Учебник для 9 класса

ХИМИЯ

§ 35. Кремний и его соединения

Второй представитель элементов главной подгруппы IV группы (IVА группы) Периодической системы Д. И. Менделеева — кремний Si.

В природе кремний — второй по распространённости после кислорода химический элемент. Земная кора более чем на четверть состоит из его соединений. Наиболее распространённым соединением кремния является оксид кремния (IV) SiO₂, другое его название — кремнезём.

В природе он образует минерал кварц (рис. 158), многие разновидности которого — горный хрусталь и его знаменитая лиловая форма — аметист, а также агат, опал, яшма, халцедон, сердолик, известны как поделочные и полудрагоценные камни. Из оксида кремния (IV) состоят также обычный и кварцевый песок.

Рис. 158.
Кристаллы кварца, вкраплённые в доломит

Из разновидностей минералов на основе оксида кремния (IV) (кремня, халцедона и др.) первобытные люди изготовляли орудия труда. Именно кремень, этот невзрачный и не очень прочный камень, положил начало каменному веку — веку кремнёвых орудий труда (рис. 159). Причин этому две: распространённость и доступность кремня, а также его способность образовывать при сколе острые режущие края.

Рис. 159.
Орудия каменного века

Второй тип природных соединений кремния — это силикаты. Среди них наиболее распространены алюмосиликаты (понятно, что эти силикаты содержат химический элемент алюминий). К алюмосиликатам относят гранит, различные виды глин, слюды. Силикатом, не содержащим алюминия, является, например, асбест, из которого изготавливают огнеупорные ткани.

Оксид кремния (IV) SiO₂ необходим для жизни растений и животных. Он придаёт прочность стеблям растений и защитным покровам животных (рис. 160). Благодаря ему тростники, камыши и хвощи стоят крепко, как штыки, острые листья осоки режут, как ножи, стерня на скошенном поле колет, как иголки, а стебли злаков настолько крепки, что не позволяют ниве на полях ложиться от дождя и ветра. Чешуя рыб, панцири насекомых, крылья бабочек, перья птиц и шерсть животных прочны, так как содержат кремнезём.

Рис. 160.
Оксид кремния (IV) придаёт прочность стеблям растений и защитным покровам животных

Соединения кремния придают гладкость и прочность волосам и ногтям человека.

Кремний входит и в состав низших живых организмов — диатомовых водорослей и радиолярий, нежнейших комочков живой материи, которые создают свои непревзойдённые по красоте скелеты из кремнезёма (рис. 161).

Рис. 161.
Скелеты диатомовых водорослей (а) и радиолярий (б) состоят из кремнезёма

Свойства кремния. Вы пользуетесь микрокалькулятором с солнечной батарейкой и поэтому имеете представление о кристаллическом кремнии. Это полупроводник. В отличие от металлов, с повышением температуры его электропроводность увеличивается. На спутниках, космических кораблях, станциях и крышах домов (рис. 162) устанавливают солнечные батареи, преобразующие солнечную энергию в электрическую. В них работают кристаллы полупроводников, и в первую очередь кремния. Кремниевые фотоэлементы могут превратить в электрическую до 10% поглощённой солнечной энергии.

Рис. 162.
Солнечная батарея на крыше дома

Кремний горит в кислороде, образуя уже известный вам оксид кремния (IV):

Будучи неметаллом, при нагревании кремний соединяется с металлами с образованием силицидов, например:

Силициды легко разлагаются водой или кислотами, при этом выделяется газообразное водородное соединение кремния — силан:

В отличие от углеводородов, силан на воздухе самовоспламеняется и сгорает с образованием оксида кремния (IV) и воды:

Повышенная реакционная способность силана по сравнению с метаном СН₄ объясняется тем, что размер атома у кремния больше, чем у углерода, поэтому химические связи Si—Н менее прочные, чем связи С—Н.

Кремний взаимодействует с концентрированными водными растворами щелочей, образуя силикаты и водород:

Кремний получают, восстанавливая его из оксида кремния (IV) магнием или углеродом:

Оксид кремния (IV), или диоксид кремния, или кремнезём SiO₂, как и СO₂, является кислотным оксидом. Однако в отличие от С02 имеет не молекулярную, а атомную кристаллическую решётку. Поэтому SiO₂ твёрдое и тугоплавкое вещество. Он не растворяется в воде и кислотах, кроме, как вы знаете, плавиковой, но взаимодействует при высоких температурах с щелочами с образованием солей кремниевой кислоты — силикатов:

Силикаты можно получить также сплавлением оксида кремния (IV) с оксидами металлов или с карбонатами:

Силикаты натрия и калия называют растворимым стеклом. Их водные растворы — это хорошо известный силикатный клей.

Из растворов силикатов действием на них более сильных кислот — соляной, серной, уксусной и даже угольной получается кремниевая кислота H₂SiO₃ (рис. 163):

Рис. 163. Качественная реакция на силикат-ион

Следовательно, H₂SiO₃ очень слабая кислота. Она нерастворима в воде и выпадает из реакционной смеси в виде студенистого осадка, иногда заполняющего компактно весь объём раствора, превращая его в полутвёрдую массу, похожую на студень, желе. При высыхании этой массы образуется высокопористое вещество — силикагель, широко применяемый в качестве адсорбента — поглотителя других веществ.

Лабораторный опыт № 40
Получение кремниевой кислоты и изучение её свойств

Применение кремния. Вы уже знаете, что кремний применяют для получения полупроводниковых материалов, а также кислотоупорных сплавов. При сплавлении кварцевого песка с углём при высоких температурах образуется карбид кремния SiC, который по твёрдости уступает только алмазу. Поэтому его используют для затачивания резцов металлорежущих станков и шлифовки драгоценных камней.

Из расплавленного кварца изготавливают различную кварцевую химическую посуду, которая может выдерживать высокую температуру и не трескается при резком охлаждении.

Соединения кремния служат основой для производства стекла и цемента.

Обычное оконное стекло имеет состав, который можно выразить формулой Na₂O • СаО • 6SiO₂. Его получают в специальных стекловаренных печах сплавлением смеси соды, известняка и песка.

Отличительная особенность стекла — способность размягчаться и в расплавленном состоянии принимать любую форму, которая сохраняется при застывании стекла. На этом основано производство посуды и других изделий из стекла.

Дополнительные качества стеклу придают различные добавки. Так, введением оксида свинца получают хрустальное стекло, оксид хрома окрашивает стекло в зелёный цвет, оксид кобальта — в синий и т. д. (рис. 164).

Рис. 164.
Изделия из цветного стекла

Стекло — одно из древнейших изобретений человечества. Уже 3—4 тыс. лет назад производство стекла было развито в Египте, Сирии, Финикии и Причерноморье.

Стекло — это материал не только ремесленников, но и художников. Высокого совершенства достигли мастера Древнего Рима, которые умели получать цветные стёкла и делать из их кусочков мозаики.

Рис. 165.
Цветное стекло в витражах собора Нотр-Дам, Шартр

Произведения искусства из стекла являются обязательными атрибутами любого крупного музея, и цветные витражи церквей, мозаичные панно — яркие тому примеры (рис. 165). В одном из помещений Санкт-Петербургского отделения Российской академии наук находится мозаичный портрет Петра I, выполненный М. В. Ломоносовым (рис. 166).

Рис. 166.
Мозаичный портрет Петра I

Области применения стекла очень обширны. Это оконное, бутылочное, ламповое, зеркальное стекло; стекло оптическое — от стёкол очков до стёкол фотокамер; линзы бесчисленных оптических приборов — от микроскопов до телескопов.

Другой важный материал, получаемый на основе соединения кремния, — цемент. Его получают спеканием глины и известняка в специальных вращающихся печах.

Если порошок цемента смешать с водой, то образуется цементное тесто, или, как его называют строители, «цементный раствор», который постепенно затвердевает. При добавлении к цементу песка или щебня в качестве наполнителя получают бетон. Прочность бетона возрастает, если в него вводится железный каркас, — получается железобетон, из которого изготавливают стеновые панели, блоки перекрытий, фермы мостов и т. д.

Производством стекла и цемента занимается силикатная промышленность. Она также выпускает силикатную керамику — кирпич, фарфор (рис. 167), фаянс и изделия из них.

Рис. 167.
Фарфоровые изделия

Открытие кремния. Хотя уже в глубокой древности люди широко использовали в быту соединения кремния, сам кремний был впервые получен в 1824 г. шведским химиком Й. Я. Берцелиусом. Однако за 12 лет до него кремний получили Ж. Гей-Люссак и Л. Тенар, но он был очень загрязнён примесями.

Латинское название силициум берёт своё начало от латинского слова силекс— «кремень». Русское название «кремний» происходит от греческого кремнос — «утёс, скала».

Новые слова и понятия

1. Природные соединения кремния: кремнезём, кварц и его разновидности, силикаты, алюмосиликаты, асбест.
2. Биологическое значение кремния.
3. Свойства кремния: полупроводниковые, взаимодействие с кислородом, металлами, щелочами.
4. Силан.
5. Оксид кремния (IV). Его строение и свойства: взаимодействие с щелочами, основными оксидами, карбонатами и магнием.
6. Кремниевая кислота и её соли. Растворимое стекло.
7. Применение кремния и его соединений.
8. Стекло.
9. Цемент.

Задания для самостоятельной работы

1. Укажите сходство и различие оксида углерода (IV) и оксида кремния (IV) по строению и свойствам. Напишите уравнения реакций.
2. Почему углерод называют основным элементом живой природы, а кремний — основным элементом неживой природы?
3. При взаимодействии избытка раствора гидроксида натрия с 16 г кремния было получено 22,4 л водорода (н. у.). Вычислите массовую долю кремния во взятом образце. Сколько граммов оксида кремния (IV) содержалось в нём? Сколько граммов 60%-го раствора щёлочи потребовалось для реакции?
4. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

   

   Рассмотрите процессы окисления-восстановления.