2.1. Соединения кремния

2.1.1. Оксид кремния (IV)

Наиболее стойким соединением кремния является диоксид кремния SiO₂ (кремнезем). В природе он встречается как в кристаллическом, так и в аморфном виде.

Кристаллический диоксид кремния (кремнезем) находится в природе главным образом в виде песка и кварца. Он очень тверд, нерастворим в воде и плавится при температуре около 1610 ⁰С, превращаясь в бесцветную жидкость.

Аморфный диоксид кремния распространен в природе гораздо меньше, чем кристаллический. На дне морей имеются отложения тонкого пористого аморфного кремнезема, называемого трепелом или кизельгуром.

Оксид кремния проявляет свойства кислотного оксида. При сплавлении его с щелочами, карбонатами калия и натрия или основными оксидами получаются соли кремниевых кислот:

СaO + SiO₂ = CaSiO₃

Оксид кремния не взаимодействует с кислотами, за исключением плавиковой кислоты HF, с образованием газообразного фторида кремния:

SiO₂ + 4HF = SiF₄ + 2H₂O

Кремнезем (SiO₂) и его производные относятся к неорганическим полимерам.

В настоящее время пространственное строение ряда силикатов изучено с помощью рентгеновских лучей. При этом выяснено, что все исследованные структуры могут быть классифицированы с разбивкой на сравнительно небольшое число типов, отличающихся друг от друга характером сочетания тэтраэдрических ионов . Некоторые из них включают в себя простейшие силикатные анионы (рисунок).

Рис..1 Строение простейших силикатных анионов

Аморфный кремнезем взаимодействует со щелочами и гашеной известью на холоде. На этом свойстве основано применение этих материалов в качестве гидравлических добавок к цементам.

Кремнезем, находящийся в природе в виде песка, широко применяют в строительстве для производства стекла, керамики и цемента. Из расплавленного кварца получают кварцевое стекло, которое пропускает ультрафиолетовое излучение и имеет малый коэффициент расширения. Температура плавления такого стекла около 1700 ^ºС, поэтому из него изготовляют ртутные лампы и термостойкую лабораторную посуду.

2.1.2. Кремниевые кислоты

Оксиду кремния (IV) соответствует ряд кислот, состав которых выражают схематической формулой xSiO₂ ∙ yH₂O. Первым представителем этого ряда кислот является метакремниевая кислота H₂SiO₃, в которой на один моль диоксида кремния приходится один моль воды. Если на один моль диоксида кремния приходится два моля воды, то образуется ортокремниевая кислота H₄SiO₄ и т.д. Кислоты же, в составе которых х=2 и более, называются поликремниевыми.

Метакремниевая кислота ― слабая малоустойчивая двухосновная кислота, слабее угольной кислоты. Поэтому угольная кислота может вытеснить метакремниевую кислоту из раствора ее солей, таким образом ее можно получать:

Na₂SiO₃ + CO₂ + H₂O = Na₂CO₃ + H₂SiO₃↓

В воде метакремниевая кислота не растворяется и выделяется в виде студенистого осадка – геля. При его обезвоживании получают силикагель ― бесцветное пористое аморфное вещество с очень развитой поверхностью и большой способностью к адсорбции. Его используют для осушки и очистки различных материалов, а также в качестве эффективного носителя катализаторов.

При нагревании кремниевая кислота разлагается:

H₂SiO₃ = SiO₂ + H₂O.

Растворяется метакремниевая кислота только в щелочах, с образованием солей:

H₂SiO₃ + 2NaOH = Na₂SiO₃ + H₂O.

Поликремниевые кислоты легко образуют коллоидные растворы ― золи, устойчивость которых зависит сильно от рН раствора. В пределах рН 2-5 они наиболее устойчивы, а при рН меньше 2 и больше 5 кремниевокислые золи быстро переходят в гель. Строение мицеллы золя кремниевой кислоты выражается следующей формулой: [(SiO₂ ∙ nH₂O)_m ∙∙ xHSiO₃^- ∙∙ (x - y)H⁺ ] ∙∙ yH⁺.