Oксид кремния (IV) (диоксид кремния, кремнезём SiO2) — бесцветные кристаллы, обладают высокой твёрдостью и прочностью. Свойства. Относится к группе кислотных оксидов.
При нагревании взаимодействует с основными оксидами и щелочами.
Реагирует с плавиковой кислотой.
SiO2 относится к группе стеклообразующих оксидов, то есть склонен к образованию переохлажденного расплава — стекла.
Один из лучших диэлектриков (электрический ток не проводит, если не имеет примесей и не нагревается).
ХИМ.СВ-ВА
диоксид кремния SiO2 — кислотный оксид, не реагирующий с водой.
Химически стоек к действию кислот, но реагирует с газообразным фтороводородом:
SiO2 + 4HF = SiF4 + 2H2O
и плавиковой кислотой:
SiO2 + 6HF = H2[SiF6]+ 2H2O
Эти две реакции широко используют для травления стекла.
При сплавлении SiO2 с щелочами и основными оксидами, а также с карбонатами активных металлов образуются силикаты — соли не имеющих постоянного состава очень слабых, нерастворимых в воде кремниевых кислот общей формулы xH2O·ySiO2 (довольно часто в литературе упоминаются не кремниевые кислоты, а кремниевая кислота, хотя фактически речь при этом идет об одном и том же веществе).
Например, может быть получен ортосиликат натрия:
SiO2 + 4NaOH = Na4SiO4 + 2H2O
метасиликат кальция:
SiO2 + CaO = CaSiO3
или смешанный силикат кальция и натрия:
Na2CO3,+ CaCO3 +6SiO2 = Na2CaSI6O14 + 2CO2
Из силиката Na2CaSi6O14 (Na2O·CaO·6SiO2) изготовляют оконное стекло.
Большинство силикатов не имеет постоянного состава. Из всех силикатов растворимы в воде только силикаты натрия и калия. Растворы этих силикатов в воде называют жидким стеклом. Из-за гидролиза эти растворы характеризуются сильно щелочной средой. Для гидролизованных силикатов характерно образование не истинных, а коллоидных растворов. При подкислении растворов силикатов натрия или калия выпадает студенистый белый осадок гидратированных кремниевых кислот.
Главным структурным элементом как твердого диоксида кремния, так и всех силикатов, выступает группа [SiO4/2], в которой атом кремния Si окружен тетраэдром из четырёх атомов кислорода О. При этом каждый атом кислорода соединен с двумя атомами кремния. Фрагменты [SiO4/2] могут быть связаны между собой по-разному. Среди силикатов по характеру связи в них фрагментов [SiO4/2] выделяют островные, цепочечные, ленточные, слоистые, каркасные и другие.
Получение
Синтетический диоксид кремния получают нагреванием кремния до температуры 400—500 °C в атмосфере кислорода, при этом кремний окисляется до диоксида SiO2. А также термическим оксидированием при больших температурах.
В лабораторных условиях синтетический диоксид кремния может быть получен действием кислот, даже слабой уксусной, на растворимые силикаты. Например:
Na2SiO3 + 2CH3COOH = 2CH3COONa + H2SiO3
кремниевая кислота сразу распадается на воду и SiO2, выпадающий в осадок.
Натуральный диоксид кремния в виде песка используется там, где не требуется высокая чистота материала.
Примениение. Диоксид кремния применяют в производстве стекла, керамики, абразивов, бетонных изделий, для получения кремния, как наполнитель в производстве резин, при производстве кремнезёмистых огнеупоров, в хроматографии и др. Кристаллы кварца обладают пьезоэлектрическими свойствами и поэтому используются врадиотехнике, ультразвуковых установках, в зажигалках.
Диоксид кремния — главный компонент почти всех земных горных пород, в частности, кизельгура. Из кремнезёма и силикатов состоит 87 % массы литосферы.
Аморфный непористый диоксид кремния применяется в пищевой промышленности в качестве вспомогательного вещества E551, препятствующего слёживанию и комкованию, парафармацевтике (зубные пасты), в фармацевтической промышленности в качестве вспомогательного вещества (внесён в большинство Фармакопей), а также пищевой добавки или лекарственного препарата в качестве энтеросорбента.
Искусственно полученные плёнки диоксида кремния используются в качестве изолятора при производстве микросхем и других электронных компонентов.
Также используется для производства волоконно-оптических кабелей. Используется чистый плавленый диоксид кремния с добавкой в него некоторых специальных ингредиентов.
Кремнезёмная нить также используется в нагревательных элементах электронных сигарет, так как хорошо впитывает жидкость и не разрушается под нагревом спирали.
Крупные прозрачные кристаллы кварца используются в качестве полудрагоценных камней; бесцветные кристаллы называют горным хрусталём, фиолетовые —аметистами, жёлтые — цитрином.
В микроэлектронике диоксид кремния является одним из основных материалов. Его применяют в качестве изолирующего слоя, а также в качестве защитного покрытия. Получают в виде тонких плёнок термическим окислением кремния, химическим осаждением из газовой фазы, магнетронным распылением.
Кремниевые кислоты
Кремниевые кислоты — очень слабые, малорастворимые в воде кислоты общей формулы nSiO2•mH2O
Номенклатура
Из кремниевых кислот известны: метакремниевая H2SiO3, ортокремниевая H4SiO4, дикремниевые H2Si2O5 и H10Si2O9, пирокремниевая H6Si2O7 и поликремниевые nSiO2•mH2O. Соответствующие соли называют силикатами (метасиликаты, ортосиликаты и др.).
Строение
Метакремниевая кислота состоит из структурных звеньев, имеющих тетраэдрическое строение. Звенья соединяются в цепи, образуя поликремниевые кислоты.
Физические и химические свойства
Все поликремниевые кислоты малорастворимы в воде. В воде образуют коллоидные растворы по общей схеме реакции:
(SiO2)x + 2H2O = H4SiO4 + (SiO2)x-1
Образовавшаяся неустойчивая ортокремниевая кислота вступает в реакции поликонденсации:
2H4SiO4 = (HO)3SiOSi(OH)3 + H2O
в результате чего образуются сложные линейные, разветвлённые и смешанные структуры.
Изоэлектрическая точка поликремниевых кислот находится в интервале pH 2,0-3,0, в котором поликонденсация идёт с минимальной скоростью.
Кремниевые кислоты являются слабыми. Для метакремниевой кислоты H2SiO3 константы диссоциации K1 = (2-3)•10-10, K2 ~ 10-11÷-13, для ортокремниевой H4SiO4 K1 = 2•10-10, K2 = K3 = K4 = 2•10-12.
Кремниевые кислоты растворяются в растворах и расплавах щелочей, образуя силикаты:
H2SiO3 + 2KOH = K2SiO3 + 2H2O
Ортокремниевая кислота способна образовывать ортосиликаты-эфиры в общем случае имеющие вид R1R2R3R4SiO4, где R1-4 - органические радикалы, как правило, являющиеся спиртовыми остатками. Известным массовым продуктом является тетраэтилортосиликат состава Si(C2H5O)4
Получение
Растворы кремниевых кислот получают растворением аморфного диоксида кремния в воде, действием сильных кислот на растворимые силикаты натрия или калия:
Na2SiO3 + 2HCl = H2SiO3 + 2NaCl
гидролизом хлорсиланов:
SiH2Cl2 + 3H2O = H2SiO3 + 2HCl + 2H2
а также методами электродиализа и ионного обмена.
Применение
Гидрозоли кремниевых кислот используются как наполнители и связующие материалы в производстве керамических изделий, различных покрытий. Они используются как носители катализаторов и светочувствительных слоёв в фотоматериалах. Они служат сырьём для получения кварцевого стекла, различных адсорбентов, поглотителей паров воды и газов, фильтров очистки воды и масел.
Стекло. Сырьем для производства стеклаявляется сода Na2CO3 известнякCaCO3 и песок SiO2 из этих компонентов получают обычное оконное стекло
Na2CO3+ CaCO3+ SiO2==Na2O*CaO*6SiO2+2CO2
В стекла особого назначения огнеупорные,обладающие большой механической прочностью при варке добавляют оксиды бария,свинца,бора.окрашенные стекла получают добавлением оксидов кобальта(синее стекло) оксид хрома(зеленое стекло)добавлением оксида свенца получают хрустальное стекло.
ЦЕМЕНТ.представляет собой смесь силикатов, главными компонентами которых являются оксиды кальция,оксид кремния4,оксид алюминия и железа 3. В промышленности цемент получают спеканием глины и известняка CaCO3.если образующийся при этом порошок смешать с водой то получается масса постепенно твердеющая на воздухе.при добавлении к цементу песка или щебня в качестве наплнителя получают бетон который широко используется в строительстве.прочность бетона возрастает если в него вводится каркас из железных стержней.железобетонные панели блоки перекрытий основа современного строительства.
СИЛИКАТЫ, Силикаты (от лат. silex — камень) — соли кремниевых кислот: метакремниевой кислоты H2SiO3, например, Na2SiO3, ортокремниевой кислоты H4SiO4 и др. В природе встречается в виде минералов, а также являются основой горных пород, из которых состоит земная кора .ПОЛУЧЕНИЕ. При нагревании оксид кремния(IV) SiO2 вытесняет более летучий кислотный оксид из солей:
Обработка аморфного кремнезёма концентрированным раствором щёлочи:
ФИЗИЧЕСКИЕ СВ_ВА. Природные силикаты довольно тугоплавки (1000—1300 °С, иногда до 2000 °С и выше). Имеют относительно большую твёрдость: 6-8 баллов по шкале Мооса[
ХИМИЧЕСКИЕ СВ_ВА. Силикаты взаимодействуют со следующими веществами:
С кислотами, даже с очень слабыми, например, с угольной:
Na2SiO3 + H2CO3 = Na2CO3 +H2SiO3
С растворимыми солями:
Na2SiO3 + MgCl2 = MgSiO3 + 2NaCl
Гидролиз:
Na2SiO3 + H2O = NaHSiO3 + NaOH
ПРИМЕНЕНИЕ, Некоторые силикаты применяют для пропитки древесины, чтобы придать ей огнеупорность. Водный раствор силиката натрия используется в качестве силикатного клея. Силикаты используются в качестве поделочных камней[1].
Массово производимые концентрированные растворы силикатов калия или натрия называют жидким или растворимым стеклом. Состав жидкого стекла как правилонестехиометричен и характеризуется так называемым модулем - отношением массы диоксида кремния к массе оксида щелочного металла в составе продукта. Так, например, модуль жидкого стекла в составе типичного силикатного канцелярского клея обычно колеблется от 2,1 до 2,8 при содержании воды порядка 65%.
Поликремниевая кислота. Поликремниевые кислоты в воде практически не растворимы, легко образуют коллоидные растворы - золи. Устойчивость золей кремниевых кислот сильно зависит от рН раствора.
Все поликремниевые кислоты очень слабые. Поскольку SiOj нерастворим в воде, кремниевые кислоты получают косвенным путем. Так, если к раствору силиката натрия Na2SiO3 приливать соляную кислоту, то в зависимости от концентрации взятых растворов образуется студенистый осадок ( иногда весь раствор превращается в студенистую массу) или коллоидный раствор. Химический состав этого осадка неопределенный и приписываемая ему формула Н28Юз по схеме реакции № 28Юз 2НСl 2NaCl H2SiO3 чисто условная. Нагревая осадки поликремниевых кислот, можно, постепенно обезвоживая их, получить тонкодисперсный SiO2 - силикагель.
