Оксид кремния (IV)
Соединения кремния с водородом и галогенами
При действии соляной кислоты на силицид магния Mg 2 Si получается кремневодород (силан) SiН 4 , подобный метану:
Mg 2 Si + 4 НС1 = 2 MgСl 2 + SiН 4
Силан SiН 4 - бесцветный газ, самовоспламеняющийся на воздухе и сгорающий с образованием диоксида кремния и воды:
SiН 4 + 2 О 2 = SiO 2 + 2 Н 2 О
Силан легко гидролизуется, особенно в щелочной среде:
SiH 4 + 2H 2 O = SiO 2 + 4H 2
SiH 4 + 2NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 4H 2
Хлорид кремния SiCl 4 получается нагреванием смеси диоксида кремния с углем в струе хлора:
SiO 2 + 2 С + 2 С1 2 = SiСl 4 + 2 CO
или хлорированием технического кремния. Он представляет собой жидкость, кипящую при 57 °С.
При действии воды хлорид кремния подвергается полному гидролизу с образованием кремниевой и соляной кислот;
SiСl 4 + 3 Н 2 О = Н 2 SiO 3 + 4 НСl
Хлорид кремния применяется для синтеза кремнийорганических соединений.
Фторид кремния SiF 4 образуется при взаимодействии фтористого водорода с диоксидом кремния:
SiO 2 + 4 НF = SiF 4 + 2 Н 2 О
Это - бесцветный газ с резким запахом.
Как и хлорид кремния, в водных растворах SiF 4 гидролизуется:
SiF 4 + 3 Н 2 О = Н 2 SiO 3 + 4 НF
Образующийся фторороводород взаимодействует с SiF 4 . При этом получается гексафторокремниевая (или кремнефтористоводородная) кислота H 2 SiF 6:
3 SiF 4 + 3 Н 2 О ═ 2 H 2 SiF 6 + H 2 SiO 3
По силе гексафторокремниевая кислота близка к серной. Соли ее - кремнефториды, или фторосиликаты, в большинстве своем растворимы в воде; малорастворимы соли натрия, калия, рубидия, цезия, практически нерастворима соль бария. Сама кислота и все фторосиликаты ядовиты..
Наиболее стойким соединением кремния является диоксид кремния, или кремнезем, SiO 2 . Он встречается как в кристаллическом, так и в аморфном виде.
Кристаллический диоксид кремния находится в природе главным образом в виде минерала кварца.
Кристаллический диоксид кремния очень тверд, нерастворим в воде и плавится около 1610° С, превращаясь в бесцветную жидкость. По охлаждении этой жидкости получается прозрачная стекловидная масса аморфного диоксида кремния, по виду сходного со стеклом.
Аморфный диоксид кремния распространен в природе гораздо меньше, чем кристаллический. На дне морей имеются отложения тонкого пористого аморфного кремнезема, называемого трепелом или кизельгуром. Эти отложения образовались из SiO 2 , входившего в состав организмов диатомовых водорослей и некоторых инфузорий.
1) SiO 2 – кислотный оксид, поэтому аморфный кремнезем медленно растворяется в водных растворах щелочей, образуя соответствующие соли кремневой кислоты (силикаты):
SiO 2 + 2 NaOH ═ Na 2 SiO 3 + H 2 O
2) SiO 2 взаимодействует также при нагревании с основными оксидами:
SiO 2 + K 2 O = K 2 SiO 3
SiO 2 + CaO = CaSiO 3
3) Будучи нелетучим оксидом, SiO 2 вытесняет углекислый газ из Na 2 CO 3 (при сплавлении):
SiO 2 + Na 2 CO 3 = Na 2 SiO 3 + CO 2
4) Кислоты, за исключением плавиковой, не действуют на диоксид кремния. Плавиковая же кислота легко вступает с ним в реакцию, образуя фторид кремния и воду:
SiO 2 + 4 HF ═ SiF 4 + 2 H 2 O
5) При температуре SiO 2 взаимодействует с газообразным HF и F 2 , образуя тетрафторсилан (тетрафторид кремния):
SiO 2 + 4HF = SiF 4 + 2H 2 O
Хлорoсиланы - важнейшие реагенты химической промышленности, многие из которых получают с помощью хлорирования связи кремний-водород (Si-H). Такое хлорирование, как правило, достигается путем использование токсичных и/или дорогостоящих металлсодержащих реагентов. Исследователи из Тель-Авивского университета нашли новый, простой, селективный и высокоэффективный каталитический способ хлорирования связей Si-H без использования металлов. В качестве катализатора используется соединение бора триc(пентафторфенил)боран B(C 6 F 5) 3 , а в качестве хлорирующего агента - соляная кислота HCl. Механизм реакции был предложен на основе опытов соревнующихся реакций и квантово-механических расчетов. Работа была опубликована в Angewandte Chemie International Edition - одном из наиболее влиятельных химических журналов в мире.
Xлоросиланы - вещества со связью кремний-хлор с общей формулой R 3 Si-Cl (где R - любая органическая группа, водород или другой хлор) - используются во многих отраслях органической химии: синтезе лекарств, полимеров и множества других веществ. Например, почти ни один мультистадийный органический синтез без них не обходится, так как с их помощью защищают многие активные группы (см. также Protecting group). Eсли на молекуле есть несколько активных групп, можно одну из них селективно (не затрагивая другие) заблокировать кремниевым щитом (silyl ether) с помощью соответствующего хлоросилана, затем провести желаемые реакции с другими реактивными группами, а на следующей стадии снять кремниевую защиту, освободив защищеннyю группу для дальнейших реакций. Снимается кремниевая защитная группа довольно легко, при этом не затрагиваются другие части молекулы, поэтому такая защита очень популярна. Для защиты разных групп нужны разные условия. Более того, обычно одни и те же группы, помещенные в разное химическое окружение, будут реагировать по-разному. Поэтому химикам требуются хлоросиланы с разной реактивностью, или, иначе говоря, с разнообразными группами на атоме кремния.
Один из наиболее популярных методов получения хлорсиланов - хлорирование связи кремний-водород (Si-H). Классические (в том числе коммерческие) методы хлорирования этих связей можно условно разделить на стехиометрическиe (на каждый моль хлорируемой связи нужнo соответствующее количество молей активирующего реагента) и каталитические (катализатор активирует молекулу и после ее хлорирования возвращается в исходное состояние, чтобы активировать следующую молекулу). Cтехиометрическoe xлорирование связей Si-H осуществляется посредством солей металлов в сочетании с опасными источниками хлора, такими как токсичные хлориды олова, ядовитый элементный хлор и канцерогенный тетрахлорoметан. Известные методы каталитическогo хлорирования этих связей нетоксичными источниками хлора (такими как соляная кислота) связаны с использованием дорогих катализаторов - переходных металлов, например, палладия. Напрямую, без активации, силаны с соляной кислотой не реагируют.
Несмотря на то что кремний в таблице Менделеева находится прямо под углеродом, иx химия сильно различается (см., например, Впервые получены структуры контактной и сольватноразделённой ионных пар силенил-литиевого соединения «Элементы», 23.09.2016). В частности, связь водорода с кремнием слабее, чем с углеродом, и поляризована так, что водород отрицательно заряжен, и может вести себя как псевдогалоген. Эту особенность использовали ученые из Тель-Авивского университета, чтобы активировать связь Si-H с помощью триc(пентафторфенил)борана B(C 6 F 5) 3 . B(C 6 F 5) 3 - нетоксичное и относительно недорогое (в сравнении с переходными металлами) соединение бора с тремя пентафторфенильными кольцами. Фторфенилы оттягивают электронную плотность с атома бора, поэтому бор взаимодействyeт с отрицательно заряженным атомом водорода на кремнии и ослабляет связь Si-H, позволяя xлору из соляной кислоты (HCl) заменить водород. Из двух атомов водорода (H − от кремния и H + из соляной кислоты) получается молекулярный водород H 2 (рис. 1).
Отдельный пример реакции хлорирования триэтилсилана показан на рис. 3. Соляную кислоту генерируют путем прикапывания концентрированного раствора серной кислоты на поваренную соль. Образуется газообразная соляная кислота, которая по трубке подается в перемешиваемый толуольный раствор хлоросилана и катализатора. Используя всего лишь одну молекулy B(C 6 F 5) 3 к 100 молекулам Et 3 SiH (то есть один мольный процент, 1 mol%) при избытке HCl реакция идет до конца за 15 минут.
С помощью квантовомеханических расчетов авторы получили модель структуры переходного состояния реакции (рис. 4) и энергию, которая нужна для прохода этой реакции в газовой фазе (25,5 ккал/моль).
Просто открыть новую реакцию недостаточно для публикации в хорошем журнале. Надо еще как минимум продемонстрировать возможность ее широкого применения и подтвердить предложенный механизм дополнительными экспериментами и/или теоретическими расчетами. Но и этого может не хватить. Для совсем хорошей публикации желательно продемонстрировать особенность реакции, которой нет у уже известных и использующихся реакций.
Для начала авторы прохлорировали своим методом, используя как B(C 6 F 5) 3 так и его эфират Et 2 O·B(C 6 F 5) 3 , несколько силанов с разнообразными заместителями R - от органокремниевого (tBuMe 2 Si) до силоксидного (Et 3 SiO): Me 2 (tBuMe 2 Si)SiH, Ph 2 (Et 3 SiO)SiH, Me 2 SiClH, Ph 2 SiClH, Ph 2 SiH 2 , PhMeSiH 2 . Также им удалось продемонстрировать постадийное хлорирование силанов с двумя водородами Ph 2 SiH 2 , PhMeSiH 2 , используя различные концентрации катализатора (от 1 до 10 mol%) и варьируя время реакции.
На данном этапе помимо самой реакции никаких необычных результатов обнаружено не было. Тогда авторы проверили хлорирование более реактивного силана с тремя водородами, PhSiH 3 . Тут стоит заметить, что постадийное хлорирование PhSiH 3 - задача непростая, так как реакция может легко проскочить стадию монохлорирования (PhSiClH 2) к двойному хлорированию (PhSiCl 2 H). Здесь авторов oжидал приятный сюрприз. При использовании 10 mol% B(C 6 F 5) 3 за 10 минут реакция проскочила, дав на выходе 87% PhSiCl 2 H и 13% PhSiClH 2 . Однако, при использовании в качестве катализатора эфирата Et 2 O·B(C 6 F 5) 3 в точно таких же условиях (10 mol%, 10 минут) отношение продуктов получилось почти противоположным: 16% PhSiCl 2 H и 84% PhSiClH 2 (реакции 1 и 2 в таблице). Снизив концентрацию катализатора в 10 раз, удалось достичь эксклюзивного получения PhSiClH 2 в одну стадию (реакция 4 в таблице). Двойное хлорированиe c помощью эфирата не происходит целиком даже по истечении 1000 минут (реакция 6 в таблице).
Почему же реакция с эфиратом так отличается от исходной? Ведь эфират использовался только из-за удобства - его легче выделять, и он стабильнее на воздухе, чем безэфирный аналог. В растворе молекула диэтилэфира (Et 2 O) отвязывается от бора и тот должен по идее вести себя идентично исходному катализатору. Возможно сама молекула диэтилэфира как-то участвует в реакции? Подтверждение этой гипотезе было получено анализом раствора после реакции - оказалось что там присутствует этан C 2 H 6 , который мог появиться в растворе только путем распада молекулы диэтилэфира. Тогда исследователи провели стехиометрическую (в соотношении 1:1) реакцию PhSiH 3 с Et 2 O·B(C 6 F 5) без добавления HCl и в качестве продуктов получили фенил(этокси)силан и этан. Диэтилэфир действительно распался (рис. 5).
Судя по всему это и есть первая стадия всех реакций, катализируемых эфиратом. На второй HCl реагирует с этоксисиланом и выделяется этанол, который присоединяется обратно к бору вместо диэтилэфира, продолжая каталитическую цепочку (рис. 6). Авторы предположили, что второе хлорирование замедляется, так как этанол реагирует с уже хлорированной молекулой медленнее чем с нехлорированной. Это предположение было доказано отдельным экспериментом и с помощью квантовомеханических расчетов энергий всех стадий реакции с двумя типами катализаторов.
Замена катализаторов на основе драгоценных металлов в индустрии очень важна ввиду дороговизны последних, ограниченности ресурсов и токсичности. Трис(пентафторфенил)боран всё больше набирает популярность у химиков, занимающихся катализом, и скорее всего мы увидим еще много интересных реакций с его участием.
Si-один из самых распространённых в земной коре элементов. Самый распространенный после О2. В природе Si встречается только в виде соединения: SiО2. Важнейший элемент растительного и животного царства.
Получение: Технический: SiO2 + 2C ==== Si + 2CO. Чистый: SiCl4 + 2H2 = Si + 4HCl. SiH4 =(t) Si + 2H2. Применяют в металлургии и в полупроводниковой технике. Для удаления О2 из расплавленных Ме и служит составной частью сплавов. Для изготовления фотоэлементов, усилителей, выпрямителей.
Физ свойства аза. Кремний- серо-стального цвета. хрупок, только при нагревании выше 800 °C он становится пластичным веществом. Прозрачен к инфракрасному излучению, полупроводник. Кристаллическая решетка кубическая типа алмаза, но из-за большей длины связи между атомами Si-Si по сравнению с длиной связи С-С твердость кремния значительно меньше, чем алмаз. Аллотропный Si-порошок серого цвета.
Химические свойства : При н. у. Siмалоактивен и реагирует только с газообразным фтором: Si +2F2 = SiF4
Аморфный Si более реакционноспособен, расплавленный очень активен.
При нагревании до температуры 400-500 °C кремний реагирует с O2, Cl2, Br2 , S: Si + O 2 = SiO 2 . Si + 2 Cl 2 = SiCl 4
С азотом кремний при температуре около 1000 °C образует нитрид Si3N4,
с бором - термически и химически стойкие бориды SiB3, SiB6 и SiB12.,
c углеродом - карбид кремния SiC (карборунд).
При нагревании кремния с металлами могут образовываться силициды.
С кислотами Si не реагирует, лишь со смесью НNO3 и HF окисляет его до гексафторкремневой кислоты: 3Si+8HNO3+18HF=3H2+4NO+8H2O
В растворах щелочей энергично растворяется на холоде (неметаллические свойства): Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2 H2
При высоких температурах медленно взаимодействует с водой: Si + 3H2O = H2SiO3 + 2H2
Водородные соединения Si .С водородом кремний непосредственно не реагирует, соединения кремния с водородом - силаны с общей формулой SinH2n+2 получают косвенным путем. Моносилан SiH4 Ca2Si + 4HCl → 2CaCl2 + SiH4примесь других силанов, дисилана Si2H6 и трисилана Si3H8.
ПолисиланыТоксичны, имеют неприятный запах, менее термически стойки, по сравнению с СnH2n+2ВосстановителиSiH4 + O2 = SiO2 + 2 H2O
В воде гидролизуютсяSiH4 + 2H2O = SiO2 + 4H2
Соединения кремния с металлами – СИЛИЦИДЫ
I .Ионно-ковалентные: силициды щелочных, щелочноземельных металлов и магния Ca2Si, Mg2Si
Легко разрушаются водой:Na2Si + 3H2O = Na2SiO3 + 3 H2
Разлагаются под действием кислот: Ca2Si + 2H2SO4 = 2CaSO4 +SiH4
II . Металлоподобные: силициды переходных металлов.Химически стойки и под действием кислот не разлагаются, устойчивы к действию кислорода даже при высоких температурах. Имеют высокие Tпл (до 2000 °C). Многие обладают металлической проводимостью. Наиболее часто MeSi, Me3Si2, Me2Si3, Me5Si3 и MeSi2.
Силициды d-элементов используют для получения жаропрочных и кислотоупорных сплавов.Силициды лантаноидов применяют в атомной энергетике в качестве поглотителей нейтронов.
SiC – карборунд Твердое, тугоплавкое вещество. Кристаллическая решетка аналогична решетке алмаза. Является полупроводником. Используется для изготовления искусственных драгоценных камней
Диоксид кремния легко реагирует с F2 и HF: SiO2 + 4HF = SiF4 + 2 H2O. SiO2 + F2 = SiF4 + O2В воде не растворяется.
В растворах щелочей при нагревании растворяется:SiO2 + 2NaOH =Na2SiO3 + H2O
Спекаетсяссолями: SiO2 + Na2CO3 = Na2SiO3 + CO2. SiO2 + PbO = PbSiO3
Кремниевые кислоты Очень слабые, малорастворимые в воде кислоты. В воде кремниевые кислоты образуют коллоидные растворы.
Соли кремниевых кислот называют силикатами. SiO2 соответствует кремниевая кислота, которую можно получить действием сильной кислоты на силикатNa2SiO3 + HCl = H2SiO3 + NaCl
H2SiO3 - метакремниевая, или кремниевая кислота. H4SiO4 - ортокремниевая кислота существуют только в растворе и необратимо превращаются в SiO2, если выпарить воду.
Силикаты -соли кремниевых кислот, каждый атом Siокружает тетраэдрически расположенный вокруг него атом О2. Тесная связь Si и О2.
При действии соляной кислоты на силицид, магния Mg 2 Si получается кремневодород SiH 4 , аналогичный метану:
Mg 2 Si + 4НСl = 2MgCl 2 + SiH 4
Кремневодород SiH 4 - бесцветный газ, самовоспламеняющийся на воздухе и сгорающий с образованием двуокиси кремния и воды:
SiН 4 + 2O 2 = SiO 2 + 2Н 2 O
Кроме SiH 4 , известен ряд других кремневодородов: Si 2 H 6 . Si 3 H 8 и т. д., которые носят общее название с и л а н о в. Силаны аналогичны углеводородам, но отличаются от них неустойчивостью. Очевидно, что связь между атомами кремния гораздо менее прочна, чем связь между атомами углерода, вследствие чего цепи -Si-Si-Si- и т. д. легко разрушаются. Неустойчива также и связь кремния с водородом, что указывает на значительное ослабление металлоидных свойств у кремния.
Хлористый SiCl 4 получается нагреванием смеси кремнезема с углем в струе хлора:
SiO 2 + 2C + 2Cl 2 = SiCl 4 + 2CO
или хлорированием технического кремния. Он представляет собой жидкость, кипящую при 57°. При действии воды S1CI 4 подвергается полному гидролизу с образованием кремневой и соляной кислот:
SiCl 4 + 3H 2 O = H 2 SiO 3 + 4HCl
Вследствие этой реакции при испарении SiCl 4 во влажном воздухе образуется густой дым; поэтому SiCl 4 применяется в качестве дымообразователя.
Фторивтый SiF 4 образуется при взаимодействии фтo-ристого водорода с кремнеземом:
SiO 2 + 4HF = SiF 4 + 2Н 2 О
Это - бесцветный газ с резким запахом.
Если пропускать фтористый в воду, получается раствор кремнефтористоводородной кислоты H 2 SiFe:
3SiF 4 + 3H 2 О = 2H 2 SiF 6 + H 2 SiО 3
Из концентрированного раствора при охлаждении выделяются кристаллы состава H 2 SiF6 2Н 2 О.
Кремнефтористоводородная кислота H 2 SiF 6 относится к числу сильных кислот. Степень ее диссоциации в 0,1 н. растворе равна 75%. Даже в очень малых концентрациях она является силь ным дезинфицирующим средством. Соли кремнефториотоводородной кислоты - фторосиликаты в большинстве своем растворимы в воде. Фторосиликаты натрия и бария широко применяются для борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур. Фторосиликат натрия применяется также при изготовлении различных эмалей. Фторосиликаты магния и цинка используются для придания водонепроницаемости цементу.
Вы читаете, статья на тему Соединения кремния с водородом
Характеристика элемента
14 Si 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2
Изотопы: 28 Si (92.27 %); 29 Si (4.68 %); 30 Si (3,05 %)
Кремний - второй после кислорода по распространенности в земной коре элемент (27,6 % по массе). В свободном состоянии в природе не встречается, находится преимущественно в виде SiO 2 или силикатов.
Соединения Si токсичны; вдыхание мельчайших частиц SiO 2 и др. соединений кремния (например, асбеста) вызывает опасную болезнь - силикоз
В основном состоянии атом кремния имеет валентность = II, а в возбужденом состоянии = IV.
Наиболее устойчивой степенью окисления Si является +4. В соединениях с металлами (силицидах) С.О. -4.
Способы получения кремния
Самым распространенным природным соединением кремния является кремнезем (диоксид кремния) SiО 2 . Он является основным сырьем для получения кремния.
1) Восстановление SiO 2 углеродом в дуговых печах при 1800"С: SiO 2 + 2С = Si + 2СО
2) Высокочистый Si из технического продукта получают согласно схеме:
a) Si → SiCl 2 → Si
б) Si → Mg 2 Si → SiH 4 → Si
Физические свойства кремния. Аллотропные модификации кремния
1) Кристаллический кремний - вещество серебристо - серого цвета с металлическим блеском, кристаллическая решетка типа алмаза; т. пл. 1415"С, т. кип. 3249"С, плотность 2,33 г/см3; является полупроводником.
2) Аморфный кремний - порошок бурого цвета.
Химические свойства кремния
В большинстве реакций Si выступает в роли восстановителя:
При низких температурах кремний химически инертен, при нагревании его реакционная способность резко возрастает.
1. С кислородом взаимодействует при Т выше 400°С:
Si + О 2 = SiO 2 оксид кремния
2. С фтором реагирует уже при комнатной температуре:
Si + 2F 2 = SiF 4 тетрафторид кремня
3. С остальными галогенами реакции идут при температуре = 300 - 500°С
Si + 2Hal 2 = SiHal 4
4. С парами серы при 600°С образует дисульфид:
5. Реакция с азотом происходит выше 1000°С:
3Si + 2N 2 = Si 3 N 4 нитрид кремния
6. При температуре = 1150°С реагирует с углеродом:
SiO 2 + 3С = SiС + 2СО
По твердости карборунд близок к алмазу.
7. С водородом кремний непосредственно не реагирует.
8. Кремний стоек к действию кислот. Взаимодействует только со смесью азотной и фтороводородной (плавиковой) кислот:
3Si + 12HF + 4HNO 3 = 3SiF 4 + 4NO + 8H 2 O
9. реагирует с растворами щелочей с образованием силикатов и выделением водорода:
Si + 2NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 2H 2
10. Восстановительные свойства кремния используют для выделения металлов из их оксидов:
2MgO = Si = 2Mg + SiO 2
В реакциях с металлами Si - окислитель:
Кремний образует силициды с s-металлами и большинством d-металлов.
Состав силицидов данного металла может быть различен. (Например, FeSi и FeSi 2 ; Ni 2 Si и NiSi 2 .) Один из наиболее известных силицидов - силицид магния, который можно получать прямым взаимодействием простых веществ:
2Mg + Si = Mg 2 Si
Силан (моносилан) SiH 4
Силаны (кремневодороды) Si n H 2n + 2 , (ср. с алканами), где п = 1-8. Силаны - аналоги алканов, отличаются от них неустойчивостью цепей -Si-Si-.
Моносилан SiH 4 - бесцветный газ с неприятным запахом; растворяется в этаноле, бензине.
Способы получения:
1. Разложение силицида магния соляной кислотой: Mg 2 Si + 4HCI = 2MgCI 2 + SiH 4
2. Восстановление галогенидов Si алюмогидридом лития: SiCl 4 + LiAlH 4 = SiH 4 + LiCl + AlCl 3
Химические свойства.
Силан - сильный восстановитель.
1.SiH 4 окисляется кислородом даже при очень низких температурах:
SiH 4 + 2O 2 = SiO 2 + 2Н 2 О
2. SiH 4 легко гидролизуется, особенно в щелочной среде:
SiH 4 + 2Н 2 О = SiO 2 + 4Н 2
SiH 4 + 2NaOH + Н 2 О = Na 2 SiO 3 + 4Н 2
Оксид кремния (IV) (кремнезем) SiO 2
Кремнезем существует в виде различных форм: кристаллической, аморфной и стеклообразной. Наиболее распространенной кристаллической формой является кварц. При разрушении кварцевых горных пород образуются кварцевые пески. Монокристаллы кварца - прозрачны, бесцветны (горный хрусталь) или окрашены примесями в различные цвета (аметист, агат, яшма и др.).
Аморфный SiO 2 встречается в виде минерала опала: искусственно получают силикагель, состоящий из коллоидных частиц SiO 2 и являющийся очень хорошим адсорбентом. Стеклообразный SiO 2 известен как кварцевое стекло.
Физические свойства
В воде SiO 2 растворяется очень незначительно, в органических растворителях также практически не растворяется. Кремнезем является диэлектриком.
Химические свойства
1. SiO 2 - кислотный оксид, поэтому аморфный кремнезем медленно растворяется в водных растворах щелочей:
SiO 2 + 2NaOH = Na 2 SiO 3 + Н 2 О
2. SiO 2 взаимодействует также при нагревании с основными оксидами:
SiO 2 + К 2 О = K 2 SiO 3 ;
SiO 2 + СаО = CaSiO 3
3. Будучи нелетучим оксидом, SiO 2 вытесняет углекислый газ из Na 2 CO 3 (при сплавлении):
SiO 2 + Na 2 CO 3 = Na 2 SiO 3 + CO 2
4. Кремнезем реагирует с фтороводородной кислотой, образуя кремнефтористоводородную кислоту H 2 SiF 6:
SiO 2 + 6HF = H 2 SiF 6 + 2Н 2 О
5. При 250 - 400°С SiO 2 взаимодействует с газообразным HF и F 2 , образуя тетрафторсилан (тетрафторид кремния):
SiO 2 + 4HF (газ.) = SiF 4 + 2Н 2 О
SiO 2 + 2F 2 = SiF 4 + O 2
Кремниевые кислоты
Известны:
Ортокремниевая кислота H 4 SiО 4 ;
Метакремниевая (кремниевая) кислота H 2 SiO 3 ;
Ди- и поликремниевые кислоты.
Все кремниевые кислоты малорастворимы в воде, легко образуют коллоидные растворы.
Способы по-лучения
1. Осаждение кислотами из растворов силикатов щелочных металлов:
Na 2 SiO 3 + 2HCl = H 2 SiO 3 ↓ + 2NaCl
2. Гидролиз хлорсиланов: SiCl 4 + 4Н 2 О = H 4 SiO 4 + 4HCl
Химические свойства
Кремниевые кислоты - очень слабые кислоты (слабее угольной кислоты).
При нагревании они дегидратируются с образованием в качестве конечного продукта кремнезема
H 4 SiО 4 → H 2 SiO 3 → SiO 2
Силикаты - соли кремниевых кислот
Поскольку кремниевые кислоты чрезвычайно слабые, их соли в водных растворах сильно гидро лизованы:
Na 2 SiO 3 + Н 2 О = NaHSiO 3 + NaOH
SiO 3 2- + Н 2 О = HSiO 3 - + ОН - (щелочная среда)
По этой же причине при пропускании углекислого газа через растворы силикатов происходит вытеснение из них кремниевой кислоты:
K 2 SiO 3 + СO 2 + Н 2 О = H 2 SiO 3 ↓ + K 2 СO 3
SiO 3 + СO 2 + Н 2 О = H 2 SiO 3 ↓ + СO 3
Данную реакцию можно рассматривать как качественную реакцию на силикат-ионы.
Среди силикатов хорошо растворимыми являются только Na 2 SiO 3 и K 2 SiO 3 , которые называются растворимым стеклом, а их водные растворы - жидким стеклом.
Стекло
Обычное оконное стекло имеет состав Na 2 O СаО 6SiO 2 , т. е. является смесью силикатов натрия и кальция. Его получают сплавлением соды Na 2 CO 3 , известняка СаСO 3 и песка SiO 2 ;
Na 2 CO 3 + CaCO 3 + 6SiO 2 = Na 2 O СаО 6SiO 2 + 2СO 2
Цемент
Порошкообразный вяжущий материал, образующий при взаимодействии с водой пластичную массу, превращающуюся со временем в твердое камневидное тело; основной строительный материал.
Химический состав наиболее распространенного портланд-цемента (в % по массе) - 20 - 23% SiO 2 ; 62 - 76 % СаО; 4 - 7 % Al 2 O 3 ; 2-5% Fe 2 O 3 ; 1- 5% МgО.