Оксид кремния (IV)
Оксид кремния (IV)
Физические свойства и нахождение в природе
Оксид кремния (IV) SiO2 – 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:
Кремний
Кремний — неметаллический элемент IVa группы периодической таблицы Д.И. Менделеева. Второй после кислорода элемент по распространенности в земной коре.
В чистом виде в природе практически отсутствует. Чаще всего встречается в виде кремнезема — SiO2 — песок, песчаник, кварц, глина.
Кремниевая (силиконовая) долина
Регион в штате Калифорния (США), отличающийся большой плотностью высоко технологичных компаний, связанных с производством компьютеров и микропроцессоров.
Кремний является природным полупроводником, используется как основной материал для производства микросхем. Кремний ближе, чем вы думаете: внутри гаджета, которым вы пользуетесь 😉
Основное и возбужденное состояние кремния
При возбуждении атома кремния электроны на s-подуровне распариваются и один из них переходит на p-подуровень.
Природные соединения
В природе кремний встречается в виде следующих соединений:
- SiO2 — кварц, кремнезем, гранит, песчаник, песок, глина
- SiO2 с примесью Fe 3+ — цитрин
- SiO2 с примесью Fe 2+ и Fe 3+ — аметист
Получение
В промышленности кремний получают путем восстановления кремнезема в электрических печах, алюминотермией.
В лабораторных условиях мелкий белый песок прокаливают с магнием:
SiO2 + Mg → (t) MgO + Si
Химические свойства
- Реакции с неметаллами
При обычных условиях без нагревания кремний реагирует только со фтором.
При нагревании кремний вступает в реакции с остальными галогенами (Cl, Br, I), углеродом, кислородом. При очень высоких температурах (1200 °C) кремний с кислородом образует оксид кремния II — несолеобразующий оксид.
Si + O2 → (t = 1200 °C) SiO
В подобных реакциях кремния проявляет свои окислительные способности.
Ca + Si → Ca2Si (силицид кальция)
Реакция с щелочами
С целью травления (удаления поверхностного слоя материала) кремниевые изделия можно погружать в раствор щелочи.
Оксид кремния IV — SiO2
Оксид кремния IV имеет атомное строение, обладает высокой прочностью и твердостью. Плавится при температуре +1730 °C градусов.
В промышленности оксид кремния IV получают нагреванием кремния в атмосфере кислорода.
В лабораторных условиях проводят реакция силиката натрия с уксусной кислотой. Кремниевая кислота сразу же распадается на SiO2, который выпадает в осадок, и воду.
- Реакции с кислотами
Химически SiO2 устойчив к действию кислот, однако вступает в реакцию с газообразным фтороводородом (газом) и плавиковой кислотой (жидкостью).
Реакции с основными оксидами и щелочами
SiO2 является кислотным оксидом, соответствует кремниевой кислоте. Вступая в реакции с основными оксидами и щелочами, образует соли данной кислоты — силикаты.
Так как чаще всего кислотные оксиды с солями не реагируют, тем более необычной кажется реакция оксида кремния IV с карбонатами.
Кремниевая кислота
Слабая, малорастворимая в воде кислота. Ее соли носят название — силикаты.
Поскольку кремниевая кислота малорастворима, то банальной реакцией SiO2 с водой ее не получить. Эту задачу решают в две стадии через ее соли — силикаты.
Кремниевая кислота слабая, нестойкая, легко распадается на воду и оксид кремния IV.
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2022
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
Химические свойства кремния – окислительные и восстановительные
Кремний – твёрдый неметалл, входящий в состав горных пород. При обычных условиях инертен, но при нагревании проявляет окислительные и восстановительные свойства. Химические свойства кремния использует силикатная промышленность для изготовления стекла, зеркал, электроники, строительного материала.
Общее описание элемента
Кремний расположен в четвёртой группе и третьем периоде таблицы Менделеева. Ядро атома кремния имеет положительный заряд +14. Вокруг ядра движется 14 отрицательно заряженных электронов.
Атом может переходить в возбуждённое состояние за счёт свободного d-подуровня. Поэтому элемент проявляет две положительные степени окисления (+2 и +4) и одну отрицательную (-4). Электронная конфигурация – 1s22s22p63s23p2.
Рис. 1. Строение атома кремния.
Кремний – хрупкий полупроводник с высокими температурами правления и кипения. Относительно лёгкий неметалл: плотность составляет 2,33 г/см3.
В чистом виде кремний не встречается. Входит в состав песка, кварца, агата, аметиста и других пород.
Реакции с неметаллами
При взаимодействии с неметаллами кремний проявляет восстановительные свойства – отдаёт электроны. Реакции возможны только при сильном нагревании. При нормальных условиях кремний реагирует только с фтором. Реакции с основными неметаллами приведены в таблице.
Элемент
Описание
Реакция
При обычных условиях
Взаимодействует при 600°C с образованием диоксида (песка)
Реагирует при 400°C
Si + 2Cl2 → SiCl4
Реагирует при 2000°C с образованием карборунда
Протекает при 1000°C
3Si + 2N2 → Si3N4
Реагирует при 1000°C
Взаимодействует при 2000°C
Гидрид кремния – силан (SiH4) – можно получить путём разложения силицидов кислотой. Например, Mg2Si + 2H2SO4 → SiH4 + 2MgSO4.
Взаимодействие с металлами
Окислительные свойства кремний проявляет только в реакциях с металлами. При сплавлении образуются соли – силициды:
- Si + 2Mg → Mg2Si;
- Si + 2Ca → Ca2Si;
- Si + Na → NaSi;
- 2Si + Fe → FeSi2.
Силициды используются в промышленности для производства сплавов и материалов. В качестве сверхпроводника используется силицид ванадия (V3Si), полупроводника – силицид рения (ReSi).
Реакции со сложными веществами
Помимо простых веществ кремний реагирует со сложными соединениями – кислотами и щелочами. Основные реакции описаны в таблице.
Реакция
Описание
Уравнение
Реагирует с плавиковой кислотой при обычных условиях, с соляной кислотой – при 300°С, с бромоводородом – при 500°С
– Si + 4HF → SiF4 + 2H2;
– Si + 4HCl → SiCl4 + 2H2;
– Si + 4HBr → SiBr4 + 2H2
Является устойчивым по отношению к кислотам, покрываясь оксидной плёнкой. Реакция идёт только со смесью азотной и плавиковой кислот
3Si + 4HNO3 + 18HF → 3H2[SiF6] + 4NO + 8H2O
В водных растворах растворяется, образуя силикаты и водород
Si + 2KOH + H2O → K2SiO3 + H2
При 1200°C кремний реагирует с диоксидом, образуя монооксид: Si + SiO2 → SiO.
Рис. 3. Применение кремния.
Что мы узнали?
Кремний – хрупкий неметалл, взаимодействующий с металлами, неметаллами и сложными веществами. В реакциях с металлами проявляет свойства окислителя, с неметаллами – восстановителя. Реагирует при нормальных условиях только с фтором, плавиковой кислотой (в том числе вместе с азотной кислотой), со щелочами. Остальные реакции протекают при повышенных температурах.
Учитель физики, информатики и вычислительной техники. Победитель конкурса лучших учителей Российской Федерации в рамках Приоритетного Национального Проекта «Образование».
http://studarium.ru/article/167
http://kupuk.net/uroki/himiya/himicheskie-svoistva-kremniia-okislitelnye-i-vosstanovitelnye/