Урок 25 Бесплатно 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 Аl2Ox 2SiOx 2Н2O– главная составная часть глин

полевой шпат К2O x Аl2Ox 6SiO2

слюда К2O x Аl2Ox 6SiOx 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.

Пройти тест
Закрыть тест

Пройти тест и получить оценку можно после входа или регистрации

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.

Пройти тест
Закрыть тест

Пройти тест и получить оценку можно после входа или регистрации

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).

Пройти тест
Закрыть тест

Пройти тест и получить оценку можно после входа или регистрации

Заключительный тест

Пройти тест