Тема: Оксид кремния (VI). Кремниевая кислота

Процессор? Песок? А какие у вас с этим словом ассоциации? А может Кремниевая долина?
Как бы там ни было, с кремнием мы сталкиваемся каждый день и если вам интересно узнать что такое Si и с чем его едят, прошу под кат.

Введение

Будучи студентом, одного из московских вузов, с специальностью «Наноматериалы», я хотел познакомить тебя, дорогой читатель, с самыми важными химическими элементами нашей планеты. Я долго выбирал с чего начать, углерод или кремний, и все таки решил остановиться именно на Si, потому что сердце любого современного гаджета основано именно на нем, если можно так выразиться конечно. Излагать мысли постараюсь предельно просто и доступно, написав этот материал я рассчитывал, в основном на новичков, но и более продвинутые люди смогут почерпнуть что-то интересное, так же хотелось бы сказать, что статья написана исключительно для расширения кругозора заинтересовавшихся. И так приступим.

Silicium

Кремний (лат. Silicium), Si, химический элемент IV группы периодической системы Менделеева; атомный номер 14, атомная масса 28,086.
В природе элемент представлен тремя стабильными изотопами: 28Si (92,27%), 29Si (4,68%) и 30Si (3,05%).
Плотность (при н.у.) 2,33 г/см?
Температура плавления 1688 K


Порошковый Si

Историческая справка

Соединения Кремния, широко распространенные на земле, были известны человеку с каменного века. Использование каменных орудий для труда и охоты продолжалось несколько тысячелетий. Применение соединений Кремния, связанное с их переработкой, - изготовление стекла - началось около 3000 лет до н. э. (в Древнем Египте). Раньше других известное соединение Кремния - оксид SiO2 (кремнезем). В 18 веке кремнезем считали простым телом и относили к «землям» (что и отражено в его названии). Сложность состава кремнезема установил И. Я. Берцелиус. Он же впервые, в 1825, получил элементарный Кремний из фтористого кремния SiF4, восстанавливая последний металлическим калием. Новому элементу было дано название «силиций» (от лат. silex - кремень). Русское название ввел Г. И. Гесс в 1834.

Кремний очень распространен в природе в составе обыкновенного песка

Распространение Кремния в природе

По распространенности в земной коре Кремний - второй (после кислорода) элемент, его среднее содержание в литосфере 29,5% (по массе). В земной коре Кремний играет такую же первостепенную роль, как углерод в животном и растительном мире. Для геохимии Кремния важна исключительно прочная связь его с кислородом. Около 12% литосферы составляет кремнезем SiO2 в форме минерала кварца и его разновидностей. 75% литосферы слагают различные силикаты и алюмосиликаты (полевые шпаты, слюды, амфиболы и т. д.). Общее число минералов, содержащих кремнезем, превышает 400.

Физические свойства Кремния

Думаю тут останавливаться особо не стоит, все физические свойства имеются в свободном доступе, а я же перечислю самые основные.
Температура кипения 2600 °С
Кремний прозрачен для длинноволновых ИК-лучей
Диэлектрическая проницаемость 11,7
Твердость Кремния по Моосу 7,0
Хотелось бы сказать, что кремний хрупкий материал, заметная пластическая деформация начинается при температуре выше 800°С.
Кремний - полупроводник, именно поэтому он находить большое применение. Электрические свойства кремния очень сильно зависят от примесей.

Химические свойства Кремния

Тут много конечно можно сказать, но остановлюсь на самом интересном. В соединениях Si (аналогично углероду) 4-валентен.
На воздухе кремний благодаря образованию защитной оксидной пленки устойчив даже при повышенных температурах. В кислороде окисляется начиная с 400 °С, образуя оксид кремния (IV) SiO2.
Кремний устойчив к кислотам и растворяется только в смеси азотной и фтористоводородной кислот, легко растворяется в горячих растворах щелочей с выделением водорода.
Кремний образует 2 группы кислородсодержащих силанов - силоксаны и силоксены. С азотом Кремний реагирует при температуре выше 1000 °С, Важное практическое значение имеет нитрид Si3N4, не окисляющийся на воздухе даже при 1200 °С, стойкий по отношению к кислотам (кроме азотной) и щелочам, а также к расплавленным металлам и шлакам, что делает его ценным материалом для химической промышленности, а так же для производства огнеупоров. Высокой твердостью, а также термической и химической стойкостью отличаются соединения Кремния с углеродом (карбид кремния SiC) и с бором (SiB3, SiB6, SiB12).

Получение Кремния

Я думаю это самая интересная часть, тут остановимся поподробнее.
В зависимости от предназначения различают:
1. Кремний электронного качества (т. н. «электронный кремний») - наиболее качественный кремний с содержанием кремния свыше 99,999 % по весу, удельное электрическое сопротивление кремния электронного качества может находиться в интервале примерно от 0,001 до 150 Ом см, но при этом величина сопротивления должна быть обеспечена исключительно заданной примесью т. е. попадание в кристалл других примесей, хотя бы и обеспечивающих заданное удельное электрическое сопротивление, как правило, недопустимо.
2. Кремний солнечного качества (т. н. «солнечный кремний») - кремний с содержанием кремния свыше 99,99 % по весу, используемый для производства фотоэлектрических преобразователей (солнечных батарей).


3. Технический кремний - блоки кремния поликристаллической структуры, полученного методом карботермического восстановления из чистого кварцевого песка; содержит 98 % кремния, основная примесь - углерод, отличается высоким содержанием легирующих элементов - бора, фосфора, алюминия; в основном используется для получения поликристаллического кремния.

Кремний технической чистоты (95-98%) получают в электрической дуге восстановлением кремнезема SiO2 между графитовыми электродами. В связи с развитием полупроводниковой техники разработаны методы получения чистого и особо чистого кремния. Это требует предварительного синтеза чистейших исходных соединений кремния, из которых кремний извлекают путем восстановления или термического разложения.
Поликристаллический кремний («поликремний») - наиболее чистая форма промышленно производимого кремния - полуфабрикат, получаемый очисткой технического кремния хлоридными и фторидными методами и используемый для производства моно- и мультикристаллического кремния.
Традиционно поликристаллический кремний получают из технического кремния путём перевода его в летучие силаны (моносилан, хлорсиланы, фторсиланы) с последующими разделением образующихся силанов, ректификационной очисткой выбранного силана и восстановлением силана до металлического кремния.
Чистый полупроводниковый кремний получают в двух видах: поликристаллический (восстановлением SiCl4 или SiHCl3 цинком или водородом, термическим разложением SiI4 и SiH4) и монокристаллический (бестигельной зонной плавкой и «вытягиванием» монокристалла из расплавленного кремния - метод Чохральского).

Тут можно увидеть процесс выращивания кремния, методом Чохральского.

Метод Чохральского - метод выращивания кристаллов путём вытягивания их вверх от свободной поверхности большого объёма расплава с инициацией начала кристаллизации путём приведения затравочного кристалла (или нескольких кристаллов) заданной структуры и кристаллографической ориентации в контакт со свободной поверхностью расплава.

Применение Кремния

Специально легированный кремний широко применяется как материал для изготовления полупроводниковых приборов (транзисторы, термисторы, силовые выпрямители тока, тиристоры; солнечные фотоэлементы, используемые в космических кораблях, а так же много всякой всячины).
Поскольку кремний прозрачен для лучей с длиной волны от 1 до 9 мкм, его применяют в инфракрасной оптике.
Кремний имеет разнообразные и все расширяющиеся области применения. В металлургии Si
используется для удаления растворенного в расплавленных металлах кислорода (раскисления).
Кремний является составной частью большого числа сплавов железа и цветных металлов.
Обычно Кремний придает сплавам повышенную устойчивость к коррозии, улучшает их литейные свойства и повышает механическую прочность; однако при большем его содержании Кремний может вызвать хрупкость.
Наибольшее значение имеют железные, медные и алюминиевые сплавы, содержащие rремний.
Кремнезем перерабатываются стекольной, цементной, керамической, электротехнической и других отраслями промышленности.
Сверхчистый кремний преимущественно используется для производства одиночных электронных приборов (например процессор твоего компьютера) и однокристальных микросхем.
Чистый кремний, отходы сверхчистого кремния, очищенный металлургический кремний в виде кристаллического кремния являются основным сырьевым материалом для солнечной энергетики.
Монокристаллический кремний - помимо электроники и солнечной энергетики используется для изготовления зеркал газовых лазеров.

Сверхчистый кремний и продукт его производства

Кремний в организме

Кремний в организме находится в виде различных соединений, участвующих главным образом в образовании твердых скелетных частей и тканей. Особенно много кремния могут накапливать некоторые морские растения (например, диатомовые водоросли) и животные (например, кремнероговые губки, радиолярии), образующие при отмирании на дне океана мощные отложения оксида кремния (IV). В холодных морях и озерах преобладают биогенные илы, обогащенные кремнием, в тропических морях - известковые илы с низким содержанием кремния. Среди наземных растений много кремния накапливают злаки, осоки, пальмы, хвощи. У позвоночных животных содержание оксида кремния (IV) в зольных веществах 0,1-0,5%. В наибольших количествах кремний обнаружен в плотной соединительной ткани, почках, поджелудочной железе. В суточном рационе человека содержится до 1 г кремния. При высоком содержании в воздухе пыли оксида кремния (IV) она попадает в легкие человека и вызывает заболевание - силикоз.

Заключение

Ну вот и все, если вы дочитали до конца и немного вникли, то вы на шаг ближе к успеху. Надеюсь писал я не зря и пост понравился хоть кому-то. Спасибо за внимание.

Изобретение направлено на получение кремния из его оксида в виде сплава кремния с железом путем восстановления твердым углеродом оксидов кремния и железа из сыпучей шихты с низким содержанием кремнезема при температурах, незначительно превышающих температуру плавления кремния. Способ включает формирование реакционного объема печи на основе фторида натрия, создание рудно-термического режима плавки в реакционном объеме, загрузку в реакционной объем шихты, содержащей сыпучие оксиды кремния, железа и глинозем, и углеродистого восстановителя, плавку шихты при 1450 - 1550°С и удаление продукта плавки из реакционного объема. В качестве углеродистого восстановителя используют графитовые отходы футеровки алюминиевых электролизеров. 1 з. п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к пирометаллургии, в частности к получению кремния из его оксида, и может быть использовано для производства ферросилиция. Известна реакция восстановления оксида кремния углеродом:

SiO 2 +2C--->Si+2CO {1}

По данным работ и изменение термодинамического потенциала Гиббса может быть рассчитано по уравнению:

G 0 T = 697390-359,07T,

Отсюда G 0 T = 0, а Kр = 1 при 1943 K (1670 o C). Это означает, что теоретически для начала восстановления кремнезема твердым углеродом по реакции {1} требуется температура 1670 o C. Известен электротермический способ получения кремния в виде его соединения с углеродом (карбида кремния) путем восстановления оксида кремния углеродом в мощных электрических печах . В известном способе шихта для получения карбида кремния состоит из оксида кремния в виде кварцевого песка и нефтяного кокса. Восстановление оксида кремния углеродом кокса осуществляют при температурах 2200-2500 o C, при этом нагревательным элементом печи является керн, выполненный из крупнокускового углеродистого материала. При восстановлении SiO 2 углеродом карбид кремния в качестве целевого продукта образуется в твердом виде по реакции:

SiO 2 +3C--->SiC+2CO {2}

G 0 T = 555615-322,11T кал,

Отсюда G 0 T = 0, а Kр = 1 при 1725 K (1452 o C). Недостатком известного способа получения кремния в виде карбида кремния является высокая температура процесса. Известен электротермический способ получения кремния в виде его сплава с алюминием (силикоалюминия) путем совместного восстановления углеродом оксидов кремния и алюминия . В известном способе шихта для получения силикоалюминия состоит из кварцита (SiO 2), глинозема (Al 2 O 3) и муллита (3Al 2 O 3 2SiO 2), в качестве восстановителя используют газовый уголь и нефтяной кокс. Восстановление муллита описывается уравнением:

2/13(3Al 2 O 3 2SiO 2)+ 2C--->4/13Si+12/13Al+2CO {3}

G 0 T = 810828-365,1T кал,

Отсюда G 0 T = 0, а Kр = 1 при 2221 K (1947 o C). Недостатком электротермического способа получения кремния в виде силикоалюминия является высокая температура процесса и связанная с этим необходимость использования рудовосстановительных печей. Известен способ получения металлов и сплавов, в том числе кремния в виде его сплава с железом, выбранный в качестве ближайшего аналога. (Патент РФ N 2130500, C 22 B 5/10, 1999 г.). Способ включает формирование реакционного объема печи на основе галогенида щелочного металла, создание руднотермического режима плавки в реакционном объеме печи, загрузку в реакционный объем шихты, содержащей сыпучие оксиды кремния, железа и глинозем, и углеродистого восстановителя, восстановительную плавку шихты и удаление продукта плавки из реакционного объема. Задачей изобретения является получение кремния из его оксида в виде сплава кремния с железом (ферросилиция), путем восстановления твердым углеродом оксидов кремния и железа из сыпучей шихты с низким содержанием кремнезема и высоким содержанием глинозема при температурах, незначительно превышающих температуру плавления кремния. Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения кремния из его оксида, включающем формирование реакционного объема печи на основе галогенида щелочного металла, создание руднотермичекого режима плавки в реакционном объеме печи, загрузку в реакционный объем печи шихты, содержащей сыпучие оксиды кремния, железа и глинозем, и углеродистого восстановителя, востановительную плавку шихты и удаление продукта плавки из реакционного объема, в качестве галогенида щелочного металла используют фторид натрия, а плавку ведут при температуре 1450-1550 o C, при этом в качестве восстановителя используют графитовые отходы футеровки алюминиевых электролизеров. Способ осуществляется следующим образом. В ванну рудовосстановительной электропечи, футерованную углеродистой массой или представляющую водоохлаждаемый металлический кожух, загружают фторид натрия, расплавляют его в дуговом режиме и в руднотермическом режиме доводят до жидкоподвижного состояния. Затем в ванну печи загружают сыпучую шихту, содержащую оксиды кремния и железа (содержание глинозема может достигать нескольких процентов). После этого в ванну печи загружают стехиометрическое количество углеродистого восстановителя. Твердый углерод, плавающий на поверхности расплава, восстанавливает растворенные в расплаве фторида натрия оксиды кремния и железа, при этом образующийся металлический сплав опускается на подину печи. Цикл загрузка шихты в расплав - восстановление многократно повторяется, при этом образующийся ферросилиций остается в печи (плавка на блок), либо удаляется через выпускное отверстие печи. Использование фторида натрия, имеющего температуру плавления 996 o C, объясняется тем, что его плотность в расплавленном виде составляет 1,961 г/см 3 . Кремний, имеющий плотность 2,42 г/см 3 , восстанавливаясь из кремнезема, растворенного во фториде натрия, опускается на подину печи. (Попытки восстановления кремния из его оксида, растворенного в расплаве плавикового шпата CaF 2 , приводили к тому, что восстановленный кремний всплывал на поверхность расплава фторида кальция, имеющего плотность 2,599 г/см 3 , и окислялся - сгорал). Пример осуществления предлагаемого способа. В опыте использовалась дуговая электропечь РКЗ-2ФС-Н1, имеющая ванну диаметром 1435 мм, футерованную графитом и оборудованную выпускным отверстием в средней части кожуха. Подача напряжения на печь осуществлялась через три графитовых электрода диаметром 150 мм, запитанных на трехфазный трансформатор мощностью 2000 кВА. В ванну печи загрузили фторид натрия (содержание NaF - 80%) в количестве 1000 кг и 50 кг металлизованных окатышей для розжига дуги. Фторид натрия расплавили в дуговом режиме и в руднотермическом режиме довели до жидкотекучего состояния. Высота расплава фторида натрия составила 180 мм. По достижении расплавом температуры 1370 o C, в расплав загрузили 1000 кг руды крупностью 0,1-5,0 мм следующего химического состава (%): SiO 2 - 70,3; Al 2 O 3 - 4,46; CaO - 4,39; Fe 2 O 3 - 3,52; MgO - 0,84; V 2 O 3 - 0,67; Pb - 0,05; Zn - 0,05; Cu - 0,03; C орг - 7,64; S общ - 1,12. По достижении расплавом температуры 1550 o C в расплав загрузили 500 кг прокатной окалины крупностью 5-20 мм, практически целиком состоящей из оксида железа FeO. В качестве восстановителя использовался металлургический кокс крупностью 10-50 мм, содержащий 80% углерода, в количестве 300 кг. Процесс восстановления фиксировался по горению оксида углерода над ванной печи. Продолжительность плавки с начала загрузки шихты составила 4 час. 20 мин, после чего металл и шлак через выпускное отверстие печи перелили в шлаковню.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ получения кремния из его оксида, включающий формирование реакционного объема печи на основе галогена щелочного металла, создание рудно-термического режима плавки в реакционном объеме электропечи, загрузку в реакционный объем шихты, содержащей сыпучие оксиды кремния, железа и глинозем, и углеродистого восстановителя, восстановительную плавку шихты и удаление продукта плавки из реакционного объема, отличающийся тем, что в качестве галогенида щелочного металла используют фторид натрия, а плавку ведут при 1450 - 1550 o C. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве восстановителя используют графитовые отходы футеровки алюминиевых электролизеров.

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.

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.

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?