Кркмний и его соединения

УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМЕНИ А. М. ГОРЬКОГО
СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЙ УЧЕБНО-НАУЧНЫЙ ЦЕНТР


КРЕМНИЙ И ЕГО СОЕДИНЕНИЯ





Курсовая работа по химии



Преподаватель:









Екатеринбург


Содержание:
Теоретическая часть
История открытия элемента……………………………..........................3
Общая характеристика элемента………………………………………...4
Нахождение в природе…………………………………………………...5
Физические свойства кремния…………………………………………...6
Химические свойства…………………………………………………….7
Методы получения кремния…………………………………………….9
Свойства и методы получения соединений кремния……….................9
Применение кремния и его соединений……………………………….18
Экспериментальная часть
Литература………………………………………………………..……...19


















Глава 1
ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ
Кремний был предсказан в 1810 году Й. Берцелиусом. Позже (1823 г.) он выделил аморфный кремний путем восстановления фторида кремния калием:
SiF4+4KSi+ 4KF
и подробно описал его химические свойства.
Кремень* (кремнеземный камень) был основным материалом для выделки орудий труда и для высекания огня у первобытных людей (эпоха каменного века, 2млн.—6 тыс. лет до н.э.). Минерал горный хрусталь (прозрачный кварц) SiO2 знали еще древние греки в 1 веке. Самый крупный и найденных до сих пор кристаллов кварца весил 1,5 т. Свойство цемента затвердевать в воде открыли в Древнем Риме (1в. до н.э.). Стеклоделие возникло в Месопотамии (3 в. до н.э.). Секретное изделие фарфора в Китае известно с 4 века, в Европе (Саксония) раскрыл секрет фарфоровой массы (но держал в тайне)
И. Беттгер в начале 18 века. В России развитием производства стекла и пигментов для них мы обязаны М. В. Ломоносову и Д. И. Виноградову; последний раскрыл древний секрет белого фарфора.
Название силициум или кизель (кремень) было предложено Берцелиусом. Еще ранее Томсон предложил название силикон, принятое в Англии и США. Слово силициум (Silicium) происходит от силика (кремнезем); окончание "а" было принято в XVIII и XIX вв. для обозначения земель. В свою очередь слово силика связано с лат. Silex (крепкий, кремень). Русское название кремний происходит от древнеславянских слов кремень (название камня), кремык, крепкий, кресмень, кресати (ударять железом о ремень для получения искр) и др. В русской химической литературе начала XIX в. встречаются названия кремнезем, силиций, кремень, кремнистость, кремнеземий и кремний.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕМЕНТА
Кремний - элемент 3 периода 4 группы главной подгруппы Периодической системы Д.И. Менделеева, порядковый номер 14. Электронная формула 1s22s22p63s23p4. Графическая формула приведена на рис. 1 и 2.
Рис.1 Графическая формула кремния в невозбужденном состоянии


В невозбужденном состоянии кремний имеет 2 неспаренных электрона. Так как на внешнем уровне имеется свободная d- орбиталь, то при переходе в возбужденное состояние распариваются электроны s-подуровня (показано на рисунке стрелкой).
Рис. 2 Графическая формула кремния в возбужденном состоянии



В соединениях кремний проявляет степень окисления как -4, так и +4 (известно соединение кремния, где его степень окисления равна +2).
0 +4 +2
Примеры: Si, SiO2, SiO.
Кремний - аналог углерода; как и у атома углерода валентные электроны кремния находятся на третьем энергетическом уровне. В связи с увеличением числа электронных орбиталей у кремния будет больший атомный радиус, что приводит к снижению прочности связи Si-Si почти в 2 раза (см. таблицу 1). Атомы кремния, в отличие от атомов углерода, менее склонны к образованию кратных связей, тем не менее, он способен образовывать цепочки, что является признаком кремнийорганических соединений.
В настоящее время широко развивается химия органических производных кремния со связями Si-С и кремнеорганических полимеров (силиконы и силиконовые каучуки) со связями Si-Si, Si-O и Si-C. Существенное отличие кремния от углерода состоит в неспособности атомов кремния образовывать двойные и тройные связи между собой.
Таблица 1 Свойства углерода и кремния
элемент порядковый
номер валентные
электроны степень
окисления радиус
атома,
нм относительная
электро-
отрицательность Есвязи ,
кДж/моль
С 6 2s22p2 -4, 0,
+2,+4
0,077
2,6
347,7
Si 14 3s23p2 -4, 0,
+2,+4
0,134
1,74
176,6

НАХОЖДЕНИЕ В ПРИРОДЕ
Встречается только в связанном виде. Литосфера Земли в основном (90%) массы) составлена из минералов - соединений кремния (диоксиды, силиконы, алюмосиликаты и др.), ассоциированных в силикатные горные породы (граниты, гнейсы, базальты, порфиты) и продукты их разрушения (песок, гравий).
Кремний - жизненно важный элемент для многих организмов, входит в состав соединительных тканей человека и животных, содержится в некоторых растений (злаки, камыш, бамбук, морские водоросли).
Кремний после кислорода — самый распространенный элемент в земной коре. Кремний состоит из трех стабильных изотопов: 2814Si (92,27%), 2914Si (4,68%) и 3014Si (3,05%).
Он составляет 27,6 % массы земной коры. В отличие от углерода в свободном состоянии кремний в природе не встречается. Наиболее распространенными его соединениями являются кремнезем - оксид кремния (IV) SiO2 и соли кремниевых кислот — силикаты. Они образуют оболочку земной коры. Соединения кремния содержатся в организмах растений и животных.
Природные силикаты имеют сложный состав и строение. Вот некоторые природные силикаты: полевые шпаты – вида Ме (AlSi3O8), где Ме - Na, K; асбест (Mg,Fe)6[Si4O10](OH)6, cлюды – вида MeЭ(AlSi3O10)(OH,F)2, где Ме- Li, Na, K , а Э- Al, Fe ; каолинит – вида Al4(Si4O10) (OH)6.
Силикаты, содержащие в своем составе также оксид алюминия, называются алюмосиликатами. Из названных выше силикатов алюмосиликатами являются полевой шпат, каолинит и слюда. В природе наиболее распространены именно алюмосиликаты, например полевые шпаты. Распространены также смеси различных силикатов. Так, горные породы — граниты и гнейсы — состоят из кристалликов кварца, полевого шпата и слюды.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРЕМНИЯ
Кремний – неметалл с атомной кристаллической решеткой.
В зависимости от условий кремний может быть получен восстановлением его соединений в одной из двух аллотропных модификаций: кристаллический или аморфный.
Аморфный – бурый порошок, более активен по химическим свойствам, чем кристаллический.
Крупнокристаллический кремний – вещество темно-серый, со стальным блеском, весьма твердый, очень хрупкий, непрозрачный, тугоплавкий, распространенный полупроводник (см . таблицу 2).
Структура кремния аналогична структуре алмаза. В его кристалле каждый атом окружен четырьмя другими и связан с ними ковалентной связью, которая значительно слабее, чем между атомами углерода в алмазе. В кристалле кремния даже при обычных условиях часть ковалентных связей разрушается. Поэтому в нем имеются свободные электроны, которые обусловливают небольшую электрическую проводимость. При освещении и нагревании увеличивается число разрушаемых связей, а значит, увеличивается число свободных электронов и возрастает электрическая проводимость. Так следует объяснять полупроводниковые свойства кремния.
Таблица 2 Физические свойства кристаллического кремния
цвет плотность, г/см3 удельная теплоемкость
,Дж/кг*К температура кипения 0С температура плавления 0С
темно-серый,
со стальным блеском
2,328
714
2355
1410

Глава 2

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРЕМНИЯ
По химическим свойствам кремний, как и углерод, является
неметаллом, но его неметалличность выражена слабее, так как он
имеет больший атомный радиус (см. таблицу 1). Химические свойства кремния сильно зависят от величины его частиц. Аморфный кремний гораздо активнее. Можно предположить как окислительные (восстанавливается до -4), так и окислительные (окисляется до + 4)
свойства.
Восстановительные свойства:
Непосредственно он взаимодействует только со фтором:
Si + 2F2 àSiF4
С кислородом, хлором, серой он реагирует при 5000С:
Si + O2 àSiO2
Si + 2Cl2 àSiCl4
Si + 2S àSiS2
При очень высоких температурах кремний соединяется с углеродом,
образуя карборунд SiC:
Si + C à SiC
Карборунд имеет алмазоподобную кристаллическую решетку, в которой каждый атом кремния окружен четырьмя атомами углерода и наоборот, а ковалентные связи очень прочны, как в алмазе. Поэтому по твердости он близок к алмазу. Из карбида кремния изготовляют точильные камни и шлифовальные круги.
Кислоты на кремний не действуют (кроме смеси плавиковой HF и азотной HNO3).
3Si + 4HNO3 + 18HF à 3H2 [SiF6] + 8H2O+ 4NO
Однако он растворяется в гидроксидах щелочных металлов, образуя силикат и водород:
Si + 2NaOH + H2O à Na2SiO3 + 2H2↑
Окислительные свойства менее характерны, чем восстановительные.
В реакциях с активными металлами, протекающих с образованием силицидов, кремний выступает в роли окислителя, образуя силициды металлов:
2Mg + Si à Mg2Si
При высоких температурах кремний восстанавливает многие металлы из их оксидов.
МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ КРЕМНИЯ
В промышленности кремний получают восстановлением кремнезема SiO2 коксом в электрических печах при 1500-17000С:
SiO2 + 2C  Si + 2CO
В лаборатории в качестве восстановителей используют магний или алюминий:
SiO2 + 2Mg  Si + 2MgO
3SiO2 + 4Al  3Si + 2Al2O3
Наиболее чистый кремний получают восстановлением тетрахлорида кремния парами цинка:
SiCl4 + 2Zn↑  Si + ZnCl2
Применение кремния
В настоящее время кремний - основной материал для электроники. Монокристаллический кремний - материал для зеркал газовых лазеров. Кремний используют в качестве полупроводника. Из него изготовляю солнечные батареи, превращающие световую энергию в электрическую (питание радиоустановок космических кораблей).
Кремний используют в металлургии для получения кремнистых сталей, обладающих высокой жаростойкостью и кислотоупорностью.
Кремний применяется в металлургии при выплавке чугуна, сталей,
бронз, силумина и др.







СВОЙСТВА И МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ
СОЕДИНЕНИЙ КРЕМНИЯ
Силициды

Соединения металлов с кремнием - силициды, являются широкоупотребляемыми в промышленности (например, электронной и атомной) материалами с широким спектром полезных химических, электрических и ядерных свойств (устойчивость к окислению, нейтронам и др.).
Силан
При действии на силициды соляной кислоты получают простейшее водородное соединение кремния - силан SiH4:
Mg2Si + 4HCl àMgCl2 + SiH4↑
Силан — ядовитый газ с неприятным запахом, по химическим свойствам – сильный восстановитель, самовоспламеняется на воздухе:
SiН4 + 2O2 à SiO2 + 2H2O,

Оксид кремния (IV)
Самое распространенное соединение кремния - оксид кремния (IV) называют также кремнеземом. Это бесцветное, твердое тугоплавкое вещество (температура плавления 1700°С), широко распространенное в природе в двух видах: 1) кристаллический кремнезем — в виде минерала кварца и его разновидностей (горный хрусталь, халцедон, агат, яшма, кремень); кварц составляет основу кварцевых песков, широко используемых в строительстве и в силикатной промышленности; 2) аморфный кремнезем — в виде минерала SiO2; землистыми формами аморфного кремнезема являются диатомит, трепел (инфузорная земля); примером искусственного аморфного безводного кремнезема может служить силикагель, который получается из метасиликата натрия:
Na2 SiO3 + 2H2O à 2NaCl + H2SiO3
H2SiO3 à H2 O +SiO2
Силикагель имеет развитую поверхность, а поэтому хорошо адсорбирует влагу.
При 1710° кварц плавится. При быстром охлаждении расплавленной массы образуется кварцевое стекло. Оно имеет очень малый коэффициент расширения, благодаря чему раскаленное кварцевое стекло не трескается при быстром охлаждении водой. Из кварцевого стекла изготовляют лабораторную посуду и приборы для научных исследований.
Простейшая формула оксида кремния (IV) SiO2 аналогична формуле оксида углерода (IV) СO2. Между тем физические свойства их резко отличаются (SiO2 — твердое вещество, CO2 — газ). Это различие объясняется строением кристаллических решеток.


СO2 кристаллизуется в молекулярной решетке, SiO2 — в атомной. Каждый атом кремния заключен в тетраэдр из 4 атомов кислорода. При этом атом кремния находится в центре, а по вершинам тетраэдра расположены атомы кислорода. Весь кусок кремнезема можно рассматривать как кристалл, формула которого (SiO2)n. Такое строение оксида кремния (IV) обусловливает его высокую твердость и тугоплавкость.
По химическим свойствам оксид кремния (IV) SiO2 относится к кислотным оксидам. При сплавлении его с твердыми щелочами, основными оксидами и карбонатами образуются соли кремниевой кислоты: метасиликаты.
Сплавление, 900-10000С
SiO2 + 2NaOH à H2O+ Na2SiO3 метасиликат
SiO2 + CaO à CaSiO3
SiO2 + Na2CO3 à Na2 SiO3 + CO2 ↑
Реагирует со щелочами в растворе (образует ортосиликаты).
Кип.
SiO2 (аморфн.)+ 4NaOHNa4SiO4+ 2H2O

С оксидом кремния (IV) взаимодействует только плавиковая кислота:
SiO2 + 4HFà SiF4 + 2H2O
С помощью этой реакции производится травление стекла.
Восстанавливается углеродом, магнием, железом (в доменном процессе). Кип
SiO2 + 3C(кокс)SC+CO
SiO2 + MgSi+ MgO
В воде оксид кремния (IV) не растворяется и с ней химически не взаимодействует. Поэтому кремниевую кислоту получают косвенным путем, действуя кислотой на раствор силиката калия или натрия:
Na2SiO3 + H2SO4 à H2 SiO3 ↓+ Na2SO4
При этом кремниевая кислота (в зависимости от концентрации исходных растворов соли и кислоты) может быть получена как в виде студнеобразной массы, содержащей воду, так и в виде коллоидного раствора (золя).
Применение.
Оксид кремния (IV) SiO2 применяется как промышленное сырье в производстве кремния, обычного, термо и химически стойкого стекла, фарфора, керамики, абразивов и адсорбентов, наполнитель резины, смазок, клеев, красок, компонент строительных связывающих растворов. Разновидности кварца (горный хрусталь, аметист, дымчатый кварц, халцедон, оникс и др.) – драгоценные, полудрагоценные или поделочные камни.

Кремниевые кислоты
1) H2SiO3 — метакремниевая кислота;
2) H4SiO4 — ортокремниевая кислота;
Однако обычно кремниевую кислоту изображают формулой H2SiO3. H2SiO3 — кислота очень слабая, в воде мало растворима. При нагревании легко распадается аналогично угольной кислоте:
Н2SiO3 à H2 O + SiO2
Все кремниевые кислоты очень слабые (слабее угольной).
Состав кремниевых кислот представляют в виде формул:
nSiO2*mH2O. Кислоты с различным числом m легко переходят друг в друга и не могут быть выделены в чистом виде. Даже такая слабая кислота как угольная, вытесняет кремневую из ее солей в водных растворах:
Na2O*nSiO2+ CO2 + H2 O à Na2 CO3 + nSiO2 *mH2o
Образующиеся кремниевые кислоты выпадают в виде белого желеобразного осадка - геля. При его обезвоживании получают силикагель – бесцветное пористое вещество с очень большой поверхностью и способностью к адсорбции. Его широко применяют для осушки и очистки паров и газов. При обработке свежеприготовленных гелей растворами кислот и щелочей получают так называемое растворимое стекло. Его используют для противопожарной пропитки дерева и тканей. Водный раствор силиката натрия Na2O*nSiO2 (n- от 2 до 4) - силикатный клей.

Силикаты
Соли всех кремниевых кислот называют силикатами, хотя, как правило, в учебной школьной литературе под силикатами подразумевают соли метакремниевой кислоты, содержащий остаток SiO32-.
Их состав обычно изображают формулой в виде соединений оксидов элементов. Например, силикат кальция CaO*nSiO2. При стоянии на воздухе растворы силикатов мутнеют, так как находящийся в воздухе оксид углерода (IV) вытесняет кремниевую кислоту из ее солей (см. ранее)
Качественной реакцией на ион SiO32- служит взаимодействие
кислоты, например серной, на раствор метасиликата калия или натрия:
Na2SiO3 + H2SO4 à H2 SiO3↓+ Na2SO4
Силикаты – химические соединения, содержащие
кремнийкислотные остатки различного состава [SinOm]. Они часто имеют сложное строение. Основа всех силикатов - кремнийкислородный тетраэдр [SiO4], в центре которого расположен атом кремния, а в вершинах – атомы кислорода. В состав природных силикатов входят большинство щелочных и щелочноземельных и переходных металлов. Наряду с кремнийкислородным остатком они могут также содержать анионы типа: OH-, F-, CO32-, SO42- и др. Многие силикаты содержат кристаллизационную воду. Свойства силикатов зависят от их состава и строения. За исключением силикатов щелочных металлов все они нерастворимы в воде.
Применение силикатов. Наиболее широко используются силикаты натрия и калия. Концентрированные растворы этих солей называют жидким стеклом; они имеют сильнощелочную реакцию вследствие гидролиза. Жидкое стекло используют при изготовлении клея и водонепроницаемых тканей. Жидкое стекло применяется в качестве связующего при изготовлении кислотоупорных бетонов, а также для изготовления замазок, конторского клея. Им пропитывают ткани, дерево и бумагу для придания им огнестойкости и водонепроницаемости.

Силикатная промышленность
Среди промышленных материалов силикаты занимают особое место. Бетон, кирпич, стекло и цемент в основе содержат силикаты.
Стекло - аморфный, хрупкий прозрачный материал, образующийся при застывании расплавов смесей оксидов на основе SiO2 (силикатное стекло) с добавлением В2О3 (боратное стекло), а также Р2О5 и GeO2
Таблица 3 Виды и состав стекол
состав, % /вид оконное хрустальное
SiO2 68-75 57-58
Na2O 10-17 -
СаО 5-10 -
MgO до 4 -
К2О до 3 15-16
Al2O3 1-4 0,5
Fe2O3 1-4 -
B2O3 - 10
PbO - 24

В непрозрачное стекло вводят также плавиковый шпат СаF2,, криолит Na3[AlF6] и другие глушители.
Варят стекло в печах непрерывного действия. С одного конца в такую печь засыпают шихту (исходную смесь, содержащую песок SiO2, соду Na2СО3, известняк СаСО3, магнезит MgCO3, селитру KNO3). При варке специальных стекол вводят добавки: PbO, ZnO, B2O3 и др.
В первой части печи (1000-1400 0С) идут реакции разложения:
Na2СО3 Na2O + CO2
CaСО3 CaO + CO2
MgСО3 MgO + CO2
Здесь из оксидов кремния (IV) и других оксидов металлов образуются силикаты. Пузырьки образующихся газов удаляются из вязкой массы во второй, более горячей части печи (при 16000С). В третьей части печи расплавленное стекло остывает до 1200-1300 0С и из него формуют изделия. Стеклу можно придать любую форму, сделать его стойким, небьющимся, любого цвета и т.п.
НАЗВАНИЕ СОСТАВ ПРИМЕНЕНИЕ
техническое
стекло силикаты натрия
и кальция 1. нормальное стекло: бутылочное, оконное стекло;
2. цветное стекло
зеленое (с Fe2+), коричневое (с Fe 3+)
голубое (с Co2+)
3. боросиликатное стекло
(с В2О3) для лабораторной и огнеупорной посуды, лампочек накаливания
4. оптическое стекло: для линз, призм (с PbO), световодов (с GeO2)

5.стеклоклокерамика
(для газовых плит, суставных протезов)
керамика алюмосиликаты фарфор (столовая посуда), каменно-керамические изделия (керамические трубы), кирпич
цемент силикаты и алюминаты
кальция строительные материалы:
а) цементный раствор (цемент, песок, вода)
б) бетон, цемент, гравий, вода
в) гидравлический раствор (цемент, известь, песок, вода)
цеолиты алюмосиликаты натрия катионин, добавки для моющих средств

Цемент
Сырье для производства цемента: известняк CaCO3 и глина, содержащая SiO4. Эти вещества перемешивают и обжигают в печах. Образовавшиеся в результате реакции вещества спекаются в виде отдельных кусков. После охлаждения их разламывают до порошка. Процесс затвердевания цементного теста объясняется тем что различные силикаты и алюминаты, входящие в состав цемента реагируют с водой с образованием каменистой массы. В зависимости от состава изготовляют различные сорта цемента
Бетон
Смесь щебня и песка с цементом. При смешивании цемента со шлаком получают шлакобетон. Бетонные сооружения получаются еще более прочными, если в бетон закладывать каркас из железных стержней. Такой строительный материал называется железобетоном.


Экспериментальная часть
Опыт 1
Растворение натриевого стекла в соляной кислоте
Методика
В стакан с раствором силиката натрия прильем раствор соляной кислоты. Перемешаем раствор. Образуется гель кремневой кислоты:
Na2SiO3+2HCl2NaCl+H2SiO3↓



Опыт 2
Растворение стекла в воде
Методика
В ступку насыпаем осколки обыкновенного стекла и добавляем прозрачный раствор фенолфталеина. Пестиком растолчем стекло. Фенолфталеин примет малиновую окраску
Na2SiO3  2Na+ + SiO32- электролитическая диссоциация
SiO32- + H++OH- HSiO3- + OH- гидролиз
Ион OH- и придает фенолфталеину малиновую окраску.

Опыт 3
Устойчивость к температуре кварцевого и обычного стекла
Методика
Кварцевое стекло устойчиво к резким перепадам температуры, обычное- нет.
Предварительно нагретую в пламени спиртовки стеклянную пробирку опускаем в стаканчик с холодной водой. Стекло пробирки потрескалось.
Нагрев в пламени спиртовки обрезок трубки из кварцевого стекла и резко опустив его в холодную воду, замечаем, что стекло осталось без изменений.




Использованная литература
1. Рудзитис Г.Е
Химия: Неорганич. химия: Учебн. для 9 кл. общеобразоват.
учреждений М.: Просвещение, 2000

2. Кузменко Н.Е, Еремин В.В., Попков В.А.
Начала химии. Современный курс для поступающих в ВУЗы: в 2
томах.: Федеративная Книготорговая компания. 1997

3. Хомченко Г.П
Химия для поступающих в ВУЗы. - М.: Высшая школа, 1993

4. Общая химия в формулах, определениях, схемах: Учеб.
Пособие /И.Е.Шиманович и др./ Под ред. Тикавого - Минск, 1996

5. Химия. Справочное руководство. ГДР, 1975, «Химия»

6. Химия. Учеб. Пособие для общеобразоват. учреждений / Ю. Д. Третьяков и др.- М.: ООО «Издательство АСТ», 2002

7. Справочник по общей и не органической химии.- М.: Просвещение, 1997
8. Химия. Для школьников ст. кл. и поступающих в вузы/ Н.Е. Кузьменко и др. – М.: Дрофа, 1997