Соединения кремния

Силан (моносилан, гидрид кремния)

Способы получения силана

  • Разложение силицида магния соляной кислотой – наиболее распространенный способ получения силана:

Mg2Si + 4HCl → 2MgCl2 + SiH4

  • Восстановление галогенидов кремния алюмогидридом лития:

SiCl4 + LiAlH4 = SiH4↑ + LiCl + AlCl3

  • Разложение триэтоксисилана при нагревании до 80ºС в присутствии натрия:

4SiH(OC2H5)3 = SiH4↑ + 3Si(OC2H5)4

Химические свойства силана

Силаны (кремневодороды) имеют общую формулу SinH2n+2, где n = 1-8. Цепи -Si-Si- неустойчивы.

Моносилан SiH4 – бесцветный ядовитый газ с неприятным запахом.

  • Окисляется кислородом даже при невысоких температурах. На воздухе он самовоспламеняется (часто со взрывом) с образованием SiO2 и H2O:

SiH4+ 2O2 → SiO2 + 2H2O

Видео Горение силана

  • Силан с легкостью гидролизуется водой и особенно легко щелочами:

SiH4 + 2H2O → SiO2+ 4H2

SiH+ 2NaOH + H2O → Na2SiO3 + 4H2

  • При нагревании разлагается:

SiH4 → Si + 2H2

Диоксид кремния (кремнезем)

Нахождение в природе кремнезема

Диоксид кремния имеет атомную кристаллическую решетку. Существует в виде кристаллической (горный хрусталь, аметист, агат, яшма), аморфной (опал) и стеклообразной (кварцевое стекло) форм

Химические свойства кремнезема

Диоксид кремния — кислотный оксид. Проявляет слабые окислительные свойства

  • Практически не растворяется в воде и органических растворителях.
  • Взаимодействует с растворами и расплавами щелочей, образуя силикаты:

SiO2 + 2KOH → K2SiO3 + H2O

  • Реагирует с основными оксидами:

SiO2 + CaO → CaSiO3

  • Вытесняет углекислый газ при сплавлении с карбонатами щелочных металлов:

SiO2 + K2CO3 → K2SiO3 + CO2

  • Из всех кислот вступает в реакцию только с плавиковой кислотой, с образованием кремнийфтористоводородной кислоты:

SiO2 + 6HF(р-р) → H2[SiF6] + 2H2O

  • С газообразным фтороводородом взаимодействует при 250-400ºС с образованием тетрафторсилана:

SiO2 + 4HF(г) = SiF4 + 2H2O

SiO2 + 2F2 = SiF4 + O2

  • Взаимодействует с активными металлами при температуре выше 1000 °С с образованием кремния:

SiO2 + 2Mg → Si + 2MgO

При избытке восстановителя образуются силициды:

SiO2 + 4Mg → Mg2Si + 2MgO

  • Взаимодействует с неметаллами – с водородом в жестких условиях, с углеродом:

SiO2 + 2Н2 → Si + 2Н2O

SiO2 + 3С → SiС + 2СО

  • При сплавлении реагирует с фосфатом кальция и углем:

3SiO2 + Ca3(PO4)2 + 5C → 3CaSiO3 + 5CO + 2P

Кремниевые кислоты и силикаты

Кремниевые кислоты – nSiO2 · mH2O

Кремниевые кислоты — соединения общей формулы nSiO2 · mH2O. Это очень слабые, малорастворимые в воде соединения, легко образующие коллоидные растворы.

Существуют ортокремниевая кислота – H4SiO4

Метакремниевая (кремниевая) кислота – H2SiO3

Ди – и поликремниевые кислоты

Способы получения кремниевых кислот

Na2SiO3 + 2HCl H2SiO3 + 2NaCl

  • Гидролиз хлорсиланов:

SiCl4 + 4H2O = H4SiO4 + 4HCl

Химические свойства кремниевых кислот

  • кремниевая кислота реагирует только с сильными основаниями и их оксидами:

H2SiO3 + 4KOH → K2SiO3 + 4H2O

  • При нагревании кремниевая кислота дегидратируется с образованием оксида и воды:

H2SiO3 → SiO2 + H2O

Силикаты – соли кремниевой кислоты

Большинство силикатов нерастворимо в воде. Растворимыми являются силикаты натрия и калия, растворы которых называют «жидким стеклом».

Способы получения силикатов

  • Взаимодействие кремния, кремниевой кислоты или диоксида кремния с щелочью:

H2SiO3 + 2KOH → K2SiO3 + 2H2O

Si + 2NaOH + H2O → Na2SiO3 + H2

SiO2 + 2KOH → K2SiO3 + H2O

  • Реакция с основными оксидами:

СаО + SiO2 → CaSiO3

  • Взаимодействие растворимых силикатов с солями:

K2SiO3 + CaCl2 → CaSiO3 + 2KCl

Химические свойства силикатов

  • Силикаты в водных растворах сильно гидролизованы (среда щелочная):

K2SiO3 + H2O ↔ KНSiO3 + KOH

SiO32-+ H2O ↔ НSiO3 + OH

  • Взаимодействие с растворимыми солями:

Na2SiO3+ MgCl2 =MgSiO3↓ + 2NaCl

  • При пропускании СО2 через растворы силикатов происходит выпадение гелеобразного осадка кремневой кислоты:

Na2SiO3 + CO2 + H2O = H2SiO3↓ + Na2CO3

Стекло  Смесь силикатов натрия и кальция (Na2O·CaO·6SiO2) – это обычное оконное стекло. Получают его при сплавлении смеси соды Na2CO3, известняка CaCO3 и белого песка SiO2 в специальных печах:

6SiO2 + Na2CO3 + CaCO3 → Na2O·CaO·6SiO2 + 2CO2
 
Для получения специального стекла вводят различные добавки: Pb2+ – хрусталь; Cr3+ – придает зеленую стеклу окраску, Fe3+ – коричневое бутылочное стекло, Co2+ – окрашивает стекло в синий цвет, Mn2+ – стекло имеет красновато-лиловый окрас
Цемент Цемент — искусственное порошкообразное неорганическое гидравлическое вяжущее вещество. При взаимодействии с водой, водными растворами солей и другими жидкостями образует пластичную массу, которая затем твердеет и превращается в камневидное тело.
Видов цементов много, но все они содержат в своем составе: диоксид кремния SiO2 (кварц или кремнекислота), оксид алюминия Al2O3 (глинозём), оксид железа Fe2O3
Например, наиболее распространенный портланд – цемент имеет следующий состав:
SiO2 – 20-23% Al2O3 – 4-7% Fe2O3 – 2-5% СаО – 62-76% MgO – 1-5%