Урок 25 Получить доступ за 75 баллов Кремний и его соединения
Кремний – химический элемент и простое вещество
Кремний – химический элемент IVгруппы периодической системы, аналог углерода.
Это самый распространённый после кислорода элемент в земной коре (26 % по массе).
В отличие от углерода – элемента растительного и животного мира, кремний – главный элемент в царстве минералов и горных пород.
В природе кремний встречается только в соединениях.
Название «силициум» произошло от латинского слова «силекс» – кремень; русское «кремний» – от греческого слова «кремнос» – утёс, скала.
Наиболее распространёнными его соединениями являются кремнезём и силикаты.
Кремнезём – оксид кремния (IV) SiO2– встречается в виде обычного песка и прозрачных бесцветных шестигранных кристаллов горного хрусталя.
Окрашенные примесями кристаллы горного хрусталя являются драгоценными камнями: лиловый – аметист, дымчатый – топаз, желтый – цитрин.
Все эти драгоценные камни – самый обычный оксид кремния.
Силикаты 9соли кремниевых кислот) соединения кремния с кислородом и другими элементами.
Природные силикаты довольно сложные вещества.
Их состав изображают обычно как соединение нескольких оксидов:
каолин Аl2O3 x 2SiO3 x 2Н2O– главная составная часть глин
полевой шпат К2O x Аl2O3 x 6SiO2
слюда К2O x Аl2O3 x 6SiO2 x 2Н2O
Оксид кремния в минералах очень часто содержится вместе с оксидом алюминия.
В промышленности кремний получают восстановлением оксида кремния (IV) коксом в электропечах:
Получение кремния связано с большими энергозатратами, поскольку у оксида кремния (SiO2) атомная кристаллическая решетка, из-за чего он химически очень устойчив, а для его разложения нужно потратить огромное количество энергии.
Кремний существует в виде двух аллотропных модификаций:
- аморфной
- кристаллической
Аморфный кремний представляет собой бурый порошок:
Кристаллический кремний – твёрдое вещество тёмно-серого цвета с металлическим блеском.
Он хрупкий, тугоплавкий, обладает полупроводниковыми свойствами.
Это обусловлено строением его кристаллов: структура кремния аналогична структуре алмаза.
На внешнем энергетическом уровне атома кремния находится четыре электрона, поэтому он может отдавать два или четыре или присоединять четыре электрона, переходя в состояние со степенью окисления +2, +4 или –4.
Более характерны для кремния соединения, в которых он проявляет степень окисления +4. Однако известен и оксид двухвалентного кремния – SiO.
Это смолоподобное вещество, химически достаточно устойчиво.
Оксид кремния (II) даже нашел применение: его используют в защитных оптических слоях в полупроводниках и в качестве непрозрачной «стенки» для оптического волокна.
При комнатной температуре кремний инертен, но при нагревании он реагирует с кислородом, хлором, бромом и многими другими неметаллами.
При нагревании в кислороде кремний сгорает, образуя оксид кремния (IV):
Чистый кремний применяют в радиоэлектронной промышленности, в солнечных батареях, которые превращают солнечную энергию в электрическую и обеспечивают электропитание на искусственных спутниках Земли.
Принцип работы солнечной батареи основан на том, что в двух кремниевых пластинах, покрытых одна бором, другая фосфором, под действием солнечного света возникает электрический ток.
В пластине, которая покрыта фосфором, появляются свободные электроны.
Почему выбраны бор и фосфор? Бор находится в III группе периодической системы элементов, то есть на внешнем электронном уровне его атома содержится 3 электрона.
У атома фосфора их 5. Поэтому и возникает электрический ток – электроны переходят из области их избытка в область их недостатка.
В металлургии кремний служит составной частью многих типов сталей.
На высококремнистую сталь, содержащую 50 % кремния, не действует ни одна кислота.
Если в стали 2 % кремния, она гораздо легче, чем обычная сталь, намагничивается.
Многие соединения кремния отличаются большой твердостью, например, карборунд SiC наряду с алмазом используют в качестве абразивного материала.
Кислородные соединения кремния
Оксид кремния (IV) – твёрдое тугоплавкое вещество, нерастворимое в воде.
Различие свойств оксидов углерода и кремния объясняется разным строением их кристаллических решёток.
Оксид кремния (IV) имеет атомную кристаллическую решётку, в узлах которой находятся атомы кремния и кислорода.
Оксид кремния (IV) при нормальных условиях химически неактивен.
Однако это кислотный оксид, и при сплавлении он реагирует:
– с основными оксидами: SiO2+ СаО = CaSiO3
– со щелочами: SiO2+ 2NaOH = Na2SiO3+ Н2O
– с солями летучих кислот: SiO2+ Na2CO3= Na2SiO3+ СO2
Во всех этих реакциях образуются соли кремниевой кислоты – силикаты.
Но оксид кремния (IV), в отличие от других кислотных оксидов, не взаимодействует с водой.
Интересно то, что оксид кремния (IV) при обычных условиях взаимодействует с фтороводородом с образованием газообразного фторида кремния SiF4:
Именно это свойство и дало название плавиковой кислоте: она способна как бы плавить стекло, основным компонентом которого является SiO2.
Этим свойством пользуются для вытравливания на стекле различных надписей, рисунков, меток.
Оксид кремния (IV) – кислотный, ему соответствует кремниевая кислота.
Её состав условно выражают формулами H2SiO3– метакремниевая кислота, H4SiO4– ортокремниевая кислота.
Кремниевая кислота – студенистое, нерастворимое в воде вещество.
Она относится к очень слабым кислотам, её получают действием практически любой кислоты на растворимые силикаты.
Это непрочное соединение и при хранении разлагается на воду и оксид кремния (IV)
Из силикатов растворимы лишь соли щелочных металлов.
Их называют растворимыми стёклами. Водные растворы силикатов натрия и калия называют жидким стеклом, его применяют для изготовления кислотоупорного цемента и бетона, пропитки тканей и древесины в целях придания им огнестойкости и водонепроницаемости, в качестве клея.
Силикатная промышленность
Кремний – весьма распространенный элемент не только в земной коре, но и в промышленности.
Все отрасли промышленности, где в том или ином виде получают вещества, содержащие кремний, называют силикатной промышленностью.
К силикатной промышленности относят производство:
- стекла
- керамических изделий (фарфора, фаянса, гончарных изделий)
- кирпича, облицовочных плит
- цемента
Стекло получают сплавлением песка, соды и известняка:
Свойства стекла можно изменять, добавляя в него оксиды других металлов.
Например, при замене оксида натрия на оксид калия получают твёрдое богемское стекло, а при добавлении небольшого количества оксида свинца (II) – хрусталь, обладающий большой лучепреломляющей способностью.
Из него изготовляют оптические стёкла, посуду, подвески для люстр.
Добавки некоторых оксидов металлов придают стеклу различную окраску: оксид хрома (III) – зелёную, оксид кобальта – синюю.
Удивительно, что добавление золота придает стеклу красный цвет. Из такого стекла изготовлены звёзды Московского Кремля.
Производство стекла относится к числу древнейших химических производств.
Стеклянные бусы и осколки стеклянных бутылок извлечены из усыпальниц правителей Древнего Египта, живших за 3-4 тысячелетия до нашей эры.
Состав древнеегипетского стекла существенно не отличается от состава современного бутылочного стекла.
В нашей стране стекольную промышленность основал Михаил Васильевич Ломоносов. По его предложению в Петербурге был построен завод художественного стекла.
Он нашел множество рецептов цветного стекла. Из их разноцветных кусочков Ломоносов создавал мозаичные картины.
Цемент – вяжущий строительный материал.
Он характеризуется способностью затвердевать не только на воздухе, но и под водой.
Для его получения смесь глины и известняка обжигают до спекания, затем полученную массу тщательно перемалывают, в результате этого образуется зеленовато-серый порошок – цемент.
При замешивании цемента с водой получается тестообразная масса, которая постепенно твердеет на воздухе.
Цемент является основным компонентом бетона, который получают при смешивании цемента, воды и наполнителей (песок, гравий, щебень).
В бесплатной версии урока недоступны:
- Видео
- Изображения
- Дополнительная информация
- Таблицы
- Тесты