Реагирует ли кремний с водородом. Химические свойства

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

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

Кремний (Si) – второй элемент основной (А) подгруппы 4 группы Периодической системы, учрежденной Дмитрием Ивановичем Менделеевым. Кремний очень распространен в природе, поэтому он занимает второе (после кислорода) место по распространенности. Так, без кремния и его соединений не существовало бы Земной коры, которая более чем на четверть состоит из соединений этого химического элемента. В чем же особенности кремния? Каковы формулы его соединений и их применение? Какие важнейшие вещества имеют в своем составе кремний? Попробуем разобраться.

Элемент кремний и его свойства

Кремний существует в природе в нескольких аллотропных модификациях – наиболее распространенными являются кремний в кристаллическом виде и аморфный кремний. Рассмотрим каждую из данных модификаций в отдельности.

Кристаллический кремний

Кремний в данной модификации является темно-серым достаточно твердым и хрупким веществом со стальным блеском. Такой кремний является полупроводником; его полезное свойство заключается в том, что, в отличие от металлов, его электропроводность увеличивается при повышении температуры. Температура плавления такого кремния составляет 1415 °С. К тому же, кристаллический кремний не способен растворяться в воде и различных кислотах.

Применение кремния и его соединений в кристаллической модификации невероятно многообразно. Например, кристаллический кремний входит в состав солнечных батарей, устанавливаемых на космических кораблях и крышах домов. Кремний является полупроводником и способен преобразовывать солнечную энергию в электрическую.

Помимо солнечных батарей, кристаллический кремний используется для создания многих электронных приборов и кремнистых сталей.

Аморфный кремний

Аморфный кремний – бурый/темно-коричневый порошок алмазоподобной структуры. В отличие от кристаллического кремния, данная аллотропная модификация элемента не имеет строго упорядоченной кристаллической решетки. Несмотря на то, что аморфный кремний плавится при температуре, приблизительно равной 1400 °С, он является гораздо более активным по сравнению с кристаллическим. Аморфный кремний не проводит ток и имеет плотность около 2 г/см³.

Такой кремний чаще всего применяется в пищевой промышленности и при изготовлении лекарственных препаратов.

Химические свойства кремния

Основное химическое свойство кремния – горение в кислороде, в результате которого образуется крайне распространенное соединение – оксид кремния:

Si + O2 → SiO2 (при температуре).

При нагревании кремний как неметалл образует соединения с различными металлами. Такие соединения называются силицидами. Например:

2Ca + Si → Ca2Si (при температуре).

Силициды, в свою очередь, без затруднений разлагаются при помощи воды или некоторых кислот. В результате данной реакции образуется особое водородное соединение кремния – газ силан (SiH4):

Mg2Si + 4HCl → 2MgCl2 + SiH4.

Кремний также способен взаимодействовать с фтором (при нормальных условиях):

Si + 2F2 → SiF4.

А при нагревании кремний взаимодействует с другими неметаллами:

Si + 2Cl2 → SiCl4 (400–600°).

3Si + 2N2 → Si3N4 (1000°).

Si + C → SiC (2000°).

Также кремний, взаимодействуя со щелочами и водой, образует соли, называемые силикатами, и газ водород:

Si + 2KOH + H2O → K2SiO3 + H2.

Однако большинство химических свойств данного элемента мы разберем, рассматривая кремний и его соединения, так как именно они являются основными веществами, на которых основано применение и взаимодействие кремния с другими химическими элементами. Итак, какие же соединения кремния являются наиболее распространенными?

Соединения кремния

Ранее мы выяснили, каким элементом является кремний и какими свойствами он обладает. Теперь рассмотрим формулы соединений кремния.

При участии кремния образуется огромное количество различных соединений. Первое место по распространенности занимают кислородные соединения кремния. К данному разряду относится SiO2 и нерастворимая кремниевая кислота.

Кислотный остаток кремниевой кислоты образует различные силикаты (например, CaSiO3 или Al2O3 SiO2). В таких солях и представленных выше соединениях кремния с кислородом элемент имеет типичную для него степень окисления +4.

Также достаточно распространены соли кремния – силициды (Mg2Si, NaSi, CoSi) и соединения кремния с водородом (например, газ силан). Силан, как известно, самовоспламеняется на воздухе с возникновением ослепительной вспышки, а силициды легко разлагаются как при помощи воды, так и различных кислот.

Рассмотрим поподробнее кремний и его соединения, считающиеся самыми распространенными.

Диоксид кремния

Другое название данного оксида – кремнезем. Это твердое и тугоплавкое вещество, которое не растворяется в воде и кислотах и имеет атомную кристаллическую решетку. В природе оксид кремния образует такие минералы и драгоценные камни, как кварц, аметист, опал, агат, халцедон, яшма, кремень и некоторые другие.

Стоит отметить, что именно из кремния первобытные люди изготавливали свои орудия труда и охоты. Кремень положил начало так называемому каменному веку благодаря его повсеместной доступности и способности образовывать острые режущие края при сколе.

Именно оксид кремния делает прочными стебли таких растений, как камыши, тростники и хвощи, листья осоки и стебли злаков. В защитных наружных покровах некоторых животных также содержится кремнезем.

К тому же, он лежит в основе силикатного клея, благодаря которому создается силиконовый герметик и силиконовый каучук.

Химические свойства оксида кремния

Диоксид кремния взаимодействует с огромным количеством химических элементов – как металлов, так и неметаллов. Например:

При высоких температурах кремнезем взаимодействует со щелочами, образуя при этом соли:

SiO2 + 2KOH → K2SiO3 + H2O (при температуре).

Как типичный кислотный оксид, данное соединение дает силикаты в результате взаимодействия с оксидами различных металлов:

SiO2 + CaO → CaSiO3 (при температуре).

Или с карбонатными солями:

SiO2 + K2CO3 → K2SiO3 + CO2 (при температуре).

Одно из важнейших химических свойств диоксида кремния – это возможность получения из него чистого кремния. Это можно осуществить двумя способами – при взаимодействии диоксида с магнием или углеродом:

SiO2 + 2Mg → 2MgO + Si (при температуре).

SiO2 + 2C → Si + 2CO (при температуре)

Кремниевая кислота

Кремниевая кислота является очень слабой. Она нерастворима в воде и при реакциях образует студенистый осадок, который иногда способен заполнить весь объем раствора. Когда данная смесь высыхает, можно увидеть образовавшийся силикагель, который применяется как адсорбент (поглотитель других веществ).

Наиболее доступный и распространенный способ получения кремниевой кислоты можно выразить при помощи формулы:

K2SiO3 + 2HCl → 2KCl + H2SiO3↓.

Силициды

Рассматривая кремний и его соединения, очень важно сказать о таких его солях, как силициды. Такие соединения кремний образует с металлами, приобретая, как правило, при этом степень окисления -4. Однако такие металлы, как ртуть, цинк, бериллий, золото и серебро не способны взаимодействовать с кремнием и образовывать силициды.

Наиболее распространенными силицидами являются Mg2Si, Ca2Si, NaSi и некоторые другие.

Силикаты

Такие соединения, как силикаты занимают второе место по распространенности после диоксида кремния. Соли-силикаты считаются достаточно сложными веществами, так как имеют непростую структуру строения, а также они входят в состав большинства минералов и горных пород.

К наиболее распространенным в природе силикатам – алюмосиликатам – относят гранит, слюды, различные виды глин. Также известным силикатом является асбест, из которого изготавливаются огнестойкие ткани.

Применение кремния

В первую очередь, кремний применяется для получения материалов-полупроводников и кислотоупорных сплавов. Карбид кремния (SiC) часто используют для затачивания резцов станков и шлифовки ценных камней.

Из расплавленного кварца изготавливается устойчивую и крепкую кварцевую посуду.

Соединения кремния лежат в основе производства стекла и цемента.

Стекла отличаются друг от друга по составу, в котором обязательно присутствует кремний. Например, помимо оконных, существуют тугоплавкие, хрустальные, кварцевые, цветные, фотохромные, оптические, зеркальные и другие стекла.

При смешивании цемента с водой образуется особое вещество – цементный раствор, из которого впоследствии получают такой строительный материал, как бетон.

Производством этих веществ занимается силикатная промышленность. Помимо стекла и цемента, в силикатной промышленности получают кирпич, фарфор, фаянс и различные изделия из них.

Заключение

Итак, мы выяснили, что кремний является важнейшим химическим элементом, широко распространенным в природе. Кремний применяется при строительстве и художественной деятельности, а также незаменим для живых организмов. Многие вещества, начиная от простого стекла и заканчивая ценнейшим фарфором, имеют в своем составе кремний и его соединения.

Изучение химии позволяет познать окружающий наш мир и понять, что не все вокруг, даже самое великолепное и дорогое, настолько таинственно и загадочно, как могло показаться. Желаем успехов в научном познании и изучении такой прекрасной науки, как химия!

Углерод способен образовывать несколько аллотропных модификаций. Это алмаз (наиболее инертная аллотропная модификация), графит, фуллерен и карбин.

Древесный уголь и сажа представляют собой аморфный углерод. Углерод в таком состоянии не имеет упорядоченной структуры и фактически состоит из мельчайших фрагментов слоев графита. Аморфный углерод, обработанный горячим водяным паром, называют активированным углем. 1 грамм активированного угля из-за наличия в нем множества пор имеет общую поверхность более трехсот квадратных метров! Благодаря своей способности поглощать различные вещества активированный уголь находит широкое применение как наполнитель фильтров, а также как энтеросорбент при различных видах отравлений.

С химической точки зрения аморфный углерод является наиболее активной его формой, графит проявляет среднюю активность, а алмаз является крайне инертным веществом. По этой причине, рассматриваемые ниже химические свойства углерода следует прежде всего относить к аморфному углероду.

Восстановительные свойства углерода

Как восстановитель углерод реагирует с такими неметаллами как, например, кислород, галогены, сера.

В зависимости от избытка или недостатка кислорода при горении угля возможно образование угарного газа CO или углекислого газа CO 2:

При взаимодействии углерода со фтором образуется тетрафторид углерода:

При нагревании углерода с серой образуется сероуглерод CS 2:

Углерод способен восстанавливать металлы после алюминия в ряду активности из их оксидов. Например:

Также углерод реагирует и с оксидами активных металлов, однако в этом случае наблюдается, как правило, не восстановление металла, а образование его карбида:

Взаимодействие углерода с оксидами неметаллов

Углерод вступает в реакцию сопропорционирования с углекислым газом CO 2:

Одним из наиболее важных с промышленной точки зрения процессов является так называемая паровая конверсия угля . Процесс проводят, пропуская водяной пар через раскаленный уголь. При этом протекает следующая реакция:

При высокой температуре углерод способен восстанавливать даже такое инертное соединение как диоксид кремния. При этом в зависимости от условия возможно образование кремния или карбида кремния (карборунда ):

Также углерод как восстановитель реагирует с кислотами окислителями, в частности, концентрированными серной и азотной кислотами:

Окислительные свойства углерода

Химический элемент углерод не отличается высокой электроотрицательностью, поэтому образуемые им простые вещества редко проявляют окислительные свойства по отношению к другим неметаллам.

Примером таких реакций является взаимодействие аморфного углерода с водородом при нагревании в присутствии катализатора:

а также с кремнием при температуре 1200-1300 о С:

Окислительные свойства углерод проявляет по отношению к металлам. Углерод способен реагировать с активными металлами и некоторыми металлами средней активности. Реакции протекают при нагревании:

Химические свойства кремния

Кремний может существовать, как и углерод в кристаллическом и аморфном состоянии и, также, как и в случае углерода, аморфный кремний существенно более химически активен, чем кристаллический.

Иногда аморфный и кристаллический кремний, называют его аллотропными модификациями, что, строго говоря, не совсем верно. Аморфный кремний представляет собой по сути конгломерат беспорядочно расположенных друг относительно друга мельчайших частиц кристаллического кремния.

Взаимодействие кремния с простыми веществами

неметаллами

При обычных условиях кремний ввиду своей инертности реагирует только со фтором:

С хлором, бромом и йодом кремний реагирует только при нагревании. При этом характерно, что в зависимости от активности галогена, требуется и соответственно различная температура:

Так с хлором реакция протекает при 340-420 о С:

С бромом – 620-700 о С:

С йодом – 750-810 о С:

Реакция кремния с кислородом протекает, однако требует очень сильного нагревания (1200-1300 о С) ввиду того, что прочная оксидная пленка затрудняет взаимодействие:

При температуре 1200-1500 о С кремний медленно взаимодействует с углеродом в виде графита с образованием карборунда SiC – вещества с атомной кристаллической решеткой подобной алмазу и почти не уступающего ему в прочности:

С водородом кремний не реагирует.

металлами

Ввиду своей низкой электроотрицательности кремний может проявлять окислительные свойства лишь по отношению к металлам. Из металлов кремний реагирует с активными (щелочными и щелочноземельными), а также многими металлами средней активности. В результате такого взаимодействия образуются силициды:

Взаимодействие кремния со сложными веществами

С водой кремний не реагирует даже при кипячении, однако аморфный кремний взаимодействует с перегретым водяным паром при температуре около 400-500 о С. При этом образуется водород и диоксид кремния:

Из всех кислот кремний (в аморфном состоянии) реагирует только с концентрированной плавиковой кислотой:

Кремний растворяется в концентрированных растворах щелочей. Реакция сопровождается выделением водорода.

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.