Плавиковая кислота и песок уравнение

Кремний. Химия кремния и его соединений

Кремний

Положение в периодической системе химических элементов

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

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

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:

Видеоопыт получения кремниевой кислоты из силиката натрия можно посмотреть здесь.

Даже слабая угольная кислота вытесняет кремниевую кислоту из солей:

Химические свойства

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.

Плавиковая кислота. Свойства и применение плавиковой кислоты

Плавиковая кислота и флюорит. Где взаимосвязь? На этот вопрос ответили шведский химик Карл Шееле и англичанин Джозеф Пристли. В 1779 году они доказали, что флюорит, называемый в народе плавиковым шпатом, является кальциевой солью неизвестной кислоты.

Сам камень был известен еще Георгию Агриколе – отцу минералогии, жившему в 15 веке. Он- то и нарек его флюоритом, от латинского fluor – «течь».

Имя объясняется применением породы в качестве флюса. Его добавка к шихте снижает температуру ее плавления. Так древние решали проблему обработки металлов. А где пригодилась названая по аналогии с камнем кислота, и чем, собственно, она является?

Что такое плавиковая кислота

Формула плавикового шпата – CaF₂. В кислоту переходит лишь фтор, соединяясь с водородом. Получается фтороводород. То есть, у плавиковой кислоты формула HF. Промышленниками, как правило, используется раствор. Но, соединение может быть и безводным.

Такую форму впервые получили Гей Люссак и Жозеф Луи. Это французские химик и физик. Безводную плавиковую кислоту они представили миру в 1810 году.

Когда-то, растворы плавиковой кислоты стали двойным открытием. Фтор, находящийся в составе соединения, был не известен ученым.

Работая с кислотой, они поняли, что по активности вещество подобно хлору. Название нового элемента «фтор» закрепилось лишь в России, переводится с греческого, как «разрушающий». В остальном мире элемент именуют флюором.

Внешне фтороводород можно определить лишь по туману, который газообразное соединение образует с влажным воздухом. Выдает безводную кислоту и запах. У фтора он сильный и резкий. В остальном, фтороводород неуловим, поскольку бесцветен, смешивается с атмосферой.

Водный раствор фтороводорода тоже бесцветен, по консистенции жидкий. Плотность плавиковой кислоты равна 1,2 грамма на кубический сантиметр.

Показатель воды меньше лишь на 0,1 грамма на кубический сантиметр. Поэтому, есть риск перепутать соединение с чистой водой. Последствия могут быть катастрофическими. Плавиковая кислота – опасность для человека. Почему? Об этом поговорим в следующей главе.

Свойства плавиковой кислоты

Фтороводород считается самой сильной из кислот, уступая в реакционности лишь царской водке. Последняя, является смесью реактивов. В царской водке соединились сильные азотная и соляная кислоты.

Сила плавиковой кислоты демонстрируется в воздействии на стекло. Это инертный материал, не подвластный другим кислотам. Плавиковая же стекло плавит. Это заметил еще Шванквард — немецкий химик, живший в 17 столетии. Проводя опыты, он использовал сосуд из флюорита.

Налив в него однажды серную кислоту, он заметил, что стеклянная крышка начала плавиться. Реагент в сосуде не мог произвести такое действие.

Значит, в серной кислоте частично растворился плавиковый шпат, и что-то из его состава стало разъедать крышку. Этот вывод Шванкварда, собственно, и стал причиной поиска новой кислоты. Если растворившись в соляной кислоте соль плавиковой кислоты разъела стекло, что мешает ей разъесть органику?

Ничего. Попадая на кожу и слизистые, реагент разрушает их. Итогом становятся ожоги. Более того, реагент и его пары запускают мутагенные процессы в крови.

Выявлен слабый наркотический эффект. Все вкупе дает 2 класс опасности. Он присвоен кислоте официально. Попадая на кожу, фтор водород не вызывает мгновенной боли. Соединение незаметно всасывается клетками.

Отек начинается примерно через 5-10 минут. Одновременно приходит боль, химический ожог. Если контакт связан со слабым раствором реагента, симптомы могут проявиться, лишь через сутки.

Антидота, то есть, противоядия, нет. Получив смертельную дозу фтороводорода, надежды на спасение нет. Продержаться получается лишь несколько дней, и то на наркотиках. Разъедая стекло, прочие силикатные материалы, органику, плавиковая кислота не вступает во взаимодействие с пластиком.

Именно в нем реагент и транспортируют. Не взаимодействует с фтороводородом и парафин. Можно ли заменить тару из него или полиэтилена металлической? Зачастую, нет. Фтороводород вступает в реакцию с большинством металлов.

Среди немногих исключений – свинец. Но, он слишком тяжел и дорогостоящ, чтобы быть альтернативой пластику. Остается узнать, куда везут плавиковую кислоту, где она пригождается, если столь опасна.

Применение плавиковой кислоты

Плавиковая кислота применение, естественно, находит в стекольной промышленности. Реагент используют для химической полировки изделий и освобождения металлических деталей от примесей кварца и керамики.

Поскольку кремний плавиковая кислота плавит, обрабатывать можно и хрусталь, убирая с его поверхности все шероховатости. В качестве протравливающего вещества реагент используют, так же, в зуботехнической отрасли. Плавиковая кислота в стоматологии убирает с внутренней стороны керамических протезов лейцит.

Это породообразующий минерал магматического происхождения. Он – часть металлической подложки под слоем керамики. Цель – обеспечить максимально надежное крепление коронки к остаткам зуба. Лучше стандартного цемента с этой задачей справляются полимеры – новое слово в стоматологии.

Полимеры заполняют пустоты, оставшиеся от лейцита. Таким образом, живые ткани и протез скрепляются, как говориться, намертво. При этом, полимеры оставляют возможность минимальных подвижек, без растрескивания, а значит, и разгерметизации коронок.

Однако, основным потребителем фтороводорода остается нефтехимическая промышленность. В ней плавиковая кислота, так же, нужна для обработки, очистки поверхностей. В частности, соединение пригождается в призабойных зонах добывающих скважин.

В нагнетательных реагент тоже используют. В сочетании с другими кислотами, к примеру, соляной, плавиковая кислота удаляет со стенок аппаратуры отложения асфальтов и парафинов. Это повышает эффективность нефтедобычи.

Кислота фтористоводородная плавиковая применяется и в алюминиевой промышленности. Реагент непосредственно участвует в электролитическом способе получения 13 металла.

Кислота присутствует в фильтровочных системах. Теперь выясним, где найти реагент в природе. Является ли флюорит единственным источником фтороводорода?

Добыча плавиковой кислоты

Плавиковый шпат – источник для получения фтороводорода, но не он сам. В чистом виде кислоту в природе не встретишь, если, конечно, не подойдешь к активному вулкану. В его газах фтороводород встречается. Благо, флюорит – распространенный минерал. Промышленники не испытывают дефицита в сырье.

Получение плавиковой кислоты из шпата основано на его обработке серной кислотой. Требуется концентрированный реагент, 90 или 92-процентный. В общем, производят кислоту, как и 300 лет назад, по методу Шванкварда. Взаимодействие выглядит так: — CaF₂ + H₂SO₄ -à2HF + CaSO₄.

Для взаимодействия нужен измельченный флюорит. Минерал обрабатывают в щековых и конических дробилках.

С серной кислотой крошку соединяют в специальных смесителях. Реакция запускается почти моментально. Образующийся оксид кальция ведет к затвердению массы. Поэтому, продолжительность ее пребывания в смесителе должна быть минимальной.

Реакция протекает при температуре от 220 до 280 градусов Цельсия. Если снизить жар, образуется фторсульфоновая кислота.

Избавление от нее осложняет производство. Мешает ему и образование сульфата кальция. Он обволакивает частицы измельченного шпата, не давая реакции проходить эффективно.

Цена плавиковой кислоты

Цена реагента зависит от его чистоты и концентрации. Обычно выпускаются 40, 60 и 70-процентные растворы фтороводорода. С точки зрения чистоты кислота делится на техническую и обычную. 70 процентный раствор последний, к примеру, стоит в районе 210-250 рублей за килограмм.

Техническая версия реагента, обычно, 40-процентная. За килограмм дают 35-60 рублей. Поставки от одного кило осуществляют не все. Большинство производителей работают только с оптовиками.

В этом случае, ценник уменьшается. Купить плавиковую кислоту 70% можно и за 170 рублей за кило. Кроме стандартных, встречаются предложения, к примеру, 85-процентной кислоты. Такую поставляют, в основном, из Китая.

Некоторые предприятия России тоже готовы отработать нестандартные заказы при больших объемах закупок.

Соединения фтора

Фтороводород, плавиковая кислота (HF)

Способы получения фтороводорода

• Из простых веществ:

• Действие концентрированной H₂SO₄ на фториды металлов:

Физические свойства и строение фтороводорода

Фтороводород HF — бесцветная легкоподвижная и легкоиспаряющаяся жидкость с резким, удушающим запахом.

По сравнению с другими галогенводородами HF имеет аномально высокие Т_пл. (

83°С) и Т_кип. (19,5°С), т.к. молекулы HF объединяются водородными связями в прочные ассоциаты (HF)_n :

Плавиковая кислота

Фтороводород неограничено растворяется в воде с образованием раствора слабой кислоты (К_дисс = 6,8-10 -4 ). Плавиковая кислота растворяет кварц, стекло и все силикаты, по причине чего и получила такое название.

Химические свойства фтороводорода

Общие свойства кислот

Проявляет все свойства кислот.

• Взаимодействие с металлами:

Металлы легко окисляются плавиковой кислотой, однако некоторые металлы образуют на поверхности малорастворимую защитную пленку фторидов, поэтому в кислоте не растворяются (например, Pb).

На платину и золото плавиковая кислота не действует.

Эффективным растворителем металлов является смесь HF и HNО₃:

• Взаимодействие с неметаллами:

HF и смесь HF + HNО₃ взаимодействуют с кремнием:

• медленно растворяет оксид кремния SiО₂ :

Фторноватистая кислота (фтороксигенат(0) водорода) HOF

HOF — бесцветные жидкость и газ (выше 0ºС). Соединение весьма летучее и термически неустойчивое. Кислотных свойств не проявляет, солей не образует. Однако ковалентные производные формального замещения водорода называют гипофторитами.

Получение фторноватистой кислоты

• Получают при фторировании льда при температуре −40 C:

Химические свойства фторноватистой кислоты

• Разлагается при температуре 19 °С:

Разложение часто сопровождается взрывом

HOF + 2NaOH = NaF + NaHO₂ + H₂O