Реферат: Кремний
2SiO Si + SiO2
Это
указывает на то, что двухвалентное состояние для кремния не столь характерно,
как четырехвалентное.
Соединения кремния с водородом называются
кремневодородами или силанами. Их состав отвечает общей формуле SinH2n+2 аналогичной общей формуле углеводородов предельного
ряда. Простейший представитель этого класса - силан SiH4
- впервые получен немецким химиком Д. Вёлером в 1857 г. Силан и его
гомологи (H3Si — SiH3 — дисилан, H3Si — SiH2 — SiH3 — трисилан и т. д.) имеют строение, подобное
метану, этану и пропану. Непредельные силаны, соответствующие по строению
углеводородам этиленового и ацетиленового рядов, в виде индивидуальных
соединений пока не выделены. Наиболее просто силаны получаются по методу, разработанному
в 1883 г. русскими учеными Н. Н. Бекетовым и А. Д. Чириковым. Метод заключается
в разложении силицидов металлов минеральными кислотами:
Mg2Si+4HCl → 2MgCl2
+ SiH4
Силан и дисилан - газы с неприятным запахом. Трисилан Si3H8,
тетрасилан Si4H10,
пентасилан Si5H12
и последующие гомологи – при комнатной температуре летучие жидкости с
неприятным запахом. Кремневодороды очень ядовиты. В отличие от углеводородов
силаны – неустойчивые соединения. Они самовоспламеняются, иногда взрываются на
воздухе, легко разлагаются щелочами и водой в присутствии следов кислот и
щелочей:
SiH4 + 2H2O →
SiO2+4H2
Кремневодороды термически мало устойчивы и разлагаются на
кремний и водород уже при 400 °С:
SiH4 → Si + 2H2
При
этом получается особо чистый кремний.
Неустойчивость кремневодородов подтверждается тем, что
гомологов выше октасилана Si8H18 выделить в свободном состоянии пока не
удалось. Силаны являются сильными восстановителями и энергично окисляются
кислородом:
SiH4 + 2O2 → SiO2
+ 2H2O
При взаимодействии силанов с галогенами все атомы водорода
мгновенно (со взрывом) замещаются атомами галогена. Хлор- и бромпроизводные
силанов образуются и при каталитической обработке их хлороводородом или
бромоводородом:
SiH4 + HCl → SiH3Cl + H2
SiH3Cl
+ HCl → SiH2Cl2 + H2
SiH2Cl
+ HCl → SiHCl2
+ H2
SiHCl3 + HCl → SiCl4+H2
Для гомологического ряда предельных углеводородов аналогичная
реакция с НСl или НВг неизвестна. Соединения кремния с
водородом представляют большой научный и практический интерес для химии
кремнийорганических соединений. Галогениды кремния получают при
непосредственном соединении кремния с галогенами, или галогенированием оксидов
в присутствии угля:
SiO2 + 2C + 2Cl2 →
SiCl4 + 2CO
В лаборатории хлорирование кремния можно проводить в
стеклянных трубках, имеющих перетяжки. Реакция идет при небольшом нагревании.
Жидкий конденсат собирается в колене трубки. Для очистки конденсат нагреванием
перегоняют в следующее колено трубки.
Бромирование и йодирование можно также проводить в стеклянных
трубках с перетяжками, но для переноса брома или йода используют газ-носитель,
например аргон, азот, оксид углерода (IV). Полученные
галогениды гигроскопичны и легко гидролизуются под действием влаги воздуха,
поэтому их запаивают в одном из колен трубки.
Нитридами называют химические соединения азота с различными
элементами. Для IV группы характерны нитриды и с
ковалентной связью, и образованные внедрением атомов азота в кристаллическую
решетку элемента. Нитриды элементов главной подгруппы очень тугоплавкие
вещества, обладающие большой твердостью и теплопроводностью. Нитриды довольно
термостойки при нагревании и обладают относительной химической устойчивостью.
Кремний образует нитрид с кристаллической решеткой, в которой
атомы азота связаны с атомами кремния ковалентными связями. Такой нитрид имеет
формулу, отвечающую обычной валентности элемента, и может рассматриваться как
производное аммиака, в котором атомы водорода замещены на кремний – Si3N4.
Общим способам получения нитридов является непосредственное
взаимодействие веществ с азотом или аммиаком:
3Si + 2N2
→ Si3N4
3Si + 4NH3
→ Si3N4 +
6H2
Реакцию
осуществляют при 1000-1200 °С в электрических печах. Применяемые для реакции
азот и аммиак не должны содержать паров воды и кислорода во избежание
загрязнения нитрида оксидами соответствующих элементов.
Высокая жаропрочность и жаростойкость нитрида кремния
используется при создании сплавов с высокой жаропрочностью для техники высоких
температур, энергетики и других отраслей. Его исключительная стойкость к
воздействию химических реагентов, даже таких, как плавиковая кислота, расплавы
щелочей и металлов, в сочетании с огнеупорностью используется в химической
промышленности. Из него изготовляют футеровку ванн для получения металлов
электролизом расплавленных солей, футерованную арматуру, сопла для распыления
расплавленных металлов, тигли для плавки сверхчистых металлов и т. д.
Метакремниевая кислота H2SiO3 и ортокремниевая кислота H4SiO4 – наиболее распространенные из кислот
кремния. Метакремниевая кислота получается взаимодействием силикатов с соляной
кислотой или хлоридом аммония:
Na2SiO3 + 2HCl →
H2SiO3 + 2NaCl
Na2SiO3 + 2NH4Cl
→ H2SiO3 + 2NaCl + 2NH3
Свободная метакремниевая кислота известна в виде нескольких
форм с переменным содержанием воды. Эта кислота более слабая, чем угольная, она
нерастворима в воде, но легко образует коллоидные растворы – золи.
Метакремниевая кислота термически неустойчива и при нагревании разлагается:
H2SiO3
→ H2O + SiO2
Отщепление воды от нескольких молекул метакремниевой кислоты
происходит в водном растворе и при комнатной температуре с образованием
прозрачной студенистой массы – геля кремниевой кислоты. Высушенный гель
кремниевой кислоты называют силикагелем.
Силикагель обладает очень большой поверхностью – на 1 г
силикагеля приходится до 400 м2 поверхности – и высокой
адсорбционной способностью. Он изготовляется в промышленном масштабе и находит
широкое применение для извлечения летучих и пахучих веществ из паров и газов,
очистки минеральных масел и нефти, обесцвечивания жидких органических
продуктов. Силикагель жадно поглощает воду, и это свойство используется при
сушке газов и жидкостей. Высококачественные сорта силикагеля, не содержащие
примесей, находят применение в медицинской практике. Свободный от примесей
силикагель получают гидролизом силана SiH4,
тетрахлорида кремния SiCl4 и
кремнийорганических соединений – тетраэтоксисилана Si(OC2H5)4
и др. Используется силикагель также в качестве носителя катализатора. Введением
золей кремниевой кислоты в целлюлозные материалы достигается прочность,
водонепроницаемость и огнестойкость изделия.
Ортокремниевая кислота получается при гидролизе
тетрахлорида кремния:
SiCl4+4H2O →
Si(OH)4+4HCl
По структуре ортокремниевая кислота близка кварцу:
атом кремния окружен тетраэдром из четырех атомов кислорода с присоединенным к
кислороду водородом. Соли ортокремниевой кислоты также носят название
силикатов. Соли щелочных металлов кремниевых кислот растворимы в воде, силикаты
других элементов нерастворимы. Молекулярная масса свежевыделенной кремниевой
кислоты (формула Si(OH)4)
около 100 у. е. Через несколько дней молекулярная масса кислоты достигнет 1000
у. е. и более. Это объясняется чрезвычайной легкостью самоконденсации кислоты,
сопровождающейся выделением воды.
Кремний образует кислотные, амфотерные и основные
гидроксиды. Все они нерастворимы в воде. Оксид кремния (IV)
и оксиды его аналогов с водой практически не реагируют, поэтому получить
кислоты этим способом нельзя.
Силикаты – тугоплавкие и пассивные вещества.
Большинство их нерастворимо в воде. Они существуют в газообразном, жидком и
твердом виде, а также образуют высокодисперсные, или коллоидные, системы с
размером частиц силикатов от 10 – 6 до 10 – 9 м.
Коллоидные системы похожи на растворы, но в отличии от них имеют поверхность
раздела между частицами силикатов дисперсионной средой, т. е. средой в которой
растворено вещество. Примерами коллоидных систем являются халцедоны и опалы.
Спектр состава силикатов чрезвычайно широк (алюмосиликаты, гидросиликаты и др.)
Для силикатных минералов нет систематических названий,
поэтому названия отражают их внешний вид и свойства. Плагиоклаз в переводе с
древнегреческого «косо раскалывающийся», пироксен - «тугоплавкий». Названия
также даются по именам людей, открывших эти минералы.
В разное время представления о строении силикатов были
разными. Первой научной теорией была поликремниевая. Она играла важную роль в
середине XIX в. – 1920-х гг. Согласно этой теории
силикаты есть соли кремниевых кислот. Все кремниевые кислоты можно задать
формулой n SiO2
´ m H2O. Примерами служат
метакремниевая кислотаH2SiO3
(n=1, m=1), ортокремниевая кислота H4SiO4 (n=1, m=2), дикремниевая кислота H2Si2O5 (n=2 m=1), пирокремниевая кислота H6Si2O7 (n=2, m=2).
Соответствующие названия силикаты носят и сейчас, хотя поликремниевая теория
уже не пользуется популярностью.
Из-за коллоидного характера силикатов, их нельзя
получить в чистом виде. Поэтому встает вопрос о солеобразной природе силикатов.
Но это не все. Рассмотрим два сходных по строению силиката: жадеит Na Al[Si2O6] и лейцит
K Al[Si2O6]. По
поликремниевой теории они являются солями метакремниевой кислоты, а,
следовательно, должны обладать сходными свойствами. Но по своей природе это два
совершенно разных вещества. Данная теория не объясняет зависимости между
составом и свойствами веществ, хотя это является основной ее задачей.
Еще Д.И. Менделеев отмечал недостатки этой теории. Он
предполагал изоморфизм в кристаллах силикатов, т.е. способность атомов замещать
друг друга в кристаллических структурах. Причем это могут быть атомы не только
одного типа, но и разных. Так, он проявляется в кристаллах алюмосиликатов, хотя
алюминий и кремний – разные по типу атомы. Д.И. Менделеев называл подобные
кристаллы «неопределенными соединениями», схожими со сплавами, но это сплавы не
простых веществ, а близких оксидов. Полимерные соли кремния существуют не из-за
существования полимерных кислот, а из-за полимеризации соединений кремния.
Исследования Д.И. Менделеева сыграли важную роль в формировании взглядов на эту
проблему.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5 |