Карта сайта | Контакты

Оксид кремния (IV) и кремниевые кислоты

Копия Iphone 6s

Оксид крем­ния SiO2 — твердое, очень тугоплавкое вещество (температура плавления более 1700 °С), широко распространенное в природе, где оно встречается главным образом в виде минерала кварца, а также кристобалита и тридимита.

При обычных температурах устойчивой модификацией яв­ляется кварц, с ростом температуры наблюдаются полиморфные превращения:

Кремнезем всех модификаций в виде мономера не существу­ет; он всегда полимерен и «построен» из тетраэдров [SiO4], обра­зующих очень прочную атомную решетку

Каждый атом кремния в кристаллах (SiO2)n тетраэдрически окружен четырьмя атомами кислорода, каждый из которых является мостиковым. Через общий атом кислорода тетраэдры [SiO4] под разными углами связываются друг с другом, образуя непрерывную трехмерную решетку; взаимное расположение тетраэдров [SiO4] в пространстве определяет ту или иную модификацию кремнезема.

В различных модификациях кремнезема прочность связей неодинакова. Это влияет на величину углов Si-О-Si и расстояний Si-О, например угол связи Si-О-Si в различных модификациях кремнезема изменяется от 120 до 180°. Переходы кварц-три­димит-кристобалит сопровождаются разрывом и преобразова­нием связей, что может происходить только при высоких темпе­ратурах.

Кварц. Нередко встречается в природе в форме чрезвычайно хорошо образованных кристаллов, иногда значительной величи­ны. Кристаллы образованы из тетраэдров, расположенных винто­образно вокруг центральной оси, в виде спирали. В одном и том же кристалле направление спирали может быть противополож­ным. Такие кристаллы являются оптическими изомерами. Они вращают плоскость поляризации света, причем могут быть как право-, так и левовращающими. Те и другие кристаллы отлича­ются как предмет от своего зеркального изображения.

Кварц используется в различных областях науки и техники, и его кристаллы часто выращиваются искусственно. Некоторые разновидности кварца носят особые названия. Прозрачные бесцветные кристаллы называют горным хрусталем. Встречаются и окрашенные разновидности кварца: розовый кварц, фиолетовый (аметист), темно-коричневый (дымчатый топаз), зеленый (хризопраз) и др. Мелкокристаллическая модификация кварца с примесями других веществ называется халцедоном. Разновидно­стями халцедона являются агат, яшма и др. Горный хрусталь и окрашенные разновидности кварца используют как драгоценные и полудрагоценные камни.

Тридимит встречается в вулканических породах, однако в очень небольших количествах. Известен тридимит и метеоритного происхождения.

Кристобалит в природе иногда встречается в виде мелких кристаллов, включенных в лаву, подобно тридимиту. Тридимит и кристобалит обладают более «рыхлой» структурой, нежели кварц. Так, плотность кристобалита, тридимита и кварца равна 2,32; 2,26 и 2,65 г/см3 соответственно.

Расплав кремнезема при медленном охлаждении легко образует аморфное кварцевое стекло. Кремнезем в виде стекла встречается и в природе. Плотность аморфного стекла равна 2,20 г/см3 — ниже, чем у всех кристаллических модификаций. Кварцевое стек­ло имеет незначительный температурный коэффициент расшире­ния, поэтому из него готовят лабораторную посуду, устойчивую к резким изменениям температуры.

Все модификации кремнезема в воде практически нераство­римы (при температуре 25 °С растворимость кварца составляет 7, кристобалита — 12, тридимита — 16, кварцевого стекла — 83 мг/л). Поэтому при обычных условиях на них действуют лишь растворы щелочей и плавиковая кислота:

SiO2 + 2КОН = К2SiO3 + Н2О, (1)

SiO2 + 4НF = SiF4↑ + 2Н2О.  (2)

Последняя реакция используется при «травлении» стекла.

Приставленый диоксид кремния реагирует с основными оксидами, щелочами (реакция (1)) и карбонатами с образованием силикатов:

SiO2 + СаО = СaSiO3, (3)

SiO2 + Na2СО3 = Nа2SiO3 + СО2.  (4)

Реакции (3) и (4) лежат в основе промышленного по­лучения различных стекол, а также цемента. Так, со­став обычного стекла (например, оконного, для изготовления по­суды) выражается формулой Na2О.СаО.6SiO2. Такое стекло получают сплавлением смеси соды, песка и известняка. Процесс проводят при температуре ~1400 °С до полного удаления газов:

Na2СО3 + СаСО3 + 6SiO2 = Nа2О.СаО.6SiO2 + 2СО2↑.

Для получения специальных сортов стекла — огнеупорного, «небьющегося» — при варке добавляют оксиды бария, свинца, бора. Для получения цветных стекол вносят также различные до­бавки, например добавка оксида кобальта Со2О3 дает синий цвет, оксида хрома Сr2О3 — зеленый, двуоксида марганца МnО2 — ро­зовый.

Оксид SiO2 является ангидридом ряда кремниевых кислот, состав которых можно выразить общей формулой хSiO2∙yН2O, где х и у — целые числа: 1) х = 1, у = 1: SiO2.Н2О, т.е. Н2SiO3метакремниевая кислота; 1) х = 1, y = 2: SiO2.2О, т.е. ортокремниевая кислота; 1) x = 2, у = 1: 2SiO2.Н2О, т.е. Н2Si2O5двуметакремниевая кислота.

Кислоты, молекулы которых содержат более одной молекулы SiO2, относятся к поликремниевым.

Самая простая из кремниевых кислот — Н2SiO3, которую часто называют просто кремниевой, а ее соли — силикатами. Из силикатов в воде растворимы только силикаты натрия и калия, остальные силикаты — тугоплавкие, нерастворимые в воде вещества.

Растворы силикатов мутнеют при стоянии на воздухе, так как находящийся в нем СО2 вытесняет кремниевую кислоту из ее со­лей (Н2SiO3 слабее угольной кислоты; константа диссоциации Н2SiO3 по первой ступени равна К1 = 2,2.10-10).

Н2SiO3 практически нерастворима в воде — это свойство используют как качественную реакцию для обнаружения силикат-ионов:

Na2SiO3 + СО2 + Н2О = Nа2СО3 + Н2SiO3↓.

Получают силикаты сплавлением SiO2 со щелочами или кар­бонатами.

Концентрированные растворы силикатов натрия и калия называют жидким стеклом, они имеют сильнощелочную реакцию вследствии того, что сильно гидролизованы:

К2SiO3 + Н2О 2КОН + Н2SiO3↓.

Жидкое стекло используют, например, для изготовления клея, водонепроницаемых тканей.

Цемент очень широко используется в строительстве как вяжущий материал, который при смешивании с водой затвердевает. Обычно цемент получают в больших вращающихся печах, где производят обжиг и размол различных силикатов (при температу­ре -1000 °С).

Различают несколько типов цементов, однако условно можно выделить два типа цементов по принципу их «свертывания» — обычный цемент и портландский цемент. Процесс «схватывания» обычного цемента, состоящего из силиката кальция, происходит вследствие образования карбоната кальция за счет углекислого газа воздуха:

СаО.SiO2 + СО2 + Н2О = СаСО3↓ + Н2SiO3↓.

При схватывании портландского цемента углекислота не уча­ствует в процессе, а происходит гидролиз силикатов с последующим образованием нерастворимых кристаллогидратов:

Са3SiO5 + Н2О = Са2SiO4 + Са(ОН)2,

Са2SiO4 + 4Н2О = Са2SiO4.2O.

А знаете ли вы что ... Химики создали новое волокно - винол. Оно также хорошо поглощает воду, как и хлопок. Нитью из винола охотно воспользуется хирург - через несколько часов после операции она бесследно растворяется в организме больного. Автомашинам и самолетам винол даст долговечные шины. А рыбакам - прочные рыболовные снасти и канаты. Винол не боится влаги и не поддается гние­нию.