Урок №43. Кремний и его соединения. Стекло. Цемент

Общая характеристика кремния

История открытия

Кремний в свободном виде был выделен в 1811 Ж. Гей-Люссаком и Л. Тенаром при пропускании паров фторида кремния над металлическим калием, однако он не был описан ими как элемент. Шведский химик Й. Берцелиус в 1823 дал описание кремния, полученного им при обработке калиевой соли K₂SiF₆ металлическим калием при высокой температуре. Новому элементу было дано название "силиций" (от лат. silex - кремень). Русское название "кремний" введено в 1834 году российским химиком Германом Ивановичем Гессом. В переводе c др.-греч. krhmnoz - "утес, гора".

Физические свойства

Известен аморфный и кристаллический кремний. Кристаллический кремний – 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 (sp³ - гибридизация атомов кремния) и образует прочные ковалентные σ – связи. Инертен. Кремний хрупок, при нагревании выше 800 °C становится пластичным веществом. Аморфный кремний – порошок бурого цвета на основе сильно разупорядоченной алмазоподобной структуры, гигроскопичен, ρ = 2 г/см³, более реакционноспособен, чем кристаллический.

Распространенность

Кремний – второй по распространенности элемент на Земле после кислорода. Его доля составляет 27,7% массы земной коры. В природе кремний встречается только в виде соединений, таких как силикаты, алюмосиликаты и кремнезем – оксид кремния(IV) SiO₂

Получение

1) Промышленность – нагревание угля с песком:

2C + SiO₂ =^t˚= Si + 2CO

2) Лаборатория – нагревание песка с магнием:

2Mg + SiO₂ = ^t˚= Si + 2MgO

Опыт «Взаимодействие магния с диоксидом кремния»

Опыт «Получение кремния термитным способом»

Химические свойства

Si – восстановитель

1) С кислородом

Si⁰ + O₂ =^t˚= Si⁺⁴O₂

2) Со фтором при обычных условиях

Si⁰ + 2F₂ = SiF₄

3) С углеродом

Si⁰ + C =^t˚= Si⁺⁴C

SiC - карборунд - твёрдый; используется для заточки ножей и шлифовки

4) С водородом не взаимодействует

Si +H₂≠

Силан (SiH₄) получают разложением силицидов металлов кислотой:

Mg₂Si + 2H₂SO₄ = SiH₄­↑ + 2MgSO₄

5) С растворами кислот не реагирует

Исключения:

• плавиковая кислота: Si+4HF=SiF₄+2H₂

• смесь азотной и плавиковой кислот растворяет кремний: 3Si + 4HNO₃ + 18HF → 3H₂[SiF₆] + 4NO­ + 8H₂O

6) Со щелочами

2NaOH + Si + H₂O =^t˚= Na₂SiO₃ + 2H₂

Опыт «Взаимодействие кремния со щелочью»

Si – окислитель

С металлами (образуются силициды):

Si⁰ + 2Mg =^t˚= Mg₂Si^-4

Применение

Наибольшее применение кремний находит в производстве сплавов для придания прочности алюминию, меди и магнию и для получения ферросилицидов, имеющих важное значение в производстве сталей и полупроводниковой техники.

Добавки кремния к сплавам повышают их коррозионную стойкость.

Кристаллы кремния применяют в солнечных батареях и полупроводниковых устройствах - транзисторах и диодах.

Кремний служит также сырьем для производства кремнийорганических соединений, или силоксанов, получаемых в виде масел, смазок, пластмасс и синтетических каучуков. Неорганические соединения кремния используют в технологии керамики и стекла, как изоляционный материал и пьезокристаллы.

Силикаты, алюмосиликаты и кремнезем – основное сырье для производства стекла и керамики, а также для строительной промышленности.

Для некоторых организмов кремний является важным биогенным элементом. Он входит в состав опорных образований у растений и скелетных - у животных. В больших количествах кремний концентрируют морские организмы - диатомовые водоросли, радиолярии, губки. Большие количества кремния концентрируют хвощи и злаки, в первую очередь - подсемейства Бамбуков и Рисовидных, в том числе - рис посевной. Мышечная ткань человека содержит (1-2) ·10^-2 % кремния, костная ткань - 17·10^-4 %, кровь - 3,9 мг/л. С пищей в организм человека ежедневно поступает до 1 г кремния.

Применение кремния и его соединений

Силан - SiH₄

Физические свойства:

Бесцветный газ, ядовит, t°_пл. = -185°C, t°_кип. = -112°C.

Получение:

Mg₂Si + 4HCl → 2MgCl₂ + SiH_4­↑

Опыт «Получение силана»

Химические свойства:

1) Окисление: SiH₄ + 2O₂ =^t˚= SiO₂ + 2H₂O

2) Разложение: SiH₄ =^t˚= Si + 2H_2­

Оксид кремния (IV)

(SiO₂)_n

SiO₂ – встречается в природе в виде: кварца, горного хрусталя, аметиста, агата, яшмы, опала, кремнезёма (основная часть песка).

Входит в состав: каолинита – Al₂O₃ • 2SiO₂ • 2H₂O (основная часть глины) и ортоклаза – K₂O • Al₂O₃ • 6SiO₂ (полевой шпат).

У оксида кремния (IV) атомная кристаллическая решётка.

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:

1). С основными оксидами

SiO₂ + CaO =^t˚= CaSiO₃

2). Со щелочами

SiO₂ + 2NaOH =^t˚= Na₂SiO₃ + H₂O

3). С водой не реагирует

SiO₂ + Н₂O ≠

4). С солями

SiO₂ + CaCO₃ =^t˚= CaSiO₃ + CO₂

SiO₂ + K₂CO₃ =^t˚= K₂SiO₃ + CO₂

5). С плавиковой кислотой – реакции лежат в основе процесса травления стекла:

SiO₂ + 4HF =^t˚= SiF₄­ + 2H₂O

SiO₂ + 6HF =^t˚= H₂[SiF₆] + 2H₂O

H₂[SiF₆] – гексафторкремниевая кислота

Применение

1. Изготовление силикатного кирпича

2. Изготовление керамических изделий

3. Получение стекла

Кремниевые кислоты

SiO₂·nН₂О

ор­ток­рем­ние­вая Н₄SiO₄ (SiO₂·2Н₂О),

пи­рок­рем­ние­вая Н₆Si₂O₇ (SiO₂·1,5Н₂О),

ме­так­рем­ние­вая Н₂SiO₃ (SiO₂·Н₂О),

ди­ме­так­рем­ние­вая Н₂Si₂O₅ (SiO₂·0,5Н₂О) и др.

Сла­бые ки­сло­ты, многие су­ще­ст­ву­ют толь­ко в рас­тво­рах; тер­ми­че­ски не­ус­той­чи­вы.

При под­кис­ле­нии вод­ных рас­тво­ров си­ли­ка­тов, а так­же в пе­ре­сы­щен­ных вод­ных рас­тво­рах силикатов об­ра­зу­ют­ся зо­ли или ге­ли по­ли­крем­ние­вых ки­слот пе­ре­мен­но­го со­ста­ва [SiO_x(OH)_4–2x]_m

При час­тич­ной де­гид­ра­та­ции та­ких ге­лей об­ра­зу­ет­ся по­рис­тый про­дукт – си­ли­ка­гель.

Физические свойства

H₂SiO₃ - очень слабая (слабее угольной), непрочная, в воде малорастворима (образует коллоидный раствор), не имеет кислого вкуса.

Получение

Действием сильных кислот на силикаты:

Na₂SiO₃ + 2HCl = 2NaCl + H₂SiO₃↓

Опыт "Получение геля кремниевой кислоты"

Опыт "Получение кремниевой кислоты"

Химические свойства

При нагревании разлагается:

H₂SiO₃ =^t˚= H₂O + SiO₂

Силикаты – соли кремниевой кислоты

1). С кислотами

Na₂SiO₃ + H₂O + CO₂ = Na₂CO₃ + H₂SiO₃↓

Na₂SiO₃ + 2HCl = 2NaCl+H₂SiO₃↓

Опыт «Качественная реакция на силикаты»

2). C растворами солей

Na₂SiO₃ + CaCl₂ = 2NaCl + CaSiO₃↓

3). Силикаты, входящие в состав минералов, в природных условиях разрушаются под действием воды и оксида углерода (IV) – этот процесс называется выветриванием горных пород:

K₂O • Al₂O₃ • 6SiO₂ + CO₂ + 2H₂O = Al₂O₃ • 2SiO₂ • 2H₂O + 4SiO₂ + K₂CO₃

Применение соединений кремния

Силикатная промышленность — это производство керамики, стекла, цемента из природных соединений кремния - природные соединения кремния - песок (SiO₂) и силикаты.

Керамика

Керамика — материалы, изготавливаемые из глин или их смесей с минеральными добавками (а иногда из других неорганических соединений) под воздействием высокой температуры с последующим охлаждением; а также изделия из таких материалов. В узком смысле слово «керамика» обозначает глину, прошедшую обжиг. Кирпич, кафель, глиняная, фаянсовая посуда, осколки древнегреческой амфоры — все это керамика (от греческого «керамон» — глина). Основными технологическими видами керамики являются майолика, терракота, шамот, фарфор, фаянс. Они различаются составом глин, режимом обжига, приемами художественного оформления.

Керамическое производство развивается в трех направлениях:

1. строительная керамика (кирпич, черепица, керамические трубы, тротуарная плитка и др.),

2. керамика для быта (посуда, облицовочная плитка, керамические ножи и др.),

3. техническая керамика — собирательное название для изделий, характеризующихся повышенной твёрдостью, жаро- и износостойкостью.

Стекло

Стекло – хрупкий, прозрачный материал, способен размягчаться и при застывании принимает любую форму.

Стекло известно человеку с древних времен. Но на протяжении многих столетий им пользовались только для изготовления оконных стекол и посуды. В настоящее время получают стекла с разнообразными свойствами и используют их в различных целях. Для получения стекол с определенными свойствами пользуются разными исходными материалами. Кроме того, свойства стекол зависят от технологического процесса их изготовления.

Обычное оконное стекло, а также стекло, из которого приготовляется большая часть стеклянной посуды (бутылки, стаканы и т. п.), состоит главным образом из силикатов натрия и кальция, Сплавленных с диоксидом кремния.

Состав оконного стекла приблизительно выражается формулой Na₂O • CaO • 6SiO₂

Видео "Производство стекла"

Стекло получают варкой шихты (сырьевой смеси, состоящей из песка, соды и известняка мела) в специальных стекловаренных печах.

Основные реакции, протекающие при плавке шихты:

Na₂CO₃ + SiO₂ =^t°C= Na₂SiO₃ + CO₂↑

K₂CO₃ + SiO₂ =^t°C= K₂SiO₃ + CO₂↑

CaCO₃ + SiO₂ =^t°C= CaSiO₃ + CO₂↑

Схематично процесс получения оконного стекла можно записать:

Na₂SiO₃ + CaSiO₃ + 4SiO₂ =^t°C= Na₂O∙CaO∙6SiO₂

Часто соду заменяют сульфатом натрия и углем. Уголь восстанавливает сульфат натрия в сульфит натрия, который, вступая в реакцию с песком, образует силикат натрия:

2Na₂SO₄ + 2SiO₂ + C =^t°C= 2Na₂SiO₃ + CO₂↑ + 2SO₂↑

Стекла могут быть различными по составу. Если заменить соду на поташ К₂СО₃, получают специальное тугоплавкое стекло К₂O∙CaO∙6SiO₂, которое идет на изготовление химической посуды. Если же заменить известняк на оксид свинца (II) РbО, а соду на поташ, то получится хрусталь К₂O∙PbO∙6SiO₂ — стекло с высоким коэффициентом преломления. Добавляя в стеклообразную массу различные оксиды, можно придавать стеклу различную окраску: оксид кобальта (II) СоО — синюю, оксид хрома (III) Сr₂O₃ — ярко-зеленую, оксид марганца (IV) МnO₂ — красновато-лиловую, а золото Au – рубиновую.

Видео 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

Химический состав цементов выражают обычно в процентах, содержащихся в них оксидов, из которых главными являются: CaO, Al₂O₃, SiO₂ и Fe₂O₃.

Сырьём для производства цемента являются глина и известняк. При их спекании происходит разложение известняка и образование силикатов и алюминатов кальция.

Основной химический процесс при производстве цемента – спекание при t = 1200 - 1300 ^оС смеси глины с известняком, приводящий к образованию силикатов и алюминатов кальция:

Al₂O₃ • 2SiO₂ • 2H₂O =^t°C= Al₂O₃ • 2SiO₂ + 2H₂O

CaCO₃ =^t°C= CaO + CO₂

CaO + SiO₂ =^t°C= CaSiO₃

3CaO + Al₂O₃ =^t°C= 3CaO • Al₂O₃

При смешивании с водой происходит постепенная гидратация:

3CaO • Al₂O₃ • 6H₂O = 3CaO • Al₂O₃ + 6H₂O

Полученную массу (клинкер) перемалывают в зеленовато-серый порошок — портландцемент.

При смешивании цемента с водой образуется тестообразная масса, которая со временем затвердевает. Происходит «схватывание» цемента.

Цемент — важный строительный материал, из него готовят бетон, железобетон.

Бетон — смесь щебня или гравия, песка с цементом.

Если в бетон ввести каркас из металлических стержней (стальная арматура), то получится железобетон. Бетон и железобетон в больших количествах идут на строительство гидроэлектростанций, плотин, сооружений, дорог, зданий.

Видео "Производство бетона"