Кремній

Найближчий аналог вуглецю – кремній – є третім (після кисню і водню) за поширеністю елементом: на його частку припадає 16,7 % від загального числа атомів земної кори. Якщо вуглець можна вважати основним елементом для органічного життя, то кремній відіграє подібну ж роль по відношенню до твердої земній корі, так як головна частина її маси складається з силікатних порід, що представляють собою сполуки кремнію з киснем і рядом інших елементів.

Елементарний кремній може бути отриманий відновленням його двоокису (SiC) магнієм. Реакція починається при підпалюванні суміші тонко подрібнених речовин і протікає за рівнянням

SiO2 + 2Mg = 2MgO + Si

Для звільнення від MgO і надлишку SiO2 продукт реакції послідовно обробляють соляної і плавикової кислотами.

1) Практично кремній отримують зазвичай у вигляді сплаву з залізом (феросиліцію) сильним розжарюванням суміші SiO2, залізної руди та вугілля. Найважливіше застосування феросиліцій знаходить в металургії, де він вживається для введення кремнію в різні сорти спеціальних сталей і чавунів.

Властивості кремнію сильно залежать від величини його частинок. Одержуваний – при відновленні SiO2 магнієм аморфний кремній являє собою бурий порошок. Перекрісталлізовивая його з деяких розплавлених металів (наприклад, Zn), можна отримати кремній у вигляді сірих, твердих, але досить крихких кристалів з щільністю 2,4. Кремній плавиться при 1415 °С і кипить при 2620 °С.

Кристалічний кремній хімічно досить інертний, тоді як аморфний значно більш реакционноспособен. З фтором він реагує вже при звичайних умовах, з киснем, хлором і сірою – близько -500 °С. При дуже високих температурах кремній здатний з’єднуватися також з азотом та вуглецем. Він розчинний у багатьох розплавлених металах, причому з деякими з них утворює сполуки (наприклад, Mg2 Si), звані силіциди.

Кислоти на кремній за звичайних умов не діють (за винятком суміші HF + HNO3). Лугу з виділенням водню переводять його в солі кремнієвої кислоти:

Si + 2NaOH + H2 O = Na2 SiO3 + 2Н2

Найбільш характерним і стійким з’єднанням кремнію є його двоокис (SiC2), утворення якої з елементів йде з дуже великим виділенням тепла:

Si + O2 = SiO2 + 203 ккал

Двоокис кремнію являє собою безбарвне тверда речовина, плавящееся лише при 1713 °С.

Вільна двоокис кремнію (інакше, кремнезем, кремінний ангідрид) зустрічається переважно у вигляді мінералу кварцу, який складає основу звичайного піску. Останній є одним з головних продуктів руйнування гірських порід і одночасно одним з найважливіших будівельних матеріалів, світове споживання якого становить близько 500 млн. т щорічно. На частку вільного двоокису кремнію припадає приблизно 12% від ваги земної кори. Набагато більша кількість SiO2 (близько 43 % від ваги земної кори) хімічно пов’язане у складі різних гірських порід. Загалом, отже, земна кора більш ніж на половину складається з двоокису кремнію.

2) Великі прозорі кристали кварцу (щільність 2,65) часто називають гірським кришталем, забарвлену у фіолетовий колір різновид – аметистом і т. д. До дрібнокристалічним модифікаціям кремнезему (з домішками інших речовин) відносяться агат, яшма і т. д.

3) На основі SiO2 готується важливий вогнетривкий матеріал – динас. Останній отримують випаленням при 1500 °С подрібненого кварцу, до якого додано 2-2,5 % вапна. Динасовий цегла розм’якшується лише близько 1700 °С і служить, зокрема, для викладки склепінь мартенівських печей.

У воді SiO2 практично не розчинна. Не діють на неї і кислоти, за винятком HF, яка реагує за схемою:

SiO2 + 4HF = SiF4 + 2Н2 Про

Луги поступово переводять SiO2 в розчин, утворюючи відповідні солі кремнієвої кислоти (звані кремнекіслий або силікатами), наприклад, по реакції:

SiO2 + 2NaOH = Na2 SiO3 + Н2 О

Практично кремнекіслие солі отримують зазвичай шляхом сплаву SiO2 з відповідними карбонатами, з яких при високій температурі виділяється СО2, наприклад, за схемою:

SiO2 + Na2 CO3 = Na2 SiO3 + СО2

У результаті реакція зводиться до виділення вугільної кислоти кременевої кислотою.

Кремнекіслие солі, як правило, безбарвні, тугоплавки і практично нерозчинні у воді. До числа дуже небагатьох розчинних відноситься Na2 Si03. У практиці цю сіль часто називають «розчинним склом», а її водні розчини – «рідким склом».

4) Виробництво силікату натрію досягає досить значних розмірів (порядку сотень тисяч тонн щорічно), так як «рідке скло» використовується для зміцнення грунтів при будівельних роботах і в ряді галузей промисловості. Розчини його слід тримати в посудинах з гумовими пробками (так як скляні і коркові сильно приклеюються до шийки).

Так як кремінна кислота дуже слабка, «рідке скло» показує в результаті гідролізу різко лужну реакцію, а силікати слабких основ гідролізувати в розчині практично

без остачі. З тієї ж причини кремінна кислота виділяється з розчинів своїх солей багатьма іншими кислотами, в тому числі вугільної.

Якщо в розчині вугільна кислота виділяє кремінну з її солей, то при прожарюванні, як вже зазначалося вище, відбувається зворотне виділення. Перший напрямок обумовлено меншою силою (ступенем дисоціації) кремнієвої кислоти, друге- її меншою летючість при нагріванні. Так як ряд кислот по їх порівняльної летючості може різко відрізнятися від ряду тих же кислот по їх силі, напрямки реакцій виділення в розчині, з одного боку, і при прожарюванні, з іншого – Moгутбить також дуже різними, що видно хоча б з наведеній нижче в як приклад схеми.

мінерали:

ортоклаз – K2 Al2 Si6 O16 або K2 O • Al2 O3 • 6SiO2

альбіт – Na2 Al2 Si6 O16 або Na2 O • Al2 O3 • 6SiO2

анортіт – CaAl2 Si2 O8 або CaO • Al2O3 • 2SiO2

можуть бути названі в якості основних їх представників.

6) Просторова будова ряду силікатів було вивчено за допомогою рентгенівських променів. При цьому з’ясувалося, що досліджені структури можуть бути класифіковані з розбивкою на невелике число типів, що відрізняються один від одного характером поєднання тетраедричних іонів SiO4 4 -.

Деяким з таких типів відповідають найпростіші силікатні аніони. Як видно з рис. 142, сюди відносяться перш за все випадки заповнення вузлів просторової грати індивідуальними іонами SiO4 4 -. Другий тип характеризується наявністю у вузлах решітки іонів Si2 O7 6 – (утворених двома тетраедрами SiO4 4- з одним загальним кутом), третій – наявністю у вузлах решітки циклічних іонів Si3 O9 6 – (утворених трьома тетраедрами SiO4 4- з двома общіміугламі у кожного з них).

Посилання на основну публікацію