Химия неметаллов

2. Химия неметаллов

Кремний

Кремний очень распространен в природе, содержание его в земной коре составляет 27,6 масс.% (он занимает второе место после кислорода).

Кремний в свободном виде в природе не встречается, но играет важную роль. Земная кора на 97 % состоит из соединений кремния; важнейшим из них является кремнезем SiO₂ и силикатные минералы, представляющие собой сложные соединения, отличающиеся разнообразным составом и структурой.

Соединения кремния входят в состав растительных и животных организмов, они способствуют образованию твердых скелетных частей и тканей. Особенно много кремния могут накапливать некоторые морские организмы, как растительные – диатомовые водоросли, так и животные – кремневые губки, солнечники, скелет которых состоит из двуокиси кремния. Диатомовые водоросли и инфузории, погибая, образуют различные формы аморфного кремнезема: кизельгур, трепел, диатомит.

Таким образом, кремнезем в виде двуокиси кремния широко распространен в природе. Кремнезем бывает кристаллический и аморфный. Природной формой кристаллического кремнезема является минерал кварц. Он входит в состав горных пород: граниты, пегматиты.

Наиболее чистой природной разновидностью кварц является прозрачный, как вода, горный хрусталь. Окрашенные разновидности горного хрусталя известны как драгоценные камни: дымчатый – раухтопаз, черный – марион, фиолетовый – аметист. К микроволокнистым разновидностям кварца относятся халцедон, агат, яшма, кремень. Горный хрусталь и его разновидности применяются для изготовления оптических приборов и в ювелирном деле.

Кремнезем в виде различных песков используется в силикатной промышленности и в строительстве.

Землистые формы аморфного кремнезема – диатомит, трепел – имеют пористое строение, поэтому они обладают повышенной химической активностью, являются хорошими адсорбентами.

Кремнезем и его разновидности представляют неорганический полимер, построенный из тетраэдров SiO₄. В центре правильного тетраэдра находится атом кремния в вершинах атомы кислорода. Кремний соединен с атомами.

Двуокись кремния – устойчивое соединение, которое в воде практически нерастворима; из кислот на нее действует только HF, при этом образуется тетрафторид кремния и вода:

SiO₂ + 4HF = 2H₂O + SiF₄

Эта реакция используется при травлении стекла.

В обычных условиях щелочи очень слабо взаимодействуют с SiO₂ с образованием солей кремневой кислоты – силикатов:

SiO₂ + 2NaOH = H₂O + Na₂SiO₃

Химическая активность модификаций SiO₂ возрастает от кварца к аморфному кремнезему.

Аморфный кремнезем может вступать в химическое взаимодействие с щелочами и гашеной известью уже на холоду. На этом основано использование этих материалов в качестве гидравлических добавок в цементах. Имеющаяся в цементе известь взаимодействует с аморфным кремнеземом с образованием силикатов кальция. Этот процесс можно выразить следующим уравнением реакции:

SiO₂ + Ca(OH)₂ = H₂O + CaSiO₃

При сплавлении все модификации SiO₂ легко взаимодействуют с основными оксидами, щелочами и карбонатами, например:

SiO₂ + 2NaOH = H₂O + Na₂SiO₃

SiO₂ + Na₂СО₃ = СО₂ + Na₂SiO₃

Кремневые кислоты и силикаты

Свободная кремневая кислота известна в виде нескольких форм: H₄SiO₄ или SiO₂^.2H₂O – ортокремневая кислота; H₂SiO₃ или SiO₂^.H₂O – мета кремневая кислота; H₂Si₂O₅ или 2SiO₂^.H₂O – двуметакремневая кислота.

Мономолекулярные кремневые кислоты неустойчивы и обычно конденсируются в полимерные практически нерастворимые в воде формы.

Кремневые кислоты слабее угольной кислоты.

Диссоциацию метакремневой кислоты можно представить уравнением реакции:

H₂SiO₃ D H⁺ + HSiO₃^-К_д1 = 2^.10^-10

HSiO₃^-D H⁺ + SiO₃^2-К_д2 = 1^.10^-12

Диоксид кремния SiO₂ в воде не растворяется, поэтому кремневая кислота получается косвенным путем – действием кислоты на растворимые силикаты:

Na₂SiO₃ + 2HCl = H₂SiO₃ + 2NaCl

Поликремневые кислоты в воде не растворимы, легко образуют коллоидные растворы – золи. Устойчивость золей этих кислит зависит от рН раствора.

Строение мицеллы кремневой кислоты условно можно выразить формулой:

{[SiO₂^.mH₂O]_m^.xHSiO₃^- (x-y)H⁺}^-yyH⁺

Золи кремневых кислот обладают гидрофильными свойствами. Прибавлением электролитов не всегда удается вызвать коагуляцию. Для более быстрой коагуляции необходимо добавить баритовой воды или концентрированного раствора Al₂(SO₄)₃

При коагуляции кремнево-кислых золей образуются гели переменного состава с общей формулой SiO₂^.хH₂O.

Гель кремневых кислот представляет собой микрогетерогенную систему, состоящей из губчатой твердой фазы, в порах которой распределена вода. Высушенные гели кремневых кислот называются силикагелями. Они обладают сильно развитой внутренней поверхностью и являются хорошими сорбентами. Силикагель сильно поглощает пары воды, поэтому его используют для осушки газов.

Соли кремневых и поликремневых кислот называются силикатами.

В воде растворимы только силикаты щелочных металлов, остальные силикаты малорастворимы в воде.