Оксид кремния (IV)

Наиболее стойким соединением кремния является диоксид кремния, или кремнезем, SiO₂. Он встречается как в кристаллическом, так и в аморфном виде.

Кристаллический диоксид кремния находится в природе глав­ным образом в виде минерала кварца.

Кристаллический диоксид кремния очень тверд, нерастворим в воде и плавится около 1610° С, превращаясь в бесцветную жидкость. По охлажде­нии этой жидкости получается прозрачная стекловидная масса аморф­ного диоксида кремния, по виду сход­ного со стеклом.

Аморфный диоксид кремния распространен в природе гораздо меньше, чем кристаллический. На дне морей имеются отложения тонкого пористого аморфного кремнезема, называемого трепелом или кизельгуром. Эти отложения образовались из SiO₂, входившего в состав организмов диатомовых водорослей и некоторых инфузорий.

Химические свойства

1. SiO₂ – кислотный оксид, поэтому аморфный кремнезем медленно растворяется в водных растворах щелочей, образуя соответствующие соли кремневой кислоты (силикаты):

SiO₂ + 2 NaOH ═ Na₂SiO₃ + H₂O

2. SiO₂ взаимодействует также при нагревании с основными оксидами:

SiO₂ + K₂O = K₂SiO₃

SiO₂ + CaO = CaSiO₃

3. Будучи нелетучим оксидом, SiO₂ вытесняет углекислый газ из Na₂CO₃ (при сплавлении):

SiO₂ + Na₂CO₃ = Na₂SiO₃ + CO₂↑

4. Кислоты, за исключением плавиковой, не действуют на диоксид кремния. Плавиковая же кислота легко вступает с ним в реакцию, образуя фторид кремния и воду:

SiO₂ + 4 HF ═ SiF₄ + 2 H₂O

5. При температуре SiO₂ взаимодействует с газообразным HF и F₂, образуя тетрафторсилан (тетрафторид кремния):

SiO₂ + 4HF = SiF₄ + 2H₂O

SiO₂ + 2F₂ = SiF₄ + O₂

Кремниевые кислоты

Диоксид кремния — кислот­ный оксид. Ему соответствуют слабые малорастворимые в воде кремниевые кислоты. Их можно представить общей формулой nSiO₂•mН₂О. В свободном состоянии выделены ортокремниевая Н₄SiO₄, метакремниевая (или кремниевая) H₂SiO₃ кислоты. Метакремниевая кислота довольно легко образует пере­сыщенные растворы, в которых она постепенна полимеризуется и переходит в коллоидное состояние. С помощью стабилизаторов можно получить стойкие золи кремниевой кислоты высокой концентрации. Эти растворы применяются в некоторых производ­ствах, например, при изготовлении бумаги, для обработки воды.

В отсутствие стабилизаторов золь кремниевой кислоты перехо­дит в гель. При его высушивании образуются пористые продукты (силикагель), применяемые в качестве осушителей и адсор­бентов.

Способы получения

1. Осаждение кислотами из растворов силикатов щелочных металлов:

Na₂SiO₃ + 2HCl = H₂SiO₃↓ + 2NaCl

2. Гидролиз хлорсиланов:

SiCl₄ + 4H₂O = H₄SiO₄ + 4HCl

Химические свойства

Кремниевые кислоты – очень слабые кислоты (слабее угольной).

При нагревании они дегидратируются с образованием в качестве конечного продукта кремнезема:

_{-H2O -H2O}

H₄SiO₄ → H₂SiO₃ → SiO₂

Природные силикаты и алюмосиликаты, цеолиты

Силикаты чрезвычайно распространены в природе. К природным силикатам принадлежат полевые шпаты, слюды, глины, асбест, тальк и многие другие минералы. Силикаты входят в состав целого ряда горных пород: гранита, гнейса, базальта, различных сланцев и т. д. Многие драгоценные камни, например, изумруд, топаз, аквамарин пред­ставляют собой хорошо образованные кристаллы природных силикатов.

Химические свойства

1. Поскольку кремниевые кислоты чрезвычайно слабые, их соли в водных растворах сильно гидролизованы:

Na₂SiO₃ + H₂O ↔ NaHSiO₃ + NaOH

SiO₃^2- + H₂O ↔ HSiO₃^- + OH^-

2. По этой же причине при пропускании углекислого газа через растворы силикатов происходит вытеснение из них кремниевой кислоты:

K₂SiO₃ + CO₂ + H₂O = H₂SiO₃↓ + K₂CO₃

Состав природных силикатов выражается в большинстве случаев довольно сложными формулами. Ввиду сложности этих формул, принято писать их несколько иначе, чем обычные формулы солей.

Дело в том, что всякую соль кислородной кислоты можно рас­сматривать как соединение кислотного оксида с основным (или даже с двумя основными оксидами, если это двойная соль). На­пример, СаСО₃ можно рассматривать как соединение СаО и СО₂, Аl₂(SО₄)₃ — как соединение Аl₂О₃ и 3 SО₃ и т. д. На этом основа­нии при изображении состава силикатов обычно пишут отдельно формулы диоксида кремния и всех оксидов, образующих силикат, соединяя их точками.

Приведем формулы некоторых природных силикатов:

Каолин Аl₂О₃ • 2 SiO₂ • 2 Н₂О

Слюда белая К₂О • 3 А1₂О₃ • 6 SiO₂ • 2 Н₂О

Как уже указывалось ранее, силикаты, содержащие алюминий, называются алюмосиликатами. Самыми важными из них являются полевые шпаты.

В состав полевых шпатов, кроме оксидов кремния и алюминия входят еще оксиды калия, натрия или кальция. Обычный полевой шпат, или ортоклаз, содержит оксид калия; состав его выражается формулой К₂О • А1₂О₃ • 6 SiO₂ Преобладающий цвет полевых шпа­тов — белый или красный. Полевые шпаты встречаются в природе как в виде сплошных залежей, так и в составе сложных горных пород.

К алюмосиликатам относятся также слюды, отличающиеся способностью раскалываться на тонкие, гибкие листочки. Слюды имеют сложный состав и наряду с кремнием и алюминием содержат водород, калий или натрий; в состав некоторых слюд входят также кальций, магний и железо.

Некоторые алюмосиликаты обладают рыхлой структурой и спо­собны к ионному обмену содержащейся в них водой на другие жидкости (спирт, аммиак и т. д.). Такие силикаты — природные и особенно искусственные — применяются для водоумягчения и называются цеолитами.