Кремний и его соединения. Силикатная промышленность. Кремний в производстве цемента


Кремний химические свойства - Знаешь как

Страницы Список страниц 26 27 28 29 30 · · ·  45                    

Содержание страницы

§ 84. Кремний. Аллотропия, физические и химические свойства

Химический знак кремния Si, атомный вес 28,086, заряд ядра +14. Кремний, как и углерод, располагается в главной подгруппе IV группы, в третьем периоде. Это аналог углерода. Электронная конфигурация электронных слоев атома кремния ls22s22p63s23p2. Строение внешнего электронного слоя

Структура внешнего электронного слоя аналогична структуре атома углерода.Кремний встречается в виде двух аллотропных видоизменений — аморфного и кристаллического.Аморфный кремний — порошок буроватого цвета, обладающий несколько большей химической активностью, чем кристаллический. При обычной температуре реагирует с фтором:Si + 2F2 = SiF4 при 400° — с кислородомSi + O2 = SiO2в расплавах — с металлами:2Mg + Si = Mg2SiКристаллический кремний — твердое хрупкое вещество с металлическим блеском. Он обладает хорошей тепло- и электропроводностью, легко растворяется в расплавленных металлах, образуя сплавы. Сплав кремния с алюминием называется силумином, сплав кремния с железом — ферросилицием. Плотность кремния 2,4. Температура плавления 1415°, температура кипения 2360°. Кристаллический кремний — вещество довольно инертное и в химические реакции вступает с трудом. С кислотами, несмотря на хорошо заметные металлические свойства, кремний не реагирует, а со щелочами вступает в реакцию, образуя соли кремниевой кислоты и водород:Si + 2КОН + Н2О = K2SiO2 + 2h3

■  36. В чем сходство и в чем различие электронных структур атомов кремния и углерода? 37. Как объяснить с точки зрения электронной структуры атома кремния, почему металлические свойства более характерны для кремния, чем для углерода? 38. Перечислите химические свойства кремния. (См. Ответ)

§ 85. Кремний в природе. Двуокись кремния

В природе кремний распространен очень широко. Примерно 25% земной коры приходится на кремний. Значительная часть природного кремния представлена двуокисью кремния SiO2. В очень чистом кристаллическом состоянии двуокись кремния встречается в виде минерала, называемого горным хрусталем. Двуокись кремния и двуокись углерода по химическому составу являются аналогами, однако двуокись углерода — это газ, а двуокись кремния — твердое вещество. В отличие от молекулярной кристаллической решетки СO2 двуокись кремния SiO2 кристаллизуется в виде атомной кристаллической решетки, каждая ячейка которой представляет собой тетраэдр с атомом кремния в центре и атомами кислорода по углам. Это объясняется тем, что атом кремния имеет больший радиус, чем атом углерода, и вокруг него могут разместиться не 2, а 4 кислородных атома. Различием в строении кристаллической решетки объясняется различие свойств этих веществ. На рис. 69 показаны внешний вид кристалла природного кварца, состоящего из чистой двуокиси кремния, и ее структурная формула.

Кристаллическая двуокись кремния наиболее часто встречается в виде песка, который имеет белый цвет, если не загрязнен глинистыми примесями желтого цвета. Помимо песка, двуокись кремния часто встречается в виде очень твердого минерала — кремния (гидратированная двуокись кремния). Кристаллическая двуокись кремния, окрашенная в различные примеси, образует драгоценные и полудрагоценные камни — агат, аметист, яшму. Почти чистая двуокись кремния встречается также в виде кварца и кварцита. Свободной двуокиси кремния в земной коре 12%, в составе различных горных пород — около 43%. В общей сложности более 50% земной коры состоит из двуокиси кремния.Кремний входит в состав самых различных горных пород и минералов — глины, гранитов, сиенитов, слюд, полевых шпатов и пр.

Твердая двуокись углерода, не плавясь, возгоняется при —78,5°. Температура плавления двуокиси кремния около 1.713°. Она весьма тугоплавка. Плотность 2,65. Коэффициент расширения двуокиси кремния очень мал. Это имеет очень большое значение при применении посуды из кварцевого стекла. В воде двуокись кремния не растворяется и с ней не реагирует, несмотря на то, что это кислотный окисел и ему соответствует кремниевая кислота h3SiO3. Двуокись углерода в воде, как известно, растворима. С кислотами, кроме плавиковой кислоты HF, двуокись кремния не реагирует, со щелочами дает соли.

Рис. 60. Структурная формула двуокиси кремния (а) и кристаллы природного кварца (б)

Рис. 69. Структурная формула двуокиси кремния (а) и кристаллы природного кварца (б).При накаливании двуокиси кремния с углем происходит восстановление кремния, а затем его соединение с углеродом и образование карборунда по уравнению:SiO2 + 2С = SiC + СО2. Карборунд обладает высокой твердостью, к кислотам устойчив, а щелочами разрушается.

■ 39. По каким свойствам двуокиси кремния можно судить о ее кристаллической решетке? (См. Ответ) 40. В виде каких минералов двуокись кремния встречается в природе? 41. Что такое карборунд? (См. Ответ)

§ 86. Кремниевая кислота. Силикаты

Кремниевая кислота h3SiO3 является кислотой очень слабой и малоустойчивой. При нагревании она постепенно разлагается на воду и двуокись кремния:h3SiO3 = h3O + SiO2

В воде кремниевая кислота практически нерастворима, но может легко давать коллоидные растворы.Кремниевая кислота образует соли, которые называются силикатами. Силикаты широко встречаются в природе. Природные силикаты — это довольно сложные вещества. Состав их обычно изображается как соединение нескольких окислов. Если в состав природных силикатов входит окись алюминия, они называются алюмосиликатами. Таковы белая глина, (каолин) Al2O3 · 2SiO2 · 2h3O, полевой шпат К2O · Al2O3 · 6SiO2, слюдаК2O · Al2O3 · 6SiO2 · 2Н2O. Многие природные силикаты в чистом виде являются драгоценными камнями, например аквамарин,топаз, изумруд и др.Из искусственных силикатов следует отметить силикат натрия Na2SiO3 — один из немногих растворимых в воде силикатов. Его называют растворимым стеклом, а раствор — жидким стеклом.

Силикаты широко применяются в технике. Растворимым стеклом пропитывают ткани и древесину для предохранения их от воспламенения. Жидкое стекло входит в состав огнеупорных замазок для склеивания стекла, фарфора, камня. Силикаты и алюмосиликаты являются основой в производстве стекла, фарфора, фаянса, цемента, бетона, кирпича и различных керамических изделий. В растворе силикаты легко гидролизуются.

■ 42. Что такое алюмосиликаты? Чем они отличаются от силикатов? 43. Что такое жидкое стекло и для каких целей оно применяется? (См. Ответ)

§ 87. Стекло

Сырьем для производства стекла являются сода Na2CO3, известняк СаСO3 и песок SiO2. Все составные части стеклянной шихты тщательно очищают, смешивают и сплавляют при температуре около 1400°. В процессе сплавления протекают следующие реакции:Na2CO3 + SiO2= Na2SiO3 + CO2↑

CaCO3 + SiO2 = CaSiO 3+ CO2↑Фактически в состав стекла входят силикаты натрия и кальция, а также избыток SO2, поэтому состав обычного оконного стекла: Na2O · CaO · 6SiO2. Стеклянную шихту нагревают при температуре 1500° до тех пор, пока полностью не удалится двуокись углерода. Затем стекло охлаждают до температуры 1200°, при которой оно становится вязким. Как всякое аморфное вещество, стекло размягчается и затвердевает постепенно, поэтому оно является хорошим пластическим материалом. Вязкую стеклянную массу пропускают через щель, в результате чего образуется стеклянный лист. Горячий стеклянный лист вытягивают валками, доводя до определенных размеров и постепенно охлаждая током воздуха. Затем его обрезают по краям и разрезают на листы определенного формата.

■ 44. Приведите уравнения реакций, протекающих при получении стекла, и состав оконного стекла. (См. Ответ)

Стекло — вещество аморфное, прозрачное, в воде практически нерастворимо, но если измельчить его в мелкую пыль и смешать с небольшим количеством воды, то в полученной смеси с помощью фенолфталеина можно обнаружить щелочь. При длительном хранении щелочей в стеклянной посуде избыток SiO2 в стекле очень медленно реагирует со щелочью и стекло постепенно утрачивает прозрачность.Стекло стало известно людям более чем за 3000 лет до нашей эры. В древности получали стекла почти такого же состава, как и в настоящее время, но древние мастера руководствовались лишь собственной интуицией. В 1750 г. М. В. Ломоносов сумел разработать научные основы получения стекла. За 4 года М. В. Ломоносов собрал много рецептов изготовления разных стекол, особенно цветных. На построенной им стекольной фабрике было изготовлено большое количество образцов стекла, которые сохранились до наших дней. В настоящее время используются стекла разного состава, обладающие различными свойствами.

Кварцевое стекло состоит из почти чистой двуокиси кремния и выплавляется из горного хрусталя. Его очень важной особенностью является то, что коэффициент расширения у него незначительный, почти в 15 раз меньше, чем у обычного стекла. Посуду из такого стекла можно раскалить докрасна в пламени горелки и после этого опустить в холодную воду; при этом никаких изменений со стеклом не произойдет. Кварцевое стекло не задерживает ультрафиолетовых лучей, а если окрасить его никелевыми солями в черный цвет, то оно будет задерживать все видимые лучи спектра, но для ультрафиолетовых лучей останется прозрачным.На кварцевое стекло не действуют кислоты и вода, но щелочи его заметно разъедают. Кварцевое стекло более хрупко, чем обычное. Лабораторное стекло содержит около 70% SiО2, 9% Na2О, 5% К2О 8% СаО, 5% Аl2O3, 3% В2O3 (состав стекол приводится не для запоминания).

В промышленности находят применение стекла иен-ское и пирекс. Иенское стекло содержит около 65% Si02, 15% В2O3, 12% ВаО, 4% ZnO, 4% Аl2O3. Оно прочно, устойчиво к механическим воздействиям, имеет малый коэффициент расширения, устойчиво к щелочам.Стекло пирекс содержит 81% SiO2, 12% В2O3, 4% Na2O, 2% Аl2O3, 0,5% As2O3, 0,2% К2O, 0,3% СаО. Оно обладает такими же свойствами, как иенское стекло, но в еще большей степени, особенно после закалки, зато менее устойчиво к щелочам. Из стекла пирекс изготовляют предметы домашнего обихода, подвергающиеся нагреванию, а также детали некоторых промышленных установок, работающие при низких и высоких температурах.

Разные качества стеклу придают некоторые добавки. Например, примеси окислов ванадия дают стекло, полностью задерживающее ультрафиолетовые лучи.Получают также и стекло, окрашенное в различные цвета. Еще М. В. Ломоносов изготовил несколько тысяч образцов цветного стекла разной окраски и оттенков для своих мозаичных картин. В настоящее время методы окраски стекла детально разработаны. Соединения марганца окрашивают стекло в фиолетовый цвет, кобальта — в синий. Золото, распыленное в массе стекла в виде коллоидных частиц, придает ему рубиновую окраску и т. д. Свинцовые соединения придают стеклу блеск, подобный блеску горного хрусталя, поэтому оно называется хрустальным. Такое стекло легко поддается обработке, огранке. Изделия из него очень красиво преломляют свет. При окраске этого стекла различными добавками получается цветное хрустальное стекло.

Если расплавленное стекло смешать с веществами, которые при разложении образуют большое количество газов, то последние, выделяясь, вспенивают стекло, образуя пеностекло. Такое стекло очень легкое, хорошо обрабатывается, является прекрасным электро- и тепло-изолятором. Оно было впервые получено проф. И. И. Китайгородским.Вытягивая из стекла нити, можно получить так называемое стекловолокно. Если пропитать уложенное слоями стекловолокно синтетическими смолами, то получается очень прочный, не поддающийся гниению, прекрасно обрабатывающийся строительный материал, так называемый стеклотекстолит. Интересно, что чем тоньше стекловолокно, тем выше его прочность. Стекловолокно также применяется для изготовления спецодежды.Стеклянная вата является ценным материалом, через который можно фильтровать сильные кислоты и щелочи, не фильтрующиеся через бумагу. Кроме того, стеклянная вата является хорошим теплоизолирующим веществом.

■ 44. От чего зависят свойства стекол разных видов? (См. Ответ)

§ 88. Керамика

Из алюмосиликатов особенно важна белая глина — каолин, являющаяся основой для получения фарфора и фаянса. Производство фарфора — чрезвычайно древняя отрасль хозяйства. Родина фарфора — Китай. В России фарфор был получен впервые в XVIIIв. Д, И. Виноградовым.Сырьем для получения фарфора и фаянса, помимо каолина, служат песок и вода. Смесь каолина, песка и воды подвергают тщательному тонкому размолу в шаровых мельницах, затем отфильтровывают избыток воды и хорошо вымешанную пластичную массу направляют на формовку изделий. После формовки изделия подвергают сушке и обжигу в туннельных печах непрерывного действия, где их сначала разогревают, затем обжигают и, наконец, охлаждают. После этого изделия проходят дальнейшую обработку — покрытие глазурью, нанесение рисунка керамическими красками. После каждой стадии изделия обжигают. В результате фарфор получается белым, гладким и блестящим. В тонких слоях он просвечивает. Фаянс порист и не просвечивает.

Из красной глины формуют кирпичи, черепицу, глиняную посуду, керамические кольца для насадки в поглотительных и промывных башнях разных химических производств, цветочные горшки. Их также обжигают, чтобы они не размягчались водой, стали механически прочными.

§ 89. Цемент. Бетон

Соединения кремния служат основой для получения цемента — вяжущего материала, незаменимого в строительстве. Сырьем для получения цемента являются глина и известняк. Эту смесь обжигают в огромной наклонной трубчатой вращающейся печи, куда непрерывно загружают сырье. После обжига при 1200—1300° из отверстия, расположенного на другом конце печи, непрерывно выходит спекшаяся масса — клинкер. После размола клинкер превращается в цемент. В состав цемента входят главным образом силикаты. Если цемент смешать с водой до образования густой кашицы, а затем оставить на некоторое время на воздухе, то вода вступит в реакцию с веществами цемента, образуя кристаллогидраты и другие твердые соединения, что приводит к затвердеванию («схватыванию») цемента. Такой цемент уже не переводится в прежнее состояние, поэтому до употребления цемент стараются беречь от воды. Процесс твердения цемента является длительным, и настоящую прочность он приобретает лишь через месяц. Правда, существуют разные сорта цемента. Рассмотренный нами обычный цемент называется силикатным, или портландцементом. Из глинозема, известняка и двуокиси кремния изготовляют быстро твердеющий глиноземистый цемент.

Если смешать цемент со щебнем или гравием, то получается бетон, являющийся уже самостоятельным строительным материалом. Щебень и гравий называются наполнителями. Бетон обладает высокой прочностью и выдерживает большие нагрузки. Он водостоек, огнестоек. При нагревании почти не теряет прочности, так как теплопроводность его очень мала. Бетон морозостоек, ослабляет радиоактивные излучения, поэтому его используют как строительный материал для гидротехнических сооружений, для защитных оболочек ядерных реакторов. Бетоном обмуровывают котлы. Если смешать цемент с пенообразователем, то образуется пронизанный множеством ячеек пенобетон. Такой бетон является хорошим звукоизолятором и еще меньше, чем обычный бетон, проводит тепло.

Если бетоном залить стальной каркас, то получится железобетон. Каркас называется арматурой. Из железобетона изготовляют блоки и панели для домостроения, трубы, мосты, перекрытия, шпалы.

■ 46. Составьте и заполните следующую таблицу. (См. Ответ)

Силикатная промышленность

28

27 29

znaesh-kak.com

свойства, применение, характеристика, производство, состав

Как самостоятельный химический элемент кремний стал известен человечеству всего лишь в 1825 году. Что, конечно, не мешало применять соединения кремния в таком количестве сфер, что проще перечислить те, где элемент не используется. Данная статья прольет свет на физические, механические и полезные химические свойства кремния и его соединений, области применения, также мы расскажем о том, как влияет кремний на свойства стали и иных металлов.

Что такое кремний

Для начала давайте остановимся на общей характеристике кремния. От 27,6 до 29,5% массы земной коры составляет кремний. В морской воде концентрация элемента тоже изрядная – до 3 мг/л.

По распространенности в литосфере кремний занимает второе почетное место после кислорода. Однако наиболее известная его форма – кремнезем, является диоксидом, и именно его свойства и стали основой для столь широкого применения.

О том, что такое кремний, расскажет этот видеосюжет:

Понятие и особенности

Кремний – неметалл, однако при разных условиях может проявлять и кислотные, и основные свойства. Является типичным полупроводником и чрезвычайно широко используется в электротехнике. Физические и химические его свойства во многом определяются аллотропным состоянием. Чаще всего дело имеют с кристаллической формой, поскольку ее качества более востребованы в народном хозяйстве.

  • Кремний – один из базовых макроэлементов в человеческом теле. Его нехватка губительно сказывается на состоянии костной ткани, волос, кожи, ногтей. Кроме того, кремний оказывает влияние на работоспособность иммунной системы.
  • В медицине элемент, вернее говоря, его соединения нашли свое первое применение именно в этом качестве. Вода из колодцев, выложенных кремнием, отличались не только чистотой, но и положительно сказывалась на стойкости к инфекционным болезням. Сегодня соединение с кремнием служат основой для препаратов против туберкулеза, атеросклероза, артрита.
  • В целом неметалл малоактивен, однако и в чистом виде встретить его сложно. Связано это с тем, что на воздухе он быстро пассивируется слоем диоксида и перестает реагировать. При нагревании химическая активность увеличивается. В результате человечество гораздо ближе знакомо с соединениями вещества, а не с ним самим.

Так, кремний образует сплавы практически со всеми металлами – силициды. Все они отличаются тугоплавкостью и твердостью и применяются на соответствующих участках: газовые турбины, нагреватели печей.

Размещается неметалл в таблице Д. И. Менделеева в 6 группе вместе с углеродом, германием, оловом, что указывает на определенную общность с этими веществами. Так, с углеродом его «роднит» способность к образованию соединений по типу органических. При этом кремний, как и германий может проявить свойства металла в некоторых химических реакциях, что используется в синтезе.

Плюсы и минусы

Как и всякое другое вещество с точки зрения применения в народном хозяйстве, кремний обладает определенными полезными или не слишком качествами. Важны они именно для определения области использования.

  • Немалым достоинством вещества является его доступность. В природе он, правда, находится не в свободном виде, но все же, технология получения кремния не так уж и сложна, хотя и энергозатратна.
  • Второе важнейшее достоинство – образование множества соединений с необыкновенно полезными свойствами. Это и силаны, и силициды, и диоксид, и, конечно, разнообразнейшие силикаты. Способность кремния и его соединений образовывать сложные твердые растворы практически бесконечна, что позволяет бесконечно же получать самые разные вариации стекла, камня и керамики.
  • Полупроводниковые свойства неметалла обеспечивает ему место базового материала в электро- и радиотехнике.
  • Неметалл является нетоксичным, что допускает применение в любой отрасли промышленности, и при этом не превращает технологический процесс в потенциально опасный.

К недостаткам материала можно отнести лишь относительную хрупкость при хорошей твердости. Кремний не используется для несущих конструкций, но зато это сочетание позволяет обрабатывать должным образом поверхность кристаллов, что важно для приборостроения.

Давайте теперь поговорим про основные свойства кремния.

Свойства и характеристики

Поскольку в промышленности чаще всего эксплуатируется кристаллический кремний, то именно его свойства и являются более важными, и именно они и приводятся в технических характеристиках. Физические свойства вещества таковы:

  • температура плавления – 1417 С;
  • температура кипения – 2600 С;
  • плотность составляет 2,33 г/куб. см, что свидетельствует о хрупкости;
  • теплоемкость, как и теплопроводность не постоянны даже на самых чистых пробах: 800 Дж/(кг·К), или 0,191 кал/(г·град) и 84-126 вт/(м·К), или 0,20-0,30 кал/(см·сек·град) соответственно;
  • прозрачен для длинноволнового ИК-излучения, что используется в инфракрасной оптике;
  • диэлектрическая проницаемость – 1,17;
  • твердость по шкале Мооса – 7.

Электрические свойства неметалла сильно зависят от примесей. В промышленности эту особенность используют, модулируя нужный тип полупроводника. При нормальной температуре кремний хрупок, но при нагревании выше 800 С возможна пластическая деформация.

Свойства аморфного кремния разительно отличаются: он сильно гигроскопичен, намного активнее вступает в реакцию даже при нормальной температуре.

Структура и химический состав, а также свойства кремния рассмотрены в видеоролике ниже:

Состав и структура

Кремний существует в двух аллотропных формах, одинаково устойчивых при нормальной температуре.

  • Кристаллический имеет вид темно-серого порошка. Вещество, хотя и имеет алмазоподобную кристаллическую решетку, является хрупким – из-за чересчур длинной связи между атомами. Интерес представляют его свойства полупроводника.
  • При очень высоких давлениях можно получить гексагональную модификацию с плотностью 2,55 г/куб. см. Однако эта фаза практического значения пока не нашла.
  • Аморфный – буро-коричневый порошок. В отличие от кристаллической формы намного активнее вступает в реакцию. Связано это не столько с инертностью первой формы, сколько с тем, что на воздухе вещество покрывается слоем диоксида.

Кроме того, необходимо учитывать и еще один тип классификации, связанный с величиной кристалла кремния, которые в совокупности образуют вещество. Кристаллическая решетка, как известно, предполагают упорядоченность не только атомов, но и структур, которые эти атомы образуют – так называемый дальний порядок. Чем он больше, тем более однородным по свойствам будет вещество.

  • Монокристаллический – образец представляет собой один кристалл. Структура его максимально упорядочена, свойства однородны и хорошо предсказуемы. Именно такой материал наиболее востребован в электротехнике. Однако он же относится к самому дорогому виду, поскольку процесс его получения сложен, а скорость роста низка.
  • Мультикристаллический – образец составляет некоторое количество крупных кристаллических зерен. Границы между ними формируют дополнительные дефектные уровни, что снижает производительность образца, как полупроводника и приводит к более быстрому износу. Технология выращивания мультикристалла проще, потому и материал дешевле.
  • Поликристаллический – состоит из большого количества зерен, расположенных хаотически относительно друг друга. Это наиболее чистая разновидность промышленного кремния, применяется в микроэлектронике и солнечной энергетике. Довольно часто используется в качестве сырья для выращивания мульти- и монокристаллов.
  • Аморфный кремний и в этой классификации занимает отдельную позицию. Здесь порядок расположения атомов удерживается только на самых коротких дистанциях. Однако в электротехнике он все же используется в виде тонких пленок.

Далее мы расскажем вам про сырье для производства кремния, вредность добычи, технологию его изготовления в мировых масштабах и в России.

Производство неметалла

Получить чистый кремний не так уж и просто, учитывая инертность его соединений и высокую температуру плавления большинства из них. В промышленности чаще всего прибегают к восстановлению углеродом из диоксида. Проводят реакцию в дуговых печах при температуре 1800 С. Таким образом получают неметалл чистотой в 99,9%, что для его применения недостаточно.

Полученный материал хлорируют с тем, чтобы получить хлориды и гидрохлориды. Затем соединения очищают всеми возможными методами от примесей и восстанавливают водородом.

Очистить вещество можно и за счет получения силицида магния. Силицид подвергают действию соляной или уксусной кислоты. Получают силан, а последний очищают различными способами – сорбционным, ректификацией и так далее. Затем силан разлагают на водород и кремний при температуре в 1000 С. В этом случае получают вещество с долей примеси 10-8–10-6%.

Применение вещества

Для промышленности наибольший интерес представляют электрофизические характеристики неметалла. Его монокристаллическая форма является непрямозонным полупроводником. Свойства его определяются примесями, что позволяет получать кристаллы кремния с заданными свойствами. Так, добавка бора, алюминия, индия дает возможность вырастить кристалл с дырочной проводимостью, а введение фосфора или мышьяка – кристалл с электронной проводимостью.

  • Кремний в буквальном смысле слова служит основой современной электротехники. Из него изготавливают транзисторы, фотоэлементы, интегральные схемы, диоды и так далее. Причем функциональность прибора определяет практически всегда только приповерхностный слой кристалла, что обуславливает весьма специфические требования именно к обработке поверхности.
  • В металлургии технический кремний применяют и как модификатор сплавов – придает большую прочность, и как компонент – в бронзах, например, и как раскислитель – при производстве чугуна.
  • Сверхчистый и очищенный металлургический составляют основу солнечной энергетики.
  • Диоксид неметалла встречается в природе в очень разных формах. Его кристаллические разновидности – опал, агат, сердолик, аметист, горный хрусталь, нашли свое место в ювелирном деле. Не столь привлекательные внешне модификации – кремень, песок, кварц, используются и в металлургии, и в строительстве, и в радиоэлектротехнике.
  • Соединение неметалла с углеродом – карбид, применяется и в металлургии, и в приборостроении, и в химической промышленности. Он является широкозональным полупроводником, отличается высокой твердостью – 7 по шкале Мооса, и прочностью, что и позволяет применять его в качестве абразивного материала.
  • Силикаты – то есть, соли кремниевой кислоты. Неустойчивы, легко разлагаются под действием температуры. Примечательность их в том, что они образуют многочисленные и разнообразные соли. А вот последние являются основой при производстве стекла, керамики, фаянса, хрусталя, цемента и бетона. Можно смело сказать, что современное строительство зиждется на разнообразных силикатах.
  • Стекло представляет здесь наиболее интересный случай. Основой его служат алюмосиликаты, но ничтожные примеси других веществ – обычно оксидов, придают материалу массу разных свойств, в том числе и цвет. Керамика – клинкер, фаянс, фарфор, по сути, имеет ту же формулу, хотя и с другим соотношением компонентов, и ее разнообразие тоже поразительно.
  • Неметалл обладает еще одной способностью: образует соединения по типу углеродных, в виде длинной цепочки из атомов кремния. Такие соединения носят название кремнийорганических. Сфера их применения не менее известна – это силиконы, герметики, смазки и так далее.

Кремний – очень распространенный элемент и имеет необыкновенно большое значение в очень многих сферах народного хозяйства. Причем активно используется не только само вещество, но все его разнообразные и многочисленные соединения.

Данное видео расскажет о свойствах и применении кремния:

Понравилась статья? Поделитесь с друзьями в социальных сетях:

Facebook

Twitter

Вконтакте

Одноклассники

Google+

И подписывайтесь на обновления сайта в Контакте, Одноклассниках, Facebook, Google Plus или Twitter.

stroyres.net

Кремний и его соединения. Силикатная промышленность

Кремний и его соединения. Силикатная промышленность

Кремний – элемент IV A группы, как и углерод. Поэтому на внешнем энергетическом уровне у него четыре электрона. Эти четыре электрона он может отдавать и проявлять восстановительные свойства, при этом его степень окисления будет равна +4, а может присоединять четыре электрона и проявлять окислительные свойства, при этом степень окисления у него будет -4.

В природе кремний – второй по рапространённости после кислорода химический элемент. В природе он встречается только в виде соединений. Наиболее распространёнными соединениями кремния является оксид кремния (IV) – SiO2 – кремнезём. В природе он образует минерал кварц. Его разновидностью является горный хрусталь, аметист, агат, топаз, опал, яшма, халцедон, сердолик, которые используют как поделочные и полудрагоценные камни.

Природные силикаты – сложные вещества. Их состав изображают в виде нескольких оксидов. Силикаты, в состав которых входит алюминий, называют алюмосиликатами. Это каолинит, полевой шпат, слюда.

Асбест тоже является силикатом и используется для изготовления огнеупорных тканей.

Из разновидностей минералов на основе оксида кремния (IV) первобытные люди изготавливали орудия труда. Кремний положил начало каменному веку, то есть веку кремнёвых орудий труда из-за его доступности и способности образовывать острые режущие края.

 

Оксид кремния (IV) придаёт прочность стеблям растений и защитным покровам животных.

Благодаря этому оксиду тростники, камыши, хвощи стоят крепко, а листья осоки режут, стебли злаков не ложатся от дождя и ветра, а чешуя рыб, панцири насекомых, крылья бабочек, перья птиц и шерсть животных прочны.

Кремний входит в состав диатомовых водорослей и радиолярий.

 

В промышленности кремний получают восстановлением оксида кремния (IV) коксом в электропечах.

В лаборатории его получают восстановлением оксида кремния (IV)  алюминием или магнием.

Кремний существует в виде двух аллотропных модификаций: аморфной и кристаллической.

Аморфный кремний представляет собой бурый порошок.

Кристаллический кремний – твёрдое вещество тёмно-серого цвета с металлическим блеском. Он хрупок и тугоплавок. Это обусловлено строением его кристаллов. Структура кремния аналогична структуре алмаза, то есть в этом кристалле каждый атом окружён четырьмя другими атомами и связан с ними ковалентными связями.

 Кремний является полупроводником. С повышением температуры его электропроводность увеличивается. Например, на спутниках, космических кораблях, станциях и крышах домов устанавливаются солнечные батареи. Эти батареи,  превращают солнечную энергию в электрическую, за счёт кристаллов полупроводников, таких как кремний.

При комнатной температуре кремний инертен, но при нагревании он реагирует с металлами и неметаллами.

Кремний горит в кислороде с образованием оксида кремния (IV).

В этой реакции кремний повышает свою степень окисления с 0 до +4, а кислород понижает с 0 до -2. Поэтому кремний выступает в роли восстановителя, а кислород – в роли окислителя.

Восстановительные свойства кремния используют в металлургии для получения некоторых металлов из их оксидов.

Кремний при нагревании реагирует с металлами, при этом образуются соединения, которые называются силициды. Например, в реакции магния с кремнием образуется силицид магния. В этой реакции магний повышает свою степень окисления с 0 до +2, а кремний понижает с 0 до -4. Поэтому магний – восстановитель, а кремний – окислитель.

Силициды легко разлагаются водой или кислотами, при этом образуется газ силан – водородное соединение кремния. Так, при взаимодействии силицида магния с соляной кислотой образуется хлорид магния и газ силан.

Силан на воздухе самовоспламеняется и сгорает с образованием оксида кремния (IV) и воды.

Кремний вступает во взаимодействие с концентрированными растворами щелочей. Например, при взаимодействии кремния с концентрированным раствором гидроксида натрия образуется силикат натрия и водород.

Кремний можно получить нагреванием оксида кремния (IV)  с магнием или углеродом.

В реакции с магнием магний восстанавливает кремний из оксида кремния (IV), а в реакции оксида кремния (IV)  с углеродом, углерод воссстанавливает кремний из его оксида.

Оксид кремния (IV), кремнезём – SiO2 – твёрдое, очень тугоплавкое вещество, нерастворимое в воде. Этот оксид имеет атомную кристаллическую решётку, в узлах которой находятся атомы кремния и кислорода.

Оксид кремния (IV)  является кислотным оксидом, поэтому проявляет все свойства, характерные для этих оксидов. Однако этот оксид не растворяется в воде, но он реагирует с растворами щелочей. Так, в реакции оксида кремния (IV) с гидросидом натрия образуется силикат натрия и вода.

Оксид кремния (IV)  вступает в реакции с основными оксидами при нагревании. Так, в реакции с оксидом кальция образуется силикат кальция.

Оксид кремния (IV)  взаимодействует  при нагревании с карбонатами, так в реакции с карбонатом натрия образуется силикат натрия и углекислый газ.

Силикаты натрия и калия называются растворимыми стёклами. Их водные растворы представляют собой силикатный клей.

Оксид кремния (IV)  реагирует с фтороводородом и плавиковой кислотой с образованием газообразного фторида кремния.

Этим свойством пользуются для вытравливания на стекле надписей, рисунков и меток.

Состав кремниевой кислоты можно выразить как h3SiO3. Кремниевая кислота – студенистое, нерастворимое в воде вещество. Она относится к очень слабым кислотам (даже слабее угольной). При высыхании раствора, содержащем кремниевую кислоту, образуется силикагель, который применяют в качестве адсорбента.

Кремниевая кислота – непрочное соединение и при хранении или при нагревании разлагается на оксид кремния (IV) и воду.

Качественной реакцией на силикат-ион является реакции силикатов с растворами сильных кислот, при этом образуется кремниевая кислота в виде студенистого осадка. Например, в реакции силиката натрия с соляной кислотой образуется соль – хлорид натрия и кремниевая кислота в виде студенистого осадка.

Проведём эксперимент. Для этого пропустим углекислый газ через раствор силиката натрия. При этом мы можем наблюдать образование студенистого осадка. Это образовалась кремниевая кислота. Таким образом, кремниевая кислота очень слабая, даже слабее угольной, которая может вытеснить её из раствора соли.

А теперь к этому студенистому осадку прильём концентрированный раствор щёлочи и нагреем на пламени спиртовки.  Осадок начинает растворяться в следствие образования растворимой соли – силиката натрия.

Кремний применяют для получения полупроводниковых материалов и кислотоупорных сплавов. Такое соединение кремния, как карбид кремния – SiC – используют для затачивания резцов металлорежущих станков и шлифовки драгоценных камней, потому что по твёрдости он уступает только алмазу.

Из кварца изготавливают кварцевую химическую посуду, которая выдерживает высокую температуру и резкие перепады температур.

Растворимые в воде силикаты натрия и калия («растворимые стёкла») применяют как огнеупорное средство для пропитки древесины и тканей. Для изготовления несгораемых и электроизоляционных текстильных изделий используются также природные силикаты – асбесты.

К силикатной промышленности относят производство:

·        Стекла;

·        Керамических изделий (фарфора, фаянса гончарных изделий), кирпича, облицовочных плит и кровельных материалов;

·        Цемента.

 

Соединения кремния являются основой для производства стекла и цемента. Например, обычное оконное стекло получают сплавлением смеси соды, известняка и песка. Стекло обладает способностью размягчаться и в расплавленном состоянии принимать различную форму, поэтому его используют для производства посуды.

Определённые свойства стеклу придают добавки. Например, если заменить оксид натрия на оксид калия, то можно получить твёрдое богемское сткело, при добавлении оксида свинца (II) можно получить хрустальное стекло, при добавлении оксида хрома (III) можно получить зелёное стекло, при добавлении оксида кобальта – синее, а при добавлении оксида марганца (II) – фиолетовое. Добавляя соли золота и селена, получают рубиновые стёкла, из которого изготовлены звёзды Московского Кремля.

Для улучшения механических свойств стекло подвергают закалке. Закалка заключается в том, что стекло особого состава нагревают до температуры около 600 0C, а затем резко охлаждают. Такая закалка позволяет получать пуленепробиваемое стекло.

 

Стекло человеку известно давно, уже три – четыре тыс. лет назад производство стекла было в Египте, Сирии, Финикии, Причерноморье.

Стекло удивительный материал. В Древнем Риме мастера научились получать цветные стёкла и делать из их кусочков мозаики. Из стекла сделаны витражи церквей, музеев, различные мозаичные панно.

Области применения стекла обширны: это оконное, бутылочное, ламповое, зеркальное и оптическое.

Основным сырьём в производстве керамических изделий является глина. При смешивании глины с водой образуется тестообразная масса, способная после сушки и обжига сохранять приданную ей форму. Некоторые керамические изделия покрывают глазурью – тонким слоем стекловидного материала. Глазурь делает керамику водонепроницаемой, предохраняет её от загрязнений, защищает от действия кислот и щелочей, придаёт блеск.

 

Немаловажным соединением кремния является цемент. Его получают спеканием глины и известняка. Если смешать порошок цемента с водой, то образуется так называемый «цементный раствор», который потом постепенно затвердевает. Если добавить к цементу песка или щебня, то получится бетон. Прочность бетона можно увеличить, если ввести железный каркас, тогда получается железобетон, из которого изготавливают стеновые панели, блоки перекрытий.

Кремний был получен в 1824 году  шведским химиком Берцэлиусом. Но за двенадцать лет до него кремний получил Гей-Люссак и Тэнар, но он был очень загрязнён примесями.

   

Латинское название силициум от латинского силекс – «кремень». Русское название «кремний» происходит от греческого кремнос – «утёс, скала».

Таким образом, кремний – элемент IV A группы. Для него характерны степени окисления +4 и -4. В реакциях с кислородом и другими неметаллами он проявляет восстановительные свойства, а в реакциях с металлами – окислительные. В природе кремний встречается в виде соединений. Наиболее распространённое его соединение – оксид кремния (IV) – кремнезём, который является кислотным оксидом и проявляет свойства, характерные для этих оксидов. Водородным соединением кремния является силан – Sih5, который образуется при действии кислот или воды на силициды – соединения металлов с кремнием. Оксиду кремния (IV)  соответствует кремниевая кислота. Эта слабая двухосновная, студенистая, нерастворимая в воде кислота. Качественной реакцией на силикат-ион является действие сильных кислот на силикаты, так как в результате этих реакций образуется студенистый осадок – кремниевая кислота. Оксид кремния (IV)  и силикаты находят широкое применение в промышленности. К силикатной промышленности относят производство стекла и цемента, керамических изделий и кирпича.

videouroki.net

Кремний. Свойства кремния. Применение кремния

Описание и свойства кремния

Кремний – элемент, чётвёртая группа, третий период в таблице элементов. Атомный номер 14. Формула кремния — [Si] 3s2 3p2. Определён как элемент, в 1811 г, а в 1834 г получил русское название «кремний», взамен прежнего «сицилий». Плавится при 1414º С, закипает при 2349º С.

Молекулярным строением он напоминает алмаз, но уступает ему по твёрдости. Довольно хрупок, в нагретом состоянии (не менее 800º С) приобретает пластичность. Просвечивается инфракрасным излучением. Монокристаллический тип кремния обладает полупроводниковыми свойствами. По некоторым характеристикам атом кремния схож с атомарным строением углерода. Электроны кремния имеют такое же валентное число, как и при углеродном строении.

Рабочие свойства кремния зависят от содержания в нём определённых содержаний. У кремния допустим различный тип проводимости. В частности это «дырочный» и «электронный» тип. Для получения первого в кремний добавляется бор. Если добавить фосфор, кремний приобретает второй тип проводимости. Если кремний нагревать вместе с другими металлами, образовываются специфические соединения, называемые «силицидами», например, при реакции «магний-кремний«.

Кремний, идущий на нужды электроники, в первую очередь оценивается по характеристикам его верхних слоёв. Поэтому необходимо обращать внимание именно на их качество, оно непосредственно отражается на общих показателях. От них зависит работа произведённого прибора. Для получения наиболее приемлемых показателей верхних слоёв кремния, их обрабатывают различными химическими способами или подвергают облучению.

Соединение «сера-кремний», образует сульфид кремния, легко взаимодействующий с водой и кислородом. При реакции с кислородом, в температурных условиях выше 400º С, получается диоксид кремния. При этой же температуре становятся возможными реакции с хлором и йодом, а также с бромом, во время этого образуются летучие вещества – тетрагалогениды.

Соединить кремний и водород, путём прямого контакта, не получится, для этого существуют методы косвенного характера. При 1000º С возможна реакция с азотом, а также бором, при этом получается нитрид и борид кремния. При этой же температуре, соединив кремний с углеродом, можно произвести карбид кремния, так называемый «карборунд». Данный состав обладает твёрдой структурой, химическая активность вялая. Используется как абразив.

В соединении с железом, кремний образует особую смесь, это допускает плавление этих элементов, при котором образуется ферросилициевая керамика. Причём температура её плавления гораздо ниже, чем если их плавить по отдельности. При температурном режиме выше 1200º С, из элемента начинается образование оксида кремния, также при определённых условиях получается гидроксид кремния. При травлении кремния применяются щелочные растворы на водной основе. Их температура должна быть не менее 60º С.

Месторождения и добыча кремния

Элемент – второе по распространению на планете вещество. Кремний составляет почти треть объёма земной коры. Более распространенным является только кислород. Преимущественно выражен кремнезёмом – соединением в своей основе содержащим диоксид кремния. Главные производные диоксида кремния – кремень, различные пески, кварц, а также полевые шпаты. После них идут силикатные соединения кремния. Самородность для кремния – редкое явление.

Применение кремния

Кремний, химические свойства которого определяют область его применения, делится на несколько видов. Менее чистый кремний идёт на металлургические нужды: на сплавы, например для добавки в алюминий, кремний активно меняет его свойства, раскислители, и т.д. Он активно модифицирует свойства металлов, посредством добавки в их состав. Кремний легирует их, изменяя рабочие характеристики, кремния достаточно при этом совсем небольшого количества.

Также из неочищенного кремния производят более качественные производные, в частности, моно и поликристаллический кремний, а также кремниевые органики – это силиконы и различные органические масла. Также он нашёл своё применение при производстве цемента и стекольной промышленности. Не обошёл он и кирпичное производство, фабрики производящие фарфор и фаянс также без него не обходятся.

Кремний входит в состав всем известного силикатного клея, который идёт на ремонтные работы, а раньше он использовался в канцелярских нуждах, пока не появились более практичные заменители. В состав некоторых пиротехнических изделий также входи кремний. Из него и его железных сплавов можно получать водород на открытом воздухе.

На что идёт более качественный кремний? Пластины солнечных батарей тоже включают в состав кремний, естественно не технический. Для этих нужд необходим кремний идеальной чистоты или хотя бы технический кремний высшей степени очистки.

Так называемый «электронный кремний», который содержит кремний почти на 100%, обладает гораздо лучшими показателями. Поэтому его предпочитают при производстве сверхточных электронных приборов и сложных микросхем. При их изготовлении требуется качественная производственная схема, кремний для которой должен идти только высшей категории. Работа этих устройств зависит от того, сколько содержит кремний нежелательных примесей.

Кремний занимает важное место в природе, и большинство живых существ, постоянно испытывают в нём потребность. Для них это своеобразный строительный состав, потому — что он крайне важен для здоровья опорно-двигательного аппарата. Ежедневно человек поглощает до 1 г соединений кремния.

Может ли кремний быть вредным?

Да, по той причине что, диоксид кремния крайне расположен к пылеобразованию. Она имеет раздражающее воздействие на слизистые поверхности организма и способна активно накапливаться в лёгких, вызывая силикоз. Для этого на производстве связанного с переработкой кремниевых элементов, обязательно применение респираторов. Особенно важно их наличие, если речь идёт о моноксиде кремния.

Цена кремния

Как известно вся современная электронная техника, начиная от телекоммуникаций и заканчивая компьютерными технологиями, основывается на применении кремния, используя его полупроводниковые свойства. Его другие аналоги применяются в гораздо меньшей степени. Уникальные свойства кремния и его производных пока вне конкуренции, на долгие года вперёд. Несмотря на спад цен в 2001 г на кремний, продажи быстро пришли в норму. И уже в 2003 г товарооборот составил 24 тысячи тонн за год.

Для новейших технологий, требующих почти кристальной чистоты кремния, его технические аналоги не подходят. А за счёт его сложной системы очистки цена соответственно в разы возрастает. Более распространённым является поликристаллический тип кремния, несколько меньшим спросом пользуется его монокристаллический прототип. При этом доля использования кремния для полупроводников занимает львиную часть товарооборота.

Цены на продукцию варьируются в зависимости от чистоты и назначения кремния, купить который, можно начиная от 10 центов за кг неочищенного сырья и до 10$ и выше за «электронный» кремний.

tvoi-uvelirr.ru

Кремний. Силикатная промышленность

Разделы: Химия

Цели:

  1. Систематизировать знания о формах существования химического элемента на примере кремния, способствовать формированию знания о свойствах кремния, его оксидов, силикатов.
  2. Сформировать представление о силикатной промышленности: производстве керамики, стекла, цемента (с использованием видеоматериала, отснятого на Красноярском цементном заводе.).
  3. Совершенствовать умение давать характеристику химическому элементу-неметаллу по его положению в Периодической системе Д.И. Менделеева; продолжать формировать умения составлять уравнения химических реакций.
  4. Развивать логическое мышление, умение выделять главное при выполнении заданий, самостоятельность.
  5. Формировать у учащихся интерес к изучению химии при раскрытии применения продукции силикатной промышленности в народном хозяйстве.

Оборудование:

  1. Презентация, видеоматериал, компьютер, проектор, экран.
  2. Коллекция «Природные соединения кремния».
  3. Изделия из керамики, стекла, цемента.
  4. Инструкционные карточки. Схема «Природные соединения Si, их применение».
  5. Пробирки, пробиркодержатель, штатив для пробирок.
  6. Реактивы: растворы НСl и Na2SiO3

Ход урока

Вступительное слово учителя:

Наш урок мы начнём с игры в вопросы и ответы. (Вопросы дополнительно представлены в презентации, слайд № 1.).

  1. На берегу речки дети строят замки, лепят фигурки из …… (песка).
  2. В стихотворении С. Михалкова «Что у вас?» дети говорят: «- А из нашего окна Площадь Красная видна! А из вашего окошка Только улицы немножко». Хрупкое, прозрачное, тонкое, защищает наш дом от холода и непогоды.

    О нём говорят: «В избе мёрзнет, а на улице нагревается». Что это? (Стекло).

  3. В горах далёких Шао Линь Копали глину – коалин Из этой глины с давних пор В Китае делали….. (фарфор).

Уч-ся дают ответы на вопросы.

Уч-ль. Вы правильно ответили на мои вопросы.

Вопрос: А теперь подумайте и скажите: Что объединяет названные вами материалы?

(Ответ: в их состав входят соединения кремния).

Уч-ль: И тема нашего урока называется: «Кремний. Силикатная промышленность».

Сегодня мы с вами познакомимся со строением кремния, его свойствами и обзорно с силикатной промышленностью.

Объяснение нового материала с использованием презентации.

1. Кремний, распространение в природе (сл. № 2.)

Кремний (лат. silicium) – Si.

Русское название «кремний» происходит от греч. (кремнос) – «утёс, скала».

По распространенности в земной коре кремний занимает второе место после кислорода. Земная кора более чем на четверть состоит из его соединений. В природе Si существует только в связанном виде.

Наиболее распространены оксид кремния (IV) SiO2 или кремнезём и его разновидности, а также силикаты – соли кремниевой кислоты.

2. Природные соединения кремния (сл. № 3.)

Работа с учебником. Учащиеся самостоятельно ищут в учебнике материал о природных соединениях кремния и называют их.

Объяснение уч-ля.

3. Открытие кремния. (сл. № 4.)

Йенс Якоб Берцелиус (1779-1848 гг.) Шведский химик.

Впервые получил кремний в свободном состоянии в 1824 году

4. Характеристика кремния. (Работа уч-ся в процессе беседы по пунктам плана; краткая запись характеристики кремния на доске - как результат совместной работы с учащимися)

Ребята, сейчас вы, опираясь на ранее полученные знания, охарактеризуете кремний как атом и простое вещество по плану указанному в презентации. (сл. № 5)

  1. Номер группы, периода.
  2. Порядковый номер, массовое число.
  3. Заряд ядра, число протонов, нейтронов, электронов.
  4. Схема строения электронной оболочки.
  5. степени окисления комментирует учитель, опираясь на схему строения атома Si изображённую на доске)
  6. Формула высшего оксида, его характер.
  7. Формула высшего гидроксида.
  8. Формула летучего водородного соединения.

5. Физические свойства кремния (сл. № 6)

Уч-ль: Какие же физические свойства кремния? (Монолог учителя + демонстрация презентации

6. Получение кремния (сл. № 7.)

Уч-ль, материал презентации сообщает о лабораторном и промышленном способах получения кремния.

7. Химические свойства Si (работа со схемой – сл. № 8, инд. работа уч-ся)

Уч-ль: Ребята, используя схему «Химические свойства Si» составьте и запишите в тетрадь соответствующие уравнения реакций.

Правильность выполнения задания уч-ся проверяют по записям ранее написанным на доске

8. Оксид кремния (IV) SiO2(Объяснение с использованием слайда № 9.)

Уч-ль. В результате горения кремния образовался оксид кремния(IV).

Он обладает специфическими физическими свойствами, каковы они и с чем связаны вы узнаете из данного слайда. Слайд № 9.

9. Химические свойства SiO2

Запись уравнений реакций взаимодействия SiO2 с HF, NaOH, СaO, СaСO3 на доске.

(уч-ся называют возможные продукты реакции).

Уч-ль обращает внимание учеников на то, что кремнезем SiO2в воде нерастворим, поэтому кремниевую кислоту получают побочным путем, растворяя кремнезем в щелочах. Предлагает запомнить состав силикатного клея.

10. Качественная реакция на силикаты (сл. № 11). Демонстрация опыта. Уравнение реакции записано на доске.

11. Силикатная промышленность. Краткий обзор отраслей и продукции силикатной промышленности

Керамика.

Фарфор = каолин+ глина + кварц + полевой шпат. Родина фарфора – Китай, где фарфор известен уже в 220г. В 1746 г –налажено производство фарфора в России

«Фаянс»-от названия итальянского города Фаэнца. Где в 14-15веках было развито керамическое ремесленничество.Фаянс – отличается от фарфора большим содержанием глины (85%), более низкой температурой обжига.

12. Применение соединений кремния

Природные соединения кремния - песок (SiO2) и силикаты используются для производства стекла и цемента. Из стеклянных нитей, которые в 20 раз тоньше человеческого волоса, изготовляют ткани.

Стекло – хрупкий, прозрачный материал, способен размягчаться и при застывании принимает любую форму. Стекло получают варкой шихты (сырьевой смеси, состоящей из песка, соды и известняка) в специальных стекловаренных печах.

Основные реакции, протекающие при плавке шихты

1. Na2CO3 + SiO2 = Na2SiO3 + CO2 2. CaCO3 + SiO2 = CaSiO3 + CO2 3. Na2SiO3 + CaSiO3 + 4SiO2 = Na2O * CaO * 6SiO2 - формула оконного стекла

При добавлении оксида свинца получают хрусталь.

Цемент

Цемент – мелкоизмельчённый клинкер с минеральными добавками.

Клинкер - шарики тёмно-серого цвета получают спеканием глины и известняка в специальных вращающихся печах

Производство цемента во вращающейся печи на Красноярском Цементном заводе (видеофильм).

13. Учитель: Ребята, вы получили разнообразную информацию о кремнии и силикатной промышленности. Давайте закрепим знания. (Фр. опрос)

  1. С помощью какого реактива можно обнаружить в растворе силикат?
  2. Можно ли сказать, что кремний входит в состав полудрагоценных камней?
  3. Какое свойство кремния используют в солнечных батарейках?
  4. Чем занимается силикатная промышленность?
  5. Можно ли стеклом склеить бумагу?

Уч-ль. Молодцы, вы хорошо отвечали на вопросы

14. Лабораторный опыт. Ознакомление с природными соединениями кремния.

(Работа в парах, контроль и помощь учителя).

Ребята, перед вами коллекция природных соединений кремния.

Ваша задача рассмотреть соединения кремния, определить их названия и заполнить таблицу, которая помещена в инструкционной карточке.

Лабораторный опыт. Ознакомление с природными соединениями кремния.

Цель: Ознакомиться с образцами природных соединений кремния.

Образцы: силикаты

Алгоритм выполнения опыта.

  1. Рассмотрите образцы природных силикатов.
  2. Заполните таблицу.
Название минерала Формула и название основной составной части Внешний вид Применение
       
       
       
  1. Сделайте вывод о главной составной части силикатов.
  2. Формулы природных соединений кремния:
  1. Яшма SiO2
  2. Кварц SiO2
  3. Кремнезём SiO2
  4. Агат SiO2
  5. Гранит SiO2
  6. Песчаник SiO2
  7. Нефелин Na (ALSiO4)
  8. Полевой шпат K2O x AL2O3 x SiO2
  9. Каолин AL2O3 x 2SiO2 x 2h3O
  10. Асбест h3Mg3Si2O9
  11. Флогопит h3Mg(Si3AlO10) [ (F, OH)2

Лабораторный опыт. Ознакомление с продукцией силикатной промышленности

Цель: Ознакомиться с продукцией силикатной промышленности.

Оборудование: Пронумерованные образцы. Алгоритм выполнения задания:

  1. Рассмотрите образцы продукции силикатной промышленности.
  2. Заполните таблицу.
Вид продукции Номер образца Свойства материала и его применение
Силикатный кирпич    
Фарфор    
Фаянс    
Цемент    
Оптическое стекло    
Хрусталь    
Оконное стекло    

15. Подведение итогов, домашнее задание.

Д\з. Параграф 30, упр. № 4, 5, стр. 144.

Презентация.

Видеоролик.

xn--i1abbnckbmcl9fb.xn--p1ai

"Кремний и его соединения. Стекло. Цемент"

Дата_____________ Класс_______________

Тема: Кремний и его соединения. Стекло. Цемент.

Цели урока: знать состав, строение, свойства оксидов кремния; уметь сравнивать состав и строение оксидов кремния; уметь доказывать химические свойства оксида кремния, записывать уравнения реакций в молекулярном, ионном и сокращенном ионном виде.

Ход урока

1. Организационный момент урока.

2. Изучение нового материала.

КРЕМНИЙ

Открыт Ж. Гей-Люссаком и Л.Тенаром в 1811г.

Второй по распространённости элемент в земной коре после кислорода (27,6% по массе). Встречается в соединениях.

Строение  атома кремния в основном состоянии

 

1s22s22p63s23p2

 

Аллотропия кремния

Известен аморфный и кристаллический кремний.

Поликристаллический кремний

Кристаллический – тёмно-серое вещество с металлическим блеском, большая твёрдость, хрупок, полупроводник; ρ = 2,33 г/см3, t°пл. =1415°C; t°кип. = 2680°C.

Имеет алмазоподобную структуру и образует прочные ковалентные связи. Инертен.

Аморфный - бурый порошок, гигроскопичен, алмазоподобная структура, ρ = 2 г/см3, более реакционноспособен.

Получение кремния

1) Промышленность – нагревание угля с песком:

2C + SiO2 t˚→ Si + 2CO

2) Лаборатория – нагревание песка с магнием:

2Mg + SiO2  t˚→ Si + 2MgO    Опыт

Химические свойства

Типичный неметалл, инертен.

Как восстановитель:

1)     С кислородом

Si0 + O2  t˚→  Si+4O2

2)     С фтором (без нагревания)

Si0 + 2F2 →  SiF4

3)     С углеродом

Si0 + C  t˚→  Si+4C

(SiC - карборунд - твёрдый; используется для точки и шлифовки)

4)     С водородом не взаимодействует.

Силан (Sih5) получают разложением силицидов металлов кислотой:

Mg2Si + 2h3SO4 → Sih5 + 2MgSO4

5)     С кислотами не реагирует (только с плавиковой кислотой Si+4HF=SiF4+2h3)

Растворяется только в смеси азотной и плавиковой кислот:

3Si + 4HNO3 + 18HF →  3h3[SiF6] + 4NO + 8h3O

6)     Со щелочами (при нагревании):

Si0 + 2NaOH + h3O t˚→  Na2Si+4O3+ 2h3

Как окислитель:

7)     С металлами (образуются силициды):

Si0 + 2Mg  t˚→  Mg2Si-4

Применение кремния

Кремний широко используется в электронике как полупроводник. Добавки кремния к сплавам повышают их коррозионную стойкость. Силикаты, алюмосиликаты и кремнезем – основное сырье для производства стекла и керамики, а также для строительной промышленности.

Силан  - Sih5

Физические свойства: Бесцветный газ, ядовит, t°пл. = -185°C, t°кип. = -112°C.

Получение: Mg2Si + 4HCl → 2MgCl2 + Sih5↑

Химические свойства:

1)      Окисление: Sih5 + 2O2 t˚→   SiO2 + 2h3O

2)      Разложение: Sih5 → Si + 2h3

 

Оксид кремния (IV) - (SiO2)n

 

SiO2 - кварц, горный хрусталь, аметист, агат, яшма, опал, кремнезём (основная часть песка):

Кристаллическая решётка оксида кремния (IV) – атомная и имеет такое строение:

Al2O3 • 2SiO2 • 2h3O - каолинит (основная часть глины)

 

K2O • Al2O3 • 6SiO2 - ортоклаз (полевой шпат)

 

Физические свойства: Твёрдое, кристаллическое, тугоплавкое вещество, t°пл.= 1728°C, t°кип.= 2590°C

Химические свойства: 

Кислотный оксид. При сплавлении взаимодействует с основными оксидами, щелочами, а также с карбонатами щелочных и щелочноземельных металлов:

Изучение свойств оксида кремния (IV)

1)     С основными оксидами:

SiO2 + CaO t˚→    CaSiO3

2)     Со щелочами:

SiO2 + 2NaOH t˚→    Na2SiO3 + h3O

3)     С водой не реагирует

4)     С солями:

SiO2 + CaCO3 t˚→    CaSiO3 + CO2

SiO2 + K2CO3 t˚→    K2SiO3 + CO2

5)     С плавиковой кислотой:

SiO2 + 4HF t˚→     SiF4 + 2h3O

SiO2 + 6HF t˚→    h3[SiF6] (гексафторкремниевая кислота) + 2h3O

 (реакции лежат в основе процесса травления стекла).

Применение:

1. Изготовление силикатного кирпича

2. Изготовление керамических изделий

3. Получение стекла

 

Кремниевые кислоты

x • SiO2 • y h3O

x = 1, y = 1     h3SiO3 - метакремниевая кислота

x = 1, y = 2     h5SiO4 - ортокремниевая кислота и т.д.

 

Физические свойства: h3SiO3 - очень слабая (слабее угольной), непрочная, в воде малорастворима (образует коллоидный раствор), не имеет кислого вкуса.

Получение:

 Действие сильных кислот на силикаты - Na2SiO3 + 2HCl → 2NaCl + h3SiO3↓

Химические свойства:

При нагревании разлагается: h3SiO3  t˚→ h3O + SiO2

Соли кремниевой кислоты - силикаты.

 1) с кислотами

Na2SiO3+h3O+CO2=Na2CO3+h3SiO3

2) с солями

Na2SiO3+CaCl2=2NaCl+CaSiO3↓

3) Силикаты, входящие в состав минералов, в природных условиях разрушаются под действием воды и оксида углерода (IV) - выветривание горных пород:

(K2O • Al2O3 • 6SiO2)(полевой шпат)  + CO2 + 2h3O → (Al2O3 • 2SiO2 • 2h3O)(каолинит (глина)) + 4SiO2(кремнезём (песок)) + K2CO3

Применение соединений кремния

Природные соединения кремния - песок (SiO2) и силикаты используются для производства керамики, стекла и цемента. 

Керамика

 

Стекло – хрупкий, прозрачный материал, способен размягчаться и при застывании принимает любую форму. Стекло получают варкой шихты (сырьевой смеси, состоящей из песка, соды и известняка) в специальных стекловаренных печах. 

Основные реакции, протекающие при плавке шихты

1. Na2CO3 + SiO2 = Na2SiO3 + CO22. CaCO3 + SiO2 = CaSiO3 + CO2 3. Na2SiO3 + CaSiO3 + 4SiO2 = Na2O * CaO * 6SiO2 - формула оконного стекла

При добавлении оксида свинца получают хрусталь.

Цемент

Цемент – мелко измельчённый клинкер с минеральными добавками.

Клинкер - шарики тёмно-серого цвета получают спеканием глины и известняка в специальных вращающихся печах

 

3. Закрепление изученного материала

Осуществите превращения по схеме:

1) Si → SiO2 → Na2SiO3 → h3SiO3 →SiO2

2) Si → Mg2Si → Sih5 → SiO2

3) Si → Na2SiO3

4. Домашнее задание

П. 30-33, упр.1, 3-5, 8, 9 на стр.101

doc4web.ru

Строение атома кремния в возбуждённом состоянии

 

 

1s22s22p63s13p3

 

Степени окисления: +4, -4.

Фарфор = каолин+ глина + кварц + полевой шпат. Родина фарфора – Китай, где фарфор известен уже в 220г. В 1746 г – налажено производство фарфора в России

 

 Фаянс - от названия итальянского города Фаэнца. Где в 14-15веках было развито керамическое ремесленничество. Фаянс – отличается от фарфора большим содержанием глины (85%), более низкой температурой обжига. 

Цемент определение кремния - Справочник химика 21

    Чугун. Чугун представляет собой железо (90—93%), в котором растворены углерод, цементит, марганец, кремний (полезные составные части чугуна), сера и фосфор (вредные примеси). Иногда чугун содержит хром, никель, ванадий и другие металлы, если они входили в состав руды. Каждая составная часть оказывает определенное влияние на свойств чугуна. [c.380]

    Методики фотоколориметрического определения в цементе двуокиси кремния, титана, железа с роданидом аммония и сульфосалициловой кислотой, алюминия с алюминоном, магния с титановым желтым описаны в ГОСТ 5382—65. [c.70]

    При вводе ультрадисперсных оксидов металлов в водную суспензию на основе талюма или талюм-гипсовой смеси в период вязкопластичного состояния во время приготовления исходной композиции катализаторного покрытия прочность контакта между оксидами металлов и цементом обеспечивается вандерваальсовской и водородной связями. При этом образуется тиксотропная коагуляционная структура с повышенным уровнем сцепления частиц [108]. Можно полагать, что оксиды металлов ультрадисперсных систем ведут себя в водной суспензии катализаторного покрытия аналогично песку (оксид кремния) в строительных цементных растворах. В анализируемых экспериментах наибольшая механическая прочность катализаторных покрытий наблюдалась при соотношении та-люм-УДП, равном 1 (2-3). Необходимо отметить, что в нашей стране растворная цементная смесь в строительстве изготавливается из одной ма ссовой части цемента и трех массовых частей стандартного кварцевого песка, в США при определении механической прочности образцов бетона при сжатии применяют раствор состава (цемент - песок) 1 2,75, а II Японии при определении сжатия и изгиба - раствор состава 1 2 [109]. [c.139]

    Описанный метод ранее (до появления комплексонометрических методов) очень широко применялся для определеиия мапшя в самых разнообразных материалах. В частности, описано определение магния в чугуне [447, 673], в алюминиевых сп.ттавах [321, 532, 706], в портланд-цементе [542], в лигатурах мапшя с железом и кремнием [116]. [c.100]

    Атомно-абсорбционный метод широко применяют для определения металлических компонентов в цементе. Если не требуется определять кремний, образец выщелачивают соляной кислотой и различные металлы определяют в растворе НС1. Двуокись кремния определяют сплавлением с солью щелочного металла и последующим растворением образовавшегося продукта. В полученном растворе можно определять большинство элементов, однако он не пригоден для определения щелочных металлов. Вероятно, путем сплавления образца с LiBOa (см. главу VII) можно получить однородный раствор, в котором удастся определить все металлические компоненты цемента. [c.192]

    Такеучи и Сузуки [352] обнаружили, что помехи от кремния и алюминия нри определении магния в цементе молено контролировать добавлением в исследуемый раствор кальция. При определении натрия и калия в эталонные растворы требовалось добавлять такое же количество кальция, какое находилось в исследуемом растворе. [c.193]

    Каждый год создается большое количество новых продуктов, но только некоторые из них занимают прочное место в промышленности. Интересной разработкой является создание краски на основе активированного угля. Слой этой краски образует запахопоглощающий барьер. Она может найти широкое применение в упаковках, а также для покрытий по металлу, цементу, пластмассам. В США создан лакокрасочный состав на основе коллоидной двуокиси кремния — так называемый коснове кремнийорганических смол для поверхностей, подвергающихся перегревам. Когда температура поверхности достигает определенного предела, покрытия меняют цвет. Перспективной областью применения этих покрытий является окраска оборудования на нефтехимических заводах (125]. Разработаны неорганические покрытия для использования на пенополистироле и пенополиуретане для защиты их от растворителей и механических воздействий. [c.454]

    Для производства цемента смесь глины с известняком в определенных ко.личественных соотношениях обжигают в специальных печах при 1400—1500°С. Полученную спекшуюся массу размалывают в тонкий порошок — цемент. По составу цемент — сложный силикат, состоящий в основном из оксидов кальция, алюми-НГ1Я, железа и кремния. Ценным свойством цемента является его способность при замешивании с песком и с водой образовывать камневидную массу, обладающую большой механической прочностью. Из цемента, песка, щебня, гравия, воды и некоторых других добавок получают важный строительный матриал — бетон. Он хорошо сцепляется с железом, образуя прочную массу. Бетон, армированный железом, называют железобетоном. [c.292]

    Рентгенофлюоресцентный метод применяют при определении хлора в металлах (лантан [623], титан [899], олово, серебро [639], щелочные металлы [921]), латунях, бронзах [639], ваннах никелирования [1065], рудах [764], минералах [510, 527], цементах [50], соде и поташе [284], в пленках диоксида кремния [218], буром угле [719], нефтях [1067], шламах глиноземного комбината [293], лолимерных материалах [280, 363],биологических объектах [527], водных растворах [513], рассолах [1022], воздухе [566], газах [694]. [c.126]

    Ход анализа. Навеску цемента в ОД г сплавляют с пятикратным количеством соды и буры (2 1) и сплав растворяют в 1 % -ном растворе Н2504. Раствор переносят в мерную колбу емкостью 100 шл, доводят до метки 1%-ным раствором НаЗО , перемешивают, отбирают 25 мл в мерную колбу емкостью 50 мл и в дальнейшем ведут определение по желтой окраске кремне-молибденового комплекса (стр. 266). [c.272]

    Для хорошей очистки поверхности металла опескоструива-нием требуется применять кварцевый песок с определенной величиной зерна, примерно 0.5—1,0—2,0 мм. В последнее время широко применяется кварцевый песок, выпускаемый по ГОСТ 6139—52, идущий для испытания цементов. Этот песок содержит не менее 96% окиси кремния, имеет зерна размером от 0,5 до 0,85 мм, а содержание в нем глинистых примесей не более 1%. За отсутствием такого песка следует применять речной кварцевый песок. [c.118]

    Цементный раствор приготовляют в соответствии с ГОСТ 310—60 (методы испытания цемента) следующим образом. Отвешивают 500 г цемента и 1500 г песка. Песок для испытания цементов применяется нормальный Вольский (iFiO T 6109—52), характеризующийся определенной крупностью зерен (от 0,5 до 0,85 мм) и высоким содержанием двуокиси кремния (не менее 96%). [c.20]

    Цемент. Цемент представляет собой в основном смесь известняка с глипой, хотя обычно он содержит и окислы кремния, кальцин, алюминия, магния и железа. Можно также смешивать с известняком и глиной в определенных соотношениях такие материалы, как шлаки доменных печей, ракушник и мел. Приготовленную смесь измельчают и нагревают в длинных вращающихся печах при 1500° образующаяся при этом масса называется клинкером. Сильно измельченный клинкер и представляет собой цемент. Для снижения скорости схватывания к цементу прибавляют гипс ( aSOi) в состав быстро схватывающихся цементов вводят большое количество окиси алюминия и некоторые сложные органические соединения. [c.173]

chem21.info


Смотрите также