки или лекарственного препарата в качестве энтеросорбента.
Искусственно полученные плёнки диоксида кремния используются в качестве изолятора при производстве микросхем и других электронных компонентов.
Также используется для производства волоконно-оптических кабелей. Используется чистый плавленый диоксид кремния с добавкой в него некоторых специальных ингредиентов.
Кремнезёмная нить также используется в нагревательных элементах электронных сигарет, так как хорошо впитывает жидкость и не разрушается под нагревом спирали.
Крупные прозрачные кристаллы кварца используются в качестве полудрагоценных камней; бесцветные кристаллы называют горным хрусталём, фиолетовые - аметистами, жёлтые - цитрином.
В микроэлектронике диоксид кремния является одним из основных материалов. Его применяют в качестве изолирующего слоя, а также в качестве защитного покрытия. Получают в виде тонких плёнок термическим окислением кремния, химическим осаждением из газовой фазы, магнетронным распылением.
Пористые кремнезёмы
Пористые кремнезёмы получают различными методами.
Силохром получают путём агрегирования аэросила, который, в свою очередь, получают сжиганием силана (SiH 4). Силохром характеризуется высокой чистотой, низкой механической прочностью. Характерный размер удельной поверхности 60-120 м²/г. Применяется в качестве сорбента в хроматографии, наполнителя резин, катализе.
Силикагель получают путём высушивания геля кремниевой кислоты. В сравнении с силохромом обладает меньшей чистотой, однако может обладать чрезвычайно развитой поверхностью: обычно от 300 м²/г до 700 м²/г.
Кремниевый аэрогель приблизительно на 99,8 % состоит из воздуха и может иметь плотность до 1,9 кг/м³ (всего в 1,5 раза больше плотности воздуха).