Оксид кремния (IV)
Оксид кремния (IV)
Физические свойства и нахождение в природе
Оксид кремния (IV) SiO2 – это твердое вещество с атомной кристаллической решеткой. В природе встречается в виде кварца, речного песка, кремнезема и прочих модификаций:
Химические свойства
Еще пример : диоксид кремния взаимодействует с оксидом кальция.
SiO2 + CaO → CaSiO3
4. Из кислот диоксид кремния реагирует только с плавиковой или с газообразным фтороводородом:
5. При температуре выше 1000 °С оксид кремния реагирует с активными металлами, при этом образуется кремний.
SiO2 + 2Mg → Si + 2MgO
Видеоопыт взаимодействия оксида кремния (IV) с магнием можно посмотреть здесь.
При избытке восстановителя образуются силициды:
SiO2 + 4Mg → Mg2Si + 2MgO
6. Оксид кремния (IV) взаимодействует с неметаллами.
Еще пример : оксид кремния взаимодействует с углеродом. При этом образуется карборунд и угарный газ:
SiO2 + 3С → SiС + 2СО
При сплавлении оксид кремния взаимодействует с фосфатом кальция и углем:
Гидроксид кремния: свойства, структурная формула и способы получения
Впервые кремний стал известен человечеству как самостоятельный химический элемент в 1825 году. Это вещество является неметаллом, который в зависимости от условий реакции может быть восстановителем и окислителем. Основные химические и физические свойства этого элемента повлияли на его распространённость в народном хозяйстве. Структурную формулу гидроксид кремния, а также сферы его использования изучают на уроках химии в 8 классе.
Краткое описание
В привычном понимании высшего гидроксид кремния не существует. Но благодаря своим физическим свойствам этот элемент получил большой спрос в промышленности. В аморфном состоянии это вещество в результате химической реакции с водяным паром (при температуре +500 °C) образует водород плюс диоксид кремния. Например, Si (аморфный) + 2H2O (пар) → SiO2 + 2H2.
Полученный диоксид кремния представляет собой слабый кислотный оксид, который после присоединения водорода может образовывать кремниевые кислоты. Для обозначения гидроксид кремния используется общая формула — H2SiO3.
В зависимости от общего количества задействованных атомов кремния, водорода и кислорода может образовываться несколько разновидностей кислот:
В научной среде соли кремниевых кислот (химическая формула — nSiO2∙mH2O) принято называть силикатами. Для их получения недостаточно соединить H2SiO3 с Н2О, так как даже при самой высокой температуре диоксид не вступает в реакцию с водой. Чистый кремний можно получить только в результате взаимодействия гидроокиси кремния с водородом. Записать эту химическую реакцию можно так: SiO2 + 2Н2 → Si + 2H2O.
В лабораторных условиях получить H2SiO3 можно только двумя способами:
Физические характеристики
В промышленной отрасли чаще всего используется кристаллический кремний. Это связано с тем, что физические свойства этого материала позволяют выпускать различный товар с высокими эксплуатационными характеристиками. Плавиться H2SiO3 начинает при температуре +1417 °C, а закипает при +2600 °C. Материал весьма хрупкий, так как показатель его плотности не превышает 2.33 г/куб. см. Гидроксид кремния получил 7 баллов по шкале Мооса. Уровень диэлектрической проницаемости не превышает 1.17.
H2SiO3 является неметаллом, из-за чего его электрические свойства полностью зависят от присутствующих в составе примесей. В промышленной отрасли специалисты научились использовать эту особенность химического вещества в свою пользу, так как на любом этапе производства они могут смоделировать нужный тип проводника.
При комнатной температуре силициум является хрупким, но если нагреть его до отметки +800 °C, тогда не исключена пластическая деформация. Итоговые характеристики аморфного кремния могут существенно отличаться, что связано с его гигроскопичностью. Это химическое вещество может вступать в различные реакции даже при комнатной температуре.
Химические свойства
Задействованные щёлочи могут перевести кремний в Na2SiO3 с последующим выделением водорода. H2SiO3 растворим практически во всех расплавленных металлах, а с некоторыми из них может формировать различные соединения, которые называются силицидами. Образуемые вещества получили большой спрос в народном хозяйстве.
Гидроксид кремния в сочетании с водородом может формировать специфические соединения, которые имеют общую формулу — SinH2n+2 (силаны). В химии используются различные кремнийорганические соединения. Например, органосилоксаны, силиконы. Но наибольшее значение имеют nSiO2∙mH2O.
В результате растворения аморфного кремния в концентрированном растворе гидроксид натрия (Si + NaOH) происходит образование средней соли — ортосиликата натрия, а также выделение газа водорода. Молекулярное уравнение реакции имеет вид: Si + 4NaOH → Na4SiO4 + 2H2. Чтобы понять, какой будет реакция взаимодействия соляной кислоты с оксидом кремния, нужно обратить внимание на следующую формулу: SiO2 + 4HCl → SiCl4 + 2H2O.
В природе широко распространены соли кремниевых кислот: различные минералы класса силикатов. Алюмосиликаты образуются в результате изоморфного замещения в их структуре небольшого процента H2SiO3 алюминием.
Способы получения
Чаще всего nSiO2∙mH2O стараются получить непрямым способом. В лабораторных условиях на силикат натрия или калия воздействуют сильной кислотой. Например, Na2SiO3 + 2HCl = H2SiO3 + 2NaCl. Но в этом случае невозможно получить идеально чистую кислоту. В водном растворе обязательно будет присутствовать высокодисперсная коллоидная система, которая через некоторое время превратится в гель.
Многие кремниевые соединения можно получить благодаря гидролизу хлорсиланов. Эту химическую реакцию можно записать так: SiH2Cl2 + 3H2O = H2SiO3 +2HCl + 2H2. Если всё сделано правильно, то nSiO2∙mH2O будут являться финальным продуктом гидролитического расщепления элементов. Методы ионного обмена и электродиализа целесообразно использовать в том случае, если речь касается промышленного производства, либо различных лабораторных экспериментов. Благодаря перенасыщенным растворам кремниевых кислот получается силикагель (SiOH). Сама технология производства состоит из нескольких этапов:
В лабораторных условиях было доказано, что самый качественный силикагель можно получить после гидролиза кремниевых и ортокремниевых соединений. Этот химический процесс можно изобразить следующим образом: Na2SiO3 + H2SO4 = nSiO2 • mH2O + Na2SO4. В этой графической формуле использовался гидратированный аморфный кремнезём.
Сферы использования
H2SiO3 благодаря своим физическим и химическим характеристикам получил большой спрос в различных отраслях современной промышленности. В чистом виде аморфный и кристаллический кремний применяется в следующих сферах:
Кремниевые соединения являются важными элементами для кожного покрова, ногтей и волос. H2SiO3 используется для производства лекарственных препаратов и косметологических средств.
Составы на основе кремния гарантируют повышение упругости соединительных тканей. При правильном применении препараты с H2SiO3 улучшают усвоение кальция, а также нормализуют работу органов желудочно-кишечного тракта.
Кремниевая кислота
Кремниевая кислота
Строение молекулы и физические свойства
Кремниевые кислоты — очень слабые, малорастворимые в воде соединения общей формулы nSiO2•mH2O. Образует коллоидный раствор в воде.
Метакремниевая H2SiO3 существует в растворе в виде полимера:
Способы получения
Кремниевая кислота образуется при действии сильных кисло т на растворимые силикаты (силикаты щелочных металлов).
Видеоопыт получения кремниевой кислоты из силиката натрия можно посмотреть здесь.
Даже слабая угольная кислота вытесняет кремниевую кислоту из солей:
Химические свойства
1. Кремниевая кислота — нерастворимая. Кислотные свойства выражены очень слабо, поэтому кислота реагирует только с сильными основаниями и их оксидами :
2. При нагревании кремниевая кислота разлагается на оксид и воду :
Силикаты
Силикаты — это соли кремниевой кислоты. Большинство силикатов нерастворимо в воде, кроме силикатов натрия и калия, их называют «жидким стеклом».
Способы получения силикатов:
2. Сплавление с основными оксидами:
СаО + SiO2 → CaSiO3
3. Взаимодействие растворимых силикатов с солями:
Оконное стекло (натриевое стекло) — силикат натрия и кальция: Na2O·CaO·6SiO2.
Стекло получают при сплавлении в специальных печах смеси соды Na2CO3, известняка CaCO3 и белого песка SiO2:
Для получения специального стекла вводят различные добавки, так стекло содержащее ионы Pb 2+ – хрусталь; Cr 3+ – имеет зеленую окраску, Fe 3+ – коричневое бутылочное стекло, Co 2+ – дает синий цвет, Mn 2+ – красновато-лиловый.
Кремний
Кремниевая (силиконовая) долина
Регион в штате Калифорния (США), отличающийся большой плотностью высоко технологичных компаний, связанных с производством компьютеров и микропроцессоров.
Кремний является природным полупроводником, используется как основной материал для производства микросхем. Кремний ближе, чем вы думаете: внутри гаджета, которым вы пользуетесь 😉
Основное и возбужденное состояние кремния
При возбуждении атома кремния электроны на s-подуровне распариваются и один из них переходит на p-подуровень.
Природные соединения
Получение
В промышленности кремний получают путем восстановления кремнезема в электрических печах, алюминотермией.
В лабораторных условиях мелкий белый песок прокаливают с магнием:
SiO2 + Mg → (t) MgO + Si
Химические свойства
При обычных условиях без нагревания кремний реагирует только со фтором.
Si + O2 → (t = 1200 °C) SiO
В подобных реакциях кремния проявляет свои окислительные способности.
Ca + Si → Ca2Si (силицид кальция)
С целью травления (удаления поверхностного слоя материала) кремниевые изделия можно погружать в раствор щелочи.
Оксид кремния IV имеет атомное строение, обладает высокой прочностью и твердостью. Плавится при температуре +1730 °C градусов.
В промышленности оксид кремния IV получают нагреванием кремния в атмосфере кислорода.
В лабораторных условиях проводят реакция силиката натрия с уксусной кислотой. Кремниевая кислота сразу же распадается на SiO2, который выпадает в осадок, и воду.
Химически SiO2 устойчив к действию кислот, однако вступает в реакцию с газообразным фтороводородом (газом) и плавиковой кислотой (жидкостью).
Так как чаще всего кислотные оксиды с солями не реагируют, тем более необычной кажется реакция оксида кремния IV с карбонатами.
Кремниевая кислота
Кремниевая кислота слабая, нестойкая, легко распадается на воду и оксид кремния IV.
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
Кремний. Химия кремния и его соединений
Кремний
Положение в периодической системе химических элементов
Кремний расположен в главной подгруппе IV группы (или в 14 группе в современной форме ПСХЭ) и в третьем периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.
Электронное строение кремния
Электронная конфигурация кремния в основном состоянии :
+14Si 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 
Электронная конфигурация кремния в возбужденном состоянии :
+14Si * 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3 
Атом кремния содержит на внешнем энергетическом уровне 2 неспаренных электрона и 1 неподеленную электронную пару в основном энергетическом состоянии и 4 неспаренных электрона в возбужденном энергетическом состоянии.
Физические свойства, способы получения и нахождение в природе кремния
Кремний — второй по распространенности элемент на Земле после кислорода. Встречается только в виде соединений. Оксид кремния SiO2 образует большое количество природных веществ – горный хрусталь, кварц, кремнезем.
Качественные реакции
Na2SiO3 + 2HCl = H2SiO3 + 2 NaCl
Видеоопыт взаимодействия силиката натрия с соляной кислоты (получение кремниевой кислоты) можно посмотреть здесь.
Соединения кремния
Наиболее типичные соединения кремния:
| Степень окисления | Типичные соединения |
| +4 | оксид кремния (IV) SiO2 бинарные соединения с неметаллами (карбид кремния SiC) |
| -4 | силан SiH4 силициды металлов (силицид натрия Na4Si) |
Способы получения кремния
В свободном состоянии кремний был получен Берцелиусом в 1822 г. Его латинское название «силиций» произошло от латинского слова « sile х», что означает «кремень». Аморфный кремний в лаборатории можно получить при прокаливании смеси металлического магния с диоксидом кремния. Для опыта диоксид кремния следует тщательно измельчить. При нагревании смеси начинается бурная реакция. Одним из продуктов этой реакции является аморфный кремний.
SiO2 + 2Mg → Si + 2MgO
Видеоопыт взаимодействия оксида кремния (IV) с магнием можно посмотреть здесь.
Еще один способ получения кремния в лаборатории — восстановление из оксида алюминием:
В промышленности использовать дорогие алюминий и магний неэффективно, поэтому используют другие, более дешевые способы:
1. Восстановление из оксида коксом в электрических печах:
SiO2 + 2C → Si + 2CO
Однако в таком процессе процессе образующийся кремний загрязнен примесями карбидов кремния, и для производства, например, микросхем уже не подходит.
2. Наиболее чистый кремний получают восстановлением тетрахлорида кремния водородом при 1200 °С:
SiCl4 +2H2 → Si + 4HCl
или цинком :
SiCl4 + 2Zn → Si + 2ZnCl2
3. Также чистый кремний получается при разложении силана :
Химические свойства
При нормальных условиях кремний существует в виде атомного кристалла, поэтому химическая активность кремния крайне невысокая.
1.1. При обычных условиях кремний реагирует с фтором с образованием фторида кремния (IV):
При нагревании кремний реагирует с хлором, бромом, йодом :
1.2. При сильном нагревании (около 2000 о С) кремний реагирует с углеродом с образованием бинарного соединения карбида кремния (карборунда):
C + Si → SiC
При температуре выше 600°С взаимодействует с серой:
Si + 2S → SiS2
1.4. С азотом кремний реагирует в очень жестких условиях:
1.5. В реакциях с активными металлами кремний проявляет свойства окислителя. При этом образуются силициды:
2Ca + Si → Ca2Si
Si + 2Mg → Mg2Si
1.6. При нагревании выше 400°С кремний взаимодействует с кислородом :
2. Кремний взаимодействует со сложными веществами:
2.1. В водных растворах щелочей кремний растворяется с образованием солей кремниевой кислоты. При этом щелочь окисляет кремний.
При обработке кремния безводным фтороводородом комплекс не образуется:
С хлороводородом кремний реагирует при 300 °С, с бромоводородом – при 500 °С.
2.3. Кремний растворяется в смеси концентрированных азотной и плавиковой кислот :
3Si + 4HNO3 + 12HF → 3SiF4 + 4NO + 8H2O
Бинарные соединения кремния
Силициды металлов
Силициды, как правило, легко гидролизуются в воде или в кислой среде.
Соляная кислота легко разлагает силицид магния:
Получают силициды сплавлением простых веществ или восстановлением смеси оксидов коксом в электропечах:
2Mg + Si → Mg 2 Si
2MgO + SiO2 + 4C → Mg2Si + 4CO
Силан
Силан – это бинарное соединение кремния с водородом SiH4, ядовитый бесцветный газ.
Если поместить порошок силицида магния в очень слабый раствор соляной кислоты, то на поверхности раствора образуются пузырьки газа. Они лопаются и загораются на воздухе. Это горит силан. Он образуется при взаимодействии кислоты с силицидом магния:
Видеоопыт получения силана из силицида магния можно посмотреть здесь.
На воздухе силан горит с образованием SiO2 и H2O:
Видеоопыт сгорания силана можно посмотреть здесь.
Силан разлагается водой разлагается с выделением водорода:
Силан разлагается (окисляется) щелочами :
Силан при нагревании разлагается :
Карбид кремния
В соединениях кремния с неметаллами — ковалентная связь.
Карборунд окисляется кислородом при высокой температуре:
Карборунд окисляется кислородом в расплаве щелочи :
Галогениды кремния
Хлорид и фторид кремния – галогенангидриды кремниевой кислоты.
SiCl4.
Получают галогениды кремния действием хлора на сплав оксида кремния с углем :
Галогениды кремния разлагаются водой до кремниевой кислоты и хлороводорода:
Хлорид кремния (IV) восстанавливается водородом :
SiCl4 + 2H2 → Si + 4HCl
Оксид кремния (IV)
Физические свойства и нахождение в природе
Оксид кремния (IV) – это твердое вещество с атомной кристаллической решеткой. В природе встречается в виде кварца, речного песка, кремнезема и прочих модификаций:
Химические свойства
Еще пример : диоксид кремния взаимодействует с оксидом кальция.
SiO2 + CaO → CaSiO3
4. Из кислот диоксид кремния реагирует только с плавиковой или с газообразным фтороводородом :
5. При температуре выше 1000 °С оксид кремния реагирует с активными металлами, при этом образуется кремний.
SiO2 + 2Mg → Si + 2MgO
Видеоопыт взаимодействия оксида кремния (IV) с магнием можно посмотреть здесь.
При избытке восстановителя образуются силициды:
SiO2 + 4Mg → Mg2Si + 2MgO
6. Оксид кремния (IV) взаимодействует с неметаллами.
Еще пример : оксид кремния взаимодействует с углеродом. При этом образуется карборунд и угарный газ:
SiO2 + 3С → SiС + 2СО
При сплавлении оксид кремния взаимодействует с фосфатом кальция и углем:
Кремниевая кислота
Строение молекулы и физические свойства
Кремниевые кислоты — очень слабые, малорастворимые в воде соединения общей формулы nSiO2•mH2O. Образует коллоидный раствор в воде.
Метакремниевая H2SiO3 существует в растворе в виде полимера:
Способы получения
Кремниевая кислота образуется при действии сильных кисло т на растворимые силикаты (силикаты щелочных металлов).
Видеоопыт получения кремниевой кислоты из силиката натрия можно посмотреть здесь.
Даже слабая угольная кислота вытесняет кремниевую кислоту из солей:
Химические свойства
1. Кремниевая кислота — нерастворимая. Кислотные свойства выражены очень слабо, поэтому кислота реагирует только с сильными основаниями и их оксидами :
2. При нагревании кремниевая кислота разлагается на оксид и воду :
Силикаты
Силикаты — это соли кремниевой кислоты. Большинство силикатов нерастворимо в воде, кроме силикатов натрия и калия, их называют «жидким стеклом».
Способы получения силикатов:
2. Сплавление с основными оксидами:
СаО + SiO2 → CaSiO3
3. Взаимодействие растворимых силикатов с солями:
Оконное стекло (натриевое стекло) — силикат натрия и кальция: Na2O·CaO·6SiO2.
Стекло получают при сплавлении в специальных печах смеси соды Na2CO3, известняка CaCO3 и белого песка SiO2:
Для получения специального стекла вводят различные добавки, так стекло содержащее ионы Pb 2+ – хрусталь; Cr 3+ – имеет зеленую окраску, Fe 3+ – коричневое бутылочное стекло, Co 2+ – дает синий цвет, Mn 2+ – красновато-лиловый.
