Кремний плюс сера

Кремний и его соединения

Кремний 14Si является аналогом углерода, находится в главной подгруппе IV группы, в 3-м периоде. Как и углерод, кремний является неметаллом и проявляет в своих соединениях и положительные и отрицательные степени окисления, наиболее характерными из которых являются +4 и -4.

14Si 1s22s22p63s23p2

Аr = 28,0855

Изотопы: 28Si (92.27 %); 29Si (4.68 %); 30Si (3,05 %)

ЭО = 1,8

Кремний – второй после кислорода по распространенности в земной коре элемент (27,6 % по массе). В свободном состоянии в природе не встречается, находится преимущественно в виде SiO2 или силикатов.

Соединения Si токсичны; вдыхание мельчайших частиц SiO2 и др. соединений кремния (например, асбеста) вызывает опасную болезнь – силикоз

В основном состоянии атом кремния имеет валентность = II, а в возбужденом состоянии = IV.

Наиболее устойчивой степенью окисления Si является +4. В соединениях с металлами (силицидах) С.О. -4.

Способы получения кремния

Самым распространенным природным соединением кремния является кремнезем (диоксид кремния) SiО2. Он является основным сырьем для получения кремния.

1) Восстановление SiO2 углеродом в дуговых печах при 1800'С: SiO2 + 2С = Si + 2СО

2) Высокочистый Si из технического продукта получают согласно схеме:

a) Si → SiCl2 → Si

б) Si → Mg2Si → SiH4 → Si

Физические свойства кремния. Аллотропные модификации кремния

1) Кристаллический кремний – вещество серебристо – серого цвета с металлическим блеском, кристаллическая решетка типа алмаза; т. пл. 1415'С, т. кип. 3249'С, плотность 2,33 г/см3; является полупроводником.

2) Аморфный кремний – порошок бурого цвета.

Химические свойства кремния

При низких температурах кремний химически инертен, при нагревании его реакционная способность резко возрастает.

1. С кислородом взаимодействует при Т выше 400°С:

Si + О2 = SiO2 оксид кремния

2. С фтором реагирует уже при комнатной температуре:

Si + 2F2 = SiF4 тетрафторид кремня

3. С остальными галогенами реакции идут при температуре = 300 – 500°С

Si + 2Hal2 = SiHal4

4. С парами серы при 600°С образует дисульфид:

Si + 2S = SiS2

5. Реакция с азотом происходит выше 1000°С:

3Si + 2N2 = Si3N4 нитрид кремния

6. При температуре = 1150°С реагирует с углеродом:

SiO2 + 3С = SiС + 2СО

По твердости карборунд близок к алмазу.

7. С водородом кремний непосредственно не реагирует.

8. Кремний стоек к действию кислот. Взаимодействует только со смесью азотной и фтороводородной (плавиковой) кислот:

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

9. реагирует с растворами щелочей с образованием силикатов и выделением водорода:

Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2H2↑

10. Восстановительные свойства кремния используют для выделения металлов из их оксидов:

2MgO = Si = 2Mg + SiO2

Кремний образует силициды с s-металлами и большинством d-металлов.

2Mg + Si = Mg2Si

Силан (моносилан) SiH4

Силаны (кремневодороды) SinH2n + 2, (ср. с алканами), где п = 1-8. Силаны – аналоги алканов, отличаются от них неустойчивостью цепей -Si-Si-.

Моносилан SiH4 – бесцветный газ с неприятным запахом; растворяется в этаноле, бензине.

Способы получения:

1. Разложение силицида магния соляной кислотой: Mg2Si + 4HCI = 2MgCI2 + SiH4

2. Восстановление галогенидов Si алюмогидридом лития:SiCl4 + LiAlH4 = SiH4↑ + LiCl + AlCl3

Химические свойства.

Силан – сильный восстановитель.

1.SiH4 окисляется кислородом даже при очень низких температурах:

SiH4 + 2O2 = SiO2 + 2Н2О

2. SiH4 легко гидролизуется, особенно в щелочной среде:

SiH4 + 2Н2О = SiO2 + 4Н2

SiH4 + 2NaOH + Н2О = Na2SiO3 + 4Н2

Оксид кремния (IV) (кремнезем) SiO2

Кремнезем существует в виде различных форм: кристаллической, аморфной и стеклообразной. Наиболее распространенной кристаллической формой является кварц. При разрушении кварцевых горных пород образуются кварцевые пески. Монокристаллы кварца – прозрачны, бесцветны (горный хрусталь) или окрашены примесями в различные цвета (аметист, агат, яшма и др.).

Аморфный SiO2 встречается в виде минерала опала: искусственно получают силикагель, состоящий из коллоидных частиц SiO2 и являющийся очень хорошим адсорбентом. Стеклообразный SiO2 известен как кварцевое стекло.

Физические свойства

В воде SiO2 растворяется очень незначительно, в органических растворителях также практически не растворяется. Кремнезем является диэлектриком.

Химические свойства

1. SiO2 – кислотный оксид, поэтому аморфный кремнезем медленно растворяется в водных растворах щелочей:

SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + Н2О

2. SiO2 взаимодействует также при нагревании с основными оксидами:

SiO2 + К2О = K2SiO3;

SiO2 + СаО = CaSiO3

3. Будучи нелетучим оксидом, SiO2 вытесняет углекислый газ из Na2CO3 (при сплавлении):

SiO2 + Na2CO3 = Na2SiO3 + CO2↑

4. Кремнезем реагирует с фтороводородной кислотой, образуя кремнефтористоводородную кислоту H2SiF6:

SiO2 + 6HF = H2SiF6 + 2Н2О

5. При 250 – 400°С SiO2 взаимодействует с газообразным HF и F2, образуя тетрафторсилан (тетрафторид кремния):

SiO2 + 4HF (газ.) = SiF4 + 2Н2О

SiO2 + 2F2 = SiF4 + O2

Кремниевые кислоты

Известны:

– ортокремниевая кислота H4SiО4;

– метакремниевая (кремниевая) кислота H2SiO3;

– ди- и поликремниевые кислоты.

Все кремниевые кислоты малорастворимы в воде, легко образуют коллоидные растворы.

Способы по-лучения

1. Осаждение кислотами из растворов силикатов щелочных металлов:

Na2SiO3 + 2HCl = H2SiO3↓ + 2NaCl

2. Гидролиз хлорсиланов: SiCl4 + 4Н2О = H4SiO4 + 4HCl

Силикаты – соли кремниевых кислот

Поскольку кремниевые кислоты чрезвычайно слабые, их соли в водных растворах сильно гидро лизованы:

Na2SiO3 + Н2О = NaHSiO3 + NaOH

SiO32- + Н2О = HSiO3- + ОН- (щелочная среда)

По этой же причине при пропускании углекислого газа через растворы силикатов происходит вытеснение из них кремниевой кислоты:

K2SiO3 + СO2 + Н2О = H2SiO3↓ + K2СO3

SiO3 + СO2 + Н2О = H2SiO3↓ + СO3

Данную реакцию можно рассматривать как качественную реакцию на силикат-ионы.

Среди силикатов хорошо растворимыми являются только Na2SiO3 и K2SiO3, которые называются растворимым стеклом, а их водные растворы – жидким стеклом.

Стекло

Обычное оконное стекло имеет состав Na2O • СаО • 6SiO2, т. е. является смесью силикатов натрия и кальция. Его получают сплавлением соды Na2CO3, известняка СаСO3 и песка SiO2;

Na2CO3 + CaCO3 + 6SiO2 = Na2O • СаО • 6SiO2 + 2СO2↑

Цемент

Порошкообразный вяжущий материал, образующий при взаимодействии с водой пластичную массу, превращающуюся со временем в твердое камневидное тело; основной строительный материал.

Химический состав наиболее распространенного портланд-цемента (в % по массе) – 20 – 23% SiO2; 62 – 76 % СаО; 4 – 7 % Al2O3; 2-5% Fe2O3; 1- 5% МgО.

Источник: http://examchemistry.com/content/lesson/neorgveshestva/kremnyi.html

Урок №42. Кремний и его соединения. Стекло. Цемент. – ХиМуЛя

КРЕМНИЙ

Кремний открыл и получил в 1823 году шведский химик Йенс Якоб Берцелиус.

Второйпо распространённости элемент в земной коре после кислорода (27,6% по массе).Встречается в соединениях.

Аллотропия кремния

Известен аморфный и кристаллический кремний.

Поликристаллический кремний

Кристаллический– тёмно-серое вещество сметаллическим блеском, большая твёрдость, хрупок, полупроводник; ρ = 2,33 г/см3,t°пл. =1415°C; t°кип. = 2680°C.

Имееталмазоподобную структуру и образует прочные ковалентные связи. Инертен.

Аморфный– бурый порошок, гигроскопичен,алмазоподобная структура, ρ = 2 г/см3, более реакционноспособен.

Получениекремния

1) Промышленность – нагревание угля с песком:

2C+ SiO2 t˚→ Si + 2CO

2) Лаборатория – нагревание песка с магнием:

2Mg + SiO2  t˚→ Si + 2MgO    Опыт

Химические свойства

Типичныйнеметалл, инертен.

Каквосстановитель:

1)     Скислородом

Si0+ O2  t˚→  Si+4O2

2)     Сфтором (без нагревания)

Si0+ 2F2 →  SiF4­

3)     Суглеродом

Si0+ C  t˚→  Si+4C

(SiC – карборунд – твёрдый;используется для точки и шлифовки)

4)     Сводородом не взаимодействует.

Силан(SiH4) получают разложением силицидов металлов кислотой:

Mg2Si+ 2H2SO4 → SiH4­ + 2MgSO4

5)     Скислотами не реагирует (только с плавиковой кислотойSi+4HF=SiF4+2H2)

Растворяетсятолько в смеси азотной и плавиковой кислот:

3Si + 4HNO3 + 18HF →  3H2[SiF6] + 4NO­ + 8H2O

6)     Сощелочами (при нагревании):

Si0 + 2NaOH + H2O t˚→  Na2Si+4O3+2H2­

Какокислитель:

7)     Сметаллами (образуются силициды):

Si0+ 2Mg  t˚→ Mg2Si-4

Применениекремния

Кремний широко используется в электронике как полупроводник. Добавки кремния к сплавам повышают их коррозионную стойкость. Силикаты, алюмосиликаты и кремнезем – основное сырье для производства стекла и керамики, а также для строительной промышленности.
Кремний в технике
 Применение кремния и его соединений

Силан – SiH4

Физические свойства: Бесцветный газ, ядовит, t°пл. =-185°C, t°кип. = -112°C.

Получение: Mg2Si + 4HCl → 2MgCl2+ SiH4­↑

Химические свойства:

1)     Окисление: SiH4 + 2O2 t˚→   SiO2 + 2H2O

2)     Разложение: SiH4 → Si + 2H2­

Оксид кремния (IV) – (SiO2)n

SiO2- кварц, горный хрусталь, аметист, агат, яшма, опал, кремнезём (основная частьпеска):

Кристаллическаярешётка оксида кремния (IV)– атомная и имеет такое строение:

Al2O3 •2SiO2 • 2H2O – каолинит (основная часть глины)

K2O • Al2O3• 6SiO2 – ортоклаз (полевой шпат)

Физические свойства:Твёрдое, кристаллическое,тугоплавкое вещество, t°пл.= 1728°C, t°кип.= 2590°C

Химическиесвойства: 

Кислотный оксид. При сплавлении взаимодействует с основными оксидами,щелочами, а также с карбонатами щелочных и щелочноземельных металлов:

Изучение свойств оксида кремния (IV)

1)     Сосновными оксидами:

SiO2+ CaO t˚→    CaSiO3

2)     Сощелочами:

SiO2+ 2NaOH t˚→    Na2SiO3+ H2O

3)     Сводой не реагирует

4)     Ссолями:

SiO2 + CaCO3 t˚→    CaSiO3 + CO2­

SiO2 + K2CO3 t˚→    K2SiO3 + CO2­

5)     С плавиковойкислотой:

SiO2+ 4HF t˚→     SiF4­+ 2H2O

SiO2+ 6HF t˚→    H2[SiF6] (гексафторкремниевая кислота) + 2H2O

 (реакциилежат в основе процесса травления стекла).

Применение:

1.Изготовление силикатного кирпича

2.Изготовление керамических изделий

3.Получение стекла

Кремниевые кислоты

x •SiO2 • y H2O

x =1, y = 1     H2SiO3- метакремниевая кислота

x =1, y = 2     H4SiO4- ортокремниевая кислота и т.д.

Физическиесвойства: H2SiO3- очень слабая (слабее угольной), непрочная, в воде малорастворима (образуетколлоидный раствор), не имеет кислого вкуса.

Получение:

Получение геля кремниевой кислоты

Получение кремниевой кислоты

 Действиесильных кислот на силикаты – Na2SiO3 + 2HCl → 2NaCl + H2SiO3↓

Химическиесвойства:

Принагревании разлагается: H2SiO3  t˚→ H2O + SiO2

Соликремниевой кислоты – силикаты.

 1) с кислотами

Na2SiO3+H2O+CO2=Na2CO3+H2SiO3

2) с солями

Na2SiO3+CaCl2=2NaCl+CaSiO3↓

(K2O •Al2O3 • 6SiO2)(полевой шпат)  +CO2 + 2H2O → (Al2O3 • 2SiO2• 2H2O)(каолинит (глина)) + 4SiO2(кремнезём (песок)) + K2CO3

Применениесоединений кремния

Природные соединения кремния – песок (SiO2) исиликаты используются для производства керамики, стекла и цемента. 

Стекло – хрупкий, прозрачный материал, способенразмягчаться и при застывании принимает любую форму. Стекло получают варкойшихты (сырьевой смеси, состоящей из песка, соды и известняка) в специальныхстекловаренных печах. 

“Производство стекла”

Основные реакции, протекающие при плавке шихты

1. Na2CO3+ SiO2 = Na2SiO3 + CO2
2. CaCO3 + SiO2 = CaSiO3 + CO2
3. Na2SiO3 + CaSiO3 + 4SiO2= Na2O* CaO* 6SiO2 – формулаоконного стекла

При добавленииоксида свинца получают хрусталь.

Сравнение свойств кварцевого и обычного стекла

Цемент

Цемент – мелко измельчённый клинкер с минеральнымидобавками.

Клинкер – шарики тёмно-серого цвета получают спеканиемглины и известняка в специальных вращающихся печах

  “Производство бетона”

ТРЕНАЖЁРЫ

Тренажёр№1 – Характеристика кремния по положению в Периодической системе элементов Д.И. Менделеева

Тренажёр№2 – Тестовые задания по теме: “Углерод и кремний, их соединения”

Тренажёр№3 – Задания для контроля и самопроверки по теме “Углерод и кремний вприроде. Применение углерода и кремния и их соединений”

Задания для закрепления

Осуществите превращения по схеме:

1) Si → SiO2 → Na2SiO3 → H2SiO3 →SiO2

2) Si → Mg2Si → SiH4 → SiO2

3) Si → Na2SiO3

Источник: https://www.sites.google.com/site/himulacom/zvonok-na-urok/9-klass---vtoroj-god-obucenia/urok-no42-kremnij-i-ego-soedinenia-steklo-cement