Соединение кремния и алюминия

Соединение кремния и алюминия

Автор текста – Анисимова Е.С. Из курса лекций по химии.
См. таблицы.
Оксиды кремния и алюминия.

Лучше читать после файла «Оксиды. Вступление».

Содержание файла: Вступление Атом, элемент. Оксиды. Вода. Оксид кремния. Оксид алюминия Минералы с кварцем и корундом.

Вступление.
Дороже алмазов – рубины и сапфиры. Для химика они – соединения атомов кислорода и алюминия, то есть оксиды алюминия (с примесями оксидов хрома и железа).
Рубины используются для такой ценной вещи, как лазер. Прочитайте о применении лазеров в медицине и технике.
Вода – это соединение водорода и кислорода (оксид водорода). На 70% из воды состоит организм человека. Около 70% Земли покрыто океанами.
Земля.
Песок, камни, почва, земная твердь (кора Земли) – всё это состоит в основном из оксидов кремния и алюминия.
Дома и города.
Дома и города строятся из бетона и цемента, которые делают из песка и глины – тоже оксидов кремния и алюминия. (А также из извести – оксида кальция).
Мы ходим по оксидам (почва, земная кора), выращиваем пищу на оксидах (почвы), живём в домах, сделанных из оксидов (песка и глины).
Техника и многие вещи тоже делаются из оксидов (железа, алюминия).
Атом, элемент
1. В природе есть атомы, а в атомах есть протоны.
2. Атомы с одинаковым числом протонов считаются атомами одного типа , а типы атомов называются химическими элементами.
3. Атом с одним протоном – это атом водорода (обозначается буквой Н).
Это не молекула водорода Н2!
4. Атом с восемью протонами – это атом кислорода (О). Не путать с молекулой О2!
5. Атом с 13 протонами – это атом алюминия (Al).
6. Атом с 14 протонами – это атом кремния (Si).
7. Многие атомы способны соединяться с атомами кислорода.
8. Соединение атомов какого-либо элемента с атомами кислорода обычно называется оксидом. Кроме соединений фтора с кислородом и некоторых соединений металлов 1 группы ТМ.
9. Если атом кислорода соединён с атомом водорода, то это оксид водорода (вода).
10. Если атом кислорода соединён с атомом кремния, то это оксид кремния.
11. Если атом кислорода соединён с атомом алюминия, то это оксид алюминия.
12. ТМ.
13. Твёрдые оксиды, встречающиеся в природе и являющиеся кристаллами, относятся к минералам.
2Н и О = Н2О
14. Соединение из двух атомов водорода (Н) и одного атома кислорода (О) называется молекулой оксида водорода или молекулой ВОДЫ.
15. 2Н и 1О = вода, Н2О. Н2О – это формула одной молекулы воды.
16. В твёрдом состоянии вода может считаться минералом.
17. Молекулы Н2О входят в состав многих минералов – бокситов, глин и т.д.
Si и 2О = SiO2
Песок, пустыни, почва, горы, земная кора, аметист, цемент, бетон, дома
18. Один атом кремния (Si) может соединиться с двумя атомами кислорода.
19. Соединение из одного атома кремния и двух атомов кислорода записывается как SiO2.
20. SiO2 – это формула диоксида кремния.
21. Бывает и монооксид кремния – SiO.
22. Вещество, молекулы которого имеют состав (и формулу) SiO2, называется (ди)оксидом кремния.
23. Синоним диоксида кремния – кремнезём.
Кварц
24. Основной минерал, состоящий из кремнезёма – кварц.
25. Кристаллы кварца бывают мелкими (песок) и крупными.
26. Мелкие кристаллы кварца в природе – это обычный пляжный песок, пески пустынь.
Но помним, что песок – не химическое название, так как есть и сахарный песок, и т.д.
27. Кварцевый песок входит в состав почв (наряду с глинами и органикой).
28. Почвы – источник 90% пищи. (Остальные 10 даёт океан).
29. Есть разные формы кварца.
30. Кроме кварцевых кристаллов, бывает и скрыто-кристаллический кварц.
31. Прозрачный кварцевый кристалл – это горный хрусталь. См картинки!
32. Сиреневый кварцевый кристалл – это аметист. Цвет дают примеси.
33. Кристаллы аметиста можно найти внутри кристаллов кварца, если те заметно легче, чем обычно – в них есть пустоты с аметистом.
34. Кварц – один из самых распространённых минералов на Земле.
35. Кроме кремнезёма, кремний распространён в составе силикатов.
36. Оксид кремния входит в состав глины (наряду с оксидом алюминия) и полевых шпатов (ортоклаза, плагиоклаза).
37. Кремнезём – основное вещество земной коры.
38. Кварц входит в состав горных пород.
То есть является породообразующим минералом. Одним из основных.
39. Примеры пород, образованных кварцем (Кремнезёмом) – граниты, базальты.
40. Граниты и базальты – это то, из чего состоит земная кора.
41. Из кварцевого песка делают: посуду, стекло, цемент, бетон, дома.
42. Кроме песка, для бетона и цемента нужны глина и известь. Но всего этого в природе очень много. Значит, можно настроить нужное количество домов.
Al и O = оксид алюминия (глинозём)
Рубины, лазеры, самолёты, ракеты, космос, фольга.
43. Соединение атомов алюминия и атомов кислорода даёт оксид алюминия.
44. Соединяются два атома алюминия и три атома кислород: Al2O3.
45. Частица состава Al2O3 называется молекулой оксида алюминия.
46. Оксид алюминия – это вещество, молекулы которого имеют состав Al2O3.
47. Синоним оксида алюминия – глинозём. Да, он есть в глине.
48. Минерал, который является чистым оксидом алюминия Al2O3 – это корунд.
Рубин, лазер
49. В природе корунд является основой рубинов и сапфиров.
50. Рубин красный, а сапфир синий из-за того, что в рубине есть примеси оксида хрома, а в сапфире – железа.
51. Рубин и сапфир – драгоценные камни. Дороже бриллиантов.
52. Из рубинов делают лазеры. Это важнее украшений.
53. По твёрдости корунд уступает только алмазу. То есть рубин получится поцарапать алмазом, а алмаз не получится поцарапать рубином или сапфиром.
Плёнка корунда
54. Al2O3 есть на поверхности любой алюминиевой ложки или проводка – в виде тонкой плёнки корунда.
55. Плёнка оксида алюминия образуется на поверхности предмета из алюминия в результате контакта алюминия с кислородом воздуха.
56. Благодаря корундовой плёнке алюминиевые провода не «портятся» на воздухе: плёнка очень прочная (её можно поцарапать только алмазом), хорошо защищает провод или другое изделие от разрушения.
57. Алюминиевые предметы, в отличие от железных, не ржавеют насквозь.
В природе
58. Al2O3 часто встречается в природе, но не в виде рубинов.
59. Как и оксид кремния, Al2O3 входит в состав глины и полевых шпатов (ортоклаза, плагиоклаза).
60. Синоним оксида алюминия – глинозём.
61. Глина наряду с песком (кварцем) – основа почвы.
62. Из глины и песка (и извести) делают цемент и бетон для зданий, заборов, городов.
Бокситы
63. В природе есть минерал, состоящий из оксидов алюминия и водорода – он называется бокситом.
64. В бокситах на одну молекулу оксида алюминия приходится две молекулы оксида водорода.
65. Формулу боксита записывают так: Al2O3*2H2O.
Знак * означает, что оксиды связаны определённым образом, но единой молекулой не считаются.
66. Химическое название боксита такое: «две вода на один оксид алюминия» или дигидрат оксида алюминия.
67. Вещества, в состав которых входит вода, как в бокситах, называются гидратами.
68. Из боксита можно «вытащить» атомы алюминия и соединить их между собой – получится чистый алюминий – лёгкий серебристый металл.
69. Бокситы – основное сырьё для получения чистого алюминия для самолётов и другой летающей техники.
70. Бокситы – это алюминиевая руда.
71. Бокситы нужны тем странам, которые делают самолёты, ракеты, ЛЭП.
72. Провода для ЛЭП делают из алюминия (потому что он лёгкий и дешёвый, проводит электричество, хороший проводник), который выплавляют из бокситов.
73. Серебро проводит ток лучше, чем алюминий, но оно тяжелее и дороже алюминия – его просто меньше.
74. Без ЛЭП нет электричества в далёких от электростанций местах. Значит, электричество в отдалённых населённых пунктах есть благодаря алюминию и бокситам.
75. Основные покупатели бокситов (и производители самолётов и т.д.) – Европа, США, Япония.
76. Основные продавцы бокситов – Австралия, ЮАР, Южная Америка, Канада.
77. В России хватает своих бокситов.
Минералы с оксидами кремния и алюминия
(см таблицы!)
78. Только оксид алюминия – это корунды: рубины и сапфиры.
79. Только оксид кремния – это разные кварцы: аметист, горный хрусталь, пляжный песок, пески пустынь.
80. Сочетание оксидов алюминия и оксидов кремния (и оксид водорода) – это глина каолин (есть другие глины).
81. Оксид кремния (песок) и глины – основа почвы.
82. Сочетание оксида алюминия, оксида кремния и оксида натрия или калия – это полевые шпаты (с натрием – плагиоклаз, а с калием – ортоклаз).
83. Сочетание оксида алюминия и оксида водорода – это бокситы (для ЛЭП и самолётов).
84. Рубин – это красный корунд, оксид алюминия. Есть примеси хрома.
85. Сапфир – это синий корунд, оксид алюминия. Есть примеси железа.
86. Бокситы – оксид алюминия с водой.
87. Кварц – оксид кремния.
88. Глина (каолин) – сочетание оксида кремния, оксида алюминия и воды.
89. Полевые шпаты – оксид кремния и оксид алюминия, плюс оксид натрия или калия (плагиоклаз, ортоклаз).

Читайте также:  Пнд труба для электропроводки цена

Вопрос 29. Алюминий, кремний и их соединения как важнейшие составляющие неорганических вяжущих материалов.

Алюминий, его соединения и свойства

Алюминий – самый распространенный металл на Земле. Его массовая доля в земной коре составляет 8%. Алюминий имеет плотность с=2,7 г/см3, температуру плавления Тпл. = 659оС, высокую пластичность и высокую электропроводность. На воздухе покрывается плотной и прочной окисдной пленкой Al2O3.

Основная масса его сосредоточена в виде природных соединений, в которых он связан с кислородом и кремнием, так называемых алюмосиликатов. Алюмосиликаты входят в состав многих горных пород и глин. Другими важными минералами алюминия являются боксит Al2O3∙nH2O, криолит Na3[AlF6], корунд Al2O3.

Получают алюминий из Al2O3 электролитическим способом. Для этого необходим достаточно чистый Al2O3, так как из выплавленного алюминия примеси удалить очень трудно. Оксид Al2O3 не проводит электрического тока и имеет высокую температуру плавления (≈ 2050оС). Поэтому электролизу подвергают расплав оксида алюминия в криолите AlF3∙3NaF, содержащий 10% по массе Al2O3, плавящийся при 950оС и обладающий электропроводимостью.

В расплавленном криолите оксид алюминия диссоциирует на ионы:

Al2O3 ↔ Al3+ + AlO33−

Условия электролиза подбираются такими, чтобы на катоде разряжались катионы Al3+. При этом на аноде будут окисляться ионы AlO33−.

Уравнения электродных процессов:

Al3+ + 3 → Al

4AlO33− − 12 → 2Al2O3 + 3O2

4Al3+ + 4AlO33− 4Al + 2Al2O3 + 3O2

2Al2O3 4Al + 3O2

Образующийся кислород сжигает графитовые аноды:

С + O2 = CO2 или 2С + О2 = 2СО

Электронное строение атома алюминия …3s23p1 определяет характерную для него, постоянную степень окисления +3. Химические связи в соединениях алюминия с другими элементами имеют в основном ковалентный характер. Кроме того, в атоме алюминия на внешнем энергетическом уровне имеются свободные d-орбитали, благодаря чему он может образовывать сложные комплексные ионы с координационным числом равным 6, такие как [AlF6]3− или [Al(OH)6]3−.

Алюминий – металл высокой химической активности. На воздухе он пассивируется, то есть покрывается тончайшей, но очень прочной пленкой оксида Al2O3, предохраняющей его от дальнейшего окисления:

4Al + 3O2 = 2Al2O3

вследствие чего поверхность металла имеет матовый вид. Свойствами защитной пленки обладает только одна из полиморфных кристаллических модификаций Al2O3 со структурой корунда, которая не взаимодействует с водой. Эта пленка может быть удалена растворением в кислотах или щелочах, так как Al2O3 проявляет амфотерные свойства:

Al2O3 + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2O

Al2O3 + 2NaOH = 2NaAlO2 + H2O

Образующийся в расплаве щелочи алюминат натрия NaAlO2 в водных растворах образует комплексную соль – тетрагидроксоалюминат натрия Na[Al(OH)4].

Химические свойства алюминия:

1. Взаимодействие с неметаллами

При обычных условиях алюминий реагирует с хлором и бромом; при нагревании реагирует с кислородом, йодом, углеродом, азотом.

2Al + 3Cl2 = 2AlCl3

4Al + 3O2 = 2Al2O3

2. Взаимодействие с водой

Из-за защитной оксидной пленки на поверхности алюминий устойчив в воде. Однако при удалении этой пленки происходит энергичное взаимодействие:

2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2

3. Взаимодействие с кислотами

Алюминий взаимодействует с хлороводородной и разбавленной серной кислотами:

2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2

2Al +H2SO4 = Al2(SO4)3 + 3H2

Азотная и концентрированная серная кислоты пассивируют алюминий: при действии этих кислот увеличивается толщина защитной пленки на металле, и он не растворяется.

4. Взаимодействие со щелочами

2Al + 6NaOH + 6H2O = 2Na3[Al(OH)6] + 3H2

Реакция со щелочами протекает благодаря легкости растворения в них оксидной пленки.

5. Восстановление оксидов металлов

Алюминий является хорошим восстановителем многих оксидов металлов, например:

2Al + Cr2O3 = Al2O3 + 2Cr

8Al + 3Fe3O4 = 4Al2O3 + 9Fe

Применение алюминия и его сплавов

Алюминий применяется как в чистом виде (для изготовления электрических проводов и фольги для конденсаторов), так и в виде сплавов с медью, марганцем, магнием, кремнием, титаном. Легирующие добавки вводят, как правило, для повышения его прочности. Основная масса алюминия идет на изготовление алюминиевых сплавов.

В технике широко распространены дуралюмин (содержит магний и медь), силумин и магналий с кремнием и магнием, соответственно.

Дуралюмины – легкие прочные и коррозионностойкие сплавы. Используются как конструкционный материал в авиа — и машиностроении.

Силумин – сплав алюминия, содержащий кремний. Силумин хорошо подвергается литью, из него можно изготавливать тонкостенные и сложные по форме изделия. Этот сплав используется в автомобиле-, авиа — и машиностроении, производстве точных приборов.

Магналин – сплавалюминия с магнием. Используется в авиа — и машиностроении, в строительстве. Магналин стоек к коррозии в морской воде, поэтому его применяют в судостроении.

Антифрикационные сплавы алюминия с оловом и медью применяются в автомобилестроении для изготовления подшипников коленчатого вала. Основное достоинство конструкционных алюминиевых сплавов – малая их плотность, высокая прочность а расчете на единицу массы, высокая стойкость против атмосферной коррозии, дешевизна и простота обработки. Важной областью применения алюминия является алитирование – насыщение поверхности стальных или чугунных изделий металлическим алюминием для придания им жаростойкости и предохранения от коррозии. Алитированные изделия не окисляются при нагревании до 1000оС.

Смесь порошков алюминия и оксида железа (Fe2O3 или Fe3O4), имеющая название термит, используется для сварки стальных изделий (трубопроводов, рельсов). При горении термитной смеси протекает реакция с большим выделением теплоты:

8Al + 3Fe3O4 = 4Al2O3 + 9Fe, ∆Нo = −1352 кДж

За счет выделяющейся теплоты температура может достигать 3500оС.

Оксид алюминия Al2O3 применяют для получения алюминия, как огнеупорный материал, в производстве керамики. Кристаллический Al2O3 – корунд служит абразивным материалом. Некоторые природные разновидности корунда (рубин, сапфир) являются драгоценными камнями, используются в ювелирном деле.

Криолит Na3[AlF6] применяют для получения алюминия и при изготовлении керамики и эмалей.

Глинозем (оксид алюминия Al2O3) – белый порошок, Тпл. = 2042оС, в воде не растворяется.

Природный минерал корунд (тоже Al2O3) очень твердый, поэтому используется как абразивный и огнеупорный материал.

Глинозем Al2O3 получают термическим разложением гидроксида алюминия:

2Al(OH)3 Al2O3 + 3H2O

В промышленности глинозем получают из бокситов, а также из каолинов. Большая часть глинозема используется для получения алюминия.

Алюминаты – соли слабых кислот. Они подвергаются гидролизу и существуют в растворе в избытке щелочи. При этом возможно образование ортоалюминатов типа K3AlO3.

Водные растворы алюминатов содержат комплексные анионы [Al(OH)4]−, [Al(OH)5]2− и гидроалюминаты [Al(OH)6]3−.

Читайте также:  Мебель хемнэс икеа отзывы

Алюминий встречается в виде соединений, называемых шпинелями.

MgAl2O4 – обыкновенная шпинель;

ZnAl2O4 – цинковая шпинель.

Квасцы являются комплексными соединениями типа MeAl(SO4)2 ∙ 12H2O,

где Ме – К, Na, NH4+.

Алюминаты растворяются в воде по-разному. Алюминаты щелочных металлов хорошо растворимы в воде, у алюминатов щелочноземельных металлов растворимость в воде значительно ниже. Алюминаты содержатся в неорганических вяжущих материалах. Например, трехкальциевый алюминат 3CaO ∙ Al2O3 входит в минералогический состав клинкера портландцемента. Однокальциевый алюминат CaO ∙ Al2O3 является главной составной частью клинкера глиноземистого цемента.

Кремний, его соединения и свойства

Кремний является вторым по распространенности элементов в земной коре (27% по массе).

Кремний образует две аллотропические формы: кристаллическую и аморфную. Кристаллический кремний имеет серо-стальной цвет и металлический блеск. Аморфный кремний представляет собой бурый гигроскопичный порошок, является более реакционноспособным, по сравнению с кристаллическим.

Кремний применяется, главным образом, в металлургии и полупроводниковой технике. В металлургии он используется для удаления кислорода из расплавленных металлов и служит составной частью многих сплавов. Важнейшие из них – сплавы на основе железа, меди и алюминия. В полупроводниковой технике кремний используется для изготовления фотоэлементов, усилителей и выпрямителей.

Электронная формула имеет вид: Si 1s22s22p63s23p2

Обладает полупроводниковыми свойствами.

Кремний может быть выделен восстановлением оксида кремния при высокой температуре такими металлами, как магний или алюминий, а также углеродом.

SiO2 + 2C Si + 2CO

SiO2 + 2Mg → Si + 2MgO

SiCl4 + 2Zn Si + 2ZnCl2

Кремний встречается в природе в виде диоксида кремния SiO2 (кремнезема). В природе он встречается как в кристаллическом, так и в аморфном виде.

Кристаллический диоксид кремния (кремнезем) находится в природе в виде песка и кварца. Он очень тверд, нерастворим в воде и плавится при температуре 1610оС, превращаясь в бесцветную жидкость.

Аморфный диоксид кремния распространен в природе гораздо меньше, чем кристаллический. На дне морей имеются отложения тонкого пористого аморфного кремнезема, называемого трепелом.

При сплавлении диоксида кремния с едкими щелочами или карбонатом калия и натрия получаются соли кремниевых кислот:

SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O

Аморфный кремнезем взаимодействует со щелочами и гашенной известью на холоде. На этом основано применение этих материалов в качестве гидравлических добавок к цементам.

Ca(OH)2 + SiO2 = CaSiO3 + H2O

Na2CO3 + SiO2 = Na2SiO3 + CO2

NaOH + SiO2 = Na2SiO3 + H2O

Кремнезем, находящийся в природе в виде песка, широко применяют в строительстве для производства стекла, керамики и цемента.

Кремнезем (SiO2) и его производные относятся к неорганическим полимерам.

Силикаты чрезвычайно распространены в природе. К природным силикатам относятся полевые шпаты, слюда, глины, асбест, тальк и многие другие минералы. Силикаты входят в состав горных пород: гранита, гнейса, базальта и т. д.

Общую формулу силикатов можно представить как xSiO2∙yR2O3∙zH2O,

где R – преимущественно алюминий.

Действие кислот на силикаты неодинаково. Чем активнее металл, тем легче протекает реакция:

CaSiO3 + HCl = CaCl2 + H2SiO3

При нагревании смесей многих силикатов с другими силикатами или диоксидом кремния получаются прозрачные аморфные сплавы, называемые стеклами.

Растворимое стекло получают путем сплавления диоксида кремния и карбоната натрия:

Na2CO3 + SiO2 = Na2SiO3 + CO2

SiO2 + NaOH = Na2SiO3 + H2O

Растворимое стекло, представленное в виде водных растворов называется жидким стеклом. Жидкое стекло очень быстро твердеет на воздухе, образуя поликремниевые кислоты. При этом выделяются высокодисперсные гели, обладающие вяжущими свойствами. Поэтому жидкое стекло применяют в строительстве, для пропитки тканей и других материалов с целью придания им огнестойкости.

Обычное оконное стекло состоит из силикатов натрия и кальция, сплавленных с диоксидом кремния. Состав такого стекла приблизительно может быть выражен формулой Na2O ∙ CaO ∙ 6SiO2. Исходными материалами для получения стекла служат белый песок, сода, известняк или мел. При сплавлении этих веществ происходит реакция:

Na2CO3 + CaCO3 + 6SiO2 → Na2SiO3 ∙ 6SiO2 + 2CO2

Для получения специальных стекол, натрий и калий заменяют на другие элементы. Частичная замена SiO2 на В2О3 приводит к получению боросиликатного стекла. Прибавление борного ангидрида увеличивает твердость стекла, а также стойкость к химическим воздействиям. Из такого стекла изготавливают высококачественную химическую посуду.

Кварцевое стекло содержит в своем составе 99% диоксида кремния и отличается высокой тугоплавкостью. Кварцевое стекло выдерживает резкую смену температур и поэтому его применяют для изготовления лабораторной посуды в химической промышленности.

Все виды стекол устойчивы к действию воды и кислот, но при очень длительном их воздействии может произойти вымывание ионов натрия со стеклянной поверхности (выщелачивание стекла).

Разрушить стекло может только плавиковая (фтористоводородная( кислота HF.

Силан SiH4 – бесцветный газ. Он может быть получен путем воздействия соляной кислоты на силицид магния Mg2Si

Mg2Si + 4HCl = 2MgCl2 + SiH4

Силан может самовоспламеняться на воздухе и сгорать с образованием диоксида кремния и воды.

SiH4 + 2O2 = SiO2 + 2H2O

Фторид кремния SiF4 образуется при взаимодействии фтороводорода с диоксидом кремния:

SiO2 + 4HF = SiF4 + 2H2O

Фторид кремния представляет собой бесцветный газ с резким запахом. В водных растворах фторид кремния подвергается гидролизу:

SiF4 + 3H2O = H2SiO3 + 4HF

Гексафторокремниевая кислота H2SiF6 может быть получена путем взаимодействия фтороводорода с фторидом кремния:

SiF4 + 2HF = H2SiF6

По силе гексафторокремниевая кислота близка к серной.

Фторосиликат натрия Na2SiF6 применяется в производстве стекол, эмалей, а также используется в качестве ускорителя твердения в производстве кислотоупорных замазок на основе растворимого стекла.

Подготовка к ЕГЭ по химии и олимпиадам

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.

Степени окисления атома кремния — от -4 до +4. Характерные степени окисления -4, 0, +2, +4.

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.

Простое вещество кремний – атомный кристалл темно-серого цвета с металлическим блеском, довольно хрупок. Температура плавления 1415 °C, плотность 2,33 г/см 3 . Полупроводник.

Качественные реакции

Качественная реакция на силикат-ионы SiO3 2- — взаимодействие солей-силикатов с сильными кислотами . Кремниевая кислота – слабая. Она легко выделяется из растворов солей кремниевой кислоты при действии на них более сильными кислотами.

Например , если к раствору силиката натрия прилить сильно разбавленный раствор соляной кислоты, то кремниевая кислота выделится не в виде осадка, а в виде геля. Раствор помутнеет и «застынет».

Na2SiO3 + 2HCl = H2SiO3 + 2 NaCl

Видеоопыт взаимодействия силиката натрия с соляной кислоты (получение кремниевой кислоты) можно посмотреть здесь.

Соединения кремния

Основные степени окисления кремния +4, 0 и -4.

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.

Читайте также:  Замена доски ламината без разборки пола

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. Кремний проявляет свойства окислителя (при взаимодействии с элементами, которые расположены ниже и левее в Периодической системе) и свойства восстановителя (при взаимодействии с элементами, расположенными выше и правее). Поэтому кремний реагирует и с металлами , и с неметаллами .

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

1.3. Кремний не взаимодействет с водородом .

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.

2.2. Кремний не взаимодействует с водными растворами кислот , но аморфный кремний растворяется в плавиковой кислоте с образованием гексафторкремниевой кислоты :

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 – это бинарные соединения кремния с металлами, в которых кремний имеет степень окисления -4. Химическая связь в силицидах металлов — ионная.

Силициды, как правило, легко гидролизуются в воде или в кислой среде.

Например , силицид магния разлагается водой на гидроксид магния и силан:

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.

Рассмотрим карбид кремния – карборунд Si +4 C -4 . Это вещество с атомной кристаллической решеткой. Он имеет структуру, подобную структуре алмаза и характеризуется высокой твердостью и температурой плавления, а также высокой химической устойчивостью.

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

Оксид кремния (IV) – типичный кислотный оксид . За счет кремния со степенью окисления +4 проявляет слабые окислительные свойства.

1. Как кислотный оксид, диоксид кремния (IV) взаимодействует с растворами и расплавами щелочей и в расплаве с основными оксидами . При этом образуются силикаты.

Например , диоксид кремния взаимодействует с гидроксидом калия:

Еще пример : диоксид кремния взаимодействует с оксидом кальция.

SiO2 + CaO → CaSiO3

2. Оксид кремния (IV) не взаимодействует с водой , т.к. кремниевая кислота нерастворима.

3. Оксид кремния (IV) реагирует при сплавлении с карбонатами щелочных металлов . При этом работает правило: менее летучий оксид вытесняет более летучий оксид из солей при сплавлении.

Например , оксид кремния (IV) взаимодействует с карбонатом калия. При этом образуется силикат калия и углекислый газ:

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.

Например , оксид кремния взаимодействует с магнием с образованием кремния и оксида магния:

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.

Например , оксид кремния (IV) реагирует с водородом в жестких условиях. При этом оксид кремния проявляет окислительные свойства:

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 колоидный раствор в воде.

Метакремниевая H2SiO3 существует в растворе в виде полимера:

Способы получения

Кремниевая кислота образуется при действии сильных кислот на растворимые силикаты (силикаты щелочных металлов).

Например , при действии соляной кислоты на силикат натрия:

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 :

Например , кремниевая кислота реагирует с концентрированным гидркосидом калия:

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:

1 . Растворение кремния, кремниевой кислоты или оксида в щелочи:

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.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector