Получение геля кремниевой кислоты уравнение

Получение геля кремниевой кислоты уравнение

Получение геля кремниевой кислоты

Кремниевая кислота – слабая кислота. Она легко выделяется из растворов солей кремниевой кислоты при действии на них более сильными кислотами. К раствору силиката натрия прильем сильно разбавленный раствор соляной кислоты. При этом кремниевая кислота выделяется не в виде осадка, а в виде геля. Раствор немного мутнеет и «застывает». При опрокидывании стакана гель не выливается.

Оборудование: стакан химический, палочка стеклянная.

Техника безопасности. Соблюдать правила работы с кислотами.

Постановка опыта и текст – к.п.н. Павел Беспалов.

Получение геля кремниевой кислоты

Лабораторный способ

• Разложение жидкой муравьиной кислоты под действием горячей концентрированной серной кислоты, либо пропускание газообразной муравьиной кислоты над оксидом фосфора P₂O₅. Схема реакции:

Можно также обработать муравьиную кислоту хлорсульфоновой. Эта реакция идёт уже при обычной температуре по схеме:

• Нагревание смеси щавелевой и концентрированной серной кислот. Реакция идёт по уравнению:

• Нагревание смеси гексацианоферрата(II) калия с концентрированной серной кислотой. Реакция идёт по уравнению:

• Восстановлением из карбоната цинка магнием при нагревании:

С водородом кремний непосредственно не реагирует, соединения кремния с водородом — силаны с общей формулой Si_nH_2n+2 — получают косвенным путем. Моносилан SiH₄ (его часто называют просто силаном) выделяется при взаимодействии силицидов металлов с растворами кислот, например:

Образующийся в этой реакции силан SiH₄ содержит примесь и других силанов, в частности, дисилана Si₂H₆ и трисилана Si₃H₈, в которых имеется цепочка из атомов кремния, связанных между собой одинарными связями (—Si—Si—Si—).

Для травления кремния наиболее широко используют смесь плавиковой и азотной кислот. Некоторые специальные травители предусматривают добавку хромового ангидрида и иных веществ. При травлении кислотный травильный раствор быстро разогревается до температуры кипения, при этом скорость травления многократно возрастает.

Для травления кремния могут использоваться водные растворы щёлочей. Травление кремния в щелочных растворах начинается при температуре раствора более 60 °C.

Получение

Силаны обычно получают, разлагая кислотами силициды металлов (например, силицид магния):

Для синтеза моносилана используют разложение триэтоксисилана в присутствии Na, и нагревании (t=80 °C):

либо применяют реакцию:

Получение силана

Соединения металлов с кремнием называются силицидами. Силицид магния — порошок черного цвета. Поместим порошок силицида магния в очень слабый раствор соляной кислоты. На поверхности раствора образуются пузырьки газа. Они лопаются и загораются на воздухе. Это горит силан. Он образуется при взаимодействии кислоты с силицидом магния. Продуктами сгорания силана являются оксид кремния и вода.

Получение геля кремниевой кислоты

Кремниевая кислота – слабая кислота. Она легко выделяется из растворов солей кремниевой кислоты при действии на них более сильными кислотами. К раствору силиката натрия прильем сильно разбавленный раствор соляной кислоты. При этом кремниевая кислота выделяется не в виде осадка, а в виде геля. Раствор немного мутнеет и «застывает». При опрокидывании стакана гель не выливается.

Кремниевую кислоту получают косвенным путем, действуя . кислотой на силикат калия или натрия:
Na2SiO3+2HCl=2NaCl+H2SiO3
Кремниевую кислоту нельзя получить в чистом виде. В водных растворах она образует коллоидный раствор, или золь, который существует очень малый промежуток времени. Золь далее коагулирует, и образуется гель. При высушивании геля образуются продукты с пористой структурой — силикагели, применяемые в качестве осушителей и адсорбентов.
H2SiO3 — кислота очень слабая, в воде малорастворимая. При нагревании легко распадается аналогично угольной кислоте:
H2SiO3=H2O+SiO2

Способ получения геля кремниевой кислоты

Владельцы патента RU 2381991:

Изобретение может быть использовано в коллоидной химии. Раствор силиката натрия обрабатывают за пределами электролизера анодным кислым водным раствором, вытекающим из анодной камеры электролизера, при pH 3-4. Анодный кислый раствор получают электролизом водопроводной воды в проточном режиме. Изобретение позволяет увеличить чистоту геля кремниевой кислоты за счет исключения загрязнения сульфатом натрия и снизить энергозатраты на его производство. 1 табл.

Изобретение относится к области коллоидной химии, а точнее к синтезу гелей кремниевой кислоты из силикатов щелочных металлов, в частности из силиката натрия как сравнительно дешевого и доступного сырья.

Известен способ получения геля кремниевой кислоты из раствора силиката натрия путем обработки его раствором серной кислоты. Полученный продукт промывают от сульфата натрия водным раствором аммиака при t=200°C. Образовавшийся гель содержит всего 3% SiO₂, выпариванием доводят его содержание до 20-25% (1).

Недостаток способа — использование повышенной температуры и применение ценного химического реагента — серной кислоты. Кроме того, образующийся при этом продукт — сульфат натрия не находит широкого практического применения, является отходом.

Известен также способ, наиболее близкий к предлагаемому изобретению, заключающийся в получении геля кремниевой кислоты в 2-камерном электролизере с катионитовой мембраной, в катодной камере которого содержится 0,1% раствор NaOH, а в анодную камеру подается 4% раствор силиката натрия (2).

Недостатком данного способа является то, что образовавшаяся кремниевая кислота полимеризуется прямо на поверхности или вблизи мембраны, что приводит к резкому увеличению сопротивления системы и возрастанию энергозатрат.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение чистоты конечного продукта и снижение энергозатрат.

Экономичность процесса достигается путем использования проточного электролиза.

Технический результат достигается тем, что процесс осуществляется за пределами электролизера путем смешивания кремниево-кислого натрия с подкисленным раствором питьевой воды, образующимся в анодной камере при электролизе питьевой воды, т.е. за счет переноса катионов из воды в катодную камеру и подкисления воды в анодной камере.

Сущность способа получения геля кремниевой кислоты из силикатов щелочных металлов, который включает электрохимическую обработку воды, заключается в том, что проводят электролиз водопроводной воды в проточном режиме, а обработку раствора силиката натрия осуществляют за пределами электролизера анодным кислым водным раствором, вытекающим из анодной камеры электролизера, при pH 3-4.

В результате обработки выпадает в осадок кремниевая кислота, и восстанавливается основной ионный состав исходной воды.

Анодный кислый водный раствор получают следующим образом: проточная питьевая воды попускается через 2-камерный электролизер с катионитовой мембраной, при температуре 25°С, анодная плотность тока 0,01 А/см 2 ; электролиз проводят в проточном режиме, вода разделяется на два потока и проходит через анодную и катодную камеры; pH воды в ходе электролиза поддерживается на уровне 3-4 изменением объема протекаемой через анодную камеру воды.

Пример осуществления способа заключается в следующем. Электролиз проводится в проточном режиме с использованием 2-камерного электролизера с катионитовой мембраной. Причем электролизу подвергается обычная водопроводная вода. В качестве анодного материала использовали платинированный титан, а катодного — медь.

Раствор силиката натрия в соотношении 1:10 обрабатывали подкисленной водой, вытекающей из анодной камеры уже за пределами электролизера. Образовавшийся гель кремниевой кислоты готов к использованию.

При этом в зависимости от pH среды, образуется гель кремниевой кислоты различного процентного состава. Наиболее оптимальным вариантом является электролиз питьевой воды при pH 3-4. При более низких значениях pH анодной жидкости наблюдается избыточный расход электроэнергии.

Пример 1. Электролиз водопроводной воды проводили в 2-камерном электролизере с катионитовой мембраной в проточном режиме при скорости истечения 1 мл/с. Водой, вытекающей из анодной камеры, обрабатывали силикат натрия в соотношении 1:10 для получения геля. При этом образуется гель кремниевой кислоты, и восстанавливается основной ионовый состав воды.

При pH меньше 3-4 нежелательно проводить электролиз в связи с повышением напряжения на электролизере и дополнительным расходом электроэнергии.

Условия электролиза воды.

В таблице показана зависимость энергетических расходов и напряжения от pH среды.

В известном способе кремниевая кислота, осаждаясь на поверхность мембраны, экранирует поверхность, что тормозит дальнейшее проведение процесса и требует больших энергетических затрат. В предлагаемом способе кремниевая кислота не осаждается, т.к. процесс осаждения идет за предалами электролизера в отдельной камере. Образующийся гель кремниевой кислоты не загрязняется таким химическим соединением, как Na₂SO₄, от которого его надо полностью очищать для использования в пищевой промышленности. Полученный по данному способу гель содержит только воду, соответствующую нормам ПДК.

Содержание сульфат-ионов и других, присутствующих в водопроводной воде ионов соответствует нормативам ПДК, что позволяет получить гель высокой чистоты, и при этом предложенный способ является экономичным.

Полученный данным способом гель можно использовать для обработки виноматериалов, осветления и стабилизации соков, а также для устранения металлических кассов (3).

1. Японский патент №41-10237, 1966.

2. Айлер Р.К. Химия кремнезема. Пер. с англ. — М.: Мир. Ч.2, 1982, с.449-453.

3. Патент России №2272833, 27.03.2006 г. Хизриева И.Х., Харламова Т.А., Алиев З.М. «Способ осветления и стабилизации виноматериалов».

Способ получения геля кремниевой кислоты из силикатов щелочных металлов, включающий электрохимическую обработку воды, отличающийся тем, что проводят электролиз водопроводной воды в проточном режиме, а обработку раствора силиката натрия осуществляют за пределами электролизера анодным кислым водным раствором, вытекающим из анодной камеры электролизера, при pH 3-4.