Конспект урока: Кремний и его соединения. Силикатная промышленность

Рисунок 1. Модель атома кремния

В периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева кремний расположен под 14 порядковым номером, в третьем периоде, в IVA-группе. Его атом содержит 14 протонов в ядре и 14 электронов на электронной оболочке. Покажем схему строения атома кремния: 

₁₄Si 2ē, 8ē, 4ē

Кремний имеет достаточно большой радиус атома, поэтому проявляет более слабые неметаллические свойства, чем углерод. Высшая степень окисления кремния +4, низшая степень окисления будет равна −4. Высшую степень окисления кремний проявляет в своем высшем оксиде ${\mathrm{SiO}}_2$, а низшую – в летучем водородном соединении – силане ${\mathrm{SiH}}_4$.

Кремний в природе

Кремний – второй по распространенности элемент в земной коре (после кислорода). В свободном состоянии он не встречается, только в составе соединений.

Рисунок 2. Асбест

Интересное соединение кремния –  асбест .

 

Данное вещество образовано цепочками кремний – кислород. 

 

Он имеет волокнистую структуру. Раньше его свойства широко использовались человеком, но на данный момент использование асбеста ограниченно, так как он обладает канцерогенными свойствами.

Рисунок 3. Слюда

Слюда – минерал, состоящий из тончайших пластинок. 

 

Кристаллы слюды расщепляются на тонкие, но прочные и упругие листочки. Кроме оксида кремния, в состав слюды входят оксиды алюминия и щелочных металлов. Она также находит широкое применение в различных сферах деятельности человека.

Некоторые природные минералы на основе оксида кремния содержат алюминий, их называют алюмосиликатами .

Также в природе широко распространены разновидности оксида кремния (IV), например, кремнезём, кварц, горный хрусталь, аметист, агат, речной песок и пр.

Рисунок 4. Кремний

Простое вещество кремний – вещество темно-серого цвета с металлическим блеском, полупроводник.

 

Кремний высокой чистоты используется в современных приборах. Процесс получения кремний, в котором должно содержаться не более 0,00000001% примесей, технологически очень сложный. Еще один способ получения такого кремния – разложение силана:

${\mathrm{SiH}}_4 \stackrel{\mathrm{t}}{\to } \mathrm{Si} + 2{\mathrm{H}}_2$

Химические свойства кремния

Кремний химически инертен при стандартных условиях. 

Окислительные свойства кремний проявляет по отношению к металлам. Реакции соединения с металлами протекают при высокой температуре. Продуктами реакций являются силициды. Например:
 

$2{\mathrm{Mg}}^0 + {\mathrm{Si}}^0 \stackrel{\mathrm{t}}{=} {{\mathrm{Mg}}_2}^{+2}{\mathrm{Si}}^{-4}$

С водородом кремний не взаимодействует . Для того, чтобы получить летучее водородное соединение кремния – силан, используют силициды активных металлов и воду или кислоту:
 

${\mathrm{Mg}}_2\mathrm{Si} + 4\mathrm{HCl} = 2{\mathrm{MgCl}}_2 + {\mathrm{SiH}}_4\uparrow$

Восстановительные свойства кремний проявляет при взаимодействии с неметаллами (кислородом, галогенами), а также с некоторыми сложными веществами.

При комнатной температуре кремний реагирует только с фтором , образуется фторид кремния:
 

$\mathrm{Si} + 2{\mathrm{F}}_2 = {\mathrm{SiF}}_4\uparrow$

С кислородом кремний взаимодействует при температуре более 1000°С, образуется оксид кремний (IV):
 

$\mathrm{Si} + {\mathrm{O}}_2 = {\mathrm{SiO}}_2\uparrow$

Сложные вещества-окислители окисляют кремний до оксида кремния (IV):
 

$\mathrm{Si} + 4{\mathrm{HNO}}_3 = {\mathrm{SiO}}_2 + 4{\mathrm{NO}}_2\uparrow + 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

При нагревании кремний способен реагировать с концентрированными растворами щелочей :

$\mathrm{Si} + 2\mathrm{NaOH} + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O} = {\mathrm{Na}}_2{\mathrm{SiO}}_3 + 2{\mathrm{H}}_2\uparrow$

Образуется соль кремниевой кислоты, в данном случае, силикат натрия.

Оксид кремния (IV)

Оксид кремния (IV) ${\mathrm{SiO}}_2$ – кислотный оксид, которому соответствует кремниевая кислота ${\mathrm{H}}_2{\mathrm{SiO}}_3$. С водой оксид кремния (IV) не реагирует, поэтому получить таким путем кремниевую кислоту нельзя.

Проявляя типичные кислотные свойства, оксид кремния (IV) реагирует с основными оксидами и щелочами с образованием солей кремниевой кислоты – силикатов:

$\mathrm{CaO} + {\mathrm{SiO}}_2 \stackrel{\mathrm{t}}{=} {\mathrm{CaSiO}}_3$

$2\mathrm{NaOH} + {\mathrm{SiO}}_2 \stackrel{\mathrm{t}}{=} {\mathrm{Na}}_2{\mathrm{SiO}}_3 + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

Еще один способ получения силикатов – сплавление оксида кремния (IV) с карбонатом:
 

${\mathrm{CaCO}}_3 + {\mathrm{SiO}}_2 \stackrel{\mathrm{t}}{=} {\mathrm{CaSiO}}_3 + {\mathrm{CO}}_2\uparrow$

Кремниевая кислота и ее соли

Рисунок 5. Кремниевая кислота

Формула кремниевой кислоты ${\mathrm{H}}_2{\mathrm{SiO}}_3$.

 

Так как оксид кремния (IV) с водой не реагирует, кремниевую кислоту получают косвенным путем – реакцией обмена между силикатом и более сильной кислотой:
 

${\mathrm{Na}}_2{\mathrm{SiO}}_3 + 2\mathrm{HCl} = 2\mathrm{NaCl} + {\mathrm{H}}_2{\mathrm{SiO}}_3\downarrow$

 

В результате реакции образуется студевидный осадок нерастворимой в воде кремниевой кислоты.

 

Кремниевая кислота очень слабая. Она не взаимодействует с металлами, основными оксидами и солями, но растворяется в щелочах:
 

${\mathrm{H}}_2{\mathrm{SiO}}_3 + 2{\mathrm{OH}}^{-} = {{\mathrm{SiO}}_3}^{2-} + 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

Кремниевая кислота легко теряет воду и превращается в оксид кремния (IV) в виде пористой массы – так называемый силикагель, который находит широкое применение как адсорбент. Так, в коробки с обувью кладут силикагелевые шарики, они поддерживают влажность воздуха внутри упаковки.

Соли кремниевой кислоты – силикаты

Большинство солей кремниевой кислоты нерастворимо в воде, кроме силикатов натрия, кремния и лития. При большой концентрации растворы силикатов становятся вязкими. Такие растворы называют жидким стеклом, так как при высыхании они образуют крупинки силикатов, напоминающие осколки стекла.

Соединения кремния в живой природе

Оксид кремния – своеобразный жесткий каркас в листьях и стеблях растений, благодаря этому они обладают упругостью.

Соединения кремния содержатся в колючках кактусов, кромках листьев камыша и кукурузы. Перья птиц и шерсть животных упруги и жестки благодаря содержанию кремния.

Применение кремния и его соединений

Чистый кремний широко используется в промышленности.

Микросхемы телефонов и компьютеров – миниатюрная пластинка из сверхчистого кремния.

Кремний способен преобразовывать световую энергию в электрическую. На этом свойстве основано действие солнечных батарей.

Кремний – компонент некоторых сплавов, например, силумина – сплава кремния с алюминием. Он легкий и прочный, используется для изготовления корпусов двигателей автомобилей.