Воднева сполука - кремній

Сполуки кремнію

Кремній дає два типи оксидів - оксид кремнію (IV) та оксид кремнію (II). Оксид кремнію (IV) найбільш міцний, не розкладається за високих температур і вище 223°С переходить у пароподібний стан. Чи не відновлює його і водень. Більш того: сам кремній іноді застосовується як відновник, наприклад при отриманні молібдену:

2MoO 3 +3Si 3SiO 2 +2Mo

Оскільки при окисленні кремнію виділяється величезна кількість теплоти, оксид кремнію (IV) та молібден виходять у розплавленому стані.

В оксиді кремнію (IV) молекул немає, тому що за рахунок хімічного в'язі Si-О-Si утворюється своєрідний просторовий каркас. Таким чином, шматок кварцу представляє одну гігантську молекулу. Кварц являє собою неорганічний полімер, та його формула (SiO 2) n .

Чистий оксид кремнію (IV) знаходиться у природі у вигляді гірського кришталю, кристали якого досягають іноді більших розмірів. Найбільший кристал, знайдений у Казахстані, важив 70 т.

У великих кількостях у промисловості готують силікагель – частково гідратований оксид кремнію (IV). Для його одержання на розчин рідкого скла діють соляною кислотою:

Na 2 SiO 3 +2HCl 2NaCl nH 2 SiO 3

метакремнієву кислоту, що випала в осад, відмивають від хлориду натрію водою і висушують при 170 -180 °С. При цьому утворюється аморфний оксид кремнію, що містить невелику кількість зв'язаної хімічно води. Тому силікагелю надають умовну формулу SiO2nH2O. Висушений силікагель може адсорбувати значну кількість парів води, його застосовують для осушення газів.

Широко застосовується оксид кремнію (IV) у промисловості та при наукових дослідженнях. У вигляді кварцового піску його використовують у скляній промисловості; SiO 2 - головний компонент силікатного скла. Кварцовий пісок – найважливіший будівельний матеріал. Кварцовий пісок йде у великих кількостях для виготовлення одного з найкращих вогнетривів – динасу. Його одержують спіканням кварцового піску, до якого додано 2-2,5% вапна. Динас розм'якшується тільки при 1700 ° С, він служить для викладення мартенівських печей та різних печей для отримання кольорових металів.

Плавлений кварц (SiO 2) n дає кварцове скло, що має цікаву властивість: воно має найнижчий температурний коефіцієнт розширення, тобто при нагріванні кварцове скло практично не розширюється. Тому при різкому нагріванні або охолодженні посуд з кварцового скла не розтріскується. Застосовують кварцовий посуд у хімічних лабораторіях. Її широкому поширенню заважає велика крихкість та значні труднощі у виготовленні (дуже висока температура плавлення кварцу).

Кремній дає і оксид SiO, який виходить взаємодією оксиду кремнію (IV) з кремнієм:

Оксид кремнію SiO – сірий порошок, будь-якого застосування він не знаходить. Цікаво відзначити, що при нагріванні цей оксид досить швидко розпадається:

Це вказує на те, що двовалентний стан для кремнію не настільки характерний, як чотиривалентний.

Сполуки кремнію з воднем називаються кремневоднями або силанами. Їх склад відповідає загальній формулі Si n H 2n+2 аналогічній загальній формулі вуглеводнів граничного ряду. Найпростіший представник цього класу - силан SiH 4 - вперше отриманий німецьким хіміком Д. Велером в 1857 р. Силан та його гомологи (H 3 Si - SiH 3 - дисилан, H 3 Si - SiH 2 - SiH 3 - трисилан і т. д.) мають будову, подібну до метану, етану і пропану. Ненасичені силани, відповідні за будовою вуглеводнів етиленового та ацетиленового рядів, у вигляді індивідуальних сполук поки не виділені. Найбільш просто силани виходять за методом, розробленим в 1883 російськими вченими Н. Н. Бекетовим і А. Д. Чириковим. Метод полягає в розкладанні силіцидів металів мінеральними кислотами:

Mg 2 Si+4HCl > 2MgCl 2 + SiH 4

Силан та дисилан – гази з неприємним запахом. Трисилан Si 3 H 8 , тетрасилан Si 4 H 10 , пентасилан Si 5 H 12 та наступні гомологи - при кімнатній температурі летючі рідини з неприємним запахом. Кремневодні дуже отруйні. На відміну від вуглеводнів силани – нестійкі сполуки. Вони самозаймаються, іноді вибухають на повітрі, легко розкладаються лугами та водою у присутності слідів кислот та лугів:

SiH 4 + 2H 2 O > SiO 2 +4H 2

Кремневодні термічно мало стійкі і розкладаються на кремній і водень вже за 400 °С:

SiH 4 > Si + 2H 2

При цьому виходить особливо чистий кремній.

Нестійкість кремневоднів підтверджується тим, що гомологів вище октасилану Si 8 H 18 виділити у вільному стані поки не вдалося. Силани є сильними відновниками та енергійно окислюються киснем:

SiH 4 + 2O 2 > SiO 2 + 2H 2 O

При взаємодії силанів із галогенами всі атоми водню миттєво (з вибухом) заміщуються атомами галогену. Хлор- та бромпохідні силанів утворюються і при каталітичній обробці їх хлороводнем або бромоводнем:

SiH 4 + HCl > SiH 3 Cl + H 2

SiH 3 Cl + HCl > SiH 2 Cl 2 + H 2

SiH 2 Cl + HCl > SiHCl 2 + H 2

SiHCl 3 + HCl > SiCl 4 +H 2

Для гомологічного ряду граничних вуглеводнів аналогічна реакція з НСl або НВг невідома. Сполуки кремнію з воднем представляють великий науковий та практичний інтерес для хімії кремнійорганічних сполук. Галогеніди кремнію отримують при безпосередньому з'єднанні кремнію з галогенами або галогенуванням оксидів у присутності вугілля:

SiO 2 + 2C + 2Cl 2 > SiCl 4 + 2CO

У лабораторії хлорування кремнію можна проводити у скляних трубках, що мають перетяжки. Реакція відбувається при невеликому нагріванні. Рідкий конденсат збирається у коліні трубки. Для очищення конденсат нагріванням переганяють наступне коліно трубки.

Бромування і йодування можна проводити в скляних трубках з перетяжками, але для перенесення брому або йоду використовують газ-носій, наприклад аргон, азот, оксид вуглецю (IV). Отримані галогеніди гігроскопічні та легко гідролізуються під дією вологи повітря, тому їх запаюють в одному з колін трубки.

Нітриди називають хімічні сполуки азоту з різними елементами. Для IV групи характерні нітриди і з ковалентним зв'язком, і утворені впровадженням атомів азоту в кристалічні ґрати елемента. Нітриди елементів головної підгрупи дуже тугоплавкі речовини, що мають велику твердість і теплопровідність. Нітриди досить термостійкі при нагріванні і мають відносну хімічну стійкість.

Кремній утворює нітрид із кристалічною решіткою, в якій атоми азоту пов'язані з атомами кремнію ковалентними зв'язками. Такий нітрид має формулу, що відповідає звичайній валентності елемента, і може розглядатися як похідне аміаку, в якому атоми водню заміщені на кремній Si 3 N 4 .

Загальним способом отримання нітридів є безпосередня взаємодія речовин з азотом або аміаком:

3Si + 2N 2 > Si 3 N 4

3Si + 4NH 3 > Si 3 N 4 + 6H 2

Реакцію здійснюють при 1000-1200 ° С в електричних печах. Застосовувані для реакції азот та аміак не повинні містити парів води та кисню, щоб уникнути забруднення нітриду оксидами відповідних елементів.

Висока жароміцність та жаростійкість нітриду кремнію використовується при створенні сплавів з високою жароміцністю для техніки високих температур, енергетики та інших галузей. Його виняткова стійкість до впливу хімічних реагентів, навіть таких як плавикова кислота, розплави лугів і металів, у поєднанні з вогнетривкістю використовується в хімічній промисловості. З нього виготовляють футерування ванн для отримання металів електролізом розплавлених солей, футеровану арматуру, сопла для розпилення розплавлених металів, тиглі для плавки надчистих металів і т. д.

Метакремнієва кислота H 2 SiO 3 та ортокремнієва кислота H 4 SiO 4 - найбільш поширені з кислот кремнію. Метакремнієва кислота виходить взаємодією силікатів із соляною кислотою або хлоридом амонію:

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

Na 2 SiO 3 + 2NH 4 Cl > H 2 SiO 3 + 2NaCl + 2NH 3

Вільна метакремнієва кислота відома у вигляді кількох форм зі змінним вмістом води. Ця кислота слабкіша, ніж вугільна, вона нерозчинна у воді, але легко утворює колоїдні розчини - золі. Метакремнієва кислота термічно нестійка і при нагріванні розкладається:

H 2 SiO 3 > H 2 O + SiO 2

Відщеплення води від кількох молекул метакремнієвої кислоти відбувається у водному розчині і при кімнатній температурі з утворенням прозорої драглистої маси - гелю кремнієвої кислоти. Висушений гель кремнієвої кислоти називають силікагелем.

Силікагель має дуже велику поверхню - на 1 г силікагелю доводиться до 400 м 2 поверхні - і високою адсорбційною здатністю. Він виготовляється в промисловому масштабі і знаходить широке застосування для вилучення летких та пахучих речовин з парів та газів, очищення мінеральних олій та нафти, знебарвлення рідких органічних продуктів. Силікагель жадібно поглинає воду, і ця властивість використовується при сушінні газів та рідин. Високоякісні сорти силікагелю, які не містять домішок, знаходять застосування у медичній практиці. Вільний від домішок силікагель отримують гідролізом силану SiH 4 , тетрахлориду кремнію SiCl 4 і кремнійорганічних сполук - тетраетоксисилану Si(OC 2 H 5) 4 та ін. Використовується силікагель також як носій каталізатора. Введенням золів кремнієвої кислоти в целюлозні матеріали досягається міцність, водонепроникність та вогнестійкість виробу.

Ортокремнієва кислота виходить при гідролізі кремнію тетрахлориду:

SiCl 4 +4H 2 O > Si(OH) 4 +4HCl

За структурою ортокремнієва кислота близька кварцу: атом кремнію оточений тетраедром з чотирьох атомів кисню з воднем, що приєднаний до кисню. Солі ортокремнієвої кислоти також звуться силікатів. Солі лужних металів кремнієвих кислот розчиняються у воді, силікати інших елементів нерозчинні. Молекулярна маса свіжовиділеної кремнієвої кислоти (формула Si(OH) 4) близько 100 у. е. Через кілька днів молекулярна маса кислоти досягне 1000 у. е. і більше. Це надзвичайною легкістю самоконденсації кислоти, що супроводжується виділенням води.

Кремній утворює кислотні, амфотерні та основні гідроксиди. Усі вони нерозчинні у воді. Оксид кремнію (IV) та оксиди його аналогів з водою практично не реагують, тому одержати кислоти цим способом не можна.

Силікати - тугоплавкі та пасивні речовини. Більшість їх нерозчинна у воді. Вони існують в газоподібному, рідкому і твердому вигляді, а також утворюють високодисперсні, або колоїдні системи з розміром частинок силікатів від 10 - 6 до 10 - 9 м. Колоїдні системи схожі на розчини, але на відміну від них мають поверхню розділу між частинками силікатів дисперсійним середовищем, т. е. середовищем у якій розчинена речовина. Прикладами колоїдних систем є халцедони та опали. Спектр складу силікатів надзвичайно широкий (алюмосилікати, гідросилікати та ін.)

Для силікатних мінералів немає систематичних назв, тому назви відбивають їх зовнішній виглядта властивості. Плагіоклаз у перекладі з давньогрецького «косо, що розколюється», піроксен - «тугоплавкий». Назви також даються на ім'я людей, які відкрили ці мінерали.

У час уявлення про будову силікатів були різними. Першою науковою теорією була полікремнієва. Вона відігравала важливу роль у середині ХІХ ст. - 1920-х рр. Відповідно до цієї теорії силікати є солі кремнієвих кислот. Всі кремнієві кислоти можна задати формулою n SiO 2 m H 2 O. Прикладами служать метакремнієва кислота H 2 SiO 3 (n=1, m=1), ортокремнієва кислота H 4 SiO 4 (n=1, m=2), дикремнієва кислота H 2 Si 2 O 5 (n=2 m=1), пірокремнієва кислота H 6 Si 2 O 7 (n=2, m=2). Відповідні назви силікати носять і зараз, хоча полікремнієва теорія вже не популярна.

Через колоїдний характер силікатів, їх не можна отримати в чистому вигляді. Тому постає питання про солеподібну природу силікатів. Але це все. Розглянемо два подібні за будовою силікату: жадеїт Na Al і лейцит K Al. По полікремнієвій теорії вони є солями метакремнієвої кислоти, а, отже, повинні мати подібні властивості. Але за своєю природою це дві абсолютно різні речовини. Ця теорія не пояснює залежності між складом та властивостями речовин, хоча це є основним її завданням.

Ще Д.І. Менделєєв наголошував на недоліках цієї теорії. Він передбачав ізоморфізм у кристалах силікатів, тобто. здатність атомів заміщати один одного в кристалічних структурах. Причому це можуть бути атоми не лише одного типу, а й різних. Так, він проявляється в кристалах алюмосилікатів, хоча алюміній та кремній – різні за типом атоми. Д.І. Менделєєв називав подібні кристали «невизначеними сполуками», схожими зі сплавами, але ці сплави не простих речовина близьких оксидів. Полімерні солі кремнію існують не через існування полімерних кислот, а через полімеризацію сполук кремнію. Дослідження Д.І. Менделєєва відіграли важливу роль у формуванні поглядів на цю проблему.

У 1925-1931гг. У.Л. Брегг досліджував кристали алюмосилікатів, у тому числі за допомогою рентгену. Він запропонував структурну класифікацію силікатів. На його думку, силікати являли собою полімерні структури, що складаються з тетраедрів - оксидів кремнію, атомів, що його замінили. З'єднуються вони за допомогою атомів кисню, які стали «спільними» для двох тетраедрів. Такі атоми кисню називаються містковими, а ті, що не беруть участь в утворенні таких зв'язків – не містковими. Таким чином, створюються зв'язки Si - O - Si або Si - O - Al. Різноманітність силікатів пояснюється у різний спосібз'єднання цих тетраедрів.

Брегг пропонував класифікувати силікати за типами кремнієвих радикалів:

1. Ортосилікати 4 – У цього радикалу всі атоми кисню є немостиковими.

2. Острівні 6-, 6-, 8-. Два кисні в кожному тетраедрі служать для утворення кільця, а два інших є не містковими.

3. Ізольовані 2- та здвоєні 6-радикали утворюють нескінченні ланцюжки

4. Шаруваті структури з радикалами 2 -

5. Каркасні структури

Розглянемо будову ортосилікату натрію. Його формула 2Na 2 O SiO 2 . Цей ортосилікат відноситься до першої групи. У ньому тетраедри 4 з'єднані між собою іонами натрію.

Представниками силікатів третьої групи є піроксени з формулою LiAl. Вони один атом кремнію з трьох замісився на атом алюмінію. Піроксени утворюють нескінченні ланцюжки різної будови (рис.3). Будова ланцюжка визначає властивості піроксену.

Водневі сполуки кремнію - силани (SiH4, Si2H6 та ін.) мимоволі спалахують на повітрі.
Водневі сполуки кремнію - силани (SiH4, Si2He та ін) мимовільно спалахують на повітрі.
Тому всі водневі сполуки кремнію мають тенденцію до перетворення на кисневі. Отже, при зіткненні молекул кремневоднів з молекулами кисню та інших речовин легко утворюються активні комплекси, що забезпечують швидкий перебіг реакцій. Мабуть, з цієї причини кремневодні, на відміну від вуглеводнів, самозаймаються на повітрі, а SiF/i, на відміну від СГ швидко гідролізуються.
Які відомі водневі сполуки кремнію. Як вони виходять, які мають властивості.
Тому всі водневі сполуки кремнію мають тенденцію до перетворення на кисневі.
Написати формули водневих сполук кремнію, фосфору, сірки та хлору.
Відновлювальні властивості водневих сполук кремнію зберігаються і тоді, коли до їх складу входить хоча б один безпосередньо пов'язаний із кремнієм атом водню.
Чим пояснюється нестійкість водневих сполук кремнію.
Деякі силіциди, наприклад силіциди магнію і марганцю, при розкладанні кислотами поряд з елементарним воднем утворюють також водневі сполуки кремнію - силани.
Але подібно до того як водневе з'єднання сірки H2S незрівнянно менш стійке, ніж водневе з'єднання кисню lizO, а водневі сполуки фосфору РНз і РзН4 - чим водневі сполуки азоту Ынз і N2H4, так і водневі сполуки кремнію, відповідно до періодичного закону, незрівнянно менш стійкі ніж водневі сполуки вуглецю.
Але подібно до того як воднева сполука сірки SH2 незрівнянно менш стійка, ніж воднева сполука кисню Н2О, а водневі сполуки фосфору РН3 і Р2Н4 - чим водневі сполуки азоту NH3 і N2H4, так і водневі сполуки кремнію, відповідно до періодичного закону, незрівнянно менш стійкі. ніж водневі сполуки вуглецю.
Водень хімічно не взаємодіє із кремнієм. Водневі сполуки кремнію - кремневодні, або силани - можна отримувати дією соляної кислоти на силіцид магнію. За своєю будовою та фізичним властивостямсилани схожі на вуглеводні гомологічного ряду метану. Однак по хімічним властивостямсилани різко відрізняються від вуглеводнів жирного ряду. На противагу останнім силани малостійкі, отже, реакційні. Вони легко окислюються на повітрі і тим краще, чим більша їхня молекулярна вага. Усі силани мають специфічний запах та відрізняються сильною отруйністю.
Суміш водневих сполук кремнію - кремневодні, або силани - утворюється при дії розведеної соляної кислоти на силіцид магнію.
Суміш водневих сполук кремнію – кремневодні або силани – утворюються при дії розведеної соляної кислоти на силіцид магнію.

Суміш водневих сполук кремнію - кремневодні або силани - утворюються при дії розведеної соляної кислоти на силіцид магнію.
Суміш водневих сполук кремнію - кремневодні, або силани, - утворюється при дії розведеної соляної кислоти на силіцид магнію.
Тому всі водневі сполуки кремнію мають тенденцію до перетворення на кисневі. Отже, при зіткненні молекул кремневоднів з молекулами кисню та інших речовин легко утворюються активні комплекси, що забезпечують швидкий перебіг реакцій. Мабуть, з цієї причини кремневодні, на відміну від вуглеводнів, самозаймаються на повітрі, а Sir4, на відміну від СГ4, швидко гідролізуються.
Найголовніші мінеральні та гірські породи, що містять кремній. Водневі сполуки кремнію (си-лани), їх одержання та властивості.
Кремній посідає місце у четвертій групі періодичної системибезпосередньо під вуглецем і, отже, формами сполук схожий на вуглець. Однак властивості металоїду у кремнію повинні бути, очевидно, слабкіше виражені, ніж у вуглецю, що підтверджується насправді. Кремній вже схильніший до віддачі своїх чотирьох валентних електронів, ніж до приєднання. Тому типовими стійкими є кисневі сполуки кремнію. Водневі сполуки кремнію дуже нестійкі та розкладаються за звичайних умов.

Si-один з найпоширеніших в земної кориелементів. Найпоширеніший після О2. У природі Si зустрічається лише як сполуки: SiО2. Найважливіший елемент рослинного та тваринного царства.

Отримання: Технічний: SiO2 + 2C ==== Si + 2CO. Чистий: SiCl4 + 2H2 = Si + 4HCl. SiH4 = (t) Si + 2H2. Застосовують у металургії та напівпровідниковій техніці. Для видалення О2 з розплавлених Ме і є складовою сплавів. Для виготовлення фотоелементів, підсилювачів, випрямлячів.

Фіз властивостіаза. Кремній-сіро-стального кольору. крихкий, тільки при нагріванні вище 800 ° C він стає пластичною речовиною. Прозорий до інфрачервоного випромінювання, напівпровідник. Кристалічні грати кубічні типу алмазу, але через більшу довжину зв'язку між атомами Si-Si порівняно з довжиною зв'язку С-Ствердість кремнію значно менша, ніж алмаз. Алотропний Si-порошок сірого кольору.

Хімічні властивості: При н. у. Siмалоактивний і реагує тільки з газоподібним фтором: Si +2F2 = SiF4

Аморфний Si більш реакційний, розплавлений дуже активний.

При нагріванні до температури 400-500 °C кремній реагує з O2, Cl2, Br2, S: Si + O2 = SiO2 . Si + 2 Cl2 = SiCl4

З азотом кремній при температурі близько 1000 °C утворює нітрид Si3N4,

з бором - термічно та хімічно стійкі бориди SiB3, SiB6 та SiB12.,

c вуглецем - карбід кремнію SiC (карборунд).

При нагріванні кремнію з металами можуть утворюватися силіциди.

З кислотами Si не реагує, лише з сумішшю НNO3 і HF окислює його до гексафторкремневої кислоти: 3Si+8HNO3+18HF=3H2+4NO+8H2O

У розчинах лугів енергійно розчиняється на холоді (неметалеві властивості): Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2 H2

При високих температурах повільно взаємодіє з водою: Si + 3H2O = H2SiO3 + 2H2

Водневі сполукиSi.З воднем кремній безпосередньо не реагує, сполуки кремнію з воднем - силаниіз загальною формулою SinH2n+2 отримують непрямим шляхом. Моносілан SiH4 Ca2Si + 4HCl → 2CaCl2 + SiH4 домішка інших силанів, дисилану Si2H6 і трисилану Si3H8.

ПолісиланиТоксичні, мають неприємний запах, менш термічно стійкі, порівняно з СnH2n+2 Відновники SiH4 + O2 = SiO2 + 2 H2O

У воді гідролізуються SiH4 + 2H2O = SiO2 + 4H2

Сполуки кремнію з металами – СИЛІЦИДИ

I. Іонно-ковалентні:силіциди лужних, лужноземельних металів та магнію Ca2Si, Mg2Si

Легко руйнуються водою: Na2Si + 3H2O = Na2SiO3 + 3 H2

Розкладаються під дією кислот: Ca2Si + 2H2SO4 = 2CaSO4 +SiH4

II. Металоподібні:силіциди перехідних металів. Хімічно стійкі та під дією кислот не розкладаються, стійкі до дії кисню навіть за високих температур. Мають високі Tпл (до 2000 ° C). Багато хто має металеву провідність. Найчастіше MeSi, Me3Si2, Me2Si3, Me5Si3 та MeSi2.

Силициди d-елементів використовують для отримання жароміцних і кислототривких сплавів.Сіліциди лантаноїдів застосовують в атомної енергетикияк поглиначі нейтронів.

SiC – карборундТверда, тугоплавка речовина. Кристалічні грати аналогічні гратам алмазу. Є напівпровідником. Використовується для виготовлення штучного дорогоцінного каміння

Діоксид кремніюлегко реагує з F2 та HF: SiO2 + 4HF = SiF4 + 2 H2O. SiO2 + F2 = SiF4 + O2У воді не розчиняється.

У розчинах лугів при нагріванні розчиняється: SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O

Спікається солями: SiO2 + Na2CO3 = Na2SiO3 + CO2. SiO2 + PbO = PbSiO3

Кремнієві кислотиДуже слабкі, малорозчинні у воді кислоти. У воді кремнієві кислоти утворюють колоїдні розчини.

Солі кремнієвих кислот називають силікатами. SiO2 відповідає кремнієва кислота, яку можна отримати дією сильної кислоти на силікат Na2SiO3 + HCl = H2SiO3 + NaCl

H2SiO3 – метакремнієва, або кремнієва кислота. H4SiO4 - ортокремнієва кислота існують тільки в розчині і незворотно перетворюються на SiO2, якщо випарувати воду.

Силікати-Солі кремнієвих кислот, кожен атом Siоточує тетраедрично розташований навколо нього атом О2. Тісний зв'язок Si та О2.