Получаване на силициева киселина от силициев оксид. Силициев (IV) оксид и силициеви киселини. Химични свойства на силиция

Силициев IV оксид TU 6-09-3379-79

SiO2

Силициев диоксид (силициев диоксид, SiO2; лат. силициев диоксид) - силициев оксид (IV). Безцветни кристали с точка на топене +1713 ... +1728 ° C, с висока твърдост и здравина.

Силициевият диоксид е основният компонент на почти всички земни скали, по-специално на диатомичната пръст. Силицият и силикатите съставляват 87% от масата на литосферата. В човешката кръв и плазма концентрацията на силициев диоксид е 0,001% от теглото.

Имоти

• Принадлежи към групата на киселинните оксиди.
• При нагряване той взаимодейства с основни оксиди и основи.
• Реагира с флуороводородна киселина.
• SiO 2 принадлежи към групата на стъклообразуващите оксиди, т.е. той е склонен към образуване на преохладена стопилка - стъкло.
• Един от най-добрите диелектрици (електрически ток не провежда, ако няма примеси и не се нагрява).

Полиморфизъм

Силициевият диоксид има няколко полиморфни модификации.

Най-разпространеният от тях на повърхността на земята - α-кварцът - кристализира в тригонална сингония. При нормални условия силициевият диоксид най-често се среща в полиморфната модификация на α-кварц, който при температури над +573 °C обратимо се превръща в β-кварц. При по-нататъшно повишаване на температурата кварцът преминава в тридимит и кристобалит. Тези полиморфи са стабилни при високи температури и ниско налягане.

В природата има и форми - опал, халцедон, кварцин, лутецит, автигенен кварц, които принадлежат към групата на силициевия диоксид. Опалът (SiO 2 *nH 2 O) в тънък разрез е безцветен, изотропен, има отрицателен релеф, отлага се в морски резервоари и е част от много силикатни скали. Халцедон, кварцин, лутецит - SiO 2 - са криптокристални разновидности на кварца. Образуват влакнести агрегати, розетки, сферолити, безцветни, синкави, жълтеникави. Те се различават помежду си по някои свойства - за халцедона и кварцина - пряка екстинкция, за лутецита - наклонена, за халцедона - отрицателна елонгация.

При висока температура и налягане силициевият диоксид първо се превръща в коесит (синтезиран през 1953 г. от американския химик Лоринг Коус), а след това в стишовит (синтезиран през 1961 г. от С. М. Стишов и през 1962 г. е открит в метеоритен кратер ) [ източникът не е посочен 2294 дни ] . Според някои изследвания стишовитът съставлява значителна част от мантията, така че въпросът кой тип SiO 2 е най-разпространен на Земята все още няма ясен отговор.

Има и аморфна модификация - кварцово стъкло.

Химични свойства

Силициевият диоксид SiO 2 е киселинен оксид, който не реагира с вода.

Химически устойчив на киселини, но реагира с газ флуороводород:

и флуороводородна киселина:

Тези две реакции се използват широко за ецване на стъкло.

Когато SiO 2 се слее с основи и основни оксиди, както и с карбонати на активни метали, се образуват силикати - соли на много слаби, неразтворими във вода силициеви киселини с обща формула xH 2 O ySiO 2, които нямат постоянен състав (доста често в литературата се споменават несилициеви киселини, а силициева киселина, въпреки че всъщност говорим за едно и също вещество).

Например, натриев ортосиликат може да се получи:

калциев метасиликат:

или смесен калциев и натриев силикат:

Стъклото за прозорци е направено от Na 2 CaSi 6 O 14 силикат (Na 2 O·CaO·6SiO 2).

Повечето силикати нямат постоянен състав. От всички силикати само натриевите и калиевите силикати са разтворими във вода. Разтворите на тези силикати във вода се наричат ​​течно стъкло. Благодарение на хидролизата, тези разтвори се характеризират със силно алкална среда. Хидролизираните силикати се характеризират с образуването на не истински, а колоидни разтвори. При подкисляване на разтвори на натриеви или калиеви силикати се утаява желатинова бяла утайка от хидратирани силициеви киселини.

Основният структурен елемент както на твърдия силициев диоксид, така и на всички силикати е групата, в която силициевият атом Si е заобиколен от тетраедър от четири кислородни атома O. В този случай всеки кислороден атом е свързан с два силициеви атома. Фрагментите могат да бъдат свързани един с друг по различни начини. Сред силикатите, според характера на връзките в тях, фрагментите се разделят на островни, верижни, лентови, слоести, рамкови и др.

Касова бележка

Синтетичният силициев диоксид се получава чрез нагряване на силиций до температура от +400 ... +500 ° C в кислородна атмосфера, докато силицийът се окислява до SiO 2 диоксид. Както и термично окисляване при високи температури.

В лабораторни условия синтетичен силициев диоксид може да се получи чрез действието на киселини, дори слаби оцетни киселини, върху разтворими силикати. Например:

силициевата киселина веднага се разлага на вода и SiO 2 , които се утаяват.

Естествен силициев диоксид под формата на пясък се използва там, където не се изисква висока чистота на материала.

Приложение

Силициевият диоксид се използва в производството на стъкло, керамика, абразиви, бетонови изделия, за получаване на силиций, като пълнител в производството на каучук, в производството на силициеви огнеупорни материали, в хроматографията и др. Кварцовите кристали имат пиезоелектрични свойства и затова са използва се в радиотехниката, ултразвукови инсталации и запалки. Аморфният непорест силициев диоксид се използва в хранително-вкусовата промишленост като спомагателно вещество E551, което предотвратява слепването и образуването на бучки, парафармацевтици (пасти за зъби), във фармацевтичната промишленост като спомагателно вещество (включено в повечето фармакопеи), както и като хранителна добавка или лекарство като ентеросорбент.

Изкуствено получените филми от силициев диоксид се използват като изолатор при производството на микросхеми и други електронни компоненти.

Използва се и за производство на оптични кабели. Използва се чист стопен силициев диоксид с добавяне на някои специални съставки.

Силициевата нишка се използва и в нагревателните елементи на електронните цигари, тъй като абсорбира добре течността и не се разпада при нагряване на намотката.

Големи прозрачни кварцови кристали се използват като полускъпоценни камъни; безцветните кристали се наричат ​​планински кристал, виолетовите - аметисти, жълтите - цитрин.

В микроелектрониката силициевият диоксид е един от основните материали. Използва се като изолационен слой, както и като защитно покритие. Получава се под формата на тънки слоеве чрез термично окисление на силиций, химическо отлагане на пари, магнетронно разпрашване.

Порести силициеви диоксиди

Порестите силициеви диоксиди се получават по различни методи.

Силохромът се получава чрез агрегиране на аеросил, който от своя страна се получава чрез изгаряне на силан (SiH 4). Silochrome се характеризира с висока чистота, ниска механична якост. Характерният размер на специфичната повърхност е 60-120 m²/g. Използва се като сорбент в хроматографията, гумен пълнител, катализа.

Силикагелът се получава чрез изсушаване на гел от силициева киселина. В сравнение със силохрома, той има по-ниска чистота, но може да има изключително развита повърхност: обикновено от 300 m² / g до 700 m² / g.

Силициевият аерогел е приблизително 99,8% въздух и може да има плътност до 1,9 kg/m³ (само 1,5 пъти плътността на въздуха).

Въведение

Вашият апартамент е в ремонт и трябва да закупите керамични плочки. В магазина, след дълго сортиране на различни варианти за форми и цветове, сте намерили подходящ и отивайки към касата, сте погледнали частта от опаковката с плочките, където е изписан съставът му. Почти всички съставки са познати, но една от тях ви изненада - силициевият оксид. Естествено, ще искате да научите повече за това. Днес ще се опитам да задоволя интереса ви.

Силицият има променлива валентност и поради това в химията са известни две негови съединения с кислорода. Днес ще разгледаме най-високия силициев оксид, в който последният има валентност IV.

Име

В различни източници може да се нарича силициев диоксид, силициев диоксид или силициев оксид.

Имоти

Това е киселинен оксид, който има присъща твърдост и здравина. Ако го нагреете и всеки алкален/основен оксид, те ще взаимодействат един с друг. Това силициево съединение е стъклообразуващо, т.е. от него може да се получи преохладена стопилка - стъкло.

Освен това (в чист вид) не пропуска електрически ток (той е диелектрик). Силициевият оксид има атомна кристална решетка. Устойчив е на киселини, с изключение на флуороводородна киселина и флуороводород. Продуктите на реакцията с последния са силициев флуорид и вода. Ако вторият реагент е разтвор на флуороводород, тогава неговите продукти ще бъдат хексафлуоросилициева киселина и същата вода. Ако силициевият (IV) оксид се легира с алкален / основен оксид / карбонат на който и да е активен метал, реакционният продукт ще бъде сол на силициеви киселини - силикат, от който са разтворими само калиеви и натриеви силикати. Продуктите от взаимодействието на всеки от последните с вода се наричат ​​течно стъкло. Имат силно алкална среда, причината за това е хидролизата. Хидролизираните силикати образуват не истински, а колоидни разтвори. Ако разтворите на калиеви или натриеви силикати са леко окислени, ще се получи желатинова бяла утайка, която е хидратирана силициева киселина.

Касова бележка

В промишлеността силициевият оксид се получава чрез нагряване на силиций в кислородна среда. Той се окислява и образува желания продукт. Получава се и чрез термично окисление. В лабораторията силициевият оксид се получава чрез действието на всякакви киселини върху разтворим силикат, дори слабата оцетна киселина е подходяща за това. Например, ако го комбинирате с натриев силикат, реакционният продукт ще бъде натриев ацетат и силициева киселина. Разлагането на последното ще настъпи веднага и продуктите от неговото разпадане ще бъдат вода и желания оксид.

Приложение

Силициевият оксид се използва за производството на стъкло, керамика, абразиви, бетонни продукти и самия силиций. Той също така служи като пълнител в каучуковата промишленост. Кристалите на аморфна модификация на силициев оксид - кварцово стъкло - имат пиезоелектрични свойства и това се използва от създателите на радиотехника, ултразвукови инсталации и запалки. Силикатите и силикатите съставляват почти 90% от масата на литосферата. Също така силициевият оксид е известен като хранителна добавка E551. Това е неговата аморфна непореста разновидност. Предотвратява слепването и слепването на храната, във фармацевтиката се използва като помощно вещество и ентеросорбент. Филмите от този оксид служат като изолатор при производството на микрочипове и други електронни компоненти. Те се използват и за създаване на оптични кабели. И нагревателните елементи на електронната цигара не биха били възможни без силициева нишка.

Заключение

Ето колко широко се използва този оксид. И за да го видите, не е нужно да тичате до магазина и да гледате цимент и бетон заради любопитството. Естественият силициев оксид е под краката ни - това е обикновен пясък. Оказва се, че може да бъде полезно.

За химичен елемент с атомен номер 14, който е в IV група на 3-ти период и III серия, е възможно да се образуват два силициеви оксида, състоящи се от два елемента Si и O:

• силициев оксид, в който Si е двувалентен, химичната формула на този оксид може да бъде представена като SiO;
• Силициевият диоксид е силиций, в който Si е четиривалентен, неговата химична формула е написана като SiO2.

Силициевият (IV) оксид на външен вид представлява прозрачни кристали. Плътността на SiO2 е 2,648 g/cm³. Веществото се топи в температурния диапазон от 1600 до 1725 °C, кипи при температура 2230 °C.

Силициевият оксид SiO2 е известен със своята твърдост и здравина от древни времена, като е най-често срещан в природата в кварца или диатомеите. Веществото има много полиморфни модификации, най-често срещани в две форми:

• кристален - под формата на естествен минерал от кварц, както и неговите разновидности (халцедон, планински кристал, яспис, ахат, кремък); кварцът е основата, той е незаменим строителен материал и суровина за силикатната индустрия;
• аморфният се среща под формата на естествен минерален опал, чийто състав може да се опише с формулата SiO2. nH2O; земните форми на аморфния SiO2 са трипол (планинско брашно, диатомит) или диатомит; изкуственият аморфен безводен силициев диоксид е силикагел, който е направен от натриев метасиликат.

Силициевият оксид SiO2 е киселинен оксид. Именно този фактор определя неговите химични свойства.

Флуорът реагира със силициев диоксид: SiO2 + 4F → SiF4 +O2, за да образува безцветен газ от силициев тетрафлуорид и кислород, докато други газове (халогени Cl2, Br2, I2) реагират по-малко активно.

Силициевият оксид IV реагира с флуоросилициева киселина: SiO2 + 6HF → H2SiF6 + 2H2O. Това свойство се използва в производството на полупроводници.

Силициевият (IV) оксид се разтваря в гореща концентрирана или разтопена основа, за да образува натриев силикат: 2NaOH + SiO2 → Na2SiO3 + H2O.

Силициевият диоксид реагира с основни метални оксиди (например оксиди на натрий, калий, олово (II), цинк или смес от оксиди, използвани в производството на стъкло). Пример за това са реакциите на натриев оксид и SiO2, които могат да доведат до образуването на: натриев ортосиликат 2Na2O + SiO2 → Na4SiO4, натриев силикат Na2O + SiO2 → Na2SiO3 и стъкло Na2O + 6SiO2 + XO → Na2O: XO: 6SiO2. Примери за такова търговско стъкло са варовиково-натриево стъкло, боросиликатно стъкло, оловно стъкло.

Силициевият диоксид взаимодейства със силиций при високи температури, което води до газообразен моноксид: Si + SiO2 → 2SiO.

Най-често силициевият оксид SiO2 се използва за получаване на елементарен силиций. Процесът на взаимодействие с елементарен въглерод протича при висока температура в електродъгова пещ: 2C + SiO2 → Si + 2CO. Доста е енергоемко. Неговият продукт обаче се използва в полупроводниковата технология за производство (превръщане на светлинната енергия в електрическа). Чистият Si се използва и в металургията (при производството на топлоустойчиви и киселинноустойчиви силициеви стомани). Полученият по този начин елементарен силиций е необходим за получаване на чист силициев диоксид, който е от голямо значение за редица индустрии. Естественият SiO2 се използва под формата на пясък в онези индустрии, където не се изисква неговата висока чистота.

При вдишване на фино раздробен прах от кристален SiO2, дори в много малки количества (до 0,1 mg/m³), с течение на времето може да се развие силикоза, бронхит или рак. Прахът става опасен, когато навлезе в белите дробове, постоянно ги дразни, като по този начин намалява тяхната функция. В човешкото тяло силициевият оксид под формата на кристални частици не се разтваря за клинично значими периоди от време. Този ефект може да създаде риск от професионално заболяване за хора, работещи с пясъкоструйно оборудване или продукти, които съдържат кристален силициев прах. Децата, астматиците на всяка възраст, алергичните и възрастните хора могат да се разболеят много по-бързо.

Вторият представител на елементите на основната подгрупа от група IV (IVA група) на периодичната таблица на Д. И. Менделеев е силиций Si.

В природата силицият е вторият най-разпространен химичен елемент след кислорода. Повече от една четвърт от земната кора се състои от неговите съединения. Най-често срещаното силициево съединение е силициевият оксид (IV) SiO 2, другото му име е силициев диоксид.

В природата той образува минерала кварц (фиг. 158), много разновидности на който - планинският кристал и известната му лилава форма - аметист, както и ахат, опал, яспис, халцедон, карнеол, са известни като декоративни и полускъпоценни камъни. Силициевият оксид (IV) също се състои от обикновен и кварцов пясък.

Ориз. 158.
Кварцови кристали, вградени в доломит

От разновидностите на минерали на основата на силициев оксид (IV) (кремък, халцедон и др.) Първобитните хора са правили инструменти. Именно кремъкът, този невзрачен и не много издръжлив камък, бележи началото на каменната ера - епохата на кремъчните инструменти (фиг. 159). Има две причини за това: разпространението и наличността на кремъка, както и способността му да образува остри режещи ръбове при нарязване.

Ориз. 159.
Инструменти от каменната ера

Вторият тип естествени силициеви съединения са силикатите. Сред тях най-разпространени са алумосиликатите (ясно е, че тези силикати съдържат химичния елемент алуминий). Алумосиликатите включват гранит, различни видове глини, слюда. Силикат без съдържание на алуминий е например азбестът, от който се правят огнеупорни тъкани.

Силициевият оксид (IV) SiO 2 е необходим за живота на растенията и животните. Придава здравина на стъблата на растенията и защитните покривки на животните (фиг. 160). Благодарение на него тръстиката, тръстиката и хвощът стоят здрави като щикове, острите листа от острица секат като ножове, стърнището на окосено поле боде като игли, а зърнените стъбла са толкова здрави, че не позволяват на нивата в нивата да легне от дъжд и вятър. Рибените люспи, черупките на насекомите, крилете на пеперудата, перата на птиците и козината на животните са силни, защото съдържат силициев диоксид.

Ориз. 160.
Силициевият (IV) оксид дава здравина на стъблата на растенията и защитните покривки на животните

Силициевите съединения придават гладкост и здравина на човешката коса и нокти.

Силицият влиза и в състава на нисшите живи организми – диатомеи и радиоларии, най-деликатните бучки жива материя, които създават своите ненадминати по красота скелети от силициев диоксид (фиг. 161).

Ориз. 161.
Скелетите на диатомеите (а) и радиоларите (б) са съставени от силициев диоксид

силициеви свойства. Вие използвате захранван със слънчева енергия микрокалкулатор и следователно имате представа за кристалния силиций. Това е полупроводник. За разлика от металите, неговата електропроводимост се увеличава с повишаване на температурата. На спътници, космически кораби, станции и покриви (фиг. 162) са инсталирани слънчеви панели, които преобразуват слънчевата енергия в електрическа. В тях работят полупроводникови кристали и предимно силиций. Силиконовите слънчеви клетки могат да преобразуват до 10% от абсорбираната слънчева енергия в електрическа.

Ориз. 162.
Слънчева батерия на покрива на къщата

Силицият изгаря в кислород, образувайки вече познатия ви силициев оксид (IV):

Тъй като е неметал, при нагряване силицият се свързва с метали, за да образува силициди, например:

Силицидите лесно се разлагат от вода или киселини и се отделя газообразно водородно съединение на силиций, силан:

За разлика от въглеводородите, силанът се запалва спонтанно във въздуха и изгаря, за да образува силициев (IV) оксид и вода:

Повишената реактивност на силана в сравнение с метана CH 4 се обяснява с факта, че размерът на атома на силиция е по-голям от този на въглерода, следователно химичните връзки Si-H са по-слаби от връзките C-H.

Силицият взаимодейства с концентрирани водни разтвори на алкали, образувайки силикати и водород:

Силицият се получава чрез редуцирането му от силициев (IV) оксид с магнезий или въглерод:

Силициевият оксид (IV), или силициевият диоксид, или силициев диоксид SiO 2, подобно на CO 2, е киселинен оксид. Въпреки това, за разлика от CO2, той няма молекулярна, а атомна кристална решетка. Следователно SiO 2 е твърдо и огнеупорно вещество. Той не се разтваря във вода и киселини, освен, както знаете, флуороводородна, но взаимодейства при високи температури с основи, за да образува соли на силициева киселина - силикати:

Силикатите могат да бъдат получени и чрез сливане на силициев (IV) оксид с метални оксиди или карбонати:

Силикатите на натрий и калий се наричат ​​разтворимо стъкло. Техните водни разтвори са добре познатото силикатно лепило.

От разтвори на силикати чрез действието на по-силни киселини върху тях - солна, сярна, оцетна и дори въглеродна, се получава силициева киселина H 2 SiO 3 (фиг. 163):

Ориз. 163. Качествена реакция на силикатен йон

Следователно H 2 SiO 3 е много слаба киселина. Той е неразтворим във вода и се утаява от реакционната смес под формата на желатинова утайка, понякога компактно запълваща целия обем на разтвора, превръщайки го в полутвърда маса, подобна на желе, желе. Когато тази маса изсъхне, се образува силно поресто вещество - силикагел, който се използва широко като адсорбент - абсорбатор на други вещества.

Лабораторен опит No40
Получаване на силициева киселина и изследване на нейните свойства

Приложение на силиций. Вече знаете, че силиций се използва за получаване на полупроводникови материали, както и за киселинноустойчиви сплави. Когато кварцовият пясък се слее с въглища при високи температури, се образува силициев карбид SiC, който е на второ място след диаманта по твърдост. Поради това се използва за заточване на фрези на металорежещи машини и полиране на скъпоценни камъни.

Разтопеният кварц се използва за направата на различни кварцови химически изделия от стъкло, които могат да издържат на високи температури и не се напукват при рязко охлаждане.

Силициевите съединения служат като основа за производството на стъкло и цимент.

Обикновеното прозоречно стъкло има състав, който може да се изрази с формулата Na 2 O CaO 6SiO 2 . Получава се в специални стъкларски пещи чрез стопяване на смес от сода, варовик и пясък.

Отличителна черта на стъклото е способността да омекне и в разтопено състояние да приеме всякаква форма, която се запазва, когато стъклото се втвърди. На това се основава производството на сервизи и други изделия от стъкло.

Различни добавки придават допълнителни качества на стъклото. И така, чрез въвеждане на оловен оксид се получава кристално стъкло, хромовият оксид оцветява стъклото в зелено, кобалтовият оксид е син и т.н. (фиг. 164).

Ориз. 164.
Продукти от цветно стъкло

Стъклото е едно от най-старите изобретения на човечеството. Още преди 3-4 хиляди години производството на стъкло е било развито в Египет, Сирия, Финикия и Черноморския регион.

Стъклото е материал не само за занаятчии, но и за художници. Майсторите на Древен Рим достигнаха високо съвършенство, те знаеха как да получат цветно стъкло и да направят мозаечни парчета от тях.

Ориз. 165.
Витражи в витражите на катедралата Нотр Дам, Шартр

Произведенията на изкуството, изработени от стъкло, са незаменими атрибути на всеки голям музей, а цветните витражи на църквите, мозаечните панели са ярки примери за това (фиг. 165). В едно от помещенията на петербургския филиал на Руската академия на науките има мозаечен портрет на Петър I, направен от М. В. Ломоносов (фиг. 166).

Ориз. 166.
Мозаечен портрет на Петър I

Обхватът на стъклото е много обширен. Това е прозорец, бутилка, лампа, огледално стъкло; оптично стъкло - от стъкла за очила до стъкла за фотоапарат; лещи на безброй оптични инструменти - от микроскопи до телескопи.

Друг важен материал, получен от силициевото съединение, е циментът. Получава се чрез синтероване на глина и варовик в специални ротационни пещи.

Когато циментовият прах се смеси с вода, се образува циментова паста или, както го наричат ​​строителите, "циментов разтвор", който постепенно се втвърдява. Когато към цимента се добави пясък или натрошен камък, като пълнител се получава бетон. Якостта на бетона се увеличава, ако в него се въведе желязна рамка - получава се стоманобетон, от който се изработват стенни панели, подови блокове, мостови ферми и др.

Силикатната промишленост се занимава с производство на стъкло и цимент. Произвежда и силикатна керамика - тухла, порцелан (фиг. 167), фаянс и изделия от тях.

Ориз. 167.
Порцелан

Откриването на силиций. Въпреки че още в древни времена хората са използвали широко силициеви съединения в ежедневието, самият силиций е получен за първи път през 1824 г. от шведския химик J. J. Berzelius. Въпреки това, 12 години преди него, силиций е получен от J. Gay-Lussac и L. Tenard, но той е много замърсен с примеси.

Латинското наименование силиций произлиза от латинската дума silex - "кремък". Руското име "силиций" идва от гръцкото kremnos - "скала, скала".

Нови думи и понятия

1. Естествени силициеви съединения: силициев диоксид, кварц и неговите разновидности, силикати, алумосиликати, азбест.
2. Биологичното значение на силиция.
3. Свойства на силиция: полупроводник, взаимодействие с кислород, метали, основи.
4. Силан.
5. Силициев (IV) оксид. Неговата структура и свойства: взаимодействие с основи, основни оксиди, карбонати и магнезий.
6. Силициева киселина и нейните соли. Разтворимо стъкло.
7. Използването на силиций и неговите съединения.
8. Стъклена чаша.
9. Цимент.

Задачи за самостоятелна работа