Уравнение оксид кальция оксид кремния

Реакция взаимодействия оксида кремния и оксида кальция

SiO₂ + CaO CaSiO₃

• CaO_(к.) + SіO_{2(α-кварц)} = CaSiO_3(к.), ΔH 0 ₂₉₈ = -88 кДж/моль.

• SiO_{2(α-кварц)} + CaO_(к.) = CaSiO_3(к.), ΔG 0 ₂₉₈ = -112 кДж.

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.

Силикат кальция: свойства, строение, получение, применение.

Силикат кальция: свойства, строение, получение, применение. — Наука

Содержание:

В силикат кальция это название, данное группе химических соединений, образованных оксидом кальция (CaO) и кремнеземом (SiO₂). Общая формула этих соединений: xCaO • ySiO₂• zH₂ИЛИ.

Это белые или желтовато-белые твердые вещества. Они могут быть безводными, то есть без воды (H₂O) в своей структуре или может содержать его. В природе они входят в состав нескольких видов минералов.

Силикаты кальция нерастворимы в воде, но когда они соединяются с ней, они образуют гидратированные гели (такие материалы, как желатин), которые очень твердые, устойчивые и почти водонепроницаемые при застывании.

Это привело к их использованию в строительной отрасли, так как они используются в цементе, кирпиче и влагоизоляционных панелях. Они также являются частью материалов для заживления перфораций в зубах и даже были изучены для использования при регенерации костей, то есть в качестве биоматериала.

Они были предложены для уменьшения загрязнения, создаваемого некоторыми металлургическими предприятиями. Они также используются в качестве генераторов трения в тормозах и сцеплениях транспортных средств.

Состав

Силикат кальция может содержать различное количество оксида кальция (CaO) и кремнезема (SiO₂). Его общая формула:

где x, y и z — числа, которые могут иметь различные значения.

Количество CaO должно составлять от 3% до 35% (по массе в пересчете на сухое вещество), а содержание SiO₂ Оно должно составлять 50-95% (по весу в пересчете на сухое вещество). Они могут быть безводными (без воды в своей структуре, то есть в формуле z = 0) или могут быть гидратированными (вода является ее конформацией).

Номенклатура

• Силикат кальция
• Кальциевая соль кремниевой кислоты
• Оксид кальция и кремний

Свойства

Физическое состояние

Очень мелкое твердое вещество белого или не совсем белого цвета.

Молекулярный вес

Метасиликат кальция CaO • SiO₂ или CaSiO₃ = 116,16 г / моль

Температура плавления

CaSiO Метасиликат кальция₃ = 1540 ° С

Плотность

CaSiO Метасиликат кальция₃ = 2,92 г / см

Растворимость

Нерастворим в воде и этаноле.

pH

Грязь, приготовленная с 5% силикатом кальция, может иметь pH 8,4-12,5.

Другие свойства

Силикат кальция может быть гидратированным (с водой в молекуле) или безводным (без воды в молекуле) с различными пропорциями кальция в виде оксида кальция CaO и диоксида кремния в виде диоксида кремния SiO.₂.

Обладает высокой водопоглощающей способностью. Метасиликат кальция (CaO • SiO₂ или CaSiO₃) отличается блеском и белизной, низкой влажностью, низким содержанием летучих веществ и хорошей абсорбцией масла.

Среди гидратов силиката кальция есть те, которые образуются при добавлении воды к Ca₂да₅ и в Ca₃да₅. Продукты гидратации этих двух соединений наиболее распространены в определенных типах цемента.

Получение

Силикат кальция получают различными способами путем взаимодействия кремнистого материала (такого как диатомовая земля) и соединений кальция (таких как гидроксид кальция (Ca (OH))₂).

Силикат кальция можно получить, например, прокалив оксид кальция (CaO) с кремнеземом (SiO₂) при повышенных температурах.

Когда реакция проводится при мольном соотношении 1: 1 (это означает, что существует такое же количество молекул CaO, что и SiO₂) приводит к образованию метасиликата кальция CaSiO₃ o CaO • SiO₂:

Приложения

При получении кирпичей

Из силиката кальция изготавливаются блоки или кирпичи для строительства. Их получают из мелкодисперсного кремнеземистого материала и негашеной или гашеной извести. Можно добавить инертные пигменты, чтобы придать кирпичу другой цвет.

Блоки формуют под давлением и выдерживают в автоклаве (паровой печи) при 170 ° C в течение 4-6 часов. Во время отверждения часть извести вступает в реакцию с кремнеземистым материалом с образованием гидрата силиката кальция, который скрепляет кирпичи.

Однако кирпичи из силиката кальция имеют тенденцию к расширению и усадке больше, чем кирпичи из глины, что иногда может вызвать растрескивание кладки.

Это привлекло внимание, и они были признаны потенциально опасными.

В портландцементе

Силикаты кальция входят в состав портландцемента, который широко используется в строительной индустрии.

Портландцемент — это гидравлический цемент, который получают путем измельчения материалов, состоящих в основном из гидратированных силикатов кальция и сульфата кальция CaSO.₄ (бросать).

Он быстро затвердевает из-за реакции гидратации, в результате которой образуется гель гидратированного силиката кальция. В результате получается прочный, плотный и плохо проницаемый материал (который не пропускает воду).

Содержащиеся в нем силикаты представляют собой силикат трикальция Ca₃да₅ o 3CaO.SiO₂ и силикат дикальция Ca₂да₄ или 2CaO.SiO₂.

Обездвижить радиоактивный мусор

Силикаты кальция в цементе могут варьироваться по весу. Состав портландцемента может меняться в зависимости от типа строительной конструкции, для которой он предназначен.

Некоторые виды этого цемента используются для иммобилизации радиоактивных отходов, чтобы они не причиняли вреда людям или окружающей среде.

Как изолятор для зданий

Силикат кальция используется для получения плит из пенопласта или изоляционных плит из минерального сырья.

Они служат для изоляции стен от влаги. CaO и SiO смешиваются₂ с водой и добавлением 3-6% целлюлозы, что улучшает гибкость и стабильность кромок.

Образовавшийся шлам разливают в формы, а затем нагревают паром при высоком давлении и температуре в специальной паровой печи, называемой автоклавом.

В результате получается жесткая пена с очень мелкими порами, которую разрезают на листы или доски и обрабатывают специальными добавками, чтобы она могла отталкивать воду.

Пена силиката кальция используется в строительном секторе, особенно для утепления стен и улучшения защиты от влаги, особенно полезна при ремонте старых зданий.

Снизить загрязнение в металлургической промышленности

Дикальций силикат Ca₂да₄ или 2CaO.SiO₂ обнаруженный в шлаке или отходах производства стали, использовался для осаждения растворенных металлов в кислотных стоках других металлургических процессов.

Осаждение означает, что растворенный металл становится частью твердого соединения, которое идет на дно контейнера и может быть собрано.

CA₂да₄ присутствующий в стальном шлаке реагирует с водой и производит Ca (OH)₂ который обладает способностью нейтрализовать кислотность кислых растворов металлов от других процессов:

В дополнение к нейтрализации соединение силиката кальция может адсорбировать некоторые ионы металлов M 2+ обменом с ионом кальция Ca 2+ . Вот схема:

≡Si-O-Ca + M 2+ → ≡Si-O-M + Ca 2+

Твердое соединение, содержащее металл, затем можно использовать для другой цели и не выбрасывается. Это пример промышленной экологии.

В биоматериалах

Керамика из силиката кальция начала испытываться в качестве биоматериала с 1990 года. Ее изучали на предмет их потенциального использования в регенерации костной ткани, поскольку они обладают более высокой биологической активностью, чем другие материалы.

Это связано с тем, что они содержат кремний (Si), который играет важную роль в механизмах, которые приводят к образованию новой кости.

Цементы на основе силиката кальция обладают способностью вызывать образование покрытия из фосфата / апатита кальция при погружении в биологические жидкости и способствовать регенерации тканей.

По этим причинам он считается подходящим материалом для восстановления костей.

В биодентине

Силикат кальция входит в состав биодентина. Это материал, который используется для заживления перфораций зубов, резорбции кости и в качестве пломбы для концов корней зубов.

Биодентин — это биоактивный цемент с низкой пористостью, который обладает большей механической прочностью или твердостью, чем другие материалы, и похож на дентин.

Он состоит из силиката трикальция (Ca₃да₅), силикат дикальция (Ca₂да₅), карбонат кальция (CaCO₃) и оксид циркония. При смешивании с водой силикаты кальция образуют липкий гидратированный гель, который через некоторое время затвердевает, создавая твердую структуру.

Он оказывает положительное влияние на клетки пульпы зуба и ускоряет образование мостиков в дентине, где выделяются прочность сцепления, микротвердость и сопротивление сжатию.

Другие приложения

Силикаты кальция также используются в качестве агентов, препятствующих слеживанию, и фильтрующих добавок.

CaSiO метасиликат кальция₃ Он используется в керамике, в устройствах, где требуется трение, таких как автомобильные тормоза и сцепления, а также для получения металлов.

Благодаря высокой яркости и белизне CaSiO₃ Используется для заливки красок и пластмасс.