Заняття №09 Силіцій та його сполуки. Силікатна кислота й силікати. Будівельні матеріали
План заняття:
1. Силіцій (IV) оксид, його властивості.
2. Силікатна кислота, її властивості.
3. Будівельні матеріали
1. Силіцій (IV) оксид, його властивості.
Силіцій — один з найпоширеніших у земній корі елементів. Він становить 27% (мас.) доступної нашому дослідженню частини земної кори, займаючи щодо поширеності друге місце після кисню. У природі силіцій трапляється лише в сполуках: у вигляді діоксиду силіцію SiO2, що також називається ангідридом силіцію, або кремнеземом, і у вигляді солей силікатних кислот (силікатів). У природі найбільше поширені алюмосилікати, тобто силікати, до складу яких входить алюміній. До них належать польові шпати, слюди, каолін та ін.
Так само як карбон, входячи до складу всіх органічних речовин, є дуже важливим елементом рослинного і тваринного світу, силіцій — основний елемент у світі мінералів і гірських порід. У більшості організмів вміст силіцію дуже невеликий. Проте деякі морські організми нагромаджують великі кількості силіцію. До багатих на нього морських рослин належать діатомові водорості, з тварин багато силіцію містять радіолярії, силіцієві губки.
Силіцій застосовують в основному в металургії і напівпровідниковій техніці. У металургії його використовують для видалення кисню з розплавлених металів; він є також складовою частиною багатьох сплавів, найважливіші з яких — сплави на основі феруму, купруму та алюмінію. В напівпровідниковій техніці силіцій використовують для виготовлення фотоелементів, підсилювачів, випрямлячів. Напівпровідникові прилади на основі силіцію витримують нагрівання до 250° С, що розширює галузь їх застосування.
Оксид силіцію.
Найстійкішою сполукою силіцію є діоксид силіцію, або кремнезем, SiO2. Він трапляється у природі в кристалічному і аморфному стані.
Кристалічний діоксид силіцію трапляється головним чином у вигляді мінералу кварцу. Прозорі, безбарвні кристали кварцу, що мають форму шестигранних призм з шестигранними пірамідами на кінцях, називаються гірським кришталем Гірський кришталь, забарвлений домішками в ліловий колір, називається аметистом, а в буруватий — димчастим топазом. Але частіше кварц трап¬ляється у вигляді суцільних напівпрозорих мас, безбарвних або забарвлених у різні кольори. Однією з різновидностей кварцу є кремінь.
До дрібнокристалічних різновидностей кварцу належать агат і яшма. Кварц входить також до складу багатьох складних гірських порід, наприклад граніту і гнейсу.
З дрібних зерен кварцу складається звичайний пісок. Чистий пісок має білий колір, але частіше він буває забарвлений сполуками заліза в жовтий або червонуватий колір.
Кристалічний діоксид силіцію дуже твердий, не розчиняється у воді, плавиться близько 1610° С, перетворюючись у безбарвну рідину. Після охолодження цієї рідини утворюється прозора скловидна маса аморфного діоксиду силіцію, на вигляд схожа на скло.
Аморфний діоксид силіцію поширений у природі значно менше, ніж кристалічний. На дні морів є відклади тонкого пористого аморфного кремнезему, що називається трепелом, або кізельгуром. Ці відклади утворилися з SiO2, що входив до складу організмів діатомових водоростей і деяких інфузорій.
Оксид силіцію(ІV) називають також кремнеземом. Це тверда тугоплавка речовина, широко розповсюджена в природі у двох видозмінах:
1) кристалічний кремнезем — у вигляді мінералу кварцу і його різновидів (гірський кришталь, халцедон, агат, яшма, кремінь); кварц є основою кварцових пісків, які широко використовуються в будівництві та силікатній промисловості;
2) аморфний кремнезем — у вигляді мінералу опалу складу SiO2 ∙ nН2О; землистими формами аморфного кремнезему є діатоміт, трепел (інфузорна земля); прикладом штучного аморфного безводного кремнезему може бути силікагель, який добувають з метасилікату натрію:
Na2SiO3 + 2НСl = 2NaCl + Н2SiO3;
Н2SіО3 = Н2О + SiO2.
Силікагель має розвинену поверхню, а тому добре адсорбує вологу. При 1 710°С кварц плавиться. За швидкого охолодження розплавленої маси утворюється кварцове скло. Воно має дуже малий коефіцієнт розширення, завдяки чому розжарене кварцове скло не тріскається при швидкому охолодженні водою. З кварцового скла виготовляють лабораторний посуд і прилади для наукових досліджень.
Найпростіша формула оксиду силіцію(ІV) SiO2 аналогічна формулі оксиду карбону(ІV) СО2. Проте їх фізичні властивості значно відрізняються (SіО2 — тверда речовина, СО2 — газ). Ця відмінність пояснюється будовою кристалічних решіток: СО2 кристалізується в молекулярній решітці, SiO2 — в атомній. Структуру SiO2 в площинному зображенні можна представити так:
Фізичні властивості. Діоксид Силіцію – тверда, кристалічна, безбарвна, тугоплавка речовина, у воді не розчиняється.
Хімічні властивості.
За хімічними властивостями оксид силіцію(ІV) SіО2 належить до кислотних оксидів. При сплавлянні його з твердими лугами, основними оксидами і карбонатами утворюються солі силікатної кислоти:
SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + Н2О;
SiO2 + CaO = СаSіО3;
SiO2 + Na2СО3 = Na2SiO3 + CO2.
З оксидом силіцію(ІV) взаємодіє тільки плавикова кислота:
SiO2 + 4HF = SiF4 + 2Н2О.
За допомогою цієї реакції здійснюють травлення скла.
2. Силікатна кислота, її властивості.
У воді оксид силіцію(ІV) не розчиняється і з нею хімічно не взаємодіє. Тому силікатну кислоту добувають непрямим способом, діючи кислотою на розчин силікату калію або натрію:
SiO32- + 2Н+ = H2SiO3.
При цьому силікатну кислоту (залежно від концентрації вихідних розчинів солі та кислоти) можна добути як у вигляді драглистої маси, що містить воду, так і у вигляді колоїдного розчину (золю).
Силікатна кислота побудована з тетраедричних структурних ланок (в кожній такій ланці атом силіцію розташований в центрі тетраедра, а у вершинах розміщені атоми оксигену). Структурні ланки, об’єднуючись в ланцюги, утворюють стійкіші полісилікатні кислоти:
Склад такої сполуки можна виразити формулою (Н2SіО3)n. Проте звичайно силікатну кислоту зображують формулою Н2SiO3.
H2SiO3 — кислота дуже слабка, у воді малорозчинна. При нагріванні легко розкладається аналогічно карбонатній кислоті:
H2SiO3 = Н2О + SiO2.
Як двохосновна кислота, дисоціює ступінчасто:
H2SiO3 ⇆ Н+ + HSiO3-
HSiO3- ⇆Н+ + SiO32-.
Використання.
Силіцій діоксид у вигляді піску широко застосовується у будівництві, для добування скла, кераміки, порцеляни, фаянсу, цегли, цементу та ін. У вигляді кварцу силіцій діоксид використовують у радіотехніці, акустоелектроніці, оптичному приладобудуванні. Синтетичний силіцій діоксид („біла сажа”) служить наповнювачем у виробництві гуми.
Діоксид силіцію — кислотний оксид. Йому відповідають слабкі малорозчинні у воді силікатних кислоти. їх можна подати загальною формулою nSiO2 • mH20. У вільному стані виділено ортосилікатну H4SiО4, метасилікатна (або силікатну) H2SiO3 і кілька інших кислот. Метасилікатна кислота досить легко утворює перенасичені розчини, у яких вона поступово полімеризується і переходить у колоїдний стан. За допомогою стабілізаторів можна добути стійкі золі силікатної кислоти високої концентрації. Ці розчини застосовують у деяких виробництвах, наприклад для виготовлення паперу, обробки води. Якщо немає стабілізаторів, то золь силікатної кислоти переходить у гель. Коли висушити його, то утворюється пористий продукт (силікагель), що застосовуєтеся як осушувач та адсорбент.
3. Будівельні матеріали
Скло. З розплавленого кварцу виготовляють кварцове скло для лабораторного посуду і ртутних ламп.
Звичайне віконне скло виробляють, сплавляючи силіцій діоксид у вигляді піску з кальцій карбонатом (вапняком) і натрій карбонатом (содою):
CaCO3+SiO2 = CaSiO3 + CO2
Na2CO3+SiO2 = Na2SiO3 + CO2
Склад скла, що утворюється, можна приблизно описати формулою
Na2O • CaO • 6SiO2
Якщо замість соди взяти поташ (калій карбонат), утвориться тугоплавке скло, а якщо додати ще плюмбум(ІІ) оксид – утвориться кришталь – важке скло, яке дуже заломлює світло.
Цемент. Під час прожарювання вапняку (кальцій карбонату) і глини (алюмосилікатів) утворюється цемент – сірий порошок, що під час змішування з водою швидко висихає і твердне, перетворюючись на каменеподібну масу. Цемент використовують як будівельний матеріал. Із суміші цементу, піску і води готують будівельний розчин. Цемент, змішаний з водою і наповнювачами (щебень, гравій, шлак), утворює суміш, яку після тужавіння називають бетоном. Якщо бетоном заливають сталевий каркас, дістають залізобетон.
Кераміка. Вироби з глини називають керамікою. З білої глини – каоліну виготовляють порцелянові вироби, з чистих глин – фаянсові. Із звичайних неочищених глин роблять цеглу, черепицю, каналізаційні труби.
Солі силікатних кислот — силікати — здебільшого у воді не розчиняються; розчиняються лише силікати натрію і калію. Вони утворюються у процесі сплавляння діоксиду силіцію з їдкими лугами або карбонатами калію і натрію, наприклад:
SiO2 + 2NaOH = Na2SiО3 + H2O;
SiO2 + K2CO3 = K2SiО3 + CO2.
Завдяки зовнішній подібності до скла і розчинності у воді силікати натрію і калію дістали назву розчинного скла.
Розчинне скло у вигляді водних розчинів, що називаються рідким склом, застосовують для виготовлення кислототривкого цементу і бетону, газонепроникних штукатурок по бетону, для просочування тканин, виготовлення вогнезахисних фарб по дереву, для хімічного зміцнення слабких грунтів.