Кремний и его соединения. Стекло. Цемент

Кремний открыл и получил в 1823 году шведский химик Йенс Якоб Берцелиус.

Второй по распространённости элемент в земной коре после кислорода (27,6% по массе). Встречается в соединениях.

Строение  атома кремния в основном состоянии   1s22s22p63s23p2

Строение атома кремния в возбуждённом состоянии     1s22s22p63s13p3   Степени окисления: +4, -4.

Аллотропия кремния

Известен аморфный и кристаллический кремний.

Поликристаллический кремний

Кристаллический – тёмно-серое вещество с металлическим блеском, большая твёрдость, хрупок, полупроводник; ρ = 2,33 г/см³, t°пл. =1415°C; t°кип. = 2680°C.

Имеет алмазоподобную структуру и образует прочные ковалентные связи. Инертен.

Аморфный - бурый порошок, гигроскопичен, алмазоподобная структура, ρ = 2 г/см³, более реакционноспособен.

Получение кремния

1) Промышленность – нагревание угля с песком:

2C + SiO₂ ^t˚→ Si + 2CO

2) Лаборатория – нагревание песка с магнием:

2Mg + SiO₂  ^t˚→ Si + 2MgO    Опыт

Химические свойства

Типичный неметалл, инертен.

Как восстановитель:

1)     С кислородом

Si⁰ + O₂  ^t˚→  Si⁺⁴O₂

2)     С фтором (без нагревания)

Si⁰ + 2F₂ →  SiF₄­

3)     С углеродом

Si⁰ + C  ^t˚→  Si⁺⁴C

(SiC - карборунд - твёрдый; используется для точки и шлифовки)

4)     С водородом не взаимодействует.

Силан (SiH₄) получают разложением силицидов металлов кислотой:

Mg₂Si + 2H₂SO₄ → SiH₄­ + 2MgSO₄

5)     С кислотами не реагирует (только с плавиковой кислотой Si+4HF=SiF₄+2H₂)

Растворяется только в смеси азотной и плавиковой кислот:

3Si + 4HNO₃ + 18HF →  3H₂[SiF₆] + 4NO­ + 8H₂O

6)     Со щелочами (при нагревании):

Si⁰ + 2NaOH + H₂O ^t˚→  Na₂Si⁺⁴O₃+ 2H₂­

Как окислитель:

7)     С металлами (образуются силициды):

Si⁰ + 2Mg  ^t˚→  Mg₂Si^-4

Применение кремния

Силан  - SiH₄

Физические свойства: Бесцветный газ, ядовит, t°пл. = -185°C, t°кип. = -112°C.

Получение: Mg₂Si + 4HCl → 2MgCl₂ + SiH_4­↑

Химические свойства:

1)      Окисление: SiH₄ + 2O₂ ^t˚→   SiO₂ + 2H₂O

2)      Разложение: SiH₄ → Si + 2H_2­

Оксид кремния (IV) - (SiO₂)_n

SiO₂ - кварц, горный хрусталь, аметист, агат, яшма, опал, кремнезём (основная часть песка):

Кристаллическая решётка оксида кремния (IV) – атомная и имеет такое строение:

Al₂O₃ • 2SiO₂ • 2H₂O - каолинит (основная часть глины)

K₂O • Al₂O₃ • 6SiO₂ - ортоклаз (полевой шпат)

Физические свойства: Твёрдое, кристаллическое, тугоплавкое вещество, t°пл.= 1728°C, t°кип.= 2590°C

Химические свойства: 

Кислотный оксид. При сплавлении взаимодействует с основными оксидами, щелочами, а также с карбонатами щелочных и щелочноземельных металлов:

Изучение свойств оксида кремния (IV)

1)     С основными оксидами:

SiO₂ + CaO ^t˚→    CaSiO₃

2)     Со щелочами:

SiO₂ + 2NaOH ^t˚→    Na₂SiO₃ + H₂O

3)     С водой не реагирует

4)     С солями:

SiO₂ + CaCO₃ ^t˚→    CaSiO₃ + CO₂­

SiO₂ + K₂CO₃ ^t˚→    K₂SiO₃ + CO₂­

5)     С плавиковой кислотой:

SiO₂ + 4HF ^t˚→     SiF₄­ + 2H₂O

SiO₂ + 6HF ^t˚→    H₂[SiF₆] (гексафторкремниевая кислота) + 2H₂O

 (реакции лежат в основе процесса травления стекла).

Применение:

1. Изготовление силикатного кирпича

2. Изготовление керамических изделий

3. Получение стекла

Кремниевые кислоты

x • SiO₂ • y H₂O

x = 1, y = 1     H₂SiO₃ - метакремниевая кислота

x = 1, y = 2     H₄SiO₄ - ортокремниевая кислота и т.д.

Физические свойства: H₂SiO₃ - очень слабая (слабее угольной), непрочная, в воде малорастворима (образует коллоидный раствор), не имеет кислого вкуса.

Получение:

Получение геля кремниевой кислоты

Получение кремниевой кислоты

 Действие сильных кислот на силикаты - Na₂SiO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂SiO₃↓

Химические свойства:

При нагревании разлагается: H₂SiO₃  ^t˚→ H₂O + SiO₂

Соли кремниевой кислоты - силикаты.

 1) с кислотами

Na₂SiO₃+H₂O+CO₂=Na₂CO₃+H₂SiO₃

2) с солями

Na₂SiO₃+CaCl₂=2NaCl+CaSiO₃↓

3) Силикаты, входящие в состав минералов, в природных условиях разрушаются под действием воды и оксида углерода (IV) - выветривание горных пород:

(K₂O • Al₂O₃ • 6SiO₂)(полевой шпат)  + CO₂ + 2H₂O → (Al₂O₃ • 2SiO₂ • 2H₂O)(каолинит (глина)) + 4SiO₂(кремнезём (песок)) + K₂CO₃

Применение соединений кремния

Природные соединения кремния - песок (SiO₂) и силикаты используются для производства керамики, стекла и цемента. 

Керамика
Фарфор = каолин+ глина + кварц + полевой шпат. Родина фарфора – Китай, где фарфор известен уже в 220г. В 1746 г – налажено производство фарфора в России	Фаянс - от названия итальянского города Фаэнца. Где в 14-15веках было развито керамическое ремесленничество. Фаянс – отличается от фарфора большим содержанием глины (85%), более низкой температурой обжига.

Стекло – хрупкий, прозрачный материал, способен размягчаться и при застывании принимает любую форму. Стекло получают варкой шихты (сырьевой смеси, состоящей из песка, соды и известняка) в специальных стекловаренных печах. 

Видео "Производство стекла"

Основные реакции, протекающие при плавке шихты

1. Na₂CO₃ + SiO₂ = Na₂SiO₃ + CO₂
2. CaCO₃ + SiO₂ = CaSiO₃ + CO₂ 
3. Na₂SiO₃ + CaSiO₃ + 4SiO₂ = Na₂O * CaO * 6SiO₂ - формула оконного стекла

При добавлении оксида свинца получают хрусталь.

Цемент

Цемент – мелко измельчённый клинкер с минеральными добавками.

Клинкер - шарики тёмно-серого цвета получают спеканием глины и известняка в специальных вращающихся печах

 Видео "Производство бетона"