Соединения кремния

Кремний и его соединения

Кремний второй по распространенности элемент земной коры (20 мол.%). Земная кора более чем наполовину состоит из кремнезема - SiO₂, силикатных или алюмосиликатных пород. Кремнезем имеет несколько модификаций, в природе встречается в виде минерала кварца, кристаллическая модификация SiO₂ - горный хрусталь. Окрашенные кристаллы горного хрусталя - аметист, топаз. Мелкокристаллические и аморфные образцы диоксида кремния - агат, яшма, халцедон, опал.

Кремний образует несколько аллотропных модификаций, наиболее устойчива из которых алмазоподобная.

Получают кремний восстановлением его диоксида или хлорида, а также разложением термически неустойчивых соединений:

t t

SiO₂ + C = Si + CO₂; SiCl₄ + 2Zn = Si + 2ZnCl₂:

t t

SiH₄ = Si + 2H₂; SiI₄ = Si + 2I₂

Химические свойства. В обычных условиях кремний очень устойчив и реагирует только со фтором:

Si + 2F₂ = SiF₄

При нагревании взаимодействует с другими неметаллами, исключая водород:

t t

Si + 2Cl₂ = SiCl₄; Si + O₂ = SiO₂

t t

3Si + 2N₂ = Si₃N₄; Si + C = SiC

При высоких температурах кремний реагирует с активными металлами:

t

Si + 2Mg = Mg₂Si

На кремний действует только смесь концентрированной азотной и плавиковой кислот:

3Si + 4HNO₃ + 18HF = 3H₂SiF₆ + 4NO­ + 8H₂O

При нагревании кремний растворяется в водных растворах щелочей:

t

Si + 2KOH + H₂O = K₂SiO₃ + 2H₂­

Степень окисления -4 для кремния нехарактерна и реализуется только в бинарных соединениях с активными металлами - силицидах. Силициды переходных металлов являются бертолидами, устойчивы к действию кислот и окислителей. Силициды непереходных металлов гидролитически неустойчивы, легко разлагаются водой и кислотами:

Mg₂Si + 4HCl = 2MgCl₂ + H₄Si­

Соединения кремния с водородом (силаны) нестойки, на воздухе самопроизвольно воспламеняются.

Из соединений кремния(II) известен только оксид - SiO, полученный взаимодействием кремния с его диоксидом при высоких температурах:

t

Si + SiO₂ = 2SiO

Соединения кремния(IV) наиболее многочисленны. Их типичными представителями являются SiHal₄, SiO₂, SiS₂, Si₃N₄, SiC.

Галогениды: SiF₄ - газ, SiCl₄ и SiBr₄ - жидкости. Галогениды кремния очень реакционноспособны, легко гидролизуются.

SiCl₄ + 3H₂0 = H₂SiO₃ + 4HCl

SiF₄ + 2HF = H₂SiF₆

Гексафторкремниевая кислота - H₂SiF₆ - в чистом виде неустойчива, образует соли - гексафторсиликаты. Na₂SiF₆ применяется в качестве гербицида, при производстве стекол.

Диоксид кремния - SiO₂ - кристаллическое вещество полимерного строения. Очень твердое и химически устойчивое, имеет низкий коэффициент температурного расширения, что позволяет использовать его для производства термостойкого стекла. Кварцевое стекло прозрачно для ультрафиолетового излучения и выдерживает большие перепады температур.

По химическим свойствам SiO₂ кислотный оксид, но с водой не реагирует. Растворяется в растворах щелочей при нагревании:

t

SiO₂ + 2KOH = K₂SiO₃ + H₂O

Легко реагирует со фтором, фтороводородом и его водными растворами:

SiO₂ + 2F₂ = SiF₄ + O₂

SiO₂ + 6HF = H₂SiF₆ + 2H₂O

Кремний образует ряд кремниевых кислот, большинство из которых известно только по их солям - силикатам. В качестве индивидуальных веществ описаны ортокремниевая кислота - H₄SiO₄ и мета­кремниевая кислота - H₂SiO₃. Ортокремниевая кислота получается в виде водного раствора при гидролизе некоторых соединений кремния, например, его дисульфида:

SiS₂ + 4H₂O = H₄SiO₄ + 2H₂S

Полученное вещество неустойчиво и при длительном хранении раствора полимеризуется.

Метакремниевая кислота образуется в виде золя или геля при действии сильных кислот на растворы силикатов:

Na₂SiO₃ + 2HCl = H₂SiO₃¯ + 2NaCl

Вещество нестойко, при хранении, а также при нагревании теряет воду, образуя в конечном итоге диоксид кремния.

H₂SiO₃ = SiO₂ + H₂O

H₂SiO₃ - слабая двухосновная кислота, образует соли - метасиликаты или просто силикаты. Силикаты щелочных металлов хорошо растворимы в воде, сильно гидролизованы.

SiO₃^2- + H₂O HSiO₃^- + H⁺

Известно несколько типов полимерных силикатов - солей поликремниевых кислот, содержащих полимерные анионы, построенные из тетраэдров SiO₄^4-. В природе широко распространены алюмосиликаты, содержащие также тетраэдры AlO₄^5-, например, K₂O×Al₂O₃×6SiO₂ - ортоклаз (полевой шпат), Al₂O₃×6SiO₂×2H₂O - каолин.

Для силикатов характерно образование переохлажденных расплавов - стекол. Обычное оконное стекло получают сплавлением соды, песка и извести:

t

Na₂CO₃ + CaCO₃ + 6SiO₂ = Na₂O×CaO×6SiO₂ + 2СО₂

Примеси оксидов других металлов придают стеклу окраску: оксиды железа - зеленую, оксиды марганца - коричневую. Изменяя состав сырья, получают специальные стекла: K₂O×CaO×6SiO₂ - тугоплавкое стекло, K₂O×PbO×6SiO₂ - хрусталь. Вызванная специальными добавками частичная кристаллизация силикатов приводит к образованию ситаллов - очень прочных стекол.

Как уже отмечалось, в отличие от углерода, кремний не образует устойчивых гомоцепей. Но чередование атомов кремния с атомами кислорода приводит к образованию очень устойчивых соединений - силоксанов мономерного и полимерного строения:

гексаметилдисилоксан силиконы

Полимерные силоксаны - силиконы - термостойки, устойчивы к окислению и гидрофобны. Некоторые силиконы растворяют до 20% кислорода, что позволяет использовать их в медицине при лечении легочных заболеваний.

Дата добавления: 2014-10-15