Химия кремния. Учебное пособие для СПО

Соли кремниевых кислот принимают участие при производстве тугоплавких и силикатных материалов.

2.6. СОЕДИНЕНИЯ КРЕМНИЯ С КИСЛОРОДОМ

Кремний с кислородом образует два устойчивых оксида – оксид кремния (II) SiO и оксид кремния (IV) SiO2.

Монооксид кремния (SiO) не встречается в природе, представляет собой порошок темно-желтого цвета, не проводящий электрический ток.

Получение

1.Монооксид кремния получается восстановлением диоксида кремния углем при 1350–1500 ºС, полученные пары быстро охлаждаются для получения твердого вещества:

SiO2 + C → SiO + CO↑

2.Оксид кремния (II) также можно получить, нагревая при температуре выше 400 °C кремний в недостатке кислорода:

Si + O2 → SiO

3.Получение монооксида кремния при восстановлении кремнезема при высоких температурах (метод Чохральского):

SiO2 + Si → 2SiO

Химические свойства

1.Монооксид кремния диспропорционирует при медленном охлаждении: 2SiO → Si + SiO2

2.Легко растворяется в щелочах, проявляя восстановительные свойства: SiO + 2 NaOH → Na2SiO3 + H2↑

Оксид кремния (II) используется в качестве материала в полупроводниковых

устройствах, волоконной оптике для защитных, изолирующих, пассивирующих и оптических слоев, которые наносятся реактивным распылением кремния в плазме кислорода или напылением в вакууме. В медицине применяется как сорбент.

Диоксид кремния или кремнезем (SiO2) встречается в природе в виде минерала кварца, являющегося компонентом морского песка и песчаников. Хорошо сформированные кристаллы кварца, содержащие окрашивающие примеси, представляют собой минералы - аметист (фиолетовый), дымчатый кварц или раух-топаз (от серого до коричневого), горный хрусталь (белый, прозрачный), розовый кварц, цитрин (желтый).

Кристалл кварца представляет большую полимерную молекулу, имеющую в составе отдельные тетраэдры, где один атом кремния окружается четырьмя атомами кислорода. Расположение тетраэдров может быть различным и это обуславливает многообразие структур силикатных материалов. Кварц имеет большую твердость, высокую температуру плавления (1728 ºС) и кипения (2950 ºС), отличается химической стойкостью.

Получение

1.Диоксид кремний синтетически можно получить при нагревании кремния в атмосфере кислорода до температуры 400–500 °C.

2.Термическое оксидирование оксидированием при больших температурах.

21

3. В лабораторных условиях синтетический кремнезем можно получить, воздействуя на растворимые силикаты различными кислотами:

Na2SiO3 + 2CH3COOH → 2CH3COONa + H2SiO3↓

Выпавшая в осадок кремниевая кислота сразу же распадается на воду и диоксид кремния, также образующий осадок.

Химические свойства

1.На кремнезем действует только фтороводородная кислота:

SiO2 + 4HF → SiF4 + 2H2O, SiF4 + 2HF → H2[SiF6].

2.Кремнезем при взаимодействии со щелочами образует силикаты:

SiO2 + 2NaOH → Na2SiO3 + H2O.

3.Кварц, являясь кислотным оксидом, вытесняет из солей летучие оксиды при сильном нагревании:

Na2CO3 + SiO2 → Na2SiO3 + CO2↑

4.При сплавлении диоксида кремния с оксидами металлов происходит образование силикатов:

SiO2 + CаО → CаSiO3

Кремнезем используется при производстве керамики, стекла, бетонных изделий, абразивов, для получения кремния. Также находит применение в виде наполнителя в производстве резин, кремнеземистых огнеупоров, в хроматографии и др. Кристаллы кварца имеют пьезоэлектрические свойства, что позволяет использовать их в ультразвуковых установках, радиотехнике и зажигалках.

Аморфная модификация кремнезема используется в пищевой промышленности, как пищевая добавка и вспомогательное вещество E551, которое препятствует слеживанию и комкованию, в производстве зубных паст, как вспомогательное вещество в фармацевтике и лекарственный препарат. Кварцевые пленки используются как изолятор в электронике. Плавленый диоксид кремния применяется в производстве волоконнооптических кабелей. Крупные хорошего качества кристаллы кварца используются как полудрагоценные камни.

22

ГЛАВА 3. ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ КРЕМНИЯ

3.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ПОЛУЧЕНИЕ КРЕМНИЙОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Кремнийорганические соединения или силиконы являются синтетическими соединениями, содержащие взаимосвязанные атомы углерода и кремния.

Первое органическое соединение кремния (тетраэтоксилан) был получен в 1844 г. Эбельманом во время реакции четыреххлористого кремния с этиловым спиртом:

SiCl + 4C2H5OH → Si(OC2H5)4 + 4HCl

Позднее в 1863 г. было получено первое кремнийорганическое соединение, молекулы которого содержали непосредственную связь Si-C при воздействии SiCl4 диэтилцинка.

Согласно современной номенклатуре кремнийорганическими соединениями признаются лишь соединения, содержащие связь углерод-кремний.

В классификации кремнийорганических полимеров в зависимости от строения звеньев различается несколько групп полимеров: алкил (или арил) силаны RnSiH4-n, алкил (или арил) галогенсиланы RnSiХ4-n, алкил (или арил) алкокенсиланы RnSi(OR)4-n, алкил (или арил) замещенные силаны R4Si, алкил (или арил) гидроксисиланы RnSi(OН)4- n, алкил (или арил) аминосиланы RnSi(NН2)4-n.

Помимо вышеперечисленных, были получены органические соединения кремния, в которых атом кремния связан с металлом (например, (C6H5)SiLi), с азотом – Si-NН (силазаны), с серой – Si-S (силтианы).

Важными кремнийсодержащими органическими соединениями являются эфиры (Si(OR)4 и галогенэфиры ХnSi(OR)4-n ортокремневой кислоты.

При разработке методов синтеза высокомолекулярных соединений на основе силиконов они приобрели большую популярность.

Существует несколько способов получения кремнийорганических соединений.

1.Алкилирование трихлорсилана дипропилцинком при температуре 150 ºС с образованием трипропилсилана и небольшой частью тетрапропилсилана:

SiCl4 + 2Zn(C2H5)2 → Si(C2H5)4 + 2ZnCl2

2.Алкилирование гексахлодисилана диметилцинком с использованием в качестве катализатора натрия, позволяющее проводить реакцию при температуре ниже 150 ºС:

Cl3SiSiCl3 + 3(CH3) Zn → (CH3)3Cl3SiSi + 3 Zn Cl2

3.Алкилирование алкоксисиланов либо ароксигалоидсиланов при участии диалкилцинка:

2SiCl(OC2H5)3 + Zn(C2H5)2 → Si(C2H5) (OC2H5)3 + ZnCl2

4.Получение четырехзамещенных алкил производных кремния при конденсации алкиллибо арилгалоидов тетрахлоридом кремния с присутствием натрия. Конденсация проводится в инертном растворителе (например, диэтиловом эфире):

4C6H5Cl + SiCl4 + 8Na → Si(C6H5)4 + 8NaCl

5.Алкилирование хлоэфиров ортокремневой кислоты с замещением галогена и образованием алкилалкоксисиланов:

Cl2Si(OR)2 + 2R'Cl + 4Na → R2'Si(OR)2 + 4NaCl

23

6.При реакции конденсации силиконов со связью Si-Si в присутствии натрия образуется четырехзамещенное производное:

Si2Cl6 + 14Na + 8C2H5Cl → 2Si(C2H5)4 + 14NaCl

Точно так же в присутствии натрия расщепляется связь Si-О-Si.

7.Самым универсальным способом получения силиконов является реакция Гриньяра, которую впервые применил Киппинг.

На первом этапе из галогенида органического соединения и магния получается соответствующий комплекс.

На втором этапе комплекс вступает в реакцию с соединением кремния: RX + Mg → RMgX

nRMg + SiГ4 → RnSiГ4-n + nMgX

Используя метод Гриньяра, можно проводить алкилирование галоидсиланов, тетраалкоксиланов, галоидалкоксисиланов и фторосиликатов:

RMgX + SiCl4 → R2SiCl2 + 2MgXCl RMgX + SiF4 → RSiF3 + MgXF

RMgX + Si(OC2H5)4 → RSi(OC2H5)3 + MgXOC2H5 3RMgX + SiCl3OC2H5 → RSiOC2H5 + 3MgXCl 4RMgX + NaSiF6 → R4Si + 2NaF + 4MgXF

При алкилировании галоидсиланов можно также использовать галоидсилоксаны. Иногда реакция проводится в один этап, а реактив Гриньяра получается в среде

силиконов, повышенная реакционная способность которого при его образовании уходит на получение алкилалкоксисиланов, имеющих большое число заместителей:

RX + 2Mg + Si(OC2H5)4 → R2Si(OC2H5)2 + 2MgXOC2H5

Кроме магнийорганических соединений используются литийорганические соединения, которые тоже весьма реакционноспособны:

RCl + 2Li → RLi + LiCl

(CH3)3ClSi + RLi → (CH3)3SiR + LiCl

При синтезе силиконов с использованием литийорганических соединений в качестве растворителей используются алифатические эфиры, способные кипеть до 150 ºС.

Помимо широко применяемых способов с помощью синтеза Гриньяра, в промышленном производстве силиконов обширное распространение получил прямой синтез, в процессе которого в реакцию вступают кремний, галоидный алкин или арил в газовой фазе с применением катализаторов (металлы, дающие нестойкие металлоорганические соединения, такие, как серебро, медь и т.п.). Появление этого метода устранило трудности синтеза с использованием реактива Гриньяра (опасная работа

сэфиром и сложности выделения мономеров). Очищенный от примесей элементарный кремний для прямого синтеза получается при разложении трихлорсилана под воздействием температуры 900 ºС. Добавление газообразных водорода, хлора, хлороводорода к галоидным алкилам перед их прохождением через реактор дает возможность направить реакцию в правильном направлении.

24

3.2.ПОЛИМЕРЫ КРЕМНИЙОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

ИИХ ЗНАЧЕНИЕ

Структура кварца и силикатов аналогична структуре кремнийорганических полимеров, при этом обе структуры отличаются термостойкостью. Можно радикально изменять и пространственную структуру цепей кремнийорганических полимеров, и их длину, с помощью изменения числа связанных с кремнием радикалов (и их природы): соединения с разным числом реакционных групп подвергаются гидролизу и реакции конденсации. В таком случае свойства продуктов на выходе изменяются: в результате могут получиться каучуки, смолы или кремнийорганические жидкости (жидкие полимеры).

Кремнийорганические жидкости с этильными, метальными и фенильными радикалами получили широкое применение. Эти жидкости являются бесцветной (или темноватого оттенка) смесью циклических и линейных полимеров, молекулярная масса которых составляет от ~500 до 25000 у.е. Кремнийорганические жидкости отлично растворяются в органических растворителях и ароматических углеводородах, но при этом совершенно нерастворимы в спиртах и воде. Даже находясь в контакте длительное время (или при высокой температуре – 100–1500 °С), они не воздействуют на бронзу, железо, латунь, сталь и др. металлы. Также кремнийорганические жидкости не растворяют другие материалы и химически инертны к ним, например, пластическим массам, к большей части видов органических смол, каучуку и т.д. Можно получить кремнийорганические жидкости с огромным диапазоном температур вязкости и кипения. Вязкость изменяется мало в пределах от –70 до +250 °С (вязкость полидиметилсилоксановой жидкости и углеводородного масла одинакова как при охлаждении до –35 °С, так и при нагревании до 100 °С). То же самое происходит при повышении температуры. Это объясняется тем, что у цепей молекул структура – спиралеобразная и не реагирует на перепады температуры.

Кремнийорганические жидкости замерзают при температуре –700 ºС (или при температуре – 130 °С или ниже).

У полиорганосилоксановых жидкостей наблюдается термическая стабильность, при долгом нагревании до 200 °С они почти не окисляются кислородом воздуха и их цвет не меняется. Находясь на воздухе (вместе с ингибиторами) или в атмосфере инертных газов, данные жидкости остаются устойчивыми даже при более высоких температурах.

Кремнийорганические смолы представляют собой продукты, окрашенные в цвета от желтого до коричневого, либо бесцветные, хорошо растворимые во многих органических растворителях (их растворы применяются как лаки). Данные смолы обладают большой стойкостью к окислению и высокой термической устойчивостью. Наиболее широко примеряются полиметилфенилсилоксановые смолы с наиболее ценным комплексом свойств.

Полимерные кремнийорганические соединения являются каучукоподобными веществами, если их цепи молекул представлены линейной структурой, содержащие более 2 тыс. звеньев R2SiO. У силиконовых каучуков молекулярная масса достигает около 1,0–1,5 млн. у.е. В присутствии катализаторов линейные цепи молекул при термической обработке в некоторых местах приобретают силоксановые поперечные связи, в результате чего образуется силиконовая резина, механическая прочность и эластичность которой

25

зависят от размера линейных молекул (чем длиннее линейные цепи, тем выше эластичность и прочность). Силиконовые резины морозо- и теплоустойчивы: при температурах от –70 до +250 °С (а некоторые виды при температурах от –90 до +350 °С) сохраняют высокую степень эластичности.

Силиконовый (кремнийорганический) каучук и теплостойкая резина, созданная на его основе, отличаются высокими диэлектрическими свойствами. Силиконовая резина устойчива к действию озона, ультрафиолетового излучения, окисления, воды и т.д.

Влияние кремния на живую материю до конца не изучено, но благодаря ряду исследований известна степень токсичности полимерных силиконовых соединений.

Гексаметилдисилоксан (простейший из полимеров) провоцирует раздражение и некроз при подкожных инъекциях. А высшие метилполисилоксаны влияния не оказывают.

В большинстве исследований отмечается, что силиконы воздействуют на организм механически, не отравляя его. С помощью опытов над животными было доказано, что селезенка и печень подвергаются изменениям при введении силиконов из-за того, что в них происходит раздражение на чужеродные объекты. При внешнем воздействии силиконовых масел раздражения эпидермы не происходит, не наблюдаются акантозы, происходит умеренное раздражение конъюнктивы.

Силиконовый каучук и другие полимеры подвергались опытам вне живых организмов (с помощью пересаженных клеток куриного зародыша), при этом изменений в цитологии или скорости роста не было.

Силиконовые полимеры снижают скорость химических реакций и подавляют их при росте микроорганизмов – происходит обволакивание бактерий кремнийорганической жидкостью, которая ограничивает поступление питательных веществ. Силиконовые полимеры имеют свойство обволакивать тромбоциты и эритроциты, но не нарушают обмен газов. Кремнийорганические жидкости возможно использовать для введения лекарств внутримышечно, а эмульсии силиконовых масел в ходе экспериментов оказывали положительное воздействие при лечении язвы двенадцатиперстной кишки и желудка у животных.

Органосиликатные материалы, благодаря своим ценным свойствам (высокая сила сцепления с поверхностями из металлов и неметаллов, их долговечность сроком до 20 и более лет), применяются в виде паст, покрытий и связующих высокотемпературных стеклопластиков. Данные покрытия применяются в народном хозяйстве, например, для антикоррозийной защиты опор линий электропередачи, пролетных строений мостов и в др. металлоконструкциях, для изготовления бетонных изделий, цветного кирпича и т.п.

Органосиликатные покрытия применяются для защиты от разрушения (и коррозии) сооружений, конструкций, зданий, оборудования предприятий различных отраслей промышленности (металлургической, химической, горнодобывающей и др.).

Также эти покрытия нужны на деревянных, бетонных, металлических конструкциях и оборудованиях, которые подвержены высоким температурам и агрессивной среде.

Органосиликатные покрытия находят свое применение и в атомной энергетике, например, для защиты тепловыделяющих элементов, термоэлектродных проводов микротермопар и не только. На тепловых электростанциях эти покрытия нужны для

26

защиты от сернокислотной низкотемпературной коррозии. В электронике и радиоэлектронике – для термовлагоэлектроизоляционной защиты (для нагревательных устройств, проволочных резисторов и т.д.). Также данные покрытия могут быть применены для улучшения водонепроницаемых свойств ограждающих конструкций и герметизации разного рода изделий.

Теплостойкие пластические массы, находящие применение, к примеру, в авиации, получают с помощью слюды, полиорганосилоксановых смол, асбеста, каолина и др. материалов путем его прессования при нагревании (в присутствии катализаторов). Особенно популярны массы из стекловолокна и полиорганосилоксановых смол, которые обладают не только теплостойкостью, но и механической прочностью.

Пенопластмассы, имеющие плотность от 0,16 до 0,32, получают с помощью нагревания катализатора отвердевания, газообразователя и силиконовой смолы. Такая пластмасса способна выдерживать воздействие температуры в 370–400 °С. Силиконовые смолы отливаются в блоки, вспениваются в конструкциях и легко подвергаются механическому воздействию. Силиконовые пенопластмассы находят применение в качестве диэлектриков в полях высоких частот или в качестве амортизационного материала. Они используются в конструкциях противопожарных перегородок, из силиконовых смол изготовляют водостойкие и термостойкие виды цемента.

Кремнийорганические (силиконовые или силоксановые) каучуки являются кремнийорганическими полимерами, имеющими невысокую молекулярную массу, внешний вид которых представляет прозрачную бесцветную массу без запаха и вкуса. Силиконовые каучуки делятся по своему назначению на универсальные и специальные.

Из универсальных каучуков изготавливаются товары широкого потребления (обувь, покрышки, бытовые предметы и т.п.). Специальные каучуки выступают основным компонентом резиновых изделий, которые необходимы для тяжелой или узкоспециализированной работы.

Наибольший интерес представляют кремнийорганические каучуки, которые в большинстве областей современной техники стали незаменимыми. Их характерными и химически выгодными свойствами являются термостойкость, химическая стойкость, морозостойкость, высокие изоляционные диэлектрические и многие другие свойства.

При нагревании изделий из синтетических каучуков до 200 °С они приходят в негодность, преобразуясь необратимо в хрупкую, липкую массу, а при охлаждении до

–40 °С становятся хрупкими. Однако изделия из силиконовых каучуков способны сохранять эластичность и рабочие свойства при более жестких условиях.

Получаемые из кремнийорганической резины изделия широко применяются в реактивной авиации (прокладочный материал, гибкие соединения, резинометаллические втулки, амортизаторы, оболочки свечей зажигания), как уплотнительные материалы (промышленные печи, колонны для крекинга, электрические газовые плиты, газопроводы). Кремнийорганические резиновые прокладки используются для герметизации смотровых окон в термостатах, аппаратах химической промышленности и сушильных шкафах. Уплотнители – в различных холодильных агрегатах.

Сохранение диэлектрических и электроизоляционных свойств при высоких и низких температурах кремнийорганических резин представляет колоссальное

27

преимущество по сравнению с синтетическими каучуками, теряющими изоляционные свойства при температуре 140–150 °С. Силоксановые резины широко применяются как электроизоляционный материал для изоляции проводов и кабелей, необходимых в работе при высокой температуре, ввиду устойчивости к нагреванию до 250 °С, воздействиям воды или влажной атмосферы.

При действии температуры 700 °С или открытого огня происходит сгорание кремнийорганической резины с образованием хрупкого слоя оксида кремния SiO2, который отпадает от поверхности провода. Уберечь поверхность можно асбестовой оболочкой.

Изоляция, изготовленная из силоксановой резины, дает возможность работать с проводами и кабелями меньшего сечения, что имеет большое значение в радиотехнике и авиации.

Кремнийорганические каучуки используются как термостойкие клеи для склеивания стекла, металлов и т.п., а также для склеивания друг с другом, заменяют заклепки при сборке крупных металлических сооружений.

При добавлении фтора в силиконовый каучук образуется фторсиликоновый каучук, сочетающий свойства полиорганосилоксанов и тефлона (свойства органического пластика).

Силастик типа «К» (прозрачный силиконовый каучук) позволяет сохранять прозрачность ветровых стекол самолетов, обладающих сверхзвуковыми скоростями.

В медицине кремнийорганические соединения используются в виде пленки для поверхностной обработки различных материалов, в частности, стеклянного оборудования (например, при переливании крови или работе с кровью, позволяя ей не сворачиваться на поверхности предметного стекла). Также применяются в различных медицинских специальных целях, таких, как исследование миграции лейкоцитов, культивирование эритробластов, подавление денатурации яичного альбумина и т.п.

Метилсиликоновое масло используют для смазки сухих пробок, закрывающих склянки в асептических условиях при приготовлении сухой консервированной кровяной плазмы.

За счет гидрофобизации силиконами стеклянной тары лучше сохраняются водные суспензии антибиотиков, позволяя тем самым качественнее набирать их в шприц, так как сохраняется не менее 5 % препарата. Процессу гидрофобизации подвергаются желатиновые пилюли, таблетки и капсулы, что предохраняет их от окисления и влаги. Гидрофобизированная бумага применяется как подложка при перемешивании порошков и для дозирования и прослойка лейкопласта, препятствующая его склеиванию и т.п.

Метилфенилсиликоновые жидкости используются для стерилизации хирургических инструментов, благодаря их свойствам термостойкости и устойчивости к окислению.

Силиконовые пасты успешно используются для улавливания пыли, спор и бактерий. Обработанные ими чашки укрепляются на крыльях самолетов, осуществляющих полеты в Арктике. В вирусологии и бактериологии используются для аналогичных целей в условиях работы при очень низких либо высоких температурах.

28

ГЛАВА 4. НАХОЖДЕНИЕ В ПРИРОДЕ И ПОЛУЧЕНИЕ СОЕДИНЕНИЙ КРЕМНИЯ, ЯВЛЯЮЩИХСЯ ОСНОВОЙ ПРОИЗВОДСТВА СИЛИКАТНЫХ И ТУГОПЛАВКИХ МАТЕРИАЛОВ

4.1. КРЕМНЕЗЕМ

Диоксид кремния (SiO2, кремнезем) представляет собой бесцветные кристаллы, обладающие высокой прочностью и твердостью. Температура плавления диоксида кремния составляет 1713–1728 °C.

Кремнезем при нагревании вступает во взаимодействие со щелочами и основными оксидами. Он относится к группе кислотных оксидов и растворим в плавиковой кислоте.

Диоксид кремния принадлежит к группе оксидов, которые образуют при переохлаждении стекло (т.е. стеклообразующих). Он не проводит электрический ток и является замечательным диэлектриком.

Полиморфизм

У кремнезема есть несколько полиморфных модификаций – α-кварц является самой широко распространенной на земле и обычной для диоксида кремния при нормальных условиях. Данная модификация кристаллизуется в тригональной сингонии.

Если температура поднимается выше 573 °C, то α-кварц переходит в β-кварц (этот процесс обратим). Кварц превращается в кристобалит и тридимит, если температура повышается еще сильнее. Данные полиморфные модификации имеют хорошую устойчивость при низком давлении и высоких температурах. Кремнезем переходит в коэсит под воздействием высокой температуры и давлении, а после – в стишовит, впервые найденный в эпицентре ядерного взрыва. Некоторые исследователи полагают, что стишовит составляет значительную часть мантии. Поэтому не представляется возможным точно ответить на вопрос о наиболее распространенной разновидности кремнезема на нашей планете.

Химические свойства

SiO2 является кислотным оксидом, который не вступает в реакцию с водой.

У кремнезема есть химическая стойкость при взаимодействии с кислотами, но с плавиковой кислотой он вступает в реакцию:

SiO2 + 6HF → H2[SiF6] + 2H2O

а также с газообразным фтороводородом HF:

SiO2 + 4HF → SiF4↑ + 2H2O

Данные реакции применяются для травления стекла.

Силикаты образуются, когда кремнезем сплавляется с карбонатами активных металлов и основными оксидами. Они представляют собой слабые соли нерастворимых в воде кремниевых кислот, состав которых не постоянен (общая формула: xH2O · ySiO2).

Метасиликат кальция получают следующим образом:

SiO2 + СаО → СаО · SiO2

Ортосиликат натрия:

SiO2 + 4NaOH → (2Na2O) · SiO2 + 2H2O

Смешанный силикат кальция и натрия:

Na2CO3 + CaCO3 + 6SiO2 → Na2O · CaO · 6SiO2 + 2CO2↑ 29

Оконное стекло производится с помощью силиката Na2O · CaO · 6SiO2. Единственными силикатами, которые растворяются в воде, являются силикаты

калия и натрия. Их растворы носят название растворимое стекло и имеют сильную щелочную среду благодаря гидролизу. Гидролизованные силикаты образуют коллоидные растворы, а не истинные. Гидратированные кремниевые кислоты выпадают в студенистый осадок белого цвета при подкислении растворов силикатов калия или натрия.

Группа [SiO4/2] является главным элементом структуры и для твердого диоксида кремния, и для всех силикатов. В данной группе четыре атома кислорода О окружают атом кремния Si. Среди силикатов выделяют следующие связи фрагментов [SiO4/2]: слоистые, цепочечные, каркасные, островные и т.д.

Получение

Получение синтетического кремния происходит следующим образом: в атмосфере кислорода идет нагревание кремния до 400–500 °C (при этом происходит окисление кремния до диоксида SiO2).

Врезультате действия кислот на силикатные соли получается синтетический кремний в лабораторных условиях:

Na2SiO3 + 2CH3COOH → 2CH3COONa + H2SiO3

Врезультате происходит разложение кремниевой кислоты на воду и SiO2, который выпадает в осадок.

Если требуется высокая чистота материала, то используется натуральный диоксид кремния (песок).

Применение

Диоксид кремния применяется для получения бетонных изделий, керамики, абразивов, стекла и для получения кремния. Его используют в качестве наполнителя для производства резин, кремнеземистых огнеупоров и т.д. Кристаллы кварца находят применение в зажигалках, радиотехнике и ультразвуковых установках, благодаря своим пьезоэлектрическим свойствам.

Главным компонентом практически всех горных пород планеты (например, кизельгура) является диоксид кремния. 87 % массы литосферы Земли составляют силикаты и кремнезем.

В пищевой промышленности используется аморфный непористый диоксид кремния (Е551), он находит свое применение в парафармацевтике и в фармацевтике.

Диоксид кремния в пленках, получаемых искусственным путем, применяется как изолятор в микросхемах и др. электронных компонентах.

Диоксид кремния нужен при производстве волоконно-оптических кабелей.

Пористые кремнеземы

Данный вид кремнезема получается разными методами.

Силохром, для которого характерна высокая чистота и низкая механическая прочность, образуется в результате агрегирования аэросила. Аэросил получается в результате сжигания силана (SiH4). Размер удельной поверхности силохрома составляет 60–120 м²/г. Силохром используется как сорбент.

В результате высушивания геля кремневой кислоты получается силикагель. Он не настолько чист, как силохром, но его поверхность весьма развита: до 320 м²/г.

30