5.2.2. Кремний.

После кислорода кремний самый распространённый элемент в земной коре [27,6% по массе]. Si в свободном состоянии в природе не встречается. Может быть получен в одной из двух аллотропных модификаций — кристаллической или аморфной.

Кремний растворяется в смеси концентрированных азотной и плавиковой кислот [другие кислоты на Si не действуют]:

3Si + HNO₃ + 12HF  3SiF₄ + 4NO + 8H₂O.

Кремний растворяется в водных растворах щелочей:

Si + 2NaOH + H₂O  Na₂SiO₃ + H₂ .

При нагревании кремний взаимодействует с кислородом:

S i + O₂ ^t SiO₂ + Q,

а также с галогенами:

S i + 2F₂ ^t SiF₄.

^{тетрафторид кремния}

Тетрахлорид кремния легко гидролизуется водой с образованием геля SiO₂ и кислоты HCl. Тетрафторид кремния — газ, при температуре выше 800С гидролизуется парами воды до HF и SiO₂.

Соединения кремния с активными металлами — силициды — получают при высокой температуре:

2MgO + 3Si ^t Mg₂Si + 2SiO

2Mg + Si ^t Mg₂Si

2CaH₂ + Si ^t Ca₂Si + 2H₂

Si + C ^t SiC

С водой и кислотами взаимодействуют только силициды щелочных и щелочноземельных металлов, выделяя силан SiH₄: Ca₂Si + 4HCl  2CaCl₂ + SiH₄

Силан SiH₄ — бесцветный газ, имеющий запах плесени; самопроизвольно воспламеняется на воздухе, сгорая до SiO₂ и Н₂О:

SiH₄ + 2O₂  SiO₂ + H₂O

Щелочи очень легко разлагают силан по уравнению:

SiH₄ + 2KOH + H₂O  K₂SiO₃ + 4H₂

Вода тоже гидролизует силан, но медленнее:

SiH₄ + 2H₂O  SiO₂ + 4H₂

Силан разлагается на элементы при нагревании выше 400С без доступа воздуха:

SiH₄  Si + 2H₂

Кислородсодержащие соединения кремния — это в первую очередь SiO₂ — кремнезём, который встречается в природе в виде песка. Чистые [без примеси оксида железа] кристаллики SiO₂ называют кварцем. Большие бесцветные кристаллы кварца — горный хрусталь.

SiO₂ — твёрдое, тугоплавкое вещество, в воде не растворяется, имеет прочную атомарную кристаллическую решётку. Кристаллы кварца образованы из тетраэдров, расположенных винтообразно вокруг центральной оси, в виде спирали. Кристаллы являются оптическими изомерами.

Встречаются розовый кварц, фиолетовый [аметист], тёмно-коричневый [дымчатый топаз], зелёный [хризопраз].

SiO₂ — это кислотный оксид, способный образовывать силикаты.

Силикагель — аморфные формы SiO₂ — кремнезёма, состоящие из коллоидных сферических частиц размером от 10 до 100 нм и отличающиеся по степени гидратации — от почти безводного кремнезёма до пластичных студенистых масс с соотношением Н₂О : SiO₂ ≤ 100.

Представляет собой полупрозрачные зёрна белого или желтоватого цвета, в высушенном состоянии хрупок, не набухает в воде и органических растворителях. Структура силикагеля построена из тетраэдров SiO₂. Силикагель получают взаимодействием силиката натрия с кислотой [H₂SO₄, HCl]. Процесс включает образование золя, застудневание, созревание геля, промывку и сушку.

Кремниевая кислота. H₂SiO₃ — это условное обозначение состава кремниевой кислоты. Более точный её состав:

Получение кремниевой кислоты:

Na₂SiO₃ + 2HCl  2NaCl + H₂SiO₃.

В

t

воде она практически нерастворима, поэтому ионы водорода от её молекул почти не отщепляются; даже слабая угольная кислота сильнее кремниевой. Действия на индикатор кремниевая кислота не оказывает, она непрочная и постепенно разлагается:

H ₂SiO₃ H₂O + SiO₂.

Силикаты — соли кремниевой кислоты. Роль катионов в силикатах играют преимущественно элементы II, III и IV периодов ПСЭ. В природе широко представлены в виде минералов.

K₂O ·Al₂O₃ · 6SiO₂ + CO₂ + 2H₂O  Al₂O₃ · 2SiO₂ · 2H₂O + 4SiO₂ + K₂CO₃.

^{ортоклаз [алюмосиликат] каолинит}

При сплавлении различных смесей силикатов друг с другом или с кремнием диоксидом получаются прозрачные аморфные материалы, называемые стёклами.

Состав стекла может изменяться в широких пределах и зависит от условий получения.

Алюмосиликаты — группа природных и синтетических силикатов, содержащих в составе комплексные анионы Al и Si. Алюмосиликаты составляют до 50% массы земной коры.

Цеолиты M_2/n · Al₂O₃ · xSiO₂ · yH₂O [n — степень окисления щелочного или щелочноземельного металла М] используются как адсорбенты в хроматографии, а также при очистке, осушке и разделении газов, как реагенты при умягчении воды, катализаторы, носители катализаторов и др.

Кремнийорганические полимеры [силиконы] — высокомолекулярные соединения, содержащие атомы Si в мономерном звене.

Кремнийорганические полимеры, основные цепи которых построены из чередующихся атомов Si и О, называют силоксанами, например, полидиметилсилоксан.