Кремний и его соединения
Кремний и его соединения. Значение соединений кремния в живой и неживой природе. Понятие силикатной промышленности.
Кремний открыл и получил в 1823 году шведский химик Йенс Якоб Берцелиус.
Кремний - второй по распространённости элемент в земной коре после кислорода (27,6% по массе). Встречается в соединениях.
Строение атома:
1s22s22p63s23p2
Степени окисления: +4, -4.
Кремний - простое вещество. Аллотропия кремния
Известен аморфный и кристаллический кремний.
Кристаллический – тёмно-серое вещество с металлическим блеском, большая твёрдость, хрупок, полупроводник; ρ = 2,33 г/см3, t°пл. =1415°C; t°кип. = 2680°C.
Имеет алмазоподобную структуру и образует прочные ковалентные связи. Инертен.
Аморфный - бурый порошок, гигроскопичен, алмазоподобная структура, ρ = 2 г/см3, более реакционноспособен.
Получение кремния
1. В промышленности – нагревание угля с песком: 2C + SiO2 t˚→ Si + 2CO
2. В лаборатории – нагревание песка с магнием: 2Mg + SiO2 t˚→ Si + 2MgO Опыт
Химические свойства кремния
Типичный неметалл, инертен.
кристаллический кремний
Si
как восстановитель:
1) Взаимодействие с кислородом
Si
rак окислитель:
Si0 + O2 t˚= Si+4O2
2) Взаимодействие фтором (без нагревания)
Si0 + 2F2 = SiF4
1) Взаимодействие с металлами (образуются силициды):
Si0 + 2Mg t˚= Mg2Si-4
3) Взаимодействие с углеродом
Si0 + C t˚= Si+4C
(SiC - карборунд - твёрдый; используется для точки и шлифовки)
4) С водородом кремний не взаимодействует. Силан (SiH4) получают разложением силицидов металлов кислотой:
Mg2Si + 2H2SO4 → SiH4 + 2MgSO4
5) С кислотами не реагирует (только с плавиковой кислотой Si+4HF=SiF4+2H2)
Растворяется только в смеси азотной и плавиковой кислот:
3Si + 4HNO3 + 18HF → 3H2[SiF6] + 4NO + 8H2O
6) Со щелочами (при нагревании):
Применение кремния
Кремний широко используется в электронике как полупроводник. Добавки кремния к сплавам повышают их коррозионную стойкость. Силикаты, алюмосиликаты и кремнезем – основное сырье для производства стекла и керамики, а также для строительной промышленности.
Применение кремния и его соединений
Соединения кремния
Силан - SiH4
Физические свойства: Бесцветный газ, ядовит, t°пл. = -185°C, t°кип. = -112°C.
Получение: Mg2Si + 4HCl → 2MgCl2 + SiH4↑
Химические свойства:
1) Окисление: SiH4 + 2O2 t˚→ SiO2 + 2H2O
2) Разложение: SiH4 → Si + 2H2
Оксид кремния (IV) - (SiO2)n
SiO2 - кварц, горный хрусталь, аметист, агат, яшма, опал, кремнезём (основная часть песка):
Кристаллическая решётка оксида кремния (IV) – атомная и имеет такое строение:
Физические свойства: Твёрдое, кристаллическое, тугоплавкое вещество, t°пл.= 1728°C, t°кип.= 2590°C
Химические свойства:
Кислотный оксид. При сплавлении взаимодействует с основными оксидами, щелочами, а также с карбонатами щелочных и щелочноземельных металлов:
Изучение свойств оксида кремния (IV)
1) Взаимодействие оксида кремния с основными оксидами:
SiO2 + CaO t˚= CaSiO3
2) Взаимодействие оксида кремния с щелочами:
SiO2 + 2NaOH t˚= Na2SiO3 + H2O
3) С водой оксид кремния не реагирует!
4) Взаимодействие оксида кремния с солями:
SiO2 + CaCO3 t˚= CaSiO3 + CO2
SiO2 + K2CO3 t˚= K2SiO3 + CO2
5) Взаимодействие оксида кремния с плавиковой кислотой:
SiO2 + 4HF t= SiF4 + 2H2O
SiO2 + 6HF t= H2[SiF6] (гексафторкремниевая кислота) + 2H2O
(реакции лежат в основе процесса травления стекла).
Применение:
1. Изготовление силикатного кирпича
2. Изготовление керамических изделий
3. Получение стекла
Кремниевые кислоты x • SiO2 • y H2O
x = 1, y = 1 H2SiO3 - метакремниевая кислота
x = 1, y = 2 H4SiO4 - ортокремниевая кислота и т.д.
Физические свойства кремниевой кислоты: H2SiO3 - очень слабая (слабее угольной), непрочная, в воде малорастворима (образует коллоидный раствор), не имеет кислого вкуса.
Получение кремниевой кислоты:
Действие сильных кислот на силикаты - Na2SiO3 + 2HCl = 2NaCl + H2SiO3↓
Получение геля кремниевой кислоты
Химические свойства кремниевой кислоты:
При нагревании разлагается: H2SiO3 t˚= H2O + SiO2
Соли кремниевой кислоты - силикаты.
1) Взаимодействие силикатов щелочных металлов с кислотами
Na2SiO3+H2O+CO2=Na2CO3+H2SiO3
2) Взаимодействие силикатов щелочных металлов с солями
Na2SiO3+CaCl2=2NaCl+CaSiO3↓
3) Силикаты, входящие в состав минералов, в природных условиях разрушаются под действием воды и оксида углерода (IV) - выветривание горных пород:
(K2O • Al2O3 • 6SiO2)(полевой шпат) + CO2 + 2H2O → (Al2O3 • 2SiO2 • 2H2O)(каолинит (глина)) + 4SiO2(кремнезём (песок)) + K2CO3
Применение соединений кремния
K2O • Al2O3 • 6SiO2 - ортоклаз (полевой шпат)
Природные соединения кремния - песок (SiO2) и силикаты используются для производства керамики, стекла и цемента.
Керамика
Фарфор = каолин+ глина + кварц + полевой шпат. Родина фарфора – Китай, где фарфор известен уже в 220г. В 1746 г – налажено производство фарфора в России
Фаянс - от названия итальянского города Фаэнца. Где в 14-15веках было развито керамическое ремесленничество. Фаянс – отличается от фарфора большим содержанием глины (85%), более низкой температурой обжига.
Стекло – хрупкий, прозрачный материал, способен размягчаться и при застывании принимает любую форму. Стекло получают варкой шихты (сырьевой смеси, состоящей из песка, соды и известняка) в специальных стекловаренных печах.
Основные реакции, протекающие при плавке шихты
1. Na2CO3 + SiO2 = Na2SiO3 + CO2
2. CaCO3 + SiO2 = CaSiO3 + CO2
3. Na2SiO3 + CaSiO3 + 4SiO2 = Na2O * CaO * 6SiO2 - формула оконного стекла
При добавлении оксида свинца получают хрусталь.
Сравнение свойств кварцевого и обычного стекла
Цемент
Цемент – мелко измельчённый клинкер с минеральными добавками.
Клинкер - шарики тёмно-серого цвета получают спеканием глины и известняка в специальных вращающихся печах
ТРЕНАЖЁРЫ
Тренажёр №1 - Характеристика кремния по положению в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева
Тренажёр №2 - Тестовые задания по теме: "Углерод и кремний, их соединения"
Тренажёр №3 - Задания для контроля и самопроверки по теме "Углерод и кремний в природе. Применение углерода и кремния и их соединений"
Задания для закрепления
Осуществите превращения по схеме:
1) Si → SiO2 → Na2SiO3 → H2SiO3 →SiO2
2) Si → Mg2Si → SiH4 → SiO2
3) Si → Na2SiO3