Какими свойствами обладает оксид кремния

Диоксид кремния (кремнезём, SiO2; лат. silica) — оксид кремния (IV). Бесцветные кристаллы с температурой плавления +1713…+1728 °C, обладающие высокой твёрдостью и прочностью.

Диоксид кремния — главный компонент почти всех земных горных пород, в частности, кизельгура. Из кремнезёма и силикатов состоит 87 % массы литосферы. В крови и плазме человека концентрация кремнезёма составляет 0,001 % по массе.

Свойства

• Относится к группе кислотных оксидов.
• При нагревании взаимодействует с основными оксидами и щелочами.
• Молярная масса: 60,084 г/моль
• Реагирует с плавиковой кислотой.
• SiO2 относится к группе стеклообразующих оксидов, то есть склонен к образованию переохлаждённого расплава — стекла.
• Диэлектрик (электрический ток не проводит, если не имеет примесей и не нагревается).

Полиморфизм

Диоксид кремния имеет несколько полиморфных модификаций.

Самая распространённая из них на поверхности земли — α-кварц — кристаллизуется в тригональной сингонии. При нормальных условиях диоксид кремния чаще всего находится в полиморфной модификации α-кварца, которая при температуре выше +573 °C обратимо переходит в β-кварц. При дальнейшем повышении температуры кварц переходит в тридимит и кристобалит. Эти полиморфные модификации устойчивы при высоких температурах и низких давлениях.

В природе также встречаются формы — опал, халцедон, кварцин, лютецит, аутигенный кварц, которые относятся к группе кремнезёма. Опал (SiO2·nH2O) в шлифе бесцветен, изотропен, имеет отрицательный рельеф, отлагается в морских водоёмах, входит в состав многих кремнистых пород. Халцедон, кварцин, лютецит — SiO2 — представляют собой скрытокристаллические разновидности кварца. Образуют волокнистые агрегаты, розетки, сферолиты, бесцветные, голубоватые, желтоватые. Отличаются между собой некоторыми свойствами — у халцедона и кварцина — прямое погасание, у лютецита — косое, у халцедона — отрицательное удлинение.

При высоких температуре и давлении диоксид кремния сначала превращается в коэсит (который в 1953 году был синтезирован американским химиком Лорингом Коэсом), а затем — в стишовит (который в 1961 году был синтезирован С. М. Стишовым, а в 1962 году был обнаружен в кратере Бэрринджера (кратере Аризонского метеорита). Согласно некоторым исследованиям, стишовит слагает значительную часть мантии, так что вопрос о том, какая разновидность SiO2 наиболее распространена на Земле, пока не имеет однозначного ответа.

Также имеет аморфную модификацию — кварцевое стекло.

Химические свойства

Диоксид кремния SiO2 — кислотный оксид, не реагирующий с водой.

Химически стоек к действию кислот, но реагирует с газообразным фтороводородом:

 SiO2 + 4HF → SiF4 + 2H2O

и плавиковой кислотой:

 SiO2 + 6HF → H2[SiF6] + 2H2O

Эти две реакции широко используют для плавления стекла.

При сплавлении SiO2 с щелочами и основными оксидами, а также с карбонатами активных металлов образуются силикаты — соли не имеющих постоянного состава очень слабых, нерастворимых в воде кремниевых кислот общей формулы xH2O·ySiO2 (довольно часто в литературе упоминаются не кремниевые кислоты, а кремниевая кислота, хотя фактически речь при этом идёт об одном и том же веществе).

Например, может быть получен ортосиликат натрия:

 SiO2 + 4NaOH → Na4SiO4 + 2H2O

метасиликат кальция:

 SiO2 + CaO → CaSiO3

или смешанный силикат кальция и натрия:

 Na2CO3 + CaCO3 + 6SiO2 → Na2CaSi6O14 + 2CO2

Из силиката Na2CaSi6O14 (Na2O·CaO·6SiO2) изготовляют оконное стекло.

Большинство силикатов не имеет постоянного состава. Из всех силикатов растворимы в воде только силикаты натрия и калия. Растворы этих силикатов в воде называют жидким стеклом. Из-за гидролиза эти растворы характеризуются сильно щелочной средой. Для гидролизованных силикатов характерно образование не истинных, а коллоидных растворов. При подкислении растворов силикатов натрия или калия выпадает студенистый белый осадок гидратированных кремниевых кислот.

Главным структурным элементом как твёрдого диоксида кремния, так и всех силикатов, выступает группа [SiO4/2], в которой атом кремния Si окружен тетраэдром из четырёх атомов кислорода О. При этом каждый атом кислорода соединён с двумя атомами кремния. Фрагменты [SiO4/2] могут быть связаны между собой по-разному. Среди силикатов по характеру связи в них фрагментов [SiO4/2] выделяют островные, цепочечные, ленточные, слоистые, каркасные и другие.

Получение

Синтетический диоксид кремния получают нагреванием кремния до температуры +400…+500 °C в атмосфере кислорода, при этом кремний окисляется до диоксида SiO2. А также термическим оксидированием при больших температурах.

В лабораторных условиях синтетический диоксид кремния может быть получен действием кислот, даже слабой уксусной, на растворимые силикаты. Например:

 Na2SiO3 + 2CH3COOH → 2CH3COONa + H2SiO3↓

кремниевая кислота сразу распадается на воду и SiO2, выпадающий в осадок.

Натуральный диоксид кремния в виде песка используется там, где не требуется высокая чистота материала.

Применение

Аморфный непористый диоксид кремния применяется в пищевой промышленности в качестве вспомогательного вещества E551, препятствующего слёживанию и комкованию, в парафармацевтике (зубные пасты), в фармацевтической промышленности в качестве вспомогательного вещества (внесён в большинство фармакопей), для стабилизации суспензий и линиментов, в качестве загустителя мазевых основ, наполнителя таблеток и суппозиториев. Он входит в состав композиции пломбировочных материалов, снижает гигроскопичность сухих экстрактов, замедляет выход БАВ из различных лекарственных форм; в качестве пищевых добавок и сорбента, а также матриц для создания лекарственных форм с заданными свойствами – так как нет кристаллической структуры (аморфен) – безопасен, а также в качестве пищевой добавки или лекарственного препарата в качестве энтеросорбента Полисорб МП с широким спектром применения с учётом высокой удельной поверхности сорбции (в интервале 300-400 м² ) на 1 г основного вещества.

Диоксид кремния применяют в производстве стекла, керамики, абразивов, бетонных изделий, для получения кремния, как наполнитель в производстве резин, при производстве кремнезёмистых огнеупоров, в хроматографии и другом.
Кристаллы кварца обладают пьезоэлектрическими свойствами и поэтому используются в радиотехнике, ультразвуковых установках, в зажигалках.

Искусственно полученные плёнки диоксида кремния используются в качестве изолятора при производстве микросхем и других электронных компонентов.

Также используется для производства волоконно-оптических кабелей. Используется чистый плавленый диоксид кремния с добавкой в него некоторых специальных ингредиентов.

Кремнезёмная нить также используется в нагревательных элементах электронных сигарет, так как хорошо впитывает жидкость и не разрушается под нагревом спирали.

Также диоксид кремния нашёл наиболее широкое применение в шинной промышленности, производстве РТИ и пластмасс, химической промышленности, машиностроении, а в ряде конкретных операций:

• как носитель катализаторов и химических средств защиты растений;
• в качестве сорбентов и фильтровальных порошков для регенерации нефтепродуктов;
• как высококачественный флюс в процессах цветной металлургии;
• как сырьё для производства экологически чистого стекла, стеклотары и хрусталя;
• как наполнитель в бумагу и картон для получения гигиенически чистых упаковочных материалов для пищевой промышленности;
• фильтрующие порошки для пива, масел, соков, матирующие добавки в лаки и краски;
• для получения карбида кремния в машиностроении – керамические двигатели, детали для авиастроительного комплекса;
• для получения кристаллического кремния в электронной и электротехнической промышленностях, керамические электроизоляторы, стекловолокна, волоконная оптика, супертонкое волокно;
• для синтеза искусственных цеолитов в нефтехимии — крекинг нефти и прочее.

Крупные прозрачные кристаллы кварца используются в качестве полудрагоценных камней; бесцветные кристаллы называют горным хрусталём, фиолетовые — аметистами, жёлтые — цитрином.

В микроэлектронике диоксид кремния является одним из основных материалов. Его применяют в качестве изолирующего слоя, а также в качестве защитного покрытия. Получают в виде тонких плёнок термическим окислением кремния, химическим осаждением из газовой фазы, магнетронным распылением.

Пористые кремнезёмы

Пористые кремнезёмы получают различными методами.

Силохром получают путём агрегирования аэросила, который, в свою очередь, получают сжиганием силана (SiH4). Силохром характеризуется высокой чистотой, низкой механической прочностью. Характерный размер удельной поверхности 60—120 м²/г. Применяется в качестве сорбента в хроматографии, наполнителя резин, катализе.

Силикагель получают путём высушивания геля кремниевой кислоты. В сравнении с силохромом обладает меньшей чистотой, однако может обладать чрезвычайно развитой поверхностью: обычно от 300 м²/г до 700 м²/г .

Кремниевый аэрогель приблизительно на 99,8 % состоит из воздуха и может иметь плотность до 1,9 кг/м³ (всего в 1,5 раза больше плотности воздуха).

Токсичность

Хотя и сам диоксид кремния считается нетоксичным, однако его пыль является токсичной и канцерогенной при вдыхании (как и пыль асбеста) . Вдыхание пыли приводит к бронхиту, воспалению лёгких (силикоз) и онкологическим заболеваниям.

Кремний и его соединения

Кремний 14Si является аналогом углерода, находится в главной подгруппе IV группы, в 3-м периоде. Как и углерод, кремний является неметаллом и проявляет в своих соединениях и положительные и отрицательные степени окисления, наиболее характерными из которых являются +4 и -4.

14Si 1s22s22p63s23p2

Аr = 28,0855

Изотопы: 28Si (92.27 %); 29Si (4.68 %); 30Si (3,05 %)

ЭО = 1,8

Кремний — второй после кислорода по распространенности в земной коре элемент (27,6 % по массе). В свободном состоянии в природе не встречается, находится преимущественно в виде SiO2 или силикатов.

Соединения Si токсичны; вдыхание мельчайших частиц SiO2 и др. соединений кремния (например, асбеста) вызывает опасную болезнь — силикоз

В основном состоянии атом кремния имеет валентность = II, а в возбужденом состоянии = IV.

Наиболее устойчивой степенью окисления Si является +4. В соединениях с металлами (силицидах) С.О. -4.

Способы получения кремния

Самым распространенным природным соединением кремния является кремнезем (диоксид кремния) SiО2. Он является основным сырьем для получения кремния.

1) Восстановление SiO2 углеродом в дуговых печах при 1800’С: SiO2 + 2С = Si + 2СО

2) Высокочистый Si из технического продукта получают согласно схеме:

a) Si → SiCl2 → Si

б) Si → Mg2Si → SiH4 → Si

Физические свойства кремния. Аллотропные модификации кремния

1) Кристаллический кремний — вещество серебристо — серого цвета с металлическим блеском, кристаллическая решетка типа алмаза; т. пл. 1415’С, т. кип. 3249’С, плотность 2,33 г/см3; является полупроводником.

2) Аморфный кремний — порошок бурого цвета.

Химические свойства кремния

При низких температурах кремний химически инертен, при нагревании его реакционная способность резко возрастает.

1. С кислородом взаимодействует при Т выше 400°С:

Si + О2 = SiO2 оксид кремния

2. С фтором реагирует уже при комнатной температуре:

Si + 2F2 = SiF4 тетрафторид кремня

3. С остальными галогенами реакции идут при температуре = 300 — 500°С

Si + 2Hal2 = SiHal4

4. С парами серы при 600°С образует дисульфид:

Si + 2S = SiS2

5. Реакция с азотом происходит выше 1000°С:

3Si + 2N2 = Si3N4 нитрид кремния

6. При температуре = 1150°С реагирует с углеродом:

SiO2 + 3С = SiС + 2СО

По твердости карборунд близок к алмазу.

7. С водородом кремний непосредственно не реагирует.

8. Кремний стоек к действию кислот. Взаимодействует только со смесью азотной и фтороводородной (плавиковой) кислот:

3Si + 12HF + 4HNO3 = 3SiF4 + 4NO + 8H2O

9. реагирует с растворами щелочей с образованием силикатов и выделением водорода:

Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2H2↑

10. Восстановительные свойства кремния используют для выделения металлов из их оксидов:

2MgO = Si = 2Mg + SiO2

Кремний образует силициды с s-металлами и большинством d-металлов.

Состав силицидов данного металла может быть различен. (Например, FeSi и FeSi2; Ni2Si и NiSi2.) Один из наиболее известных силицидов — силицид магния, который можно получать прямым взаимодействием простых веществ:

2Mg + Si = Mg2Si

Силан (моносилан) SiH4

Силаны (кремневодороды) SinH2n + 2, (ср. с алканами), где п = 1-8. Силаны — аналоги алканов, отличаются от них неустойчивостью цепей -Si-Si-.

Моносилан SiH4 — бесцветный газ с неприятным запахом; растворяется в этаноле, бензине.

Способы получения:

1. Разложение силицида магния соляной кислотой: Mg2Si + 4HCI = 2MgCI2 + SiH4

2. Восстановление галогенидов Si алюмогидридом лития:SiCl4 + LiAlH4 = SiH4↑ + LiCl + AlCl3

Химические свойства.

Силан — сильный восстановитель.

1.SiH4 окисляется кислородом даже при очень низких температурах:

SiH4 + 2O2 = SiO2 + 2Н2О

2. SiH4 легко гидролизуется, особенно в щелочной среде:

SiH4 + 2Н2О = SiO2 + 4Н2

SiH4 + 2NaOH + Н2О = Na2SiO3 + 4Н2

Оксид кремния (IV) (кремнезем) SiO2

Кремнезем существует в виде различных форм: кристаллической, аморфной и стеклообразной. Наиболее распространенной кристаллической формой является кварц. При разрушении кварцевых горных пород образуются кварцевые пески. Монокристаллы кварца — прозрачны, бесцветны (горный хрусталь) или окрашены примесями в различные цвета (аметист, агат, яшма и др.).

Аморфный SiO2 встречается в виде минерала опала: искусственно получают силикагель, состоящий из коллоидных частиц SiO2 и являющийся очень хорошим адсорбентом. Стеклообразный SiO2 известен как кварцевое стекло.

Физические свойства

В воде SiO2 растворяется очень незначительно, в органических растворителях также практически не растворяется. Кремнезем является диэлектриком.

Химические свойства

1. SiO2 — кислотный оксид, поэтому аморфный кремнезем медленно растворяется в водных растворах щелочей:

SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + Н2О

2. SiO2 взаимодействует также при нагревании с основными оксидами:

SiO2 + К2О = K2SiO3;

SiO2 + СаО = CaSiO3

3. Будучи нелетучим оксидом, SiO2 вытесняет углекислый газ из Na2CO3 (при сплавлении):

SiO2 + Na2CO3 = Na2SiO3 + CO2↑

4. Кремнезем реагирует с фтороводородной кислотой, образуя кремнефтористоводородную кислоту H2SiF6:

SiO2 + 6HF = H2SiF6 + 2Н2О

5. При 250 — 400°С SiO2 взаимодействует с газообразным HF и F2, образуя тетрафторсилан (тетрафторид кремния):

SiO2 + 4HF (газ.) = SiF4 + 2Н2О

SiO2 + 2F2 = SiF4 + O2

Кремниевые кислоты

Известны:

— ортокремниевая кислота H4SiО4;

— метакремниевая (кремниевая) кислота H2SiO3;

— ди- и поликремниевые кислоты.

Все кремниевые кислоты малорастворимы в воде, легко образуют коллоидные растворы.

Способы по-лучения

1. Осаждение кислотами из растворов силикатов щелочных металлов:

Na2SiO3 + 2HCl = H2SiO3↓ + 2NaCl

2. Гидролиз хлорсиланов: SiCl4 + 4Н2О = H4SiO4 + 4HCl

Силикаты — соли кремниевых кислот

Поскольку кремниевые кислоты чрезвычайно слабые, их соли в водных растворах сильно гидро лизованы:

Na2SiO3 + Н2О = NaHSiO3 + NaOH

SiO32- + Н2О = HSiO3- + ОН- (щелочная среда)

По этой же причине при пропускании углекислого газа через растворы силикатов происходит вытеснение из них кремниевой кислоты:

K2SiO3 + СO2 + Н2О = H2SiO3↓ + K2СO3

SiO3 + СO2 + Н2О = H2SiO3↓ + СO3

Данную реакцию можно рассматривать как качественную реакцию на силикат-ионы.

Среди силикатов хорошо растворимыми являются только Na2SiO3 и K2SiO3, которые называются растворимым стеклом, а их водные растворы — жидким стеклом.

Стекло

Обычное оконное стекло имеет состав Na2O • СаО • 6SiO2, т. е. является смесью силикатов натрия и кальция. Его получают сплавлением соды Na2CO3, известняка СаСO3 и песка SiO2;

Na2CO3 + CaCO3 + 6SiO2 = Na2O • СаО • 6SiO2 + 2СO2↑

Цемент

Порошкообразный вяжущий материал, образующий при взаимодействии с водой пластичную массу, превращающуюся со временем в твердое камневидное тело; основной строительный материал.

Химический состав наиболее распространенного портланд-цемента (в % по массе) — 20 — 23% SiO2; 62 — 76 % СаО; 4 — 7 % Al2O3; 2-5% Fe2O3; 1- 5% МgО.

Кремний IV оксид

Кремний IV оксид ТУ 6-09-3379-79

SiO2

Диоксид кремния (кремнезём, SiO2; лат. silica) — оксид кремния (IV). Бесцветные кристаллы с температурой плавления+1713…+1728 °C, обладающие высокой твёрдостью и прочностью.

Диоксид кремния — главный компонент почти всех земных горных пород, в частности, кизельгура. Из кремнезёма и силикатов состоит 87 % массы литосферы. В крови и плазме человека концентрация кремнезёма составляет 0,001 % по массе.

Свойства

• Относится к группе кислотных оксидов.
• При нагревании взаимодействует с основными оксидами и щелочами.
• Реагирует с плавиковой кислотой.
• SiO2 относится к группе стеклообразующих оксидов, то есть склонен к образованию переохлажденного расплава — стекла.
• Один из лучших диэлектриков (электрический ток не проводит, если не имеет примесей и не нагревается).

Полиморфизм

Диоксид кремния имеет несколько полиморфных модификаций.

Самая распространённая из них на поверхности земли — α-кварц — кристаллизуется в тригональной сингонии.

При нормальных условиях диоксид кремния чаще всего находится в полиморфной модификации α-кварца, которая при температуре выше +573 °C обратимо переходит в β-кварц.

При дальнейшем повышении температуры кварц переходит в тридимит и кристобалит. Эти полиморфные модификации устойчивы при высоких температурах и низких давлениях.

В природе также встречаются формы — опал, халцедон, кварцин, лютецит, аутигенный кварц, которые относятся к группе кремнезёма. Опал (SiO2*nH2O) в шлифе бесцветен, изотропен, имеет отрицательный рельеф, отлагается в морских водоемах, входит в состав многих кремнистых пород.

Халцедон, кварцин, лютецит — SiO2 — представляют собой скрытокристаллические разновидности кварца. Образуют волокнистые агрегаты, розетки, сферолиты, бесцветные, голубоватые, желтоватые.

Отличаются между собой некоторыми свойствами — у халцедона и кварцина — прямое погасание, у лютецита — косое, у халцедона — отрицательное удлинение.

При высоких температуре и давлении диоксид кремния сначала превращается в коэсит (который в 1953 году был синтезирован американским химиком Лорингом Коэсом), а затем в стишовит (который в 1961 году был синтезирован С. М.

 Стишовым, а в 1962 году был обнаружен в метеоритном кратере)[источник не указан 2294 дня].

Согласно некоторым исследованиям, стишовит слагает значительную часть мантии, так что вопрос о том, какая разновидность SiO2 наиболее распространена на Земле, пока не имеет однозначного ответа.

Также имеет аморфную модификацию — кварцевое стекло.

Получение

Синтетический диоксид кремния получают нагреванием кремния до температуры +400…+500 °C в атмосфере кислорода, при этом кремний окисляется до диоксида SiO2. А также термическим оксидированием при больших температурах.

В лабораторных условиях синтетический диоксид кремния может быть получен действием кислот, даже слабой уксусной, на растворимые силикаты. Например:

кремниевая кислота сразу распадается на воду и SiO2, выпадающий в осадок.

Натуральный диоксид кремния в виде песка используется там, где не требуется высокая чистота материала.

Применение

Диоксид кремния применяют в производстве стекла, керамики, абразивов, бетонных изделий, для получения кремния, как наполнитель в производстве резин, при производстве кремнезёмистых огнеупоров, в хроматографии и др. Кристаллы кварца обладают пьезоэлектрическими свойствами и поэтому используются в радиотехнике, ультразвуковых установках, в зажигалках.

Аморфный непористый диоксид кремния применяется в пищевой промышленности в качестве вспомогательного вещества E551, препятствующего слёживанию и комкованию, парафармацевтике (зубные пасты), в фармацевтической промышленности в качестве вспомогательного вещества (внесён в большинство Фармакопей), а также пищевой добавки или лекарственного препарата в качестве энтеросорбента.

Искусственно полученные плёнки диоксида кремния используются в качестве изолятора при производстве микросхем и других электронных компонентов.

Также используется для производства волоконно-оптических кабелей. Используется чистый плавленый диоксид кремния с добавкой в него некоторых специальных ингредиентов.

Кремнезёмная нить также используется в нагревательных элементах электронных сигарет, так как хорошо впитывает жидкость и не разрушается под нагревом спирали.

Крупные прозрачные кристаллы кварца используются в качестве полудрагоценных камней; бесцветные кристаллы называют горным хрусталём, фиолетовые — аметистами, жёлтые — цитрином.

В микроэлектронике диоксид кремния является одним из основных материалов. Его применяют в качестве изолирующего слоя, а также в качестве защитного покрытия. Получают в виде тонких плёнок термическим окислением кремния, химическим осаждением из газовой фазы, магнетронным распылением.

Пористые кремнезёмы

Пористые кремнезёмы получают различными методами.

Силохром получают путём агрегирования аэросила, который, в свою очередь, получают сжиганием силана (SiH4). Силохром характеризуется высокой чистотой, низкой механической прочностью. Характерный размер удельной поверхности 60—120 м²/г. Применяется в качестве сорбента в хроматографии, наполнителя резин, катализе.

Силикагель получают путём высушивания геля кремниевой кислоты. В сравнении с силохромом обладает меньшей чистотой, однако может обладать чрезвычайно развитой поверхностью: обычно от 300 м²/г до 700 м²/г .

Кремниевый аэрогель приблизительно на 99,8 % состоит из воздуха и может иметь плотность до 1,9 кг/м³ (всего в 1,5 раза больше плотности воздуха).