Способ получения кремния из его оксида. Тема: Оксид кремния (VI)

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

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

Строениеатома кремния в основном состоянии

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2

Строение атома кремния в возбуждённомсостоянии

1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3

Степени окисления: +4, -4.

Аллотропия кремния

Известен аморфный и кристаллический кремний.

Поликристаллический кремний

Кристаллический – тёмно-серое вещество с металлическим блеском, большая твёрдость, хрупок, полупроводник; ρ = 2,33 г/см 3 , t°пл. =1415°C; t°кип. = 2680°C.

Имеет алмазоподобную структуру и образует прочные ковалентные связи. Инертен.

Аморфный - бурый порошок, гигроскопичен, алмазоподобная структура, ρ = 2 г/см 3 , более реакционноспособен.

Получение кремния

1) Промышленность – нагревание угля с песком:

2C + SiO 2 t ˚ → Si + 2CO

2) Лаборатория – нагревание песка с магнием :

2Mg + SiO 2 t ˚ → Si + 2MgO Опыт

Химические свойства

Типичный неметалл, инертен.

Как восстановитель:

1) С кислородом

Si 0 + O 2 t ˚ → Si +4 O 2

2) С фтором (без нагревания)

Si 0 + 2F 2 →SiF 4

3) С углеродом

Si 0 + C t ˚ → Si +4 C

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

4) С водородом не взаимодействует.

Силан (SiH 4) получают разложением силицидов металлов кислотой:

Mg 2 Si + 2H 2 SO 4 → SiH 4 + 2MgSO 4

5) С кислотами не реагирует (т олько с плавиковой кислотой Si +4 HF = SiF 4 +2 H 2 )

Растворяется только в смеси азотной и плавиковой кислот:

3Si + 4HNO 3 + 18HF →3H 2 + 4NO + 8H 2 O

6) Со щелочами (при нагревании):

Как окислитель:

7) С металлами (образуются силициды):

Si 0 + 2Mg t ˚ →Mg 2 Si -4

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 - SiH 4

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

Получение кремниевой кислоты

Действие сильных кислот на силикаты - Na 2 SiO 3 + 2HCl → 2NaCl + H 2 SiO 3 ↓

Химические свойства:

При нагревании разлагается: H 2 SiO 3 t ˚ → H 2 O + SiO 2

Соли кремниевой кислоты - силикаты .

1) с кислотами

Na 2 SiO 3 +H 2 O+CO 2 =Na 2 CO 3 +H 2 SiO 3

2) с солями

Na 2 SiO 3 +CaCl 2 =2NaCl+CaSiO 3 ↓

3) Силикаты, входящие в состав минералов, в природных условиях разрушаются под действием воды и оксида углерода (IV) - выветривание горных пород:

(K 2 O Al 2 O 3 6SiO 2)(полевой шпат) + CO 2 + 2H 2 O → (Al 2 O 3 2SiO 2 2H 2 O)(каолинит (глина)) + 4SiO 2 (кремнезём (песок)) + K 2 CO 3

Применение соединений кремния

Природные соединения кремния - песок (SiO 2) и силикаты используются для производства керамики, стекла и цемента.

Керамика

Фарфор = каолин+ глина + кварц + полевой шпат. Родина фарфора – Китай, где фарфор известен уже в 220г. В 1746 г – налажено производство фарфора в России

Фаянс - от названия итальянского города Фаэнца. Где в 14-15веках было развито керамическое ремесленничество. Фаянс – отличается от фарфора большим содержанием глины (85%), более низкой температурой обжига.

Оксид кремния (II)

Монооксид кремния получают обычно при нагревании SiO 2 или силикатов с такими восстановителями, как водород, кремний или уголь, до температуры свыше ~1100°С в вакууме; при этом лучший выход достигается при использования кремния в качестве восстановителя. Образующийся газообразный мономерный SiO конденсируется в полимерной форме на частях реакционного прибора, которые нагреты не выше 400°С - температуры диспропорционирования SiO. На более горячих частях прибора осаждается бурая смесь из кремния и SiO 2 , которые являются продуктами диспропорционирования.

Si + SiO 2 > SiO

Тесную смесь тонкоизмельченного кремния (>98,5% кремния) с прокаленным и тонкоизмельченным кварцем наивысшей чистоты (целесообразно спрессовать в таблетки) помещают в закрытую с одной стороны трубку из пифагоровой массы или спеченного корунда (ближе к закрытому концу). Трубка присоединена к высоковакуумному насосу. В трубке создают вакуум 10 -3 --10 -4 мм рт. ст., а затем медленно нагревают закрытый конец трубки в электрической печи приблизительно до 1250°С, примерно через 4 ч процесс заканчивается. В той части трубки, которая во время нагревания имела более низкую температуру, находится SiO в виде черной хрупкой массы, а в переходной зоне трубки, имевшей в процессе нагревания температуру 400 - 700°С, - объемистая бурая смесь SiO 2 и кремния. SiO легко отделяется от стенок трубки с помощью шпателя из нержавеющей стали. Окисление SiO на воздухе обычно начинается уже при ~1000°С (хотя он может самопроизвольно тлеть), поэтому трубку после охлаждения следует заполнить азотом или аргоном. Извлечение SiO проводят также в среде инертного газа.

Особенно важно, чтобы нагревающаяся до 400--700°С переходная зона трубки, где образовавшийся SiO снова распадается на кремний и SiO 2 , была как можно короче. Это имеет место в случае использования плохо проводящих тепло керамических трубок. Напротив, в хорошо проводящих тепло металлических трубках, которые тоже рекомендуются для получения SiO, эта переходная зона длиннее, и выход из-за этого чрезвычайно низкий.

Газообразный SiO можно также конденсировать прямо в горячей зоне на охлаждаемом водой «пальце» из железа или меди. При этом он осаждается в волокнистой форме.

Оксид кремния (IV)

В лабораторных условиях синтетический диоксид кремния может быть получен действием кислот, даже слабой уксусной, на растворимые силикаты. Например:

Na 2 SiO 3 + 2CH 3 COOH > 2CH 3 COONa + H 2 SiO 3

Кремниевая кислота сразу распадается на воду и SiO 2 , выпадающий в осадок.

Синтетический диоксид кремния получают нагреванием кремния до температуры 400--500°C в атмосфере кислорода, при этом кремний окисляется до диоксида SiO 2 . А также термическим оксидированием при больших температурах.

Натуральный диоксид кремния в виде песка используется там, где не требуется высокая чистота материала.

В настоящее время ведутся работы по получению диоксида кремния с наибольшим выходом. Опишем, один из новейших экологически безопасный и практически безотходный способ получения высокочистого диоксида кремния сорта белая сажа или аэросил. Этот метод выполняется по следующей схеме:

Схема очистки от примесей кварцевого концентрата.

Расплавленный фторид аммония, который при нормальных условиях представляют собой неагрессивное, твердое, кристаллическое вещество, - более энергичный фторирующий реагент, чем газообразный фтороводород. Достоинством фторида аммония является энергичное взаимодействие его расплава с оксидом кремния, при этом образуется кремнефториды аммония, в частности - гексафторосиликат аммония (NH 4) 2 SiF 6 , который в нормальных условиях является неагрессивным, хорошо растворимым в воде порошком. При нагревании (NH 4) 2 SiF 6 возгоняется без разложения, а при охлаждении десублимируется - данное свойство используется для очистки от примесей кварцевого концентрата.

На стадии осаждения гидратированного оксида кремния используется регенерированная аммиачная вода, которая образуется в результате взаимодействия исходного оксида кремния (кварцевого песка) с фторидом аммония. Таким образом, разработанная фтороаммонийная технология получения оксида кремния является практически безотходной, так как использует реагенты, регенерирующиеся в ходе технологического цикла.

Для химического элемента с порядковым номером 14, находящегося в таблице Менделеева в IV группе 3 периода и III ряда, возможно образование двух оксидов кремния, состоящих из двух элементов Si и O:

моноксид кремния, в котором Si двухвалентен, химическая формула этого окисда может быть представлена, как SiO;
диоксид кремния — это кремния, в котором Si четырехвалентен, химическая формула его записывается, как SiO2.

Кремний (IV) оксид по внешнем виду представляет собой прозрачные кристаллы. Плотность SiO2 равняется 2,648 г/см³. Вещество плавится в пределах температур от 1600 до 1725 °С, кипит при температуре 2230 °С.

Оксид кремния SiO2 был известен своей твердостью и прочностью с древних времен, наиболее распространен в природе в или кварца, а также в диатомовых водорослей. Вещество имеет много полиморфных модификаций, наиболее часто встречается в двух видах:

кристаллический - в виде природного минерала кварца, а также его разновидностей (халцедон, горный хрусталь, яшма, агат, кремень); кварц является основой это незаменимый строительный материал и сырье для силикатной промышленности;
аморфный встречается в виде природного минерала опала, состав которого можно описать формулой SiO2 . nH2O; землистыми формами аморфного SiO2 являются трепел (горная мука, инфузорная земля) или диатомит; искусственный аморфный безводный кремнезем — это силикагель, который изготавливают из метасиликата натрия.

Оксид кремния SiO2 является кислотным окислом. Именно этот фактор определяет его химические свойства.

Фтор реагирует с двуокисью кремния: SiO2 + 4F → SiF4 +O2 с образованием бесцветного газа тетрафторида кремния и кислорода, в то время как другие газы (галогены Cl2, Br2, I2) реагируют менее активно.

Оксид кремния IV взаимодействует с с получением кремнефтористоводородной кислоты: SiO2 + 6HF → H2SiF6 + 2H2O. Это свойство используется в полупроводниковой промышленности.

Кремний (IV) оксид растворяется в горячей концентрированной или расплавленной щелочи с образованием силиката натрия: 2NaOH + SiO2 → Na2SiO3 + H2O.

Двуокись кремния реагирует с основными оксидами металлов (например, с оксидами натрия, калия, свинца (II), цинка или смесью оксидов, что используется в производстве стекла). Для примера можно привести реакции окиси натрия и SiO2, в результате которых могут образовываться: ортосиликат натрия 2Na2O + SiO2 → Na4SiO4, силикат натрия Na2O + SiO2 → Na2SiO3, и стекло Na2O + 6SiO2 + XO → Na2O: XO: 6SiO2. Примерами такого стекла, имеющего коммерческое значение, являются натрий-кальциевое стекло, боросиликатное стекло, свинцовое стекло.

Двуокись кремния при высоких температурах взаимодействует с кремнием, в результате получается газообразный монооксид: Si + SiO2 → 2SiO.

Чаще всего оксид кремния SiO2 используется для производства элементарного кремния. Процесс взаимодействия с элементарным углеродом протекает при высокой температуре в электродуговой печи: 2C + SiO2 → Si + 2CO. Он достаточно энергоемкий. Однако его продукт используется в полупроводниковой технике для изготовления (превращают световую энергию в электрическую). Также чистый Si применяется в металлургии (в производстве жаростойких и кислотоупорных кремнистых сталей). Полученный таким образом элементарный кремний необходим для получения чистой двуокиси кремния, которая имеет большое значение для ряда отраслей промышленности. Натуральный SiO2 используется в виде песка в тех производствах, где не требуется его высокая чистота.

При вдыхании тонко измельченной пыли кристаллического SiO2, даже в очень малых количествах (до 0,1 мг/м³), с течением времени может развиться силикоз, бронхит или рак. Пыль становится опасной при попадании в легкие, постоянно их раздражает, сокращая тем самым их функцию. В организме человека оксид кремния в виде кристаллических частиц не растворяется в течение клинически значимых периодов времени. Этот эффект может создать риск профессиональных заболеваний для людей, работающих с пескоструйной обработкой оборудования или продуктами, которые содержат порошок кристаллического оксида кремния. Дети, астматики любого возраста, страдающие аллергией, а также пожилые люди могут заболеть гораздо быстрее.

Введение

В вашей квартире ремонт, и необходимо купить керамическую плитку. В магазине, долго перебирая различные варианты форм и расцветок, вы нашли подходящую и, направляясь к кассе, мельком взглянули на ту часть упаковки с плиткой, где написан ее состав. Почти все ингредиенты знакомы, но один из них вызвал у вас удивление - оксид кремния. Естественно, вы захотите узнать о нем побольше. Сегодня я постараюсь удовлетворить ваш интерес.

Определение

Кремний имеет переменную валентность, и из-за этого в химии известно два его соединения с кислородом. Сегодня мы рассмотрим высший оксид кремния, в котором последний имеет валентность IV.

Название

В разных источниках его могут обозвать диоксидом кремния, кремнезёмом или оксидом силиция.

Свойства

Он является кислотным оксидом, которому присущи твердость и прочность. Если нагреть его и любую щелочь/основный оксид, то они будут взаимодействовать друг с другом. Это соединение кремния - стеклообразующее, т. е. из него может получиться переохлажденный расплав - стекло.

Также (в чистом виде) он не пропускает электрический ток (является диэлектриком). У оксида кремния атомная кристаллическая решетка. Он является стойким к воздействию кислот, однако исключение составляют плавиковая и газообразный фтороводород. Продукты реакции с последним - фторид кремния и вода. Если же второй реагент - раствор фтороводорода, то ее продуктами будут гексафторкремниевая кислота и та же вода. Если оксид кремния (IV) сплавить с щелочью/основным оксидом/карбонатом любого активного металла, продуктом реакции станет соль кремниевых кислот - силикат, из них растворимы только силикаты калия и натрия. Продукты взаимодействия любого из последних с водой носят название жидкого стекла. У них сильно щелочная среда, причина этому - гидролиз. Гидролизованные силикаты образуют не истинные, а коллоидные растворы. Если растворы силикатов калия или натрия немного окислить, произойдет выпадение студенистого белого осадка, который составляют гидратированные кремниевые кислоты.

Получение

В промышленности оксид кремния получают, нагревая кремний в кислородной среде. Он окисляется и образует искомый продукт. Также его добывают при помощи термического оксидирования. В лаборатории оксид кремния получают при действии любых кислот на растворимый силикат, для этого подходит даже слабая уксусная. К примеру, если соединить ее и силикат натрия, продуктом реакции станет ацетат натрия и кремниевая кислота. Тут же произойдет разложение последней, и продуктами ее распада станут вода и искомый оксид.

Применение

С помощью оксида кремния производят стекло, керамику, абразивы, бетонные изделия, а также получают сам кремний. Еще он выполняет роль наполнителя в отрасли производства резины. Кристаллы аморфной модификации оксида кремния - кварцевого стекла - имеют пьезоэлектрические свойства, и этим пользуются создатели радиотехники, ультразвуковых установок и зажигалок. Силикаты и кремнезёмы - почти 90% массы литосферы. Также оксид кремния известен как пищевая добавка E551. Это его аморфная непористая разновидность. Она предотвращает слеживание и комкование пищи, в фармацевтике используется как вспомогательное вещество и лекарственный препарат-энтеросорбент. Пленки данного оксида служат изолятором, когда производят микросхемы и другие электронные компоненты. Также с их помощью создают волоконно-оптические кабели. А нагревательные элементы электронной сигареты были бы невозможны без кремнезёмной нити.

Заключение

Вот как широко используется данный оксид. И чтобы увидеть его, не нужно бежать в магазин и любопытства ради рассматривать цемент и бетон. Природный оксид кремния находится у нас под ногами - это обыкновенный песок. Оказывается, и он может быть полезным.

ТЕМА: Оксид кремния (VI ). Кремниевая кислота.

ЦЕЛЬ : учащиеся должны изучить свойства оксида кремния (VI) и

кремниевой кислоты по аналогии с углеродом и его соединениями,

убедиться в том, что их свойства – это следствие строения вещества;

ОБОР-ИЕ: Na2SiO3, HCl, коллекция «Минералы и горные породы», ПСХЭ.

ХОД УРОКА.

I . O рганизационный момент.

II .Проверка домашнего задания.

Ребята! На прошлом уроке мы изучили кремний, дали ему характеристику как химическому элементу и простому веществу. Вспомните, где кремний распространён в природе? Кремний – один из самых распространённых в земной коре элементов, занимает второе место после кислорода (26-27%). Кремний главный элемент в царстве горных пород. Кремнезём SiO2 – основная часть песка, Al2O3·2SiO2·2H2O – каолинит, основная часть глины,

K2O·Al2O3·6SiO2 – полевой шпат (ортоклаз). В большинстве организмов содержание кремния невелико. Однако некоторые морские водоросли накапливают большие количества кремния – это диатомовые водоросли, из животных, много кремния содержат кремниевые губки.

Ребята! Каковы физические свойства кремния?

Известен аморфный и кристаллический кремний. Кристаллический кремний обладает металлическим блеском, тугоплавкий, очень твёрдый, атомная кристаллическая решётка, обладает незначительной электропроводностью . (при комнатной температуре в 1000 раз < чем у ртути). Температура плавления 14200С, температура кипения 26200С.

Назовите области применения кремния.(Большинство Si идёт на производство кремнистых сталей, обладающих высокой жаропрочностью и кислотоустойчивостью. Кристаллы кремния являются полупроводниками, поэтому применяются как выпрямители и усилители тока, в фотоэлементах.)

А теперь воспроизведите на листках химические свойства кремния и получение его в лаборатории и в промышленности.

III . Изучение нового материала.

1.Строение кристаллической решётки SiO2.

2.Нахождение в природе.

3.Физические свойства.

4.Химические свойства.

5.Применение.

6.Кремниевая кислота.

1).Строение кристаллической решётки SiO 2 .

SiO2 – является аналогом углерода. Высшие оксиды их СО2 и SiO2. СО2 – газ, tпл – 56,60С, молекулярная кристаллическая решётка, она состоит из отдельных молекул, несвязанных между собой, а SiO2 – твёрдое вещество, имеет высокую температуру плавления = 17280С, атомная кристаллическая решётка, в которой каждый атом кремния связан с четырьмя атомами кислорода.

Следовательно, оксид кремния имеет одну гигантскую молекулу (SiO2)n, но для простоты записи пишут SiO2.

2)Нахождение в природе.

Стойким соединением кремния является оксид кремния (VI), называемый кремнезёмом. Он встречается в кристаллическом, скрытокристаллическом и аморфном состоянии. Больше SiO2 в кристаллическом состоянии.

SiO2 – кремнезём

кристаллический скрытокристаллический аморфный

(минерал – кварц) (опал, яшма, агат, кремень) (трепел)

Кристаллический - находится в природе в виде минерала кварца. Кварц входит также в состав горных пород – гранита и гнейса. Из мелких зёрен кварца состоит обыкновенный песок. Чистый песок – белого цвета, он называется кварцевый песок, а обычный речной песок содержит примеси железа и поэтому окрашен в желтый цвет. Прозрачные отдельные кристаллы кварца это горный хрусталь. Окрашенный в лиловый цвет примесями, горный хрусталь называется аметистом, а в буроватый – дымчатым топазом. Они являются ювелирными украшениями. Расплавленный кварц, при охлаждении превращается в прозрачное стекло. Кварцевое стекло не пропускает ультрафиолетовые лучи.

Скрытокристаллическими соединениями кремнезёма являются опал, яшма, агат и кремень. Опал и агат имеют красивую окраску. Их использовали для отделки Московского метрополитена. Кремень – твёрдый минерал, он разбивается при ударе на куски с острыми краями, и это сыграло большую роль в историческом развитии человеческого общества. Этот минерал использовался для изготовления орудий труда.

Аморфный SiO2 распространён в природе меньше. Панцири некоторых диатомовых водорослей построены из аморфного SiO2 и скопления этих панцирей образуют местами большие залежи, их называют инфузорной землёй или трепелом (диатомит).

3)Физические свойства.

SiO2 – твёрдое кристаллическое вещество.

4)Химические свойства.

Общие:

а) при температуре реагирует со щелочами.

SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O

б) при температуре реагирует с основными оксидами

SiO2 + CaO = CaSiO3

Специфические.

а) с водой не взаимодействует.

б) при повышении температуры вытесняет более летучие оксиды из солей.

CaCO3 + SiO2 = CaSiO3 + CO2

в) вступает в реакцию с плавиковой кислотой

SiO2 + 4HF = SiF4 + 2H2O

тетрафторид

5)Применение.

1.Кварц – получение стекла, химической посуды.

2.Трепел – в строительстве, в качестве теплоизолятора и звукозаглушающего материала.

3.Украшения.

4.Производство силикатного кирпича.

5.Керамические изделия.

6)Кремниевая кислота.

H2SiO3 по таблице растворимости – одна нерастворимая кислота.

Получить её можно при взаимодействии растворов её солей с кислотами.

Na2SiO3 + 2HCl = 2NaCl + H2SiO3↓

студен. осадок

2Na+ + SiO32- + 2H+ + 2Cl- = 2Na+ + 2Cl- + H2SiO3↓

2H+ + SiO32- = H2SiO3↓

С водой кремниевая кислота образует коллоидные растворы. Является более слабой кислотой, ещё слабее угольной, непрочная, и при нагревании постепенно разлагается.

H2SiO3 = H2O + SiO2

VI. Закрепление. Просмотр I части фильма « Оксид кремния (VI)

V. Задание на дом – конспект, §35,36.

Задача 1 ряду.

Сколько оксида углерода (VI) выделится (в л.) при сплавлении карбоната натрия с 62 г кремнезёма, содержащего 3% примесей соединений железа.

Дано: 1 моль х

m (SiO2) = 62г. Na2CO3 + SiO2 = Na2SiO3 + CO2

Ѡ(прим) – 3% 1 моль 2 моль

V(CO2) - ? M (SiO2) = 28 + 32 = 60 г/моль

mч. в. = Ѡ·mцв / 100% = 97·62/100% = 60,14

υ(SiO2) = m/M = 60,14/60 = 1моль

υ(СО2) = 1 моль