Кремний
Очень химически активный элементарный кремний может быть получен действием при 30 °С хлора (без избытка) на взвесь СаSi2 в ССI4 по реакции:
СаSi2 + Cl2 = CaCl2 + 2 Si.
Такой кремний бурно реагирует не только с водой, но и с СН3ОН.
Подобно свободному кремнию реагируют со щелочами и многие силициды, в частности силицид железа. Особенно удобна для быстрого получения водорода в полевых условиях смесь порошка высокопроцентного ферросилиция с сухими Са(ОН)2 и NaOH. При поджигании она начитает тлеть с энергичным выделением водорода по схеме:
Si + Ca(OH)2 + 2 NaOH = Na2SiO3 + CaO + 2 H2.
Смесь эта носит техническое название гидрогенит.
Наиболее характерным и устойчивым соединением кремния является его диоксид (SiO2), образование которого из элементов идёт с очень большим выделением тепла:
Si + O2 = SiO2 + 911 кДж.
Диоксид кремния представляет собой бесцветное, очень тугоплавкое твёрдое вещество.
Каждый атом кремния в кристаллах SiO2 тетраэдрически окружён четырьмя атомами кислорода [d(SiO) = 161 пм], а каждый атом кислорода является одновременно составной частью двух тетраэдров. Плоская схема такой полимерной структуры показана на рисунке (1.1).
Основной природной формой диоксида кремния является минерал кварц (плотность 2,65 г/см3, показатель преломления 1,55). Гораздо реже встречаются характеризующиеся несколько иными кристаллическими структурами и меньшей плотностью минералы тридимит и кристобалит. При медленном нагревании кварца сначала (573 °С) происходит некоторое изменение его собственной кристаллической структуры (a-кварц ® b-кварц), после чего он последовательно переходит в две другие формы и лишь затем плавится:
867 1470 1723
кварц ® тридимит ® кристобалит ® жидкий SiO2.
Быстрым нагреванием можно расплавить кварц при 1610 °С, а тридимит — при 1680 °С. У кристобалита существует и низкотемпературная модификация (ниже 272 °С), а у тридимита — даже восемь таких модификаций (все ниже 475 °С). Для точки кипения диоксида кремния даётся значение 2590 °С (но в высоком вакууме кремнезём заметно испаряется уже выше 1200 °С). Пары диоксида кремния сильно диссоциированы по схеме:
SiO2 Û SiO + O
Энергия такой диссоциации оценивается в 468 кДж/моль.
| | Под высоким давлением могут быть получены ещё
¾ Si—O—Si— две кристаллические модификации SiO2 — коэсит
| | (плотность 2,9 г/см3, показатель преломления 1,60)
O O и стишовит (плотность 4,3 г/см3, показатель
| | преломления 1,80). По внутренней структуре
¾ Si¾O¾Si¾ кристалла коэсит отличается от кварца лишь иным
| | взаимным расположением сопряжённых друг с
Рис 1.1. Схема структуры другом тетраэдров SiO4, т.е. характерная для кремния
диоксида кремния. тетраэдрическая координация атомами кислорода в
нём сохраняется. Напротив, в стишовите имеет место совершенно необычная для кислородных соединений кремния октаэдрическая координация его атома. По твёрдости рассматриваемые формы SiO2 располагаются в ряд: стишовит > коэсит > кварц. Область устойчивости коэсита лежит выше 20 атм, стишовита — выше 100 атм. Под обычным давлением стишовит переходит в кварц при 400 °С, а коэсит — при 1200 °С.
Кристаллы кварца иногда встречаются громадной величины (самый крупный, массой около 70 т, был обнаружен в 1958 г. в Казахстане). Они вращают плоскость поляризации света, причём могут быть право- и левовращающими.
Свободный диоксид кремния (иначе кремнезём, кремневый ангидрид) встречается главным образом в виде минерала кварца
. Загрязнённый примесями кварц — обычный песок — является одним из основных продуктов разрушения горных пород и одновременно одним из важнейших строительных материалов, ежегодное мировое потребление которого исчисляется сотнями миллионов тонн. На долю свободного диоксида кремния приходится приблизительно 12% от массы всей земной коры. Гораздо большее количество SiO2 (около 43% от массы земной коры) химически связано в составе различных горных пород. В общем, следовательно, земная кора более чем наполовину состоит из диоксида кремния.
Смотрите также
Введение
Нефть – единственное жидкое
ископаемое, добываемое с доисторических времен. И пожалуй, ни одно из природных
веществ не вызвало столько споров: по сей день ученые обсуждают, можно ли
назвать ее мине ...
Планирование дискриминирующих экспериментов
Для дискриминации гипотез используют
эксперименты различного типа.
Химические эксперименты. Различные
тестовые реакции часто позволяют определить вероятность участия того или иного
вещес ...
Жесткость воды и ее устранение
В пещерах спелеологи встречаются с
красивейшими известковыми образованьями – свешивающимися со сводов сталактитами
и растущими вверх сталагмитами. С точки зрения химии, возникновение этих
у ...