Кремний. Нахождение в природе

Кремний после кислорода – самый

распространенный элемент.

Он составляет 27,6% массы земной коры.

Однако в отличие от углерода в свободном

состоянии кремний в природе не встречается.

Наиболее распространены его соединения: SiO2 – оксид кремния (IV) и соли кремниевых кислот –

силикаты.

Они образуют оболочку земной коры, которая на

97% состоит из соединений кремния.

Кремний содержится в организмах растений и

животных.

Кремний. Химические свойства

По химическим свойствам кремний, как и углерод,

является неметаллом.

Но металличность выражена сильнее, чем у углерода, так как он имеет большую величину атомного радиуса

(0,118 нм).

У атомов кремния на внешнем энергетическом уровне 4 электрона.

Поэтому для кремния характерна степень окисления как – 4, так + 4 (известно соединение SiO, где степень окисления кремния +2).

Однако способность принимать электроны у кремния выражена слабее, чем у углерода.

Поэтому его соединение с водородом SiH4 менее

прочно, чем СН4.

Кремний. Химические свойства

Кислоты (кроме смеси НF и НNО3) на кремний не действуют. Однако он реагирует с растворенными или расплавленными щелочами:

Si +2NaOH +H2O = Na2SiO3 +H2 ↑.

При высокой температуре кремний соединяется с углем, образуя карбид кремния SiС (карборунд).

Это очень твердое вещество, из которого изготовляют точильные и шлифовальные камни. Химически весьма стоек.

При нагревании кремний реагирует со многими металлами:

Si +2Mg = Mg2Si.

Соединения металлов с кремнием называются силицидами.

С водородом кремний непосредственно не соединяется, но его водородные соединения известны.

Оксид кремния (IV)

Оксид кремния (IV), или кремнезем,– твердое, очень тугоплавкое вещество. Распространен в природе в двух видах.

1. Kристаллический кремнезем – в виде минерала кварца и его разновидностей (горный хрусталь,

хальцедон, агат, яшма, кремень).

Кварц составляет основу кварцевых песков, широко используемых в строительстве и в силикатной промышленности.

2. Aморфный кремнезем – в виде минерала опала

состава SiO2·nН20.

Землистыми формами аморфного кремнезема являются диатомит, трепел (инфузорная земля).

Примером искусственного аморфного безводного

кремнезема может служить силикагель.

Оксид кремния (IV)

Примером искусственного аморфного безводного

кремнезема может служить силикагель.

При 1710° С кварц плавится.

В случае быстрого остывания расплавленной

массы образуется кварцевое стекло.

Раскаленное кварцевое стекло не трескается при

быстром охлаждении водой, так как оно имеет

очень малый коэффициент расширения.

Из кварцевого стекла изготовляют

лабораторную посуду и научные приборы.

Кремниевые кислоты

В воде оксид кремния (IV) не растворяется и с ней

химически не взаимодействует.

Поэтому кремниевую кислоту получают косвенным

путем, действуя кислотой на раствор силиката

калия или натрия:

SiO32− +2H+ = H2SiO3.

При этом кремниевая кислота (в зависимости от

концентрации исходных растворов соли и кислоты)

может быть получена как в виде студнеобразной массы, содержащей воду, так и в виде коллоидного

раствора (золя).

Кремниевые кислоты

Оксиду кремния (IV) соответствует ряд кислот общей формулы х SiO2·у Н2О где х и у – целые числа. Например:

а) х = 1, у = 1 → SiO2·Н2О

Н2SiO3 – метакремниевая кислота;

б) х = I, у = 2 → SiO2·2Н2О

Н4SiO4 – ортокремниевая кислота;

в) х—2, у = 1 → 2SiO2·Н2О

Н2Si2O5 – двуметакремнйевая кислота.

Кремниевые кислоты, в которых х >1, называются

поликремниевыми.

В воде поликремниевые кислоты практически

нерастворимы.

Все кремниевые кислоты слабее угольной.

Кремниевые кислоты, их соли

Н2SiO3– кислота очень слабая.

При нагревании, по аналогии с угольной кислотой,

легко распадается:

H2SiO3 = H2O +SiO2.

Будучи двухосновной кислотой, диссоциирует ступенчато: H2SiO3 H+ +НSiO−з ,

HSiO3− H+ +SiO32−.

Соли кремниевых и поликремниевых кислот называются силикатами.

Их состав обычно изображают в виде соединений оксидов элементов.

Например, CaSiO3 можно выразить формулой

СаO·SiО2.

Кремниевые кислоты, их соли

Силикаты состава R2O·nSiO2, где R20 – оксиды натрия или калия, называются растворимым стеклом, а их концентрированные водные растворы – жидким стеклом.

Наибольшее значение имеет натриевое растворимое стекло.

В технике его получают как сплавлением кварцевого песка с содой, так и обработкой

аморфного кремнезема концентрированным

раствором щелочи:

SiO2 + Na2CO3 = Na2SiO3 +CO2 ↑,

SiO2 +2NaOH = Na2SiO3 +H2O.

Кремниевые кислоты, их соли

Жидкое стекло применяется:

в качестве связующего при изготовлении кислотоупорных бетонов,

для изготовления замазок,

конторского клея,

пропитки тканей, дерева и бумаги для придания им огнестойкости и водонепроницаемости.

Природные соединения кремния

Земная кора состоит из оксида кремния (IV) и

различных силикатов.

Природные силикаты имеют сложный состав и

строение.

Их можно рассматривать как соли поликремниевых кислот.

Вот состав некоторых природных силикатов:

полевой шпат: К2О·А1203·6SiO2;

слюда: К2О·3А1203·6SiO2·2Н2О;

aсбест: ЗМgO·2SiO2·2Н2О;

каолинит: А1203 2SiO2·2Н2О.

Природные соединения кремния

Силикаты, содержащие в своем составе также оксид алюминия, называются алюмосиликатами.

Из перечисленных силикатов алюмосиликатами являются полевой шпат, каолинит и слюда.

В природе наиболее распространены именно

алюмосиликаты, например, полевые шпаты.

Распространены также смеси различных силикатов.

Так, горные породы – граниты и гнейсы – состоят из кристалликов кварца, полевого шпата и слюды.

Горные породы и минералы на поверхности земли под

действием температуры, а затем влаги и оксида

углерода (IV) выветриваются, т. е. медленно разрушаются.

Природные соединения кремния

Процесс выветривания полевого шпата можно

выразить уравнением:

K2O Al2O3 6SiO2 +2H2O +CO2 =

Al2O3 2SiO2 2H O +K2CO3 +4SiO2.

Основным продуктом выветривания является минерал каолинит – главная составная часть белой глины.

В результате выветривания горных пород на земле образовались залежи глины, песка и солей.

Из искусственных силикатов наибольшее значение

имеют стекло, цемент и керамика.

Получение стекла

Часто в производстве стекла соду заменяют

сульфатом натрия и углем.

В этом случае необходимый силикат натрия получается по уравнению реакции:

2SiO2 +С+2Na2SO4 = Na2SiO3 +CO2 ↑ +2SO2 ↑.

Для получения специального стекла изменяют состав исходной смеси.

Заменяя соду Nа2СO3 поташем К2СO3, получают

тугоплавкое стекло для химической посуды.

Получение стекла

Заменяя мел СаСО3 оксидом свинца (II) РbО,

получают хрустальное стекло.

Добавки оксидов металлов к исходной смеси

придают стеклу различную окраску.

Так, оксид хрома (III) Сr2О3 придает зелёную окраску, оксид кобальта (II) СоО – синюю, оксид марганца (IV) МnO2 – красновато-лилову и т. д.

Из стекла изготовляются волокна и ткани для технических нужд.

Получение цемента

Портландцемент представляет собой вяжущее порошкообразное вещество, которое при смешении

с водой затвердевает на воздухе и в воде в

камнеподобную массу.

Обычно его получают обжигом (1400 – 1600°С) сырьевой смеси, состоящей из известняка и глины.

Прокаливание производится в специальных цилиндрических вращающихся печах.

Получаемая спекшаяся зернистая масса называется клинкером. Это полуфабрикат.

Клинкер с соответствующими добавками размалывают в тонкий порошок в шаровых мельницах

и получают окончательный продукт.

Получение цемента

В природе встречаются породы, которые содержат

известняк и глину в соотношениях, необходимых для получения портландцемента.

Их называют мергелями. На их основе работают

крупные цементные заводы.

Часто сырьевую смесь готовят искусственным путем.

Регулируя состав смесей, получают различные виды

цемента:

быстротвердеющие,

морозостойкие,

коррозионностойкие и др.

Получение цемента

Из смеси цемента, воды и заполнителей (песок, гравий, щебень, шлак) после их затвердевания

получают искусственный камень – бетон.

Смесь этих материалов до затвердевания называется бетонной смесью.

При затвердевании цементное тесто связывает зерна заполнителей.

Затвердевание происходит даже в воде.

Бетон со стальной арматурой (внутренним каркасом)

называется железобетоном.

Бетоны и железобетоны в больших количествах идут на сооружение гидроэлектростанций, дорог, несущих конструкций зданий.

Получение цемента

Разработаны и изготовляются также бетоны, в

которых в качестве вяжущего используются

органические полимеры или полимеры совместно с

цементом.

Это так называемые пластобетоны, обладающие особыми свойствами.

Производство стекла, цемента и керамики относится к силикатной промышленности,

перерабатывающей природные соединения кремния.

Вопросы

Изобразить электронное строение атома кремния и указать их характерные степени окисления.

Назвать природные соединения кремния.

Каковы физические и химические свойства кремния?

Охарактеризовать важнейшие химические свойства оксида кремния (IV).

Как, исходя из кремния, получить кремниевую кислоту? Написать уравнения соответствующих реакций.

Что представляют собой силикаты?

Написать ионное уравнение гидролиза силиката натрия. Какие производства относятся к силикатной промышленности?