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).

Кремний. Нахождение в природе

Кремний после кислорода – самый

распространенный элемент.

Он составляет 27,6 % массы земной коры .

Однако в отличие от углерода в свободном

состоянии кремний в природе не встречается.

Наиболее распространены его соединения: SiO 2 – оксид кремния (IV) и соли кремниевых кислот –

силикаты.

Они образуют оболочку земной коры , которая на

97% состоит из соединений кремния.

Кремний содержится в организмах растений и

животных.

Кремний. Получение

В промышленности кремний получают

восстановлением SiO 2 коксом в электрических печах:

SiO2 + 2С = 2СO + Si.

В лаборатории в качестве восстановителей

используют магний или алюминий :

SiO2 + 2Mg = 2MgO + Si,

SiO2 + 4Al = 2Al2 O3 + 3Si.

Наиболее чистый кремний получают восстановлением тетрахлорида кремния парами

цинка:	SiCl4	2Zn = 2ZnCl2 + Si.

Кремний. Физические свойства

Кристаллический кремний – вещество темно-серого цвета со стальным блеском.

Кристаллическая решетка типа алмаза.

Обладает большой твердостью: царапает стекло.

Очень хрупок. Плотность 2,33 г/см3.

В сверхчистом виде применяется для изготовления полупроводников .

Кремний как полупроводник имеет преимущество перед германием.

Из него изготовляются так называемые солнечные батареи ,

которые служат для непосредственного превращения солнечного света в электрическую энергию (питание радиоустановок космических кораблей ).

Кремний состоит из трех стабильных изотопов :

14 28 Si, 29 14 Si, 30 14 Si.

Кремний. Химические свойства

По химическим свойствам кремний, как и углерод,

является неметаллом.

Но металличность выражена сильнее, чем у углерода, так как он имеет большую величину атомного радиуса

(0,118 нм).

У атомов кремния на внешнем энергетическом уровне 4 электрона.

Поэтому для кремния характерна степень окисления как – 4 , так + 4 (известно соединение SiO , где степень окисления кремния +2 ).

Однако способность принимать электроны у кремния выражена слабее, чем у углерода.

Поэтому его соединение с водородом SiH 4 менее

прочно , чем СН 4 .

Кремний. Химические свойства

Кислоты (кроме смеси НF и НNО3 ) на кремний не действуют . Однако он реагирует с растворенными или расплавленными щелочами :

Si + 2NaOH + H2 O = Na2 SiO3 + H2 .

При высокой температуре кремний соединяется с углем , образуя карбид кремния SiС (карборунд).

Это очень твердое вещество, из которого изготовляют точильные и шлифовальные камни. Химически весьма стоек .

При нагревании кремний реагирует со многими металлами:

Si + 2Mg = Mg2 Si.

Соединения металлов с кремнием называются силицидами .

С водородом кремний непосредственно не соединяется, но его водородные соединения известны.

Кремний. Химические свойства

Они образуют гомологический ряд кремневодородов (силанов ) общей формулы Sin H2n+2 (аналогия с углеродом).

Oднако известно только восемь членов ряда.

Cвязи Si – Н слабее, чем связи С – Н .

Поэтому кремневодороды по сравнению с

соответствующими углеводородами менее устойчивы и более реакционноспособны.

Простейшее водородное соединение – силан SiН 4 –

получается при действии на силицид магния соляной

кислотой: Mg2 Si + 4HCl = 2MgCl2 + SiH4 .

Силан – ядовитый газ с неприятным запахом,

самовоспламеняется на воздухе:

SiH4 + 2О2 = 2Н2 О+ SiО2 .

Оксид кремния (IV)

Оксид кремния (IV ), или кремнезем ,– твердое, очень тугоплавкое вещество. Распространен в природе в двух видах.

1 . Kристаллический кремнезем – в виде минерала кварца и его разновидностей (горный хрусталь ,

хальцедон, агат, яшма, кремень).

Кварц составляет основу кварцевых песков, широко используемых в строительстве и в силикатной промышленности.

2 . Aморфный кремнезем – в виде минерала опала

состава SiO 2 ·nН 2 0 .

Землистыми формами аморфного кремнезема являются диатомит , трепел (инфузорная земля).

Оксид кремния (IV)

Примером искусственного аморфного безводного

кремнезема может служить силикагель .

При 1710 ° С кварц плавится .

В случае быстрого остывания расплавленной

массы образуется кварцевое стекло .

Раскаленное кварцевое стекло не трескается при

быстром охлаждении водой, так как оно имеет

очень малый коэффициент расширения.

Из кварцевого стекла изготовляют

лабораторную посуду и научные приборы.

Оксид кремния (IV). Химические свойства

По химическим свойствам SiO 2 является ангидридом метакремниевой , или просто кремниевой кислоты Н 2 SiO 3 .

При сплавлении его с твердыми щелочами , основными оксидами и карбонатам и образуются силикаты – соли кремниевой кислоты:

SiO2 + 2NaOH = Na2 SiO3 + H2 O,

SiO2 + CaO = CaSiO3 ,

SiO2 + Na2 СO3 = Na2 SiO3 + СО2 .

Из кислот с оксидом кремния (IV ) взаимодействует только

плавиковая кислота:

SiO2 + 4HF = SiF4 + 2H2 O.

С помощью этой реакции производится травление стекла.

Кремниевые кислоты

В воде оксид кремния (IV ) не растворяется и с ней

химически не взаимодействует.

Поэтому кремниевую кислоту получают косвенным

путем, действуя кислотой на раствор силиката

калия или натрия:

SiO3 2 − + 2H+ = H2 SiO3 .

При этом кремниевая кислота (в зависимости от

концентрации исходных растворов соли и кислоты)

может быть получена как в виде студнеобразной массы , содержащей воду, так и в виде коллоидного

раствора (золя).

Кремниевые кислоты

Оксиду кремния (IV) соответствует ряд кислот общей формулы х SiO 2 ·у Н 2 О где х и у – целые числа. Например:

а) х = 1, у = 1 → SiO 2 ·Н 2 О

Н 2 SiO 3 – метакремниевая кислота;

б) х = I, у = 2 → SiO 2 ·2Н 2 О

Н 4 SiO 4 – ортокремниевая кислота;

в) х-2, у = 1 → 2SiO 2 ·Н 2 О

Н 2 Si 2 O 5 – двуметакремнйевая кислота.

Кремниевые кислоты, в которых х >1 , называются

поликремниевыми.

В воде поликремниевые кислоты практически

нерастворимы.

Все кремниевые кислоты слабее угольной.

Кремниевые кислоты, их соли

Н 2 SiO 3 – кислота очень слабая.

При нагревании, по аналогии с угольной кислотой,

легко распадается:

H2 SiO3 = H2 O + SiO2 .

Будучи двухосновной кислотой, диссоциирует ступенчато: H 2 SiO 3 H + + НSiO − з ,

HSiO3 − H+ + SiO3 2 − .

Соли кремниевых и поликремниевых кислот называются силикатами .

Их состав обычно изображают в виде соединений оксидов элементов .

Например, CaSiO 3 можно выразить формулой

СаO·SiО2 .

Кремниевые кислоты, их соли

Силикаты состава R 2 O·nSiO 2 , где R 2 0 – оксиды натрия или калия , называются растворимым стеклом , а их концентрированные водные растворы – жидким стеклом .

Наибольшее значение имеет натриевое растворимое стекло .

В технике его получают как сплавлением кварцевого песка с содой, так и обработкой

аморфного кремнезема концентрированным

раствором щелочи:

SiO2 + Na2 CO3 = Na2 SiO3 + CO2 ,

SiO2 + 2NaOH = Na2 SiO3 + H2 O.

Кремниевые кислоты, их соли

Жидкое стекло применяется:

в качестве связующего при изготовлении кислотоупорных бетонов ,

для изготовления замазок ,

конторского клея,

пропитки тканей, дерева и бумаги для придания им огнестойкости и водонепроницаемости .

Природные соединения кремния

Земная кора состоит из оксида кремния (IV ) и

различных силикатов .

Природные силикаты имеют сложный состав и

строение.

Их можно рассматривать как соли поликремниевых кислот .

Вот состав некоторых природных силикатов:

полевой шпат: К 2 О·А1 2 0 3 ·6SiO 2 ;

слюда : К2 О·3А12 03 ·6SiO2 ·2Н2 О;

aсбест : ЗМgO·2SiO2 ·2Н2 О;

каолинит : А12 03 2SiO2 ·2Н2 О.

Природные соединения кремния

Из перечисленных силикатов алюмосиликатами являются полевой шпат , каолинит и слюда .

В природе наиболее распространены именно

алюмосиликаты, например, полевые шпаты .

Распространены также смеси различных силикатов.

Так, горные породы – граниты и гнейсы – состоят из кристалликов кварца , полевого шпата и слюды .

Горные породы и минералы на поверхности земли под

действием температуры, а затем влаги и оксида

углерода (IV) выветриваются , т. е. медленно разрушаются .

Природные соединения кремния

Процесс выветривания полевого шпата можно

выразить уравнением:

K2 O Al2 O3 6SiO2 + 2H2 O + CO2 =

Al2 O3 2SiO2 2H O + K2 CO3 + 4SiO2 .

Основным продуктом выветривания является минерал каолинит – главная составная часть белой глины.

В результате выветривания горных пород на земле образовались залежи глины , песка и солей .

Из искусственных силикатов наибольшее значение

имеют стекло, цемент и керамика.

Получение стекла

Состав обычного оконного стекла примерно

выражается формулой Na 2 О·СаО·6SiO 2 .

Стекло получают сплавлением в специальных печах смеси соды Na 2 СО 3 , мела СаСO 3 и белого песка SiO 2 .

Сначала образуются силикаты натрия и кальция:

SiO2 + Na2 CO3 = Na2 SiO3 + CO2 ,SiO3 + CO2 + 2SO2 .

Для получения специального стекла изменяют состав исходной смеси.

Заменяя соду Nа 2 СO 3 поташем К 2 СO 3 , получают

тугоплавкое стекло для химической посуды.

Получение стекла

Заменяя мел СаСО 3 оксидом свинца (II) РbО ,

получают хрустальное стекло.

Добавки оксидов металлов к исходной смеси

придают стеклу различную окраску.

Так, оксид хрома (III) Сr 2 О 3 придает зелёную окраску, оксид кобальта (II) СоО – синюю, оксид марганца (IV) МnO 2 – красновато-лилову и т. д.

Из стекла изготовляются волокна и ткани для технических нужд.

Получение цемента

Портландцемент представляет собой вяжущее порошкообразное вещество , которое при смешении

с водой затвердевает на воздухе и в воде в

камнеподобную массу.

Обычно его получают обжигом (1400 – 1600 °С) сырьевой смеси, состоящей из известняка и глины .

Прокаливание производится в специальных цилиндрических вращающихся печах.

Получаемая спекшаяся зернистая масса называется клинкером . Это полуфабрикат.

Клинкер с соответствующими добавками размалывают в тонкий порошок в шаровых мельницах

и получают окончательный продукт.

Получение цемента

В природе встречаются породы, которые содержат

известняк и глину в соотношениях, необходимых для получения портландцемента .

Их называют мергелями . На их основе работают

крупные цементные заводы.

Часто сырьевую смесь готовят искусственным путем.

Регулируя состав смесей, получают различные виды

цемента:

быстротвердеющие,

морозостойкие,

коррозионностойкие и др.

Получение цемента

Из смеси цемента, воды и заполнителей (песок, гравий, щебень, шлак) после их затвердевания

получают искусственный камень – бетон .

Смесь этих материалов до затвердевания называется бетонной смесью.

При затвердевании цементное тесто связывает зерна заполнителей.

Затвердевание происходит даже в воде .

Бетон со стальной арматурой (внутренним каркасом)

называется железобетоном.

Бетоны и железобетоны в больших количествах идут на сооружение гидроэлектростанций , дорог , несущих конструкций зданий .

Получение цемента

Разработаны и изготовляются также бетоны , в

которых в качестве вяжущего используются

органические полимеры или полимеры совместно с

цементом.

Это так называемые пластобетоны , обладающие особыми свойствами.

Производство стекла, цемента и керамики относится к силикатной промышленности ,

перерабатывающей природные соединения кремния.

Изобразить электронное строение атома кремния и указать их характерные степени окисления.

Назвать природные соединения кремния.

Каковы физические и химические свойства кремния?

Охарактеризовать важнейшие химические свойства оксида кремния (IV).

Как, исходя из кремния, получить кремниевую кислоту? Написать уравнения соответствующих реакций.

Что представляют собой силикаты?

Написать ионное уравнение гидролиза силиката натрия. Какие производства относятся к силикатной промышленности?

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.

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.

(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) .