Krzem został odkryty i uzyskany w 1823 roku przez szwedzkiego chemika Jensa Jacoba Berzeliusa.
Drugi po tlenie pierwiastek występujący w skorupie ziemskiej (27,6% masowych). Znaleziono w związkach.
|
Budowa atomu krzemu w stanie podstawowym 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 |
Budowa atomu krzemu w stanie wzbudzonym 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3 Stany utlenienia: +4, -4. |
Alotropia krzemu
Znane są krzemy amorficzne i krystaliczne.
Krzem polikrystaliczny
Kryształ – substancja ciemnoszara o metalicznym połysku, o dużej twardości, krucha, półprzewodnikowa; ρ = 2,33 g/cm 3, t°pl. =1415°C; zagotować. = 2680°C.
Ma strukturę diamentową i tworzy silne wiązania kowalencyjne. Obojętny.
Amorficzny - proszek brązowy, higroskopijny, o strukturze diamentowej, ρ = 2 g/cm 3, bardziej reaktywny.
Dostaniesz silikon
1) Przemysł – węgiel opałowy z piaskiem:
2C + SiO 2 t ˚ → Si + 2CO
2) Laboratorium – piasek grzewczy z magnezem:
2Mg + SiO 2 t ˚ → Si + 2MgO Eksperyment
Właściwości chemiczne
Typowy niemetal, obojętny.
Jako środek redukujący:
1) Z tlenem
Si 0 + O 2 t ˚ → Si +4 O 2
2) Z fluorem (bez ogrzewania)
Si 0 + 2F 2 →SiF 4
3) Z węglem
Si 0 + C t ˚ → Si +4 C
(SiC – karborund – twardy; używany do ostrzenia i szlifowania)
4) Nie wchodzi w interakcję z wodorem.
Silan (SiH 4) otrzymuje się przez rozkład krzemków metali kwasem:
Mg 2 Si + 2H 2 SO 4 → SiH 4 + 2MgSO 4
5) Nie reaguje z kwasami (Ttylko z kwasem fluorowodorowym Si+4 HF= SiF 4 +2 H 2 )
Rozpuszcza się tylko w mieszaninie kwasu azotowego i fluorowodorowego:
3Si + 4HNO3 + 18HF →3H2 + 4NO + 8H2O
6) Z alkaliami (po podgrzaniu):
Jako środek utleniający:
7) Z metalami (powstają krzemki):
Si 0 + 2Mg t ˚ →Mg 2 Si -4
Krzem jest szeroko stosowany w elektronice jako półprzewodnik. Dodatki krzemu do stopów zwiększają ich odporność na korozję. Krzemiany, glinokrzemiany i krzemionka są głównymi surowcami do produkcji szkła i ceramiki, a także dla budownictwa.Krzem w technologii
Zastosowanie krzemu i jego związków
Silan – SiH 4
Właściwości fizyczne: Bezbarwny gaz, trujący, t.t. = -185°C, t°wrzenia. = -112°C.
Wytwarzanie kwasu krzemowego
Wpływ mocnych kwasów na krzemiany - Na 2 SiO 3 + 2HCl → 2NaCl + H 2 SiO 3 ↓
Właściwości chemiczne:
Po podgrzaniu rozkłada się: H 2 SiO 3 t ˚ → H 2 O + SiO 2
Sole kwasu krzemowego - krzemiany.
1) z kwasami
Na 2 SiO 3 +H 2 O+CO 2 = Na 2 CO 3 +H 2 SiO 3
2) z solami
Na2SiO3 +CaCl2 =2NaCl+CaSiO3 ↓
3) Krzemiany wchodzące w skład minerałów ulegają zniszczeniu w warunkach naturalnych pod wpływem wody i tlenku węgla (IV) - wietrzenie skał:
(K 2 O Al 2 O 3 6SiO 2)(skaleń) + CO 2 + 2H 2 O → (Al 2 O 3 2SiO 2 2H 2 O)(kaolinit (glina)) + 4SiO 2 (krzemionka (piasek)) + K2CO3
Zastosowanie związków krzemu
Naturalne związki krzemu – piasek (SiO 2) i krzemiany wykorzystywane są do produkcji ceramiki, szkła i cementu.
|
Ceramika |
|
|
Porcelana= kaolin + glina + kwarc + skaleń. Ojczyzną porcelany są Chiny, gdzie porcelanę znano już w 220 roku. W 1746 roku w Rosji rozpoczęto produkcję porcelany.
|
Fajans - od nazwy włoskiego miasta Faenza. Gdzie w XIV i XV wieku rozwinęło się rzemiosło ceramiczne. Ceramika różni się od porcelany wyższą zawartością gliny (85%) i niższą temperaturą wypalania. |
TEMAT: Tlenek krzemu (VI). Kwas krzemowy.
CEL: Studenci powinni poznać właściwości tlenku krzemu(VI) i
kwas krzemowy przez analogię z węglem i jego związkami,
upewnić się, że ich właściwości są konsekwencją struktury substancji;
SPRZĘT: Na2SiO3, HCl, kolekcja „Minerały i Skały”, PSHE.
PODCZAS ZAJĘĆ.
I . O moment organizacyjny.
II .Sprawdzanie pracy domowej.
Chłopaki! Na ostatniej lekcji badaliśmy krzem, nadaliśmy mu cechy pierwiastka chemicznego i substancji prostej. Pamiętasz, gdzie w przyrodzie występuje krzem? Krzem jest jednym z najpowszechniejszych pierwiastków w skorupie ziemskiej, drugim po tlenie (26-27%). Krzem jest głównym pierwiastkiem w królestwie skał. Krzemionka SiO2 – główna część piasku, Al2O3 2SiO2 2H2O – kaolinit, główna część gliny,
K2O Al2O3 6SiO2 – skaleń (ortoklaz). W większości organizmów zawartość krzemu jest niska. Jednak niektóre wodorosty gromadzą duże ilości krzemu - są to okrzemki; wśród zwierząt gąbki silikonowe zawierają dużo krzemu.
Chłopaki! Jakie są właściwości fizyczne krzemu?
Znane są krzemy amorficzne i krystaliczne. Krzem krystaliczny ma metaliczny połysk, jest ogniotrwały, bardzo twardy, ma atomową sieć krystaliczną i ma znikomą przewodność elektryczną. (w temperaturze pokojowej 1000 razy< чем у ртути). Температура плавления 14200С, температура кипения 26200С.
Podaj obszary zastosowań krzemu.(Większość Si wykorzystywana jest do produkcji stali krzemowych, które charakteryzują się dużą żaroodpornością i kwasoodpornością. Kryształy krzemu są półprzewodnikami, dlatego stosuje się je jako prostowniki i wzmacniacze prądu w fotokomórkach.)
Teraz odtwórz na kartkach papieru właściwości chemiczne krzemu i jego produkcję w laboratorium i przemyśle.
III . Nauka nowego materiału.
1.Struktura sieci krystalicznej SiO2.
2.Być w naturze.
3.Właściwości fizyczne.
4. Właściwości chemiczne.
5. Zastosowanie.
6.Kwas krzemowy.
1).Struktura sieci krystalicznejSiO2 .
SiO2 jest analogiem węgla. Ich wyższymi tlenkami są CO2 i SiO2. CO2 jest gazem, temperatura topnienia wynosi 56,60C, jest molekularną siecią krystaliczną, składa się z pojedynczych, niepołączonych ze sobą cząsteczek, a SiO2 jest ciałem stałym, ma wysoką temperaturę topnienia = 17280C, atomową sieć krystaliczną, w której każdy atom krzemu jest połączony z czterema atomami tlenu.
Dlatego tlenek krzemu ma jedną gigantyczną cząsteczkę (SiO2)n, ale dla ułatwienia zapisu zapisujemy SiO2.
2) Bycie w naturze.
Stabilnym związkiem krzemu jest tlenek krzemu(VI), zwany krzemionką. Występuje w stanie krystalicznym, kryptokrystalicznym i amorficznym. Więcej SiO2 w stanie krystalicznym.
SiO2 – krzemionka
krystaliczny kryptokrystaliczny amorficzny
(minerał – kwarc) (opal, jaspis, agat, krzemień) (statyw)
Kryształ - występuje w przyrodzie w postaci minerału kwarcu. Kwarc wchodzi także w skład skał - granitu i gnejsu. Zwykły piasek składa się z małych ziaren kwarcu. Czysty piasek jest biały, nazywa się go piaskiem kwarcowym, a zwykły piasek rzeczny zawiera zanieczyszczenia żelazem i dlatego jest żółty. Przezroczyste pojedyncze kryształy kwarcu to kryształy górskie. Kryształ górski zabarwiony liliowo przez domieszki nazywany jest ametystem, a brązowawy - dymnym topazem. Są biżuterią. Roztopiony kwarc po ochłodzeniu zamienia się w przezroczyste szkło. Szkło kwarcowe nie przepuszcza promieni ultrafioletowych.
Kryptokrystaliczny Związki krzemionki obejmują opal, jaspis, agat i krzemień. Opale i agaty mają piękne kolory. Wykorzystano je do dekoracji moskiewskiego metra. Krzemień to twardy minerał, który pod wpływem uderzenia rozpada się na kawałki o ostrych krawędziach, co odegrało główną rolę w historycznym rozwoju społeczeństwa ludzkiego. Minerał ten był używany do wyrobu narzędzi.
Amorficzny SiO2 występuje rzadziej w przyrodzie. Muszle niektórych okrzemek zbudowane są z amorficznego SiO2, a nagromadzenia tych muszli tworzą miejscami duże osady, nazywane są glebą infusorową lub tripoli (okrzemką).
3) Właściwości fizyczne.
SiO2 jest krystalicznym ciałem stałym.
4) Właściwości chemiczne.
Są pospolite:
a) reaguje z alkaliami w temperaturze.
SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O
b) w temperaturze reaguje z tlenkami zasadowymi
SiO2 + CaO = CaSiO3
Konkretny.
a) nie wchodzi w interakcję z wodą.
b) wraz ze wzrostem temperatury wypiera z soli bardziej lotne tlenki.
CaCO3 + SiO2 = CaSiO3 + CO2
c) reaguje z kwasem fluorowodorowym
SiO2 + 4HF = SiF4 + 2H2O
tetrafluorek
5) Zastosowanie.
1.Kwarc – produkcja szkła, wyroby ze szkła chemicznego.
2.Trepel - w budownictwie, jako izolator ciepła i materiał wygłuszający.
3. Dekoracje.
4. Produkcja cegły silikatowej.
5.Wyroby ceramiczne.
6) Kwas krzemowy.
Zgodnie z tabelą rozpuszczalności, H2SiO3 jest jednym nierozpuszczalnym kwasem.
Można go otrzymać w reakcji roztworów jego soli z kwasami.
Na2SiO3 + 2HCl = 2NaCl + H2SiO3↓
student osad
2Na++ SiO32- + 2H+ + 2Cl- = 2Na+ + 2Cl-+ H2SiO3↓
2H+ + SiO32- = H2SiO3↓
Z wodą kwas krzemowy tworzy roztwory koloidalne. Jest to kwas słabszy, nawet słabszy od kwasu węglowego, kruchy i stopniowo rozkładający się pod wpływem ogrzewania.
H2SiO3 = H2O + SiO2
VI. Konsolidacja. Oglądanie części I filmu „Tlenek krzemu (VI)”
V. Praca domowa– streszczenie, §35,36.
Zadanie 1 rząd.
Ile tlenku węgla (VI) zostanie uwolnionego (w litrach) podczas stopienia węglanu sodu z 62 g krzemionki zawierającej 3% zanieczyszczeń związkami żelaza.
Dane: 1 mol x
m (SiO2) = 62g. Na2CO3+ SiO2= Na2SiO3 + CO2
Ѡ(w przybliżeniu) – 3% 1 mol 2 mol
V(CO2) - ? M (SiO2) = 28 + 32 = 60 g/mol
mch. V. = Ѡ mkolor / 100% = 97 62/100% = 60,14
υ(SiO2) = m/M = 60,14/60 = 1 mol
υ(СО2) = 1 mol
V(CO2) = Vm · υ = 22,4 ·1 = 22,4 l.
Zadanie II rząd.
Ile tlenku Si(IV) zawierającego 0,2 ułamka masowego zanieczyszczeń potrzeba, aby otrzymać 6,1 g krzemianu sodu?
Dane: x 0,05
m (Na2SiO3) = 6,1 g. SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O
Ѡ(w przybliżeniu) =20% 1 mol 1 mol
m (SiO2) - ? M (SiO2) = 60 g/mol
M (Na2SiO3) = 122 g/mol
υ (Na2SiO3) = m / M = 6,1 / 122 = 0,05 mol
υ (SiO2) = 0,05 mola
m = M · υ = 60 · 0,05 = 3 g.
100% - 20% = 80%
mt. V. = .mch. V. / Ѡ · 100% = 30 / 80 · 100 = 3,75 g.
Zadanie III wiersz.
Kiedy 120 g SiO2 oddziaływało ze 106 g Na2CO3, uwolnił się CO2. Jaka masa tego gazu powstała?
Dane: 1mol x
m (SiO2) = 120 g Na2CO3 + SiO2 = Na2SiO3 + CO2
m (Na2CO3) = 106 g 1 mol 1 mol 1 mol
V (CO2) - ? M (Na2CO3) = 106 g/mol
M (SiO2) = 60 g/mol
M (CO2) = 44 g/mol
υ (Na2CO3) = m /M = 106 / 106 = 1 mol (niewystarczający)
υ (SiO2) = 120 / 60 = 2 mol (g)
V(CO2) = 1 mol
m (CO2) = M · υ = 44 · 1 = 44g.
Drugim przedstawicielem pierwiastków głównej podgrupy grupy IV (grupa IVA) układu okresowego D.I. Mendelejewa jest krzem Si.
W przyrodzie krzem jest drugim po tlenie najczęściej występującym pierwiastkiem chemicznym. Ponad jedna czwarta skorupy ziemskiej składa się z jej związków. Najpopularniejszym związkiem krzemu jest tlenek krzemu (IV) SiO 2, jego inna nazwa to krzemionka.
W naturze tworzy minerał kwarc (ryc. 158), którego wiele odmian - kryształ górski i jego słynna fioletowa forma - ametyst, a także agat, opal, jaspis, chalcedon, karneol, są znane jako ozdobne i półszlachetne kamienie. Zwykły i kwarcowy piasek również składa się z tlenku krzemu (IV).
Ryż. 158.
Kryształy kwarcu zatopione w dolomicie
Ludzie prymitywni wytwarzali narzędzia z różnych minerałów na bazie tlenku krzemu (IV) (krzemień, chalcedon itp.). To właśnie krzemień, ten niepozorny i niezbyt trwały kamień, zapoczątkował epokę kamienia – epokę narzędzi krzemiennych (ryc. 159). Są ku temu dwie przyczyny: powszechność i dostępność krzemienia, a także jego zdolność do tworzenia ostrych krawędzi skrawających podczas odpryskiwania.
Ryż. 159.
Narzędzia z epoki kamienia
Drugim rodzajem naturalnych związków krzemu są krzemiany. Wśród nich najczęstsze są glinokrzemiany (jest oczywiste, że te krzemiany zawierają pierwiastek chemiczny aluminium). Glinokrzemiany obejmują granit, różne rodzaje glin i mikę. Krzemianem niezawierającym aluminium jest na przykład azbest, z którego wykonane są tkaniny ognioodporne.
Tlenek krzemu (IV) SiO 2 jest niezbędny do życia roślin i zwierząt. Daje siłę łodygom roślin i osłonom ochronnym zwierząt (ryc. 160). Dzięki niemu trzciny, trzciny i skrzypy stoją mocne jak bagnety, ostre liście turzycy cięte jak noże, ściernisko na skoszonym polu kłuje jak igły, a łodygi zbóż są tak mocne, że nie pozwalają polam na polach zakwitnąć. połóż się przed deszczem i wiatrem. Łuski ryb, muszle owadów, skrzydła motyli, ptasie pióra i sierść zwierząt są trwałe, ponieważ zawierają krzemionkę.
Ryż. 160.
Tlenek krzemu (IV) wzmacnia łodygi roślin i osłony ochronne dla zwierząt
Związki krzemu nadają włosom i paznokciom gładkość i wytrzymałość.
Krzem jest także częścią niższych organizmów żywych - okrzemek i radiolarianów, najdelikatniejszych brył żywej materii, które tworzą z krzemionki swoje niezrównane szkielety urody (ryc. 161).
Ryż. 161.
Szkielety okrzemek (a) i radiolarianów (b) składają się z krzemionki
Właściwości krzemu. Używasz mikrokalkulatora z baterią słoneczną i dlatego masz wiedzę na temat krzemu krystalicznego. To jest półprzewodnik. W przeciwieństwie do metali, jego przewodność elektryczna wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Panele słoneczne instalowane są na satelitach, statkach kosmicznych, stacjach i dachach domów (ryc. 162), przekształcając energię słoneczną w energię elektryczną. Wykorzystują kryształy półprzewodników, głównie krzemu. Krzemowe ogniwa słoneczne mogą przekształcić do 10% pochłoniętej energii słonecznej w energię elektryczną.
Ryż. 162.
Bateria słoneczna na dachu domu
Krzem spala się w tlenie, tworząc znany już tlenek krzemu (IV):
Będąc niemetalem, po podgrzaniu krzem łączy się z metalami, tworząc krzemki, na przykład:
Krzemki łatwo rozkładają się pod wpływem wody lub kwasów, uwalniając gazowy wodorowy związek krzemu – silan:
W przeciwieństwie do węglowodorów silan zapala się samorzutnie w powietrzu i spala się, tworząc tlenek krzemu (IV) i wodę:
Zwiększoną reaktywność silanu w porównaniu z metanem CH4 można wytłumaczyć faktem, że wielkość atomowa krzemu jest większa niż węgla, dlatego wiązania chemiczne Si-H są słabsze niż wiązania CH.
Krzem reaguje ze stężonymi wodnymi roztworami zasad, tworząc krzemiany i wodór:
Krzem otrzymuje się poprzez redukcję go z tlenku krzemu (IV) magnezem lub węglem:
Tlenek krzemu (IV) lub dwutlenek krzemu lub krzemionka SiO2, podobnie jak CO2, jest tlenkiem kwasowym. Jednak w przeciwieństwie do CO2 nie ma molekularnej, ale atomowej sieci krystalicznej. Dlatego SiO2 jest substancją stałą i ogniotrwałą. Nie rozpuszcza się w wodzie i kwasach, z wyjątkiem jak wiadomo kwasu fluorowodorowego, ale w wysokich temperaturach reaguje z zasadami tworząc sole kwasu krzemowego – krzemiany:
Krzemiany można również otrzymać przez stopienie tlenku krzemu (IV) z tlenkami lub węglanami metali:
Krzemiany sodu i potasu nazywane są szkłem rozpuszczalnym. Ich roztworami wodnymi jest dobrze znany klej silikatowy.
Z roztworów krzemianów, pod wpływem silniejszych kwasów - chlorowodorowego, siarkowego, octowego, a nawet węglowego, otrzymuje się kwas krzemowy H 2 SiO 3 (ryc. 163):
Ryż. 163. Jakościowa reakcja na jon krzemianowy
Dlatego H 2 SiO 3 jest bardzo słabym kwasem. Jest nierozpuszczalny w wodzie i wytrąca się z mieszaniny reakcyjnej w postaci galaretowatego osadu, czasem zwięźle wypełniając całą objętość roztworu, zamieniając go w półstałą masę przypominającą galaretkę lub galaretkę. Po wyschnięciu tej masy powstaje silnie porowata substancja - żel krzemionkowy, który ma szerokie zastosowanie jako adsorbent - absorber innych substancji.
Eksperyment laboratoryjny nr 40
Otrzymywanie kwasu krzemowego i badanie jego właściwości
Zastosowania krzemu. Już wiesz, że krzem wykorzystuje się do produkcji materiałów półprzewodnikowych, a także stopów kwasoodpornych. Kiedy piasek kwarcowy stapia się z węglem w wysokich temperaturach, powstaje węglik krzemu SiC, który pod względem twardości ustępuje jedynie diamentowi. Dlatego służy do ostrzenia noży maszyn do cięcia metalu i polerowania kamieni szlachetnych.
Różne wyroby ze szkła kwarcowego chemicznego są wykonane ze stopionego kwarcu, który może wytrzymać wysokie temperatury i nie pęka pod wpływem nagłego ochłodzenia.
Związki krzemu stanowią podstawę do produkcji szkła i cementu.
Zwykłe szkło okienne ma skład, który można wyrazić wzorem Na 2 O CaO 6 SiO 2. Produkowany jest w specjalnych piecach szklarskich poprzez stapianie mieszaniny sody, wapienia i piasku.
Charakterystyczną cechą szkła jest zdolność do mięknięcia iw stanie stopionym przybierania dowolnego kształtu, który zachowuje się po stwardnieniu szkła. Na tym opiera się produkcja zastawy stołowej i innych wyrobów szklanych.
Różne dodatki nadają szkłu dodatkowe właściwości. W ten sposób, wprowadzając tlenek ołowiu, otrzymuje się szkło kryształowe, tlenek chromu barwi szkło na zielono, tlenek kobaltu na niebiesko itp. (ryc. 164).
Ryż. 164.
Produkty ze szkła kolorowego
Szkło to jeden z najstarszych wynalazków ludzkości. Już 3-4 tysiące lat temu rozwinęła się produkcja szkła w Egipcie, Syrii, Fenicji i regionie Morza Czarnego.
Szkło to materiał nie tylko dla rzemieślników, ale także dla artystów. Wysoką doskonałość osiągnęli mistrzowie starożytnego Rzymu, którzy umieli pozyskiwać kolorowe szkło i wykonywać z ich kawałków mozaiki.
Ryż. 165.
Witraże w katedrze Notre Dame w Chartres
Dzieła sztuki wykonane ze szkła są obowiązkowym atrybutem każdego dużego muzeum, a kolorowe witraże kościołów i mozaikowe panele są tego żywym przykładem (il. 165). W jednym z pomieszczeń petersburskiego oddziału Rosyjskiej Akademii Nauk znajduje się mozaikowy portret Piotra I, wykonany przez M. W. Łomonosowa (ryc. 166).
Ryż. 166.
Mozaikowy portret Piotra I
Obszary zastosowań szkła są bardzo szerokie. To jest okno, butelka, lampa, szkło lustrzane; szkło optyczne - od okularów po okulary do aparatu; soczewki niezliczonych instrumentów optycznych - od mikroskopów po teleskopy.
Kolejnym ważnym materiałem otrzymywanym ze związków krzemu jest cement. Otrzymuje się go poprzez spiekanie gliny i wapienia w specjalnych piecach obrotowych.
Jeśli proszek cementowy zmiesza się z wodą, powstaje zaczyn cementowy lub, jak nazywają to budowniczowie, „zaprawa cementowa”, która stopniowo twardnieje. Kiedy do cementu dodaje się piasek lub tłuczeń kamienny jako wypełniacz, otrzymuje się beton. Wytrzymałość betonu wzrasta, jeśli wprowadzi się do niego żelazną ramę - uzyskuje się żelbet, z którego wykonane są panele ścienne, bloki podłogowe, kratownice mostowe itp.
Przemysł krzemianowy produkuje szkło i cement. Produkuje także ceramikę silikatową – cegłę, porcelanę (ryc. 167), ceramikę i wyroby z niej wykonane.
Ryż. 167.
Porcelana
Odkrycie krzemu. Chociaż już w starożytności ludzie powszechnie stosowali związki krzemu w życiu codziennym, sam krzem został po raz pierwszy uzyskany w 1824 roku przez szwedzkiego chemika J. Ya. Berzeliusa. Natomiast 12 lat przed nim krzem uzyskali J. Gay-Lussac i L. Thénard, był on jednak bardzo zanieczyszczony zanieczyszczeniami.
Łacińska nazwa krzemionka pochodzi od łacińskiego słowa silex – „krzemień”. Rosyjska nazwa „krzem” pochodzi od greckiego krimnos – „klif, skała”.
Nowe słowa i pojęcia
- Naturalne związki krzemu: krzemionka, kwarc i jego odmiany, krzemiany, glinokrzemiany, azbest.
- Biologiczne znaczenie krzemu.
- Właściwości krzemu: półprzewodnik, oddziaływanie z tlenem, metalami, zasadami.
- Silan.
- Tlenek krzemu(IV). Jego struktura i właściwości: oddziaływanie z zasadami, zasadowymi tlenkami, węglanami i magnezem.
- Kwas krzemowy i jego sole. Rozpuszczalne szkło.
- Zastosowanie krzemu i jego związków.
- Szkło.
- Cement.
Zadania do samodzielnej pracy
Tlenek krzemu IV TU 6-09-3379-79
SiO2
Krzemionka (krzemionka, SiO2; łac. krzemionka) - tlenek krzemu (IV). Bezbarwne kryształy o temperaturze topnienia +1713…+1728 °C, charakteryzujące się dużą twardością i wytrzymałością.
Dwutlenek krzemu jest głównym składnikiem prawie wszystkich skał lądowych, a zwłaszcza ziemi okrzemkowej. 87% masy litosfery składa się z krzemionki i krzemianów. W ludzkiej krwi i osoczu stężenie krzemionki wynosi 0,001% wagowo.
Nieruchomości
- Należy do grupy tlenków kwasowych.
- Po podgrzaniu reaguje z zasadowymi tlenkami i zasadami.
- Reaguje z kwasem fluorowodorowym.
- SiO 2 należy do grupy tlenków szklistych, to znaczy ma skłonność do tworzenia przechłodzonego stopu - szkła.
- Jeden z najlepszych dielektryków (nie przewodzi prądu elektrycznego, jeśli nie zawiera zanieczyszczeń i nie nagrzewa się).
Wielopostaciowość
Dwutlenek krzemu ma kilka modyfikacji polimorficznych.
Najpopularniejszy z nich na powierzchni ziemi – α-kwarc – krystalizuje w układzie trygonalnym. W normalnych warunkach dwutlenek krzemu występuje najczęściej w polimorfie α-kwarcu, który w temperaturach powyżej +573°C odwracalnie przekształca się w β-kwarc. Wraz z dalszym wzrostem temperatury kwarc przekształca się w trydymit i krystobalit. Te polimorfy są stabilne w wysokich temperaturach i niskich ciśnieniach.
W przyrodzie występują także formy - opal, chalcedon, kwarcyn, lutecyt, kwarc autigeniczny, które należą do grupy krzemionek. Opal (SiO 2 * nH 2 O) w cienkim przekroju jest bezbarwny, izotropowy, ma ujemną płaskorzeźbę, osadza się w zbiornikach morskich i jest częścią wielu skał krzemionkowych. Chalcedon, kwarc, lutecyt – SiO 2 – to kryptokrystaliczne odmiany kwarcu. Tworzą agregaty włókniste, rozety, sferolity, bezbarwne, niebieskawe, żółtawe. Różnią się od siebie pewnymi właściwościami - chalcedon i kwarcyt mają wygaszanie bezpośrednie, lutecyt ma wygaszanie ukośne, a chalcedon ma wydłużenie ujemne.
Pod wpływem wysokich temperatur i ciśnień dwutlenek krzemu najpierw przekształca się w koezyt (który został zsyntetyzowany przez amerykańskiego chemika Loringa Coesa w 1953 r.), a następnie w stiszowit (który został zsyntetyzowany w 1961 r. przez S. M. Stishova, a w 1962 r. został odkryty w kraterze meteorytu). [ źródło nieokreślone 2294 dni ] . Według niektórych badań stiszowit stanowi znaczną część płaszcza, więc pytanie, jaki rodzaj SiO 2 występuje najczęściej na Ziemi, nie ma jeszcze jednoznacznej odpowiedzi.
Posiada również modyfikację amorficzną – szkło kwarcowe.
Właściwości chemiczne
Dwutlenek krzemu SiO 2 jest tlenkiem kwasowym, który nie reaguje z wodą.
Chemicznie odporny na kwasy, ale reaguje z gazowym fluorowodorem:
i kwas fluorowodorowy:
Te dwie reakcje są szeroko stosowane w trawieniu szkła.
Kiedy SiO 2 łączy się z zasadami i tlenkami zasadowymi, a także z węglanami metali aktywnych, powstają krzemiany - sole bardzo słabych, nierozpuszczalnych w wodzie kwasów krzemowych o niezmiennym składzie o ogólnym wzorze xH 2 O ySiO 2 (dość często w literaturze wspomina się o kwasach niekrzemowych i kwasie krzemowym, chociaż w rzeczywistości mówimy o tej samej substancji).
Na przykład ortokrzemian sodu można otrzymać:
metakrzemian wapnia:
lub mieszany krzemian wapnia i sodu:
Szkło okienne produkowane jest z krzemianu Na 2 CaSi 6 O 14 (Na 2 O·CaO·6SiO2).
Większość krzemianów nie ma stałego składu. Ze wszystkich krzemianów tylko krzemiany sodu i potasu są rozpuszczalne w wodzie. Roztwory tych krzemianów w wodzie nazywane są płynnym szkłem. Roztwory te ze względu na hydrolizę charakteryzują się silnie zasadowym środowiskiem. Hydrolizowane krzemiany charakteryzują się tworzeniem nieprawdziwych, ale koloidalnych roztworów. Podczas zakwaszania roztworów krzemianów sodu lub potasu wytrąca się galaretowaty biały osad uwodnionych kwasów krzemowych.
Głównym elementem strukturalnym zarówno stałego dwutlenku krzemu, jak i wszystkich krzemianów jest grupa, w której atom krzemu Si jest otoczony czworościanem czterech atomów tlenu O. W tym przypadku każdy atom tlenu jest połączony z dwoma atomami krzemu. Fragmenty można łączyć ze sobą na różne sposoby. Wśród krzemianów, zgodnie z charakterem połączeń w ich fragmentach, dzieli się je na wyspowe, łańcuchowe, taśmowe, warstwowe, ramowe i inne.
Paragon
Syntetyczny dwutlenek krzemu powstaje w wyniku ogrzewania krzemu do temperatury +400...+500 °C w atmosferze tlenu, podczas gdy krzem utlenia się do dwutlenku SiO2. Jak również utlenianie termiczne w wysokich temperaturach.
W warunkach laboratoryjnych syntetyczny dwutlenek krzemu można otrzymać poprzez działanie kwasów, nawet słabego kwasu octowego, na rozpuszczalne krzemiany. Na przykład:
kwas krzemowy natychmiast rozpada się na wodę i SiO2, który wytrąca się.
Naturalną krzemionkę w postaci piasku stosuje się tam, gdzie nie jest wymagana wysoka czystość materiału.
Aplikacja
Dwutlenek krzemu stosowany jest w produkcji szkła, ceramiki, materiałów ściernych, wyrobów betonowych, do produkcji krzemu, jako wypełniacz w produkcji gumy, w produkcji krzemionkowych materiałów ogniotrwałych, w chromatografii itp. Kryształy kwarcu mają właściwości piezoelektryczne i dlatego znajdują zastosowanie w radiotechnice, instalacjach ultradźwiękowych, zapalniczkach. Amorficzny nieporowaty dwutlenek krzemu stosowany jest w przemyśle spożywczym jako substancja pomocnicza E551, która zapobiega zbrylaniu i zbrylaniu, w parafarmaceutykach (pastach do zębów), w przemyśle farmaceutycznym jako substancja pomocnicza (wymienione w większości Farmakopei), a także dodatek do żywności lub lek jako enterosorbent.
Sztucznie wytworzone warstwy dwutlenku krzemu stosowane są jako izolator w produkcji mikroukładów i innych elementów elektronicznych.
Stosowany również do produkcji kabli światłowodowych. Używa się czystej topionej krzemionki z dodatkiem specjalnych składników.
Włókno krzemionkowe wykorzystuje się także w elementach grzejnych papierosów elektronicznych, gdyż dobrze chłonie płyn i nie zapada się pod wpływem nagrzania cewki.
Jako kamienie półszlachetne stosuje się duże, przezroczyste kryształy kwarcu; bezbarwne kryształy nazywane są kryształami górskimi, fioletowe kryształy nazywane są ametystami, a żółte kryształy nazywane są cytrynem.
W mikroelektronice dwutlenek krzemu jest jednym z głównych materiałów. Stosowany jest jako warstwa izolacyjna, a także jako powłoka ochronna. Otrzymuje się go w postaci cienkich warstw poprzez termiczne utlenianie krzemu, chemiczne osadzanie z fazy gazowej i napylanie magnetronowe.
Porowate krzemionki
Porowate krzemionki otrzymuje się różnymi metodami.
Silochrom otrzymuje się przez agregację aerosilu, który z kolei otrzymuje się przez spalanie silanu (SiH 4). Silochrom charakteryzuje się dużą czystością i niską wytrzymałością mechaniczną. Charakterystyczna wielkość powierzchni właściwej wynosi 60-120 m²/g. Stosowany jest jako sorbent w chromatografii, wypełniaczu gumowym i katalizie.
Żel krzemionkowy otrzymuje się przez suszenie żelu kwasu krzemowego. W porównaniu do silochromu ma niższą czystość, ale może mieć wyjątkowo rozwiniętą powierzchnię: zwykle od 300 m²/g do 700 m²/g.
Aerożel krzemowy składa się w około 99,8% z powietrza i może mieć gęstość do 1,9 kg/m3 (tylko 1,5 razy większa od gęstości powietrza).
