V.2. Кремний

Водные растворы щелочей растворяют кремний с образованием соли кремниевой кислоты и выделением водорода:

Si + 4NaOH = Na₄SiO₄ + 2H₂↑.

Диоксид кремния SiO₂ – кислотный оксид, которому соответствует большое число кремниевых кислот. Общая формула кремниевых кислот записывается как SiO₂·nH₂O. Кислотные свойства у кремниевых кислот выражены более слабо, чем у H₂CO₃.

Соли кремниевых кислот называются силикатами. Они имеют сложный состав, поэтому их формулы изображаются или в виде солей «метакремниевой» кислоты, например Na₂SiO₃, или в виде смеси оксидов Na₂O·6SiO₂·H₂O. Силикаты почти всех металлов, за исключением щелочных, нерастворимы в воде. При растворении силикатов щелочных металлов раствор приобретает щелочную среду и силикат-ионы полимеризуются, например:

2SiO₃^2– + H₂O ⇔ Si₂O₅^2– + 2OH^–.

Практически важным свойством диоксида кремния (полученного обезвоживанием кремниевой кислоты – силикагеля) является его адсорбционная способность.

Кремний получают путем его восстановления магнием из оксида:

2Mg + SiO₂ = 2MgO + Si.

Реакция идет при высокой температуре, и часть магния реагирует с образующимся кремнием по реакции:

2Mg + Si = Mg₂Si.

Для отделения Si от других продуктов реакционную смесь обрабатывают соляной кислотой. При этом происходят реакции:

Mg₂Si + 4HCl = 2MgCl₂ + SiH₄↑,

Mg + 2HCl = MgCl₂ + H₂↑,

MgО + 2HCl = MgCl₂ + H₂О

и в осадке остается только кремний.

Водородные соединения кремния (SiH₄) самопроизвольно окисляются кислородом воздуха, образуя яркие вспышки над поверхностью реакционной смеси:

SiH₄ + 2O₂ = SiO₂ + 2H₂O.

Кремниевая кислота H₄SiO₄ (Si(OH)₄) получается действием соляной кислоты на раствор силиката натрия:

Na₂SiO₃ + H₂O + 2HCl = H₄SiO₄ + 2NaCl.

В водном растворе H₄SiO₄, быстро полимеризуется:

HO OH HO OH HO OH

Si + Si → Si O Si + H₂O

HO OH HO OH HO OH HO OH

2H₄SiO₄ = H₆Si₂O₇ + H₂O и т.д.

В результате образуется осадок, содержащий длинные цепи·Si–O–Si–O, сплетающиеся в сетки и захватывающие большое количество воды. Подобные структуры называют гелями. Растворы солей кремниевой кислоты сильно гидролизованы и показывают щелочную реакцию. В присутствии ионов NH₄⁺, гидролиз идет с образованием осадка поликремниевых кислот.

СВОЙСТВА СОЕДИНЕНИЙ КРЕМНИЯ

Опыт 1. Гидролиз силиката натрия. Растворить в горячей воде несколько кристаллов силиката натрия и, в случае необходимости, профильтровать раствор. Испытать действие раствора на фенолфталеин. Объяснить изменение окраски индикатора. Разлить раствор в три пробирки. В первую прилить разбавленную соляную кислоту. Что происходит? Написать уравнение гидролиза силиката натрия. Во вторую пробирку добавить немного сухого хлорида аммония. Содержимое пробирки хорошо перемешать. Каков состав выпавшего осадка? Через раствор в третьей пробирке пропустить ток углекислого газа. Что наблюдается?

Опыт 2. Получение нерастворимых силикатов. Прилить к раствору силиката натрия в отдельных пробирках растворы солей кальция, железа (II) и кобальта. Написать уравнения реакций.

Можно получить «неорганический сад». Для этого прилить в стакан 30 – 50 мл раствора «жидкого» стекла и опустить в раствор кристаллы солей кобальта, железа (II), алюминия, никеля и кальция.

Опыт 3. Гидролиз стекла. Нагреть часть стеклянной трубки до размягчения и быстро опустить конец в стакан с водой. Операцию повторить несколько раз. Слить воду, перенести мелкие осколки стекла в фарфоровую ступку и растереть их в порошок. Прилить 2 – 3 капли раствора фенолфталеина. Объяснить появление окраски. Как получается стекло в промышленности? Какие существуют сорта стекла? Какой состав имеет техническое растворимое стекло?

Опыт 4. Гидрогель кремниевой кислоты. Налить в пробирку 5 мл концентрированного раствора растворимого стекла, быстро прилить к нему 3 мл 24%-ного раствора хлористоводородной кислоты и перемешать стеклянной палочкой. Как объяснить образование геля?

Опыт 5. Гидрозоль кремниевой кислоты. К 6 мл 37%-ного раствора хлористоводородной кислоты прилить 1 мл растворимого стекла. Почему в данном случае не происходит образование геля? Проходит ли полученный кислый раствор через фильтр? Нагреть раствор почти до кипения, а затем охладить. Что происходит? Как можно отделить золь кремниевой кислоты от электролитов, находящихся в растворе?

Опыт 6. Испытать действие раствора кремнефтористоводородной кислоты на различные индикаторы. Изучить взаимодействие данного раствора с металлами: цинком и магнием.

Опыт 7. К растворам хлоридов калия и кальция, налитым в две пробирки прилить понемногу раствора кремнефтористоводородной кислоты и раствора ацетата натрия. Что наблюдается?

Вопросы и задания

1. Кратко охарактеризуйте свойства кремния.

2. Укажите, устойчивы ли степени окисления кремния. Приведите примеры.

3. Напишите общую формулу кремниевых кислот. Что такое силикагель? Напишите уравнение реакции его образования.

4. Напишите уравнения в растворах мета- и ортосиликатов щелочных металлов.

5. Напишите уравнения реакция получения и свойств силана.

Задачи

1. Сколько килограммов кремния и какой объем 32%-ного раствора NaOH (=1,35) потребуется для получения 15 м³ водорода (17⁰С и 98,64 кПа). (8,6 кг; 56,7 л).

2. Состав стекла выражается формулой Na₂OCaO6SiO₂. Вычислить теоретический расход сырья – соды, известняка и кремнезема – на 1 т стекла. (222; 209; 753 кг).