Физические свойства

КРЕМНИЙ

Жесткость воды

Природная вода, содержащая ионы Ca²⁺ и Mg²⁺, называется жесткой. Жесткая вода при кипячении образует накипь, в ней не развариваются пищевые продукты; моющие средства не дают пены.

Различают временную (карбонатную) и постоянную (некарбонатную) жесткость. Карбонатная жесткость обусловлена присутствием в воде гидрокарбонатов кальция и магния Сa(HCO₃)₂, Mg(HCO₃)₂; некарбонатная жесткость – хлоридов и сульфатов этих металлов MgCl₂, СаСl₂; CaSO₄, MgSO₄. Сумма временной и постоянной жесткости составляют общую жесткость воды.

Жесткость воды выражается числом миллимолей эквивалентов ионов Ca²⁺ и Mg²⁺, содержащихся в 1 л воды (ммоль/л). Один миллимоль эквивалентов жесткости отвечает содержанию 20 мг/л ионов Ca²⁺ или 12 мг/л ионов Mg²⁺. По значению жесткости воду условно делят на мягкую (до 4 ммоль экв./л), средней жесткости (4 – 8) ммоль экв./л), жесткую (8 – 12 ммоль экв./л) и очень жесткую (более 12 ммоль экв./л)

Удаление жесткости воды осуществляется путем осаждения из раствора ионов Ca²⁺ и и Mg²⁺:

1) кипячением: Сa(HCO₃)₂ –^t°® CaCO₃¯ + CO₂ + H₂O

Mg(HCO₃)₂ –^t°® Mg(ОН)₂¯ + 2CO₂

2) добавлением известкового молока:

Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ ® 2CaCO₃¯ + 2H₂O

3) добавлением соды:

Ca(HCO₃)₂ + Na₂CO₃ ® CaCO₃¯+ 2NaHCO₃

CaSO₄ + Na₂CO₃ ® CaCO₃¯ + Na₂SO₄

MgCl₂ + Na₂CO₃ ® MgCO₃¯ + 2NaCl

4) пропусканием через ионнообменную смолу

а) катионный обмен:

2RH + Ca²⁺ ® R₂Ca + 2H⁺

б) анионный обмен:

2ROH + SO₄^2- ® R₂SO₄ + 2OH^-

(где R - сложный органический радикал)

Для удаления временной жесткости используют все четыре способа, а для постоянной - только два последних.

Второй по распространённости (после кислорода) элемент в земной коре. На его долю приходтся 27% от массы земной коры. В свободном состоянии не встречается. Распространен только в соединениях: в виде диоксида кремния или кремнезема SiO₂ и в виде солей кремниевых кислот (силикатов) и алюмосиликатов.

Получают восстановление SiO₂ магнием (аморфный кремний) или коксом (кристаллический кремний):

2Mg + SiO₂ –^t°→ 2MgO + Si

2С + SiO₂ –^t°→ Si + 2CO

Кремний существует в двух аллотропных модификациях:

Кристаллический кремний – тёмно-серое вещество с металлическим блеском, обладает большой твёрдостью, хрупок, полупроводник; ρ = 2,4 г/см³, t°_пл =1415°C; t°_кип = 2680°C. Имеет алмазоподобную структуру (sp³- гибридизация атомов кремния) и образует прочные ковалентные σ-связи. Инертен.

Аморфный кремний – бурый порошок, гигроскопичен, ρ = 2,33 г/см³, более реакционноспособен.

Химические свойства

Типичный неметалл, инертен.

Восстановительные свойства:

1. взаимодействует с кислородом

Si + O₂ –^t°→ SiO₂

2. с фтором (без нагревания)

Si + 2F₂ → SiF₄

3. с углеродом

Si + C –^t°→ SiC(карбид кремния)

В промышленности карбид кремния получают при накаливании смеси песка и кокса в электрической печи и полученный продукт называют карборундом.

SiO₂ + 3С = SiC+ 2СО

SiC – карборунд очень твердый и огнеупорный. Из порошка карборунда изготовляются шлифовальные круги, бруски, шлифовальную бумагу. Из него готовят муфели и футировку для различных печей.

4. с кислотами не реагирует, растворяется только в смеси азотной и плавиковой кислот:

3Si + 4HNO₃ + 18HF → 3H₂[SiF₆] + 4NO↑ + 8H₂O

5. со щелочами (при нагревании):

Si + 2NaOH + H₂O → Na₂SiO₃+ 2H₂↑

Окислительные свойства:

с металлами (образуются силициды):

Si + 2Mg –^t°→ Mg₂Si

При действии соляной кислоты на Mg₂Si получается кремневодород (силан), подобный метану:

Mg₂Si + 4HCl = 2MgCl₂ + SiH₄↑

С кислородом кремний образует оксид SiO₂ – кварц, горный хрусталь, аметист, агат, яшма, опал, кремнозём (основная часть песка) – твёрдое, тугоплавкое вещество, t°_пл= 1728°C, t°_кип= 2590°C. SiO₂ является кислотным оксидом, при сплавлении взаимодействует с основными оксидами, щелочами, а также с карбонатами щелочных и щелочноземельных металлов:

SiO₂ + CaO → CaSiO₃

SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O

SiO₂ + K₂CO₃ → K₂SiO₃ + CO₂↑

SiO₂ + 4HF = SiF₄↑ + 2H₂O

3SiF₄ + 3H₂O = 2H₂SiF₆ + H₂SiO₃

Оксиду кремния соответствуют кремниевые кислоты: x·SiO₂·yH₂O

x = 1, y = 1 H₂SiO₃ – метакремниевая кислота

x = 1, y = 2 H₄SiO₄ – ортокремниевая кислота и т.д.

H₂SiO₃ – очень слабая (слабее угольной), непрочная, в воде малорастворима (образует коллоидный раствор), не имеет кислого вкуса, при нагревании разлагается. Соли кремниевой кислоты называются силикатами. Из силикатов растворимы только соли натрия и калия. Они получаются при сплавлении:

SiO₂ + 2NaOH = Na₂SiO₃ + H₂O; SiO₂ + K₂CO₃ = K₂SiO₃ + CO₂↑

Благодаря внешнему сходству со стеклом и растворимости в воде силикаты натрия и калия называются растворимым стеклом. Растворимое стекло в виде водных растворов называется жидким стеклом.

Силикаты очень распространены в природе (кроме Na и К). К ним принадлежат полевые шпаты, слюды, глины, асбест, тальк и многие другие минералы. Они входят в состав многих горных пород: гранита, гнейса, сланцев. Химический состав природных силикатов выражается сложными формулами и их принято изображать в виде оксидов: пишут отдельно формулы диоксида кремния и всех оксидов, образующих силикат, соединяя их точками: Na₂O∙CaO∙6SiO₂.

В кристаллических решетках силикатов часть атомов кремния может замещаться атомами алюминия вследствие близости их радиусов. Силикаты, содержащие в своем составе алюминий, называются алюмосиликатами. Самыми важными из них являются полевые шпаты, составляющие около 50% массы земной коры. Основные представители полевых шпатов являются

ортоклаз K₂O∙Al₂O₃∙6SiO₂; альбит Na₂O∙Al₂O₃∙6SiO₂; анортит CaO∙Al₂O₃∙2SiO₂.

На поверхности Земли минералы и горные породы, соприкасаясь с атмосферой и подвергаясь механическому и химическому действию воды и воздуха, постепенно изменяются и разрушаются. Это разрушение называется выветриванием. Например, разложение ортоклаза выражается уравнением:

K₂O∙AL₂O₃∙6SiO₂ + CO₂ + nH₂O = K₂CO₃ + 4SiO₂∙(n-2)H₂O + Al₂O₃∙2SiO₂∙2H₂O

каолин

Чистый каолин, составляющий основу различных глин, встречается редко. Он имеет белый цвет и содержит лишь незначительную примесь кварцевого песка. Такой каолин используется для изготовления фарфора. Обычная глина представляет собой смесь каолина с другими глинистыми минералами, окрашивающими ее в желтовато-бурый цвет оксидами железа. Наиболее важными свойствами глин является набухаемость, пластичность и связующая способность. В смеси с определенным количеством воды глины образуют пластическую массу, которая под влиянием механических воздействий может принимать любую форму и сохранять ее при высыхании, а после обжига приобретать свойства камня. Глины находят широкое применение в строительстве. Они используются в качестве строительного материала в сыром виде или после обжига при высоких температурах – в виде красного строительного кирпича, черепицы, облицовочной плитки и т.д.

Дата добавления: 2014-01-04