Полный курс химии  
Главная страница
Теоретические основы химии
Органическая химия
Определения
Великие ученые
Полезное
Рефераты по химии
Полимеры
Новости
Каталог предприятий
Статьи
Практическая химия
Доска объявлений
Химия на досуге
Индустрия химии в России находится в стадии

Кислородные соединения

« Вернуться к содержанию

Оксид кремния (IV) и кремниевые кислоты

Оксид крем­ния SiO2 - твердое, очень тугоплавкое вещество (температура плавления более 1700 °С), широко распространенное в природе, где оно встречается главным образом в виде минерала кварца, а также кристобалита и тридимита.

При обычных температурах устойчивой модификацией яв­ляется кварц, с ростом температуры наблюдаются полиморфные превращения:

Кремнезем всех модификаций в виде мономера не существу­ет; он всегда полимерен и «построен» из тетраэдров [SiO4], обра­зующих очень прочную атомную решетку

Каждый атом кремния в кристаллах (SiO2)n тетраэдрически окружен четырьмя атомами кислорода, каждый из которых является мостиковым. Через общий атом кислорода тетраэдры [SiO4] под разными углами связываются друг с другом, образуя непрерывную трехмерную решетку; взаимное расположение тетраэдров [SiO4] в пространстве определяет ту или иную модификацию кремнезема.

В различных модификациях кремнезема прочность связей неодинакова. Это влияет на величину углов Si-О-Si и расстояний Si-О, например угол связи Si-О-Si в различных модификациях кремнезема изменяется от 120 до 180°. Переходы кварц-три­димит-кристобалит сопровождаются разрывом и преобразова­нием связей, что может происходить только при высоких темпе­ратурах.

Кварц. Нередко встречается в природе в форме чрезвычайно хорошо образованных кристаллов, иногда значительной величи­ны. Кристаллы образованы из тетраэдров, расположенных винто­образно вокруг центральной оси, в виде спирали. В одном и том же кристалле направление спирали может быть противополож­ным. Такие кристаллы являются оптическими изомерами. Они вращают плоскость поляризации света, причем могут быть как право-, так и левовращающими. Те и другие кристаллы отлича­ются как предмет от своего зеркального изображения.

Кварц используется в различных областях науки и техники, и его кристаллы часто выращиваются искусственно. Некоторые разновидности кварца носят особые названия. Прозрачные бесцветные кристаллы называют горным хрусталем. Встречаются и окрашенные разновидности кварца: розовый кварц, фиолетовый (аметист), темно-коричневый (дымчатый топаз), зеленый (хризопраз) и др. Мелкокристаллическая модификация кварца с примесями других веществ называется халцедоном. Разновидно­стями халцедона являются агат, яшма и др. Горный хрусталь и окрашенные разновидности кварца используют как драгоценные и полудрагоценные камни.

Тридимит встречается в вулканических породах, однако в очень небольших количествах. Известен тридимит и метеоритного происхождения.

Кристобалит в природе иногда встречается в виде мелких кристаллов, включенных в лаву, подобно тридимиту. Тридимит и кристобалит обладают более «рыхлой» структурой, нежели кварц. Так, плотность кристобалита, тридимита и кварца равна 2,32; 2,26 и 2,65 г/см3 соответственно.

Расплав кремнезема при медленном охлаждении легко образует аморфное кварцевое стекло. Кремнезем в виде стекла встречается и в природе. Плотность аморфного стекла равна 2,20 г/см3 - ниже, чем у всех кристаллических модификаций. Кварцевое стек­ло имеет незначительный температурный коэффициент расшире­ния, поэтому из него готовят лабораторную посуду, устойчивую к резким изменениям температуры.

Все модификации кремнезема в воде практически нераство­римы (при температуре 25 °С растворимость кварца составляет 7, кристобалита - 12, тридимита - 16, кварцевого стекла - 83 мг/л). Поэтому при обычных условиях на них действуют лишь растворы щелочей и плавиковая кислота:

SiO2 + 2КОН = К2SiO3 + Н2О, (1)

SiO2 + 4НF = SiF4↑ + 2Н2О.  (2)

Последняя реакция используется при «травлении» стекла.

Приставленый диоксид кремния реагирует с основными оксидами, щелочами (реакция (1)) и карбонатами с образованием силикатов:

SiO2 + СаО = СaSiO3, (3)

SiO2 + Na2СО3 = Nа2SiO3 + СО2.  (4)

Реакции (3) и (4) лежат в основе промышленного по­лучения различных стекол, а также цемента. Так, со­став обычного стекла (например, оконного, для изготовления по­суды) выражается формулой Na2О.СаО.6SiO2. Такое стекло получают сплавлением смеси соды, песка и известняка. Процесс проводят при температуре ~1400 °С до полного удаления газов:

Na2СО3 + СаСО3 + 6SiO2 = Nа2О.СаО.6SiO2 + 2СО2↑.

Для получения специальных сортов стекла - огнеупорного, «небьющегося» - при варке добавляют оксиды бария, свинца, бора. Для получения цветных стекол вносят также различные до­бавки, например добавка оксида кобальта Со2О3 дает синий цвет, оксида хрома Сr2О3 - зеленый, двуоксида марганца МnО2 - ро­зовый.

Оксид SiO2 является ангидридом ряда кремниевых кислот, состав которых можно выразить общей формулой хSiO2∙yН2O, где х и у - целые числа: 1) х = 1, у = 1: SiO2.Н2О, т.е. Н2SiO3 - метакремниевая кислота; 1) х = 1, y = 2: SiO2.2О, т.е. ортокремниевая кислота; 1) x = 2, у = 1: 2SiO2.Н2О, т.е. Н2Si2O5двуметакремниевая кислота.

Кислоты, молекулы которых содержат более одной молекулы SiO2, относятся к поликремниевым.

Самая простая из кремниевых кислот - Н2SiO3, которую часто называют просто кремниевой, а ее соли - силикатами. Из силикатов в воде растворимы только силикаты натрия и калия, остальные силикаты - тугоплавкие, нерастворимые в воде вещества.

Растворы силикатов мутнеют при стоянии на воздухе, так как находящийся в нем СО2 вытесняет кремниевую кислоту из ее со­лей (Н2SiO3 слабее угольной кислоты; константа диссоциации Н2SiO3 по первой ступени равна К1 = 2,2.10-10).

Н2SiO3 практически нерастворима в воде - это свойство используют как качественную реакцию для обнаружения силикат-ионов:

Na2SiO3 + СО2 + Н2О = Nа2СО3 + Н2SiO3↓.

Получают силикаты сплавлением SiO2 со щелочами или кар­бонатами.

Концентрированные растворы силикатов натрия и калия называют жидким стеклом, они имеют сильнощелочную реакцию вследствии того, что сильно гидролизованы:

К2SiO3 + Н2О 2КОН + Н2SiO3↓.

Жидкое стекло используют, например, для изготовления клея, водонепроницаемых тканей.

Цемент очень широко используется в строительстве как вяжущий материал, который при смешивании с водой затвердевает. Обычно цемент получают в больших вращающихся печах, где производят обжиг и размол различных силикатов (при температу­ре -1000 °С).

Различают несколько типов цементов, однако условно можно выделить два типа цементов по принципу их «свертывания» - обычный цемент и портландский цемент. Процесс «схватывания» обычного цемента, состоящего из силиката кальция, происходит вследствие образования карбоната кальция за счет углекислого газа воздуха:

СаО.SiO2 + СО2 + Н2О = СаСО3↓ + Н2SiO3↓.

При схватывании портландского цемента углекислота не уча­ствует в процессе, а происходит гидролиз силикатов с последующим образованием нерастворимых кристаллогидратов:

Са3SiO5 + Н2О = Са2SiO4 + Са(ОН)2,

Са2SiO4 + 4Н2О = Са2SiO4.2O.


Читайте далее:
Оксид углерода (II) и оксид кремния (II)

Оба оксида получают неполным окислением простых веществ или по реакциям: С + СО2 = 2СО, Si + SiO2 = 2SiO. Они оба не реагируют при обычных условиях ни с кислотами, ни со щелочами. Оксид кремния (II) мало доступен и очень редко используется, в отличие от угарного газа СО, на свойствах которого мы остановимся ...
Оксид углерода (IV), Угольная кислота и ее соли

Оксид углерода (IV) (диоксид углерода, углекислый газ) - газ без цвета и запаха, не поддерживающий дыхания и горения, тяжелее воздуха. Он растворим в воде (88 объемов СО2 в 100 объемах Н2О при 20°С). При обычных давлениях твердый диоксид углерода перехо­дит в газообразное состояние (сублимируется), ...
 

А знаете ли вы что...
В те доли секунды, когда вы чиркаете спичкой о коробку, температура спичечной головки поднимается до 200 градусов С.