Кремниевая кислота с металлами

Обновлено: 29.05.2024

Кремний в химии имеет обозначение Si (силициум) от латинского слова silex «кремень». Это типичный неметалл, элемент 14 группы (по прежней классификации — главной подгруппы IV группы) и третьего периода периодической системы Д.И. Менделеева. Атомный номер 14. Атомная масса 28,09.

Рисунок 1. Структура кремния и его внешний вид.

Физические свойства кремния. Аллотропные модификации кремния

Кремний имеет две аллотропные модификации:

1. Кристаллический — свойства обусловлены наличием кубической кристаллической решетки. Атомы расположены на вершине и в центре каждой грани, прочно связаны друг с другом ковалентной связью.
2. Аморфный — порошок бурого цвета на основе разупорядоченной кристаллической структуры. Гигроскопичный, активнее вступает в реакции.

Таблица 1. Основные физические параметры кристаллического кремния.

Химические свойства Si

Определяются положением кремния в периодической системе Д.И. Менделеева и строением атома: электронная формула 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2. Проявляет степени окисления: -4, 0, +2, +4. Валентность: II и IV.

Окислительные свойства кремний проявляет в реакциях с активными металлами:

S i + 2 M g → t ° M g 2 S i - 4 силицид магния;

С водородом не реагирует, но при растворении силицидов в кислотах образуется силан:

M g 2 S i + 4 H C l → 2 M g C l 2 + S i H 4 силан.

Восстановительные свойства кремния.

• +галогены (Cl, Br, J) при нагревании, со фтором при комнатной температуре:

S i + 2 F 2 → S i F 4 тетрафторид кремния;

• при избытке кислорода: S i + O 2 → 600 ° С S i O 2 оксид кремния IV;
• при недостатке кислорода: 2 S i + O 2 → 400 ° С 2 S i O монооксид кремния;
• образование бинарных соединений:

• +сера: S i + S → 600 ° С S i S 2 сульфид кремния;
• +азот: 3 S i + 2 N 2 → 1300 ° С S i 3 N 4 нитрид кремния;
• +углерод: S i + C → 2000 ° С S i C карбид кремния (карборунд);
• +щелочи при кипячении:

• S i + 4 N a O H к о н ц → t ° N a 4 S i O 4 + 2 H 2 ↑ ;
• S i + 2 K O H + H 2 O → t ° K 2 S i O 3 + 2 H 2 ↑ ;
• с кислотами не реагирует. Растворяется только в смеси плавиковой и азотной кислот:

3 S i + 4 H N O 3 + 18 H F → 3 H 2 [ S i F 6 ] + 4 N O + 8 H 2 O .

Нахождение в природе

Кремний в чистом виде (как самородный минерал) встречается крайне редко. Но, соединяясь с кислородом, он образует S i O 2 — кремнезем, входящий в состав многих минералов: песок, кварц, полевой шпат, слюда, некоторые поделочные и полудрагоценные камни: яшма, гранат, турмалин и др., что обуславливает высокое (не менее 26%) содержание кремния в земной коре.

Рисунок 2. Оксид кремния IV в природе.

Содержание кремния в морской воде достигает 3 мг/л, поэтому он накапливается в кремниевых губках, диатомовых водорослях, радиоляриях.

Пищевые продукты, содержащие кремний: овес, огурцы, рис, пшеница, лук, семя льна, авокадо и др.

Технология получения

В лабораторных условиях кремний получают:

• прокаливанием белого песка (оксид кремния IV) с металлическим магнием:

2 M g + S i O 2 → t ° S i ↓ + 2 M g O ;

• восстановлением из оксида кремния IV с помощью алюминия:

2 A l + S i O 2 → t ° S i ↓ + A l 2 O 3 .

Промышленные способы получения кремния:

S i O 2 + 2 C к о к с → t ° 2 C O ↑ + S i ↓ .

Однако, такой кремний имеет примеси карбида кремния и не подходит для производства микросхем.

Продукт со степенью чистоты до 99,9% получают:

• восстановлением водородом или цинком из S i C l 4 :

S i C l 4 + 2 H 2 → 1200 ° С S i ↓ + 4 H C l ;

S i H 4 → t ° S i ↓ + 2 H 2 ↑ .

Важные соединения кремния

Оксид кремния (IV) S i O 2 имеет атомное строение, высокий показатель твердости, тугоплавкий (плавится при температуре 1730 °С). Кислотный оксид, соответствует кремниевой кислоте.

• в промышленности — нагреванием кремния в атмосфере кислорода:

S i + O 2 → 600 ° С S i O 2 .

• в лабораториях — взаимодействие силиката натрия с уксусной кислотой. Кремниевая кислота сразу распадается на воду и S i O 2 , который выпадает в осадок:

• N a 2 S i O 3 + C H 3 C O O H → C H 3 C O O N a + H 2 S i O 3 ↓ ;
• H 2 S i O 3 → S i O 2 ↓ + H 2 O .

Химические свойства SiO2:

• не растворяется в кислотах, реагирует только с плавиковой кислотой и газообразным фтороводородом:

• S i O 2 + 6 H F ж и д → Н 2 [ S i F 6 ] + 2 H 2 O ;
• S i O 2 + 4 H F г а з → S i F 4 + 2 H 2 O ;
• при взаимодействии с основными оксидами и щелочами, а также с карбонатами образуются соли кремниевой кислоты — силикаты:

• C a O + S i O 2 → C a S i O 3 силикат кальция;
• 2 К O H + S i O 2 → K 2 S i O 3 силикат калия + H 2 O ;
• N a 2 C O 3 + S i O 2 → N a 2 S i O 3 силикат натрия + C O 2 ↑ .

На реакции с карбонатами основано получение оконного стекла — смесь из соды, известняка и белого песка прокаливают при температуре, равной 1500 °С:

N a 2 C O 3 + C a C O 3 + 6 S i O 2 → t ° N a 2 O · C a O · 6 S i O 2 + 2 C O 2 ↑ .

Кремниевая кислота и ее соли — силикаты.

Кремниевая кислота H 2 S i O 3 — слабая, малорастворимая. Легко распадается на оксид и воду, при подсыхании превращается в студенистое вещество — силикагель. Получают при взаимодействии кислот (в том числе, угольной) с растворимыми силикатами щелочных металлов:

N a 2 S i O 3 + 2 H C l → 2 N a C l + H 2 S i O 3 ↓ .

Кремниевая кислота реагирует только с сильными основаниями и их оксидами, образуя силикаты:

H 2 S i O 3 + L i O H → L i 2 S i O 3 + 2 H 2 O .

Силикаты, кроме N a 2 S i O 3 и K 2 S i O 3 (их называют жидким стеклом), нерастворимы в воде. Получают следующими методами:

• взаимодействие кремния, оксида кремния или кремниевой кислоты с щелочами:

• S i + 2 N a O H + 2 H 2 O → t ° N a 2 S i O 3 силикат натрия + 2 H 2 ↑ ;
• 2 L i O H + S i O 2 → L i 2 S i O 3 силикат лития + H 2 O ;
• 2 K O H + H 2 S i O 3 → K 2 S i O 3 силикат калия + 2 H 2 O ;
• сплавление оксида кремния с основными оксидами:

M g O + S i O 2 → M g S i O 3 с и л и к а т м а г н и я ;

K 2 S i O 3 + C a C l 2 → C a S i O 3 с и л и к а т к а л ь ц и я + 2 K C l .

Силициды — это бинарные соединения кремния с металлами, в которых кремний имеет степень окисления -4. Тип химической связи — ионная.

Получают при сплавлении простых веществ или восстановлением смеси оксидов коксом в электропечах:

• S i + 2 C a → t ° C a 2 S i - 4 силицид кальция;
• 2 M g O + S i O 2 + 4 C → M g 2 S i силицид магния + 4 C O .

Вступают в реакцию:

• с водой (гидролиз): M g 2 S i + 4 H 2 O → 2 M g ( O H ) 2 + S i H 4 ;
• с кислотами: C a 2 S i + 4 H C l → 2 C a C l 2 + S i H 4 .

Силан — это бинарное соединение кремния с водородом S i H 4 , ядовитый бесцветный газ.

Если к порошку силицида магния добавить разбавленную соляную кислоту, то на поверхности раствора образуются пузырьки силана. Они лопаются и загораются на воздухе.

• M g 2 S i + 4 H C l → 2 M g C l 2 + S i H 4 силан;
• S i H 4 + 2 O 2 → S i O 2 + 2 H 2 O — горение силана.

Химические свойства силана:

• + H 2 O : S i H 4 + 2 H 2 O → S i O 2 + 4 H 2 ;
• +щелочи: 2 S i H 4 + 2 N a O H + H 2 O → N a 2 S i O 3 + 4 H ;
• разложение при нагревании: S i H 4 → S i + 2 H 2 .

5. Карборунд SiC имеет атомный тип кристаллической решетки, сходный с алмазной. Твердый, плавится при температуре 2730 °С.

Получают по схеме:

S i + C → 2000 ° С S i C .

• при высокой температуре: S i C + 2 O 2 → t ° S i O 2 + C O 2 ;
• в расплаве щелочи: S i C + 2 O 2 + 4 N a O H → N a 2 S i O 3 + N a 2 C O 3 + 2 H 2 O .

Применение кремния и его соединений — силикатная промышленность.

Кремний используют в металлургии — добавка к стали и другим сплавам; в электронике — изготовление полупроводниковых приборов, радиодеталей и солнечных батарей.

Кремний необходим для поддержания здоровья кожи, волос и ногтей. Кремний участвует в формировании костей, повышает эластичность и прочность кровеносных сосудов, что используется в профилактике сердечно-сосудистых заболеваний.

Диоксид кремния:

• производство стекла, керамики, бетона и кирпича. Из керамики, помимо посуды и декоративных изделий, производят изоляторы для высоковольтных ЛЭП и другие изделия, используемые в технике и строительстве;
• чистый кварц используется в приборостроении;
• производство косметики: как эмульгатор и компонент против слеживания.

Силициды входят в состав жаропрочных и кислотоустойчивых сплавов и высокотемпературных полупроводниковых материалов.

Карбид кремния используют как абразив при затачивании резцов металлорежущих станков и шлифовки драгоценных камней, а также в качестве имитации алмаза в ювелирном деле.

Кремний. Химия кремния и его соединений

Кремний расположен в главной подгруппе IV группы (или в 14 группе в современной форме ПСХЭ) и в третьем периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.

Электронное строение кремния

Электронная конфигурация кремния в основном состоянии :

+14Si 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2

Электронная конфигурация кремния в возбужденном состоянии :

+14Si * 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3

Атом кремния содержит на внешнем энергетическом уровне 2 неспаренных электрона и 1 неподеленную электронную пару в основном энергетическом состоянии и 4 неспаренных электрона в возбужденном энергетическом состоянии.

Степени окисления атома кремния — от -4 до +4. Характерные степени окисления -4, 0, +2, +4.

Физические свойства, способы получения и нахождение в природе кремния

Кремний — второй по распространенности элемент на Земле после кислорода. Встречается только в виде соединений. Оксид кремния SiO₂ образует большое количество природных веществ – горный хрусталь, кварц, кремнезем.

Простое вещество кремний – атомный кристалл темно-серого цвета с металлическим блеском, довольно хрупок. Температура плавления 1415 °C, плотность 2,33 г/см 3 . Полупроводник.

Качественные реакции

Качественная реакция на силикат-ионы SiO₃ 2- — взаимодействие солей-силикатов с сильными кислотами . Кремниевая кислота – слабая. Она легко выделяется из растворов солей кремниевой кислоты при действии на них более сильными кислотами.

Например , если к раствору силиката натрия прилить сильно разбавленный раствор соляной кислоты, то кремниевая кислота выделится не в виде осадка, а в виде геля. Раствор помутнеет и «застынет».

Na₂SiO₃ + 2HCl = H₂SiO₃ + 2 NaCl

Видеоопыт взаимодействия силиката натрия с соляной кислоты (получение кремниевой кислоты) можно посмотреть здесь.

Соединения кремния

Основные степени окисления кремния +4, 0 и -4.

Наиболее типичные соединения кремния:

Способы получения кремния

В свободном состоянии кремний был получен Берцелиусом в 1822 г. Его латинское название «силиций» произошло от латинского слова « sile х», что означает «кремень». Аморфный кремний в лаборатории можно получить при прокаливании смеси металлического магния с диоксидом кремния. Для опыта диоксид кремния следует тщательно измельчить. При нагревании смеси начинается бурная реакция. Одним из продуктов этой реакции является аморфный кремний.

SiO₂ + 2Mg → Si + 2MgO

Видеоопыт взаимодействия оксида кремния (IV) с магнием можно посмотреть здесь.

Еще один способ получения кремния в лаборатории — восстановление из оксида алюминием:

В промышленности использовать дорогие алюминий и магний неэффективно, поэтому используют другие, более дешевые способы:

1. Восстановление из оксида коксом в электрических печах:

SiO₂ + 2C → Si + 2CO

Однако в таком процессе образующийся кремний загрязнен примесями карбидов кремния, и для производства, например, микросхем уже не подходит.

2. Наиболее чистый кремний получают восстановлением тетрахлорида кремния водородом при 1200 °С:

SiCl₄ +2H₂ → Si + 4HCl

или цинком :

SiCl₄ + 2Zn → Si + 2ZnCl₂

3. Также чистый кремний получается при разложении силана :

Химические свойства

При нормальных условиях кремний существует в виде атомного кристалла, поэтому химическая активность кремния крайне невысокая.

1. Кремний проявляет свойства окислителя (при взаимодействии с элементами, которые расположены ниже и левее в Периодической системе) и свойства восстановителя (при взаимодействии с элементами, расположенными выше и правее). Поэтому кремний реагирует и с металлами , и с неметаллами .

1.1. При обычных условиях кремний реагирует с фтором с образованием фторида кремния (IV):

При нагревании кремний реагирует с хлором, бромом, йодом :

1.2. При сильном нагревании (около 2000 о С) кремний реагирует с углеродом с образованием бинарного соединения карбида кремния (карборунда):

C + Si → SiC

При температуре выше 600°С взаимодействует с серой:

Si + 2S → SiS₂

1.3. Кремний не взаимодействует с водородом .

1.4. С азотом кремний реагирует в очень жестких условиях:

1.5. В реакциях с активными металлами кремний проявляет свойства окислителя. При этом образуются силициды:

2Ca + Si → Ca₂Si

Si + 2Mg → Mg₂Si

1.6. При нагревании выше 400°С кремний взаимодействует с кислородом :

2. Кремний взаимодействует со сложными веществами:

2.1. В водных растворах щелочей кремний растворяется с образованием солей кремниевой кислоты. При этом щелочь окисляет кремний.

2.2. Кремний не взаимодействует с водными растворами кислот , но аморфный кремний растворяется в плавиковой кислоте с образованием гексафторкремниевой кислоты :

При обработке кремния безводным фтороводородом комплекс не образуется:

С хлороводородом кремний реагирует при 300 °С, с бромоводородом – при 500 °С.

2.3. Кремний растворяется в смеси концентрированных азотной и плавиковой кислот :

3Si + 4HNO₃ + 12HF → 3SiF₄ + 4NO + 8H₂O

Бинарные соединения кремния

Силициды металлов

Силициды – это бинарные соединения кремния с металлами, в которых кремний имеет степень окисления -4. Химическая связь в силицидах металлов — ионная.

Силициды, как правило, легко гидролизуются в воде или в кислой среде.

Например , силицид магния разлагается водой на гидроксид магния и силан:

Соляная кислота легко разлагает силицид магния:

Получают силициды сплавлением простых веществ или восстановлением смеси оксидов коксом в электропечах:

2Mg + Si → Mg ₂ Si

2MgO + SiO₂ + 4C → Mg₂Si + 4CO

Силан

Силан – это бинарное соединение кремния с водородом SiH₄, ядовитый бесцветный газ.

Если поместить порошок силицида магния в очень слабый раствор соляной кислоты, то на поверхности раствора образуются пузырьки газа. Они лопаются и загораются на воздухе. Это горит силан. Он образуется при взаимодействии кислоты с силицидом магния:

Видеоопыт получения силана из силицида магния можно посмотреть здесь.

На воздухе силан горит с образованием SiO₂ и H₂O:

Видеоопыт сгорания силана можно посмотреть здесь.

Силан разлагается водой разлагается с выделением водорода:

Силан разлагается (окисляется) щелочами :

Силан при нагревании разлагается :

Карбид кремния

В соединениях кремния с неметаллами — ковалентная связь.

Рассмотрим карбид кремния – карборунд Si +4 C -4 . Это вещество с атомной кристаллической решеткой. Он имеет структуру, подобную структуре алмаза и характеризуется высокой твердостью и температурой плавления, а также высокой химической устойчивостью.

Карборунд окисляется кислородом при высокой температуре:

Карборунд окисляется кислородом в расплаве щелочи :

Галогениды кремния

Хлорид и фторид кремния – галогенангидриды кремниевой кислоты.
SiCl₄.

Получают галогениды кремния действием хлора на сплав оксида кремния с углем :

Галогениды кремния разлагаются водой до кремниевой кислоты и хлороводорода:

Хлорид кремния (IV) восстанавливается водородом :

SiCl₄ + 2H₂ → Si + 4HCl

Оксид кремния (IV)

Физические свойства и нахождение в природе

Оксид кремния (IV) – это твердое вещество с атомной кристаллической решеткой. В природе встречается в виде кварца, речного песка, кремнезема и прочих модификаций:

Химические свойства

Оксид кремния (IV) – типичный кислотный оксид . За счет кремния со степенью окисления +4 проявляет слабые окислительные свойства.

1. Как кислотный оксид, диоксид кремния (IV) взаимодействует с растворами и расплавами щелочей и в расплаве с основными оксидами . При этом образуются силикаты.

Например , диоксид кремния взаимодействует с гидроксидом калия:

Еще пример : диоксид кремния взаимодействует с оксидом кальция.

SiO₂ + CaO → CaSiO₃

2. Оксид кремния (IV) не взаимодействует с водой , т.к. кремниевая кислота нерастворима .

3. Оксид кремния (IV) реагирует при сплавлении с карбонатами щелочных металлов . При этом работает правило: менее летучий оксид вытесняет более летучий оксид из солей при сплавлении.

Например , оксид кремния (IV) взаимодействует с карбонатом калия. При этом образуется силикат калия и углекислый газ:

4. Из кислот диоксид кремния реагирует только с плавиковой или с газообразным фтороводородом :

5. При температуре выше 1000 °С оксид кремния реагирует с активными металлами, при этом образуется кремний.

Например , оксид кремния взаимодействует с магнием с образованием кремния и оксида магния:

SiO₂ + 2Mg → Si + 2MgO

При избытке восстановителя образуются силициды:

SiO₂ + 4Mg → Mg₂Si + 2MgO

6. Оксид кремния (IV) взаимодействует с неметаллами.

Например , оксид кремния (IV) реагирует с водородом в жестких условиях. При этом оксид кремния проявляет окислительные свойства:

Еще пример : оксид кремния взаимодействует с углеродом. При этом образуется карборунд и угарный газ:

SiO₂ + 3С → SiС + 2СО

При сплавлении оксид кремния взаимодействует с фосфатом кальция и углем:

Кремниевая кислота

Строение молекулы и физические свойства

Кремниевые кислоты — очень слабые, малорастворимые в воде соединения общей формулы nSiO₂•mH₂O. Образует коллоидный раствор в воде.

Метакремниевая H₂SiO₃ существует в растворе в виде полимера:

Способы получения

Кремниевая кислота образуется при действии сильных кисло т на растворимые силикаты (силикаты щелочных металлов).

Например , при действии соляной кислоты на силикат натрия:

Na ₂ SiO ₃ + 2 HCl → H ₂ SiO ₃ + 2 NaCl

Видеоопыт получения кремниевой кислоты из силиката натрия можно посмотреть здесь.

Даже слабая угольная кислота вытесняет кремниевую кислоту из солей:

1. Кремниевая кислота — нерастворимая. Кислотные свойства выражены очень слабо, поэтому кислота реагирует только с сильными основаниями и их оксидами :

Например , кремниевая кислота реагирует с концентрированным гидроксидом калия:

2. При нагревании кремниевая кислота разлагается на оксид и воду :

Силикаты

Силикаты — это соли кремниевой кислоты. Большинство силикатов нерастворимо в воде, кроме силикатов натрия и калия, их называют «жидким стеклом».

Способы получения силикатов:

1 . Растворение кремния, кремниевой кислоты или оксида в щелочи:

2. Сплавление с основными оксидами:

СаО + SiO₂ → CaSiO₃

3. Взаимодействие растворимых силикатов с солями:

Оконное стекло (натриевое стекло) — силикат натрия и кальция: Na₂O·CaO·6SiO₂.

Стекло получают при сплавлении в специальных печах смеси соды Na₂CO₃, известняка CaCO₃ и белого песка SiO₂:

Для получения специального стекла вводят различные добавки, так стекло содержащее ионы Pb 2+ – хрусталь; Cr 3+ – имеет зеленую окраску, Fe 3+ – коричневое бутылочное стекло, Co 2+ – дает синий цвет, Mn 2+ – красновато-лиловый.

Кремниевая кислота - формула, физические и химические свойства

Кремниевая кислота (или соединения оксида кремния с водой) относится к очень слабым, нерастворимым в воде кислотам. Её получают в результате реакции сильных кислот на растворы силикатов натрия или калия. На сегодняшний день известны 5 разновидностей этих химических соединений; в их список входит поликремниевая, пирокремниевая, дикремниевая, ортокремниевая или метакремниевая кислота.

Общая информация

Основная формула кремниевой кислоты — H2SiO3 (так как кислота не имеет постоянного состава, её обозначение иногда принимает вид nSiO2 • mH2O, что соответствует поликремниевым видам). Номенклатура кислоты включает в себя и её подвиды. Условное обозначение их химического состава выглядит следующим образом:

• Ортокремниевая — H4SiO4. Наряду с метакремниевой кислотой, чья формула считается основной, ортокремниевая является наиболее распространённым химическим соединением кислот этого вида.
• Дикремниевая — H2Si2O5, H6Si2O7 и H10Si2O9 (показатель растворимости в воде при t = 20 градусов по цельсию составляет 2,9310 в минус 4 степени моль/л).
• Пирокремниевая — H6Si2O7.

Соли кремниевых кислот обозначаются как силикаты. Поликремниевые кислоты состоят из структурных звеньев, соединяющихся в сложные линейные и разветвлённые цепи. Несмотря на различие в формулах и отдельных характеристиках кремниевой кислоты, все виды этих химических соединений имеют тетраэдрическое строение.

Особенности силикатов

В природе широко распространены (в частности, к ним относятся полевые шпаты, асбест, тальк, слюда и различные виды глины). Соли кремниевой кислоты в большинстве своём плохо растворимы в воде (исключения составляют силикаты калия и натрия). Получение солей происходит при сплавлении едких щёлочей или карбонатами натрия и калия с диоксидом кремния. В остатке выходит диоксид углерода с высокой массовой долей вещества или вода. Примерами таких уравнений могут послужить следующие реакции:

• SiO2 + K2CO3 = K2SiO3 + CO2 (образование углекислого газа).
• SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O.
• SiO2 + Na2CO3 = Na2SiO3 + CO2.

К свойствам солей относится высокая температура плавления: в среднем — от 1000 до 1300 градусов по Цельсию (такая разновидность силикатов, как каолинит, плавится при t = 1800 и выше). Твёрдость этих веществ по шкале Мооса составляет 6−8 баллов, что является высоким показателем.

Несмотря на то что силикаты не реагируют на отдельные соединения и в целом относятся к классу химически пассивных веществ, они способны взаимодействовать со слабыми кислотами и растворимыми солями. Формула гидролиза представляет собой уравнение: Na2SiO3 + H2O = NaHSiO3 + NaOH. Расплавленные силикаты имеют высокие электролитические свойства.

Ещё одной особенностью солей кремниевых соединений является их возможность замещать атомы кремния на атомы алюминия, образуя при этом алюмосиликаты. Они также нерастворимы в воде и обладают абсорбционными, ионообменными, диэлектрическими и термостойкими свойствами.

Физические и химические свойства

Неорганическая кислота образуется при действии сильных кислот на растворимые силикаты. Вещество представляет собой белый аморфный и стекловидный полимер, имеющий цепочечную структуру. Не вступает в реакцию с другими кислотами и не гидратом аммиака. Так как все поликремниевые соединения относятся к малорастворимым веществам, они образуют коллоидные растворы при реакции с водой. Молярная масса вещества равна 78 а. е. м. (H2SiO3 — 2 атома водорода = 1 • 2, 1 атом кремния = 28 и 3 атома кислорода = 16 • 3).

Кислотные свойства выражены очень слабо (у молекулы вещества степень окисления кремния равна +4), вещество не имеет кислого вкуса или запаха, а также не изменяет окраску индикатора. Согласно таблице сильных и слабых кислот, кремниевая занимает последнюю строчку). Константа диссоциации для метакремниевых соединений составляет K1 = 1,3•10 -10 , K2 = 1,6•10 -12 , а для ортокремниевой K1 = 2•10 -10 , K2 = K3 = K4 = 2•10 -12 .

Вследствие своей неустойчивости химическое вещество при нагревании либо длительном хранении разлагается на оксид кремния и воду (реакция термического разложения H2SiO3 = H2O + SiO2). Каждый атом кремния в кристаллах (SiO2) окружён 4 атомами кислорода, которые, будучи связаны друг с другом, образуют кристаллическую трёхмерную решётку, что обусловливает твёрдость вещества. Некоторые другие химические свойства кремниевых кислот можно проиллюстрировать следующими уравнениями:

• H2SiO3 + 4KOH = K2SiO3 + 4H2O (растворение студенистого кислотного остатка и образование средней соли метасиликата калия и воды).
• 2H4SiO4 = (HO)3SiOSi (OH)3 + H2O (эта реакция называется поликонденсацией).
• Пример взаимодействия с плавиковой кислотой и образованием газообразного фторида кремния: H2SiO3 + 6HF = H2SiF6 + 3H2O = SiF4 (образование газа) + 2HF (фтороводород) + 3H2O.
• CaCl2 + Na2SiO3 = 2NaCl + CaSiO3 (химическая реакция двух солей с выпадением осадка).

В присутствии щёлочных катализаторов — к примеру, NaOH — ортокремниевая кислота может образовывать эфиры-ортосиликаты. В большинстве своём они имеют вид R1R2R3R4SiO3, где R1−4 являются органическими радикалами. Примером такого эфира является распространённый тетраэтилортосиликат с формулой Si (C2H5O)4.

Способы получения

Основной способ получения кремниевой кислоты — косвенным путём, воздействуя сильной кислотой на силикат калия или натрия (Na2SiO3 + 2HCl = H2SiO3 + 2NaCl). При этом невозможно получить кислоту в чистом виде — в водном растворе образуется золь, который через малый промежуток времени превращается в гель.

Кремниевые соединения также можно получить посредством гидролиза хлорсиланов (SiH2Cl2 + 3H2O = H2SiO3 +2HCl + 2H2); конечным продуктом гидролитического расщепления является H2SiO3. Наконец, для промышленных масштабов, а также для лабораторных экспериментов и отдельных опытов по химии могут использоваться методы электродиализа и ионного обмена. Большое внимание уделяется и получению силикагеля — другое название вещества, образовывающегося от перенасыщенных растворов кремниевых кислот. Технология производства включает в себя несколько стадий:

• Возникновение золя и его застудневание в однородную массу (гидрогель).
• Созревание (последующее гелеобразование и разжижение вещества).
• Очищение и промывка геля от солей.
• Высушивание и превращение вещества в ксерогель.

Опытным путём доказано, что наиболее чистый силикагель получается при гидролизе соединений кремния (SiCl4), а также ортокремниевых соединений. Химическая формула получения геля выглядит так: Na2SiO3 + H2SO4 = nSiO2 • mH2O + Na2SO4, где nSiO2 • mH2O — гидратированный аморфный кремнезём.

Применение в различных отраслях

Благодаря пористой структуре силикагеля его часто применяют в качестве абсорбента для поглощения вредных газов и смесей. Для общественности известны медицинские высокопористые гели, эффективные при различного рода отравлениях и недомоганиях. Помимо этого, вещество используется и для создания технических фильтрационных систем.

Кремниевые соединения являются важным строительным элементом для кожи, волос и ногтей, поэтому эти вещества широко используются для производства косметики и лекарственных препаратов. Препараты на основе кремния обеспечивают гибкость соединительных тканей внутренних органов (в частности, кишечника и желудка) и улучшают усвоение кальция, что способствует восстановлению костной ткани.

В нефтяной промышленности гели на основе кремнийсодержащих веществ используются для очистки углеводородов от смол, а в ядерной отрасли при помощи силикагеля производится не только очистка сточных вод, но и разделение изотопов радиоактивных веществ.

Любопытно, что вещества на основе кремниевых соединений находят массу применений в повседневной жизни. К примеру, процесс сушки обуви займёт куда меньше времени, если в промокшие ботинки положить пакетик с соответствующим абсорбентом. Силикагель позволит избавиться от неприятных запахов в помещении или в сумке с вещами. Столовое серебро можно спасти от почернения, положив в шкаф с ценными приборам гелевые шарики на основе силикагеля.

Если необходимо продлить срок службы бритвенных лезвий, то для спасения от ржавчины нужно положить к ним несколько гранул с силикагелем. Это же относится и к хранению старых фотографий, а также других вещей, которые со временем могут потускнеть или изменить свой внешний вид под воздействием окружающей среды. Автолюбителям могут уменьшить запотевание ветрового стекла, всего лишь положив на приборную панель цветы или пакетик с силикагелем.

Кремний

Кремний - неметаллический элемент IVa группы периодической таблицы Д.И. Менделеева. Второй после кислорода элемент по распространенности в земной коре.

В чистом виде в природе практически отсутствует. Чаще всего встречается в виде кремнезема - SiO₂ - песок, песчаник, кварц, глина.

Кремниевая (силиконовая) долина

Регион в штате Калифорния (США), отличающийся большой плотностью высоко технологичных компаний, связанных с производством компьютеров и микропроцессоров.

Кремний является природным полупроводником, используется как основной материал для производства микросхем. Кремний ближе, чем вы думаете: внутри гаджета, которым вы пользуетесь ;)

Основное и возбужденное состояние кремния

При возбуждении атома кремния электроны на s-подуровне распариваются и один из них переходит на p-подуровень.

Природные соединения

• SiO₂ - кварц, кремнезем, гранит, песчаник, песок, глина
• SiO₂ с примесью Fe 3+ - цитрин
• SiO₂ с примесью Fe 2+ и Fe 3+ - аметист

Получение

В промышленности кремний получают путем восстановления кремнезема в электрических печах, алюминотермией.

В лабораторных условиях мелкий белый песок прокаливают с магнием:

SiO₂ + Mg → (t) MgO + Si

Химические свойства

При обычных условиях без нагревания кремний реагирует только со фтором.

При нагревании кремний вступает в реакции с остальными галогенами (Cl, Br, I), углеродом, кислородом. При очень высоких температурах (1200 °C) кремний с кислородом образует оксид кремния II - несолеобразующий оксид.

Si + O₂ → (t = 1200 °C) SiO

В подобных реакциях кремния проявляет свои окислительные способности.

Ca + Si → Ca₂Si (силицид кальция)

С целью травления (удаления поверхностного слоя материала) кремниевые изделия можно погружать в раствор щелочи.

Оксид кремния IV - SiO₂

Оксид кремния IV имеет атомное строение, обладает высокой прочностью и твердостью. Плавится при температуре +1730 °C градусов.

В промышленности оксид кремния IV получают нагреванием кремния в атмосфере кислорода.

В лабораторных условиях проводят реакция силиката натрия с уксусной кислотой. Кремниевая кислота сразу же распадается на SiO₂, который выпадает в осадок, и воду.

Реакции с кислотами

Химически SiO₂ устойчив к действию кислот, однако вступает в реакцию с газообразным фтороводородом (газом) и плавиковой кислотой (жидкостью).

SiO₂ является кислотным оксидом, соответствует кремниевой кислоте. Вступая в реакции с основными оксидами и щелочами, образует соли данной кислоты - силикаты.

Так как чаще всего кислотные оксиды с солями не реагируют, тем более необычной кажется реакция оксида кремния IV с карбонатами.

Кремниевая кислота

Слабая, малорастворимая в воде кислота. Ее соли носят название - силикаты.

Поскольку кремниевая кислота малорастворима, то банальной реакцией SiO₂ с водой ее не получить. Эту задачу решают в две стадии через ее соли - силикаты.

Кремниевая кислота слабая, нестойкая, легко распадается на воду и оксид кремния IV.

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Особенности получения и применения кремниевой кислоты

Кремниевая кислота (метакремниевая кислота) — является сложным соединением неорганического происхождения, имеет вид аморфного белого вещества. Плотность вещества составляет 3,71 г / с м 3 .

Конечный продукт получения кремниевой кислоты представляет собой студенистую массу, которая содержит воду, или коллоидный раствор (золь). Кислота в процессе нагревания достаточно легко распадается на оксид кремния (IV) и воду, как и угольная. Данный процесс протекает очень быстро.

H 2 S i O 3 S i O 2 + H 2 O

Химическая формула кремниевой кислоты:

При анализе данной формулы можно заключить, что молекула кремниевой кислоты состоит из:

• двух атомов водорода (Ar = 1 а.е.м.);
• одного атома кремния (Ar = 28 а.е.м);
• трех атомов кислорода (Ar = 16 а.е.м.).

Исходя из химической формулы соединения, рассчитывают характеристику молекулярной массы кремниевой кислоты:

• M r ( H 2 S i O 3 ) = 2 × A r ( H ) + A r ( S i ) + 3 × A r ( O ) ;
• M r ( H 2 S i O 3 ) = 2 × 1 + 28 + 3 × 16 = 2 + 28 + 48 = 78 .

Молярная масса кремниевой кислоты составляет 78 г/моль.

Структурная формула кремниевой кислоты демонстрирует характер связей между атомами внутри молекулы соединения:

Кремниевая кислота представляет собой слабую двухосновную кислоту и обладает способностью диссоциировать на ионы в водном растворе ступенчато и обратимо, согласно следующим ионным уравнениям:

Из-за склонности к полимеризации известен целый ряд кремниевых кислот. Состав веществ можно описать общей формулой n S i O 2 • m H 2 O . Все кремниевые кислоты являются очень слабыми. Соединения малорастворимы в воде, образуют коллоидные растворы.

Кремниевая кислота включает в состав тетраэдрические структурные звенья (в каждом таком звене атом кремния расположен в центральной точке тетраэдра, а в вершинах находятся атомы кислорода). При объединении в цепочки структурные звенья формируют поликремниевые кислоты с более высокой степенью устойчивости:

Классификация кремниевых кислот:

• метакремниевая H 2 S i O 3 ;
• ортокремниевая H 4 S i O 4 ;
• дикремниевые H 2 S i 2 O 5 и H 10 S i 2 O 3 ;
• пирокремниевая H 6 S i 2 O 7 ;
• поликремниевые n S i O 2 • m H 2 O .

Соответствующие кремниевым кислотам соли носят название силикатов. В качестве примеров можно привести метасиликаты, ортосиликаты и другие соединения.

Химические и физические свойства

Все поликремниевые кислоты отличаются плохой растворимостью в воде. Образование коллоидного раствора протекает, согласно общей схеме реакции:

( S i O 2 ) x + 2 H 2 O ⇄ H 4 S i O 4 + ( S i O 2 ) x - 1 ( S i O 2 ) x + 2 H 2 O ⇄ H 4 S i O 4 + ( S i O 2 ) x - 1

Ортокремниевая кислота, которая образовалась в результате химической реакции, может вступать в реакции поликонденсации:

2 H 4 S i O 4 → ( H O ) 3 S i O S i ( O H ) 3 + H 2 O 2 H 4 S i O 4 → ( H O ) 3 S i O S i ( O H ) 3 + H 2 O

Конечным результатом являются сложные линейные, разветвленные и смешанные структуры.

Изоэлектрическая точка поликремниевых кислот соответствует интервалу pH 2,0-3,0, в котором скорость реакции поликонденсации характеризуется минимальным значением.

Кремниевые кислоты относятся к слабым:

• для метакремниевой кислоты H 2 S i O 3 константы диссоциации K 1 = 1 , 3 • 10 - 10 , K 2 = 1 , 6 • 10 - 12 ;

• для ортокремниевой H 4 S i O 4 K 1 = 2 • 10 - 10 , K 2 = K 3 = K 4 = 2 • 10 - 12 .

Кремниевые кислоты реагируют с растворами и расплавами щелочей. В результате образуются силикаты, к примеру:

H 2 S i O 3 + 2 K O H → K 2 S i O 3 + 2 H 2 O H 2 S i O 3 + 2 K O H → K 2 S i O 3 + 2 H 2 O

Кремниевые кислоты могут вступать в химические реакции с плавиковой кислотой ( H F ) . Данный процесс сопровождается образованием фторида кремния в газообразном состоянии:

H 2 S i O 3 + 6 H F → H 2 S i F 6 + 3 H 2 O → S i F 4 ↑ + ( 2 H F + 3 H 2 O ) H 2 S i O 3 + 6 H F → H 2 S i F 6 + 3 H 2 O → S i F 4 ↑ + ( 2 H F + 3 H 2 O )

Ортокремниевая кислота при наличии катализаторов на основе щелочи (как правило, NaOH) формирует ортосиликаты-эфиры, которые в общем случае характеризуются видом:

R 1 R 2 R 3 R 4 S i O 4 ,

где R 1 - 4 являются органическими радикалами, обычно, в виде спиртовых остатков.

Известный массовый продукт — тетраэтилортосиликат состава S i ( C 2 H 5 O ) 4 .

Kремниевые кислоты получают с помощью взаимодействия сильных кислот с растворимыми силикатами натрия или калия, при этом сильные неорганические кислоты вытесняют кремниевые из растворов их солей:

N a 2 S i O 3 + 2 H C l → H 2 S i O 3 ↓ + 2 N a C l N a 2 S i O 3 + 2 H C l → H 2 S i O 3 ↓ + 2 N a C l

Получить соединения в виде кремниевых кислот можно с помощью другого способа, который представляет собой гидролиз хлорсиланов:

S i H 2 C l 2 + 3 H 2 O → H 2 S i O 3 + 2 H C l + 2 H 2 O S i H 2 C l 2 + 3 H 2 O → H 2 S i O 3 + 2 H C l + 2 H 2 O

Гидрозоли кремниевых кислот используют в качестве наполнителей и связующих веществ в производстве изделий из керамики и разнообразных покрытий. Данные материалы играют роль носителей катализаторов и светочувствительных слоев в фотоматериалах. Их используют, как сырье в производстве следующих видов продукции:

• кварцевое стекло;
• разные адсорбенты;
• поглотители паров воды и газов;
• фильтры очистки воды и масел.

Влияние на организм человека: польза и вред

Кремниевая кислота является неорганическим соединением, которое имеет большое значение в осуществлении метаболических процессов организма:

• участие в усвоении витаминов и минералов;
• нейтрализация тяжелых металлов и токсинов;
• поддержание нормального функционирования сердца;
• влияние на синтез коллагена, то есть белка, являющегося основой для соединительной ткани.

Кремниевая кислота играет важную роль в метаболизме. Организм человека во взрослом возрасте содержит до 1-2 грамм кремния. Самой высокой концентрацией элемента обладают:

• соединительная ткань;
• кровь;
• кости;
• кожа;
• мышцы.

По мере старения организма содержание кремния может снижаться на фоне атеросклероза и опухолевых заболеваний. Данный процесс оказывает негативное влияние на состояние всех внутренних органов и систем.

Польза кремниевой кислоты для организма человека заключается в следующем:

1. Соединение взаимодействует с более чем 70 минеральными солями и витаминами, улучшает процесс усвоения кальция, увеличивает скорость минерализации костей и зубов, оказывает укрепляющее действие на соединительную ткань суставов, связок и сухожилий.
2. Кремневая кислота обеспечивает работоспособность сердечно-сосудистой системы. Соединение укрепляет внутреннюю оболочку ткани, из которой состоят артерии, снижает уровень вредного холестерина в крови, уменьшает вероятность закупорки сосудов и предотвращает атеросклеротические поражения в сосудах.
3. Стимулирует ряд процессов, протекающих в пищеварительной системе. Кремнийорганические вещества восстанавливают и поддерживают слизистые оболочки органов желудочно-кишечного тракта, обладают оздоровительным эффектом, позволяет исключить распространенные расстройства желудка и пищеварительной системы.
4. Кремниевая кислота способна восстанавливать строение слабых истонченных волос, устранять ломкость и расслаивание ногтевых пластин, поддерживать нормальный уровень влаги в кожных покровах. Соединение стимулирует выработку коллагена, укрепляет и разглаживает кожу, ускоряет регенерацию тканей.
5. Кремниевая кислота необходима для выведения из организма алюминия, излишки которого являются одной из причин развития болезни Альцгеймера. Соединение удаляет токсины, соли тяжелых металлов и вредные продукты метаболизма.
6. Кремниевая кислота улучшает когнитивные функции и физическую работоспособность. Согласно одной из гипотетических теорий, данный процесс обеспечивает способность соединения уменьшать содержание алюминия в организме.

Кремниевую кислоту содержат многие растительные продукты. Самой высокой концентрацией вещества обладают культурные растения с повышенным содержанием клетчатки:

• овес;
• рис;
• ячневая крупа;
• пшеница;
• гречка;
• фасоль;
• кукуруза;
• фисташки;
• бананы;
• топинамбур;
• изюм.

Рацион питания, в котором присутствуют богатые кремнием продукты, восполняет баланс кремниевой кислоты частично. С пищей человек потребляет примерно 1 мг вещества. Норма потребления вещества составляет 5-10 мг ежедневно.

Кремниевая кислота является безопасной биологической добавкой. В том случае, когда человек рационально употребляет ее в пищу, наблюдается положительный эффект. При длительном приеме вещества в больших дозах развиваются следующие осложнения:

• образование камней в почках;
• развитие ревматоидного артрита;
• возникновение аутоиммунных заболеваний.

Медицинские препараты, содержащие кремний, не рекомендованы к употреблению людям, которые страдают диабетом. Причиной такого ограничения являются риски падения уровня сахара в крови. Кремниевая кислота способна усиливать реакции определенных лекарственных средств, в том числе, диуретиков, БАДов хрома. В связи с этим, перед приемом добавок необходимо проконсультироваться с лечащим специалистом.

Читайте также:

  
• Металлический картотечный шкаф кр 4
  
• Краска симфония по металлу
  
• Сборный металлический каркас для дома
  
• Из приведенного перечня металлов
  
• Прут металлический с ушком