Способы получения, химические свойства и применение кремния

Содержание

 

Введение	3
Глава 1Кремний	5
1.1 Кремний	5
1.2 Виды	5
1.3 Очистка кремния	6
Глава 2 Кремнезем	7
2.1 Кремнезем	7
2.2 Виды	7
2.2.1 Кварцевое стекло	7
2.2.2 Песок	7
2.2.3 Кварц	7
2.3 Применение кремнезема	8
Глава 3 Кремневая кислота	9
3.1 Кислота	10
3.2 Получение кислоты	10
3.3 Соли кремневой кислоты	11
Глава 4 Стекло	12
4.1 Стекло в природе	12
4.2 Получение стекло	12
4.3 Растворимое (жидкое) стекло	13
4.4 Способы применения  в быту и в строительстве  жидкого натриевого стекла	16
Глава 5 Экспериментальная  часть	18
Заключение	20

 

 

 

Введение

 

В данной исследовательской работе будут рассматриваться способы получения, химические свойства и применение кремния, оксида кремния, кремниевой кислоты и ее солей.

В природе кремний – второй по распространенности после кислорода химический элемент. Земная кора на четверть состоит из его соединений. Кремний придает гладкость и прочность костям человека.

Кремний входит и в состав низших живых организмов – диатомовых водорослей и радиолярий, нежнейших комочков живой материи, которые создают свои непревзойденные по красоте скелеты из кремнезема.

Наиболее распространенным соединением кремния является кремнезем.

Второй тип природных соединений – это силикаты.

Важнейшее соединение кремния – оксид кремния(4) SiO_{2 ,} необходим для жизни на земле растениям и животным.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Цели

1. Изучить свойства кремния, оксида кремния, кремневой кислоты и ее солей
2. Рассмотреть лабораторные и промышленные способы получения кремния, кремнезема, кремневой кислоты.
3. Изучить области применения кремния и его соединений на примере стекловаренной промышленности.
4. Рассмотреть химизм производства жидкого стекла и области его применения

Задачи

1. Систематизировать сведения о химических свойствах, способах получения и применения кремния, кремнезема и кремниевой кислоты.
2. Исследовать лабораторные способы получения силикатов и условия их превращения в кремниевую кислоту
3. Экспериментально доказать возможные превращения оксида кремния в силикаты и превращение силикатов в кремниевую кислоту.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 1 Кремний

1.1 Кремний — элемент главной подгруппы, четвёртой группы третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 14.

Содержание кремния в земной коре составляет по разным данным 27,6—29,5 % по массе. Таким образом, по распространённости в земной коре кремний занимает второе место после кислорода. Концентрация в морской воде 3 мг/л.

Чаще всего в природе кремний встречается в виде кремнезёма — соединений на основе диоксида кремния (IV) SiO₂ (около 12 % массы земной коры). Основные минералы и горные породы, образуемые диоксидом кремния — это песок (речной и кварцевый), кварц и кварциты, кремень, полевые шпаты. Вторую по распространённости в природе группу соединений кремния составляют силикаты и алюмосиликаты.

Отмечены единичные факты нахождения чистого кремния в самородном виде.

1.2 Получение кремния

Свободный кремний можно получить прокаливанием с магнием мелкого белого песка, который представляет собой диоксид кремния, при этом образуется бурый порошок аморфного кремния

                                        SiO2  + 2Mg   =   2MgO + Si

В промышленности кремний технической чистоты получают, восстанавливая расплав SiO₂ коксом при температуре около 1800 °C в рудотермических печах шахтного типа. Чистота полученного таким образом кремния может достигать 99,9 % (основные примеси — углерод, металлы):

                                                  SiO2  +  C  =  Si  + 2CO

 Возможна дальнейшая очистка кремния от примесей. Очистка в лабораторных условиях может быть проведена путём предварительного получения силицида магния Mg₂Si. Далее из силицида магния с помощью соляной или уксусной кислот получают газообразный моносилан SiH_4:

                       Mg2Si  +  4CH3COOH  =  2(CH3COO)2Mg  +  SiH4

Моносилан очищают ректификацией, сорбционными и др. методами, а затем разлагают на кремний и водород при температуре около 1000 °C:

                                                     SiH₄  =  Si  +  2H₂

1.3 Очистка кремния

Очистка кремния в промышленных масштабах осуществляется путём непосредственного хлорирования кремния.

                                       SiO₂ + C + 2Cl ₂ =  SiCl ₄ + CO₂ 

Эти хлориды различными способами очищают от примесей (как правило, перегонкой и диспропорционированием) и на заключительном этапе восстанавливают чистым водородом при температурах от 900 до 1100 °C.

Разрабатываются более дешёвые, чистые и эффективные промышленные технологии очистки кремния. На 2010 г. к таковым можно отнести технологии очистки кремния с использованием фтора (вместо хлора); технологии предусматривающие дистилляцию монооксида кремния; технологии, основанные на вытравливании примесей, концентрирующихся на межкристаллитных границах.

Глава 2 Кремнезем

2.1 Кремнезем

Кремнезем, химический или кремниевый ангидрид, SiO₂, в безводном состоянии и в чистом виде, представляет в природе горный хрусталь, в менее чистом виде — дымчатый топаз, аметист, кварц, песок и т. д.; удельный вес 2,6 (горный хрусталь, кварц) и 2,2—2,3 (опал, тридимит). Выделяется из растворов в виде гидрозоля (растворимого в воде коллоида) и гидрогеля (желатинозного коллоида).

2.2 Виды

2.2.1 Кварцевое стекло.

Различают два вида промышленного кварцевого стекла: прозрачное (оптическое и техническое) и непрозрачное. Непрозрачность кварцевому стеклу придает большое количество распределённых в нём мелких газовых пузырьков (диаметром от 0,03 до 0,3 мкм), рассеивающих свет. Оптическое прозрачное кварцевое стекло, получаемое плавлением горного хрусталя, совершенно однородно, не содержит видимых газовых пузырьков.

Непрозрачное кварцевое стекло часто служит сырьём для производства термостойкого огнеупорного материала — кварцевой керамики.

2.2.2 Песок  —  среднеобломочная осадочная горная порода, а также искусственный материал, состоящий из зёрен горных пород. Очень часто состоит из почти чистого минерала кварца (вещество — диоксид кремния).

2.2.3 Кварц.

В чистом виде кварц бесцветен или имеет белую окраску из-за внутренних трещин и кристаллических дефектов. Элементы-примеси и микроскопические включения других минералов, преимущественно оксидов железа, придают ему самую разнообразную окраску. Имеет много разновидностей, среди которых — почти чёрный морион, фиолетовый аметист, жёлтый цитрин и т. д. причины окраски некоторых разновидностей кварца имеют свою специфическую природу.

Относится к группе стеклообразующих оксидов, то есть может быть главной составляющей стекла. Однокомпонентное кварцевое стекло из чистого оксида кремния получают плавлением горного хрусталя, жильного кварца и кварцевого песка. Диоксид кремния обладает полиморфизмом. Стабильная при нормальных условиях полиморфная модификация — α-кварц (низкотемпературный). Соответственно β-кварцем называют высокотемпературную модификацию.

2.2.4 Применение кремнезема

Оксид кремния в виде песка широко используется в составе строительных материалов, для намывки участков под строительство, для пескоструйной обработки, при возведении дорог, насыпей, в жилищном строительстве для обратной засыпки, при благоустройстве дворовых территорий, при производстве раствора для кладки, штукатурных и фундаментных работ, используется для бетонного производства. При производстве железобетонных изделий, бетона высоких марок прочности, а также при производстве тротуарной плитки, бордюров,  колодезных колец используют крупнозернистый песок (Модуль крупности 2,2—2,5). Мелкий строительный песок используется для приготовления накрывочных растворов. Кроме того, песок является основным компонентом при изготовлении стекла.

Строительный речной песок довольно широко применим в различных декоративных (смешивают с различными красителями для получения специальных структурных покрытий) и отделочных работах готового помещения. Он также выступает компонентом асфальтобетонных смесей, которые используются в строительстве и укладке дорог (в том числе и для строительства аэродромов), а также в процессах фильтрования и очистки воды.

Кварцевый песок используется для изготовления сварочных материалов специального и общего назначения.

 

 

         Глава 3   Кремниевая кислота

3.1 Кремниевые кислоты — очень слабые, малорастворимые в воде кислоты. Известны соли метакремниевой кислоты Н₂SiO₃ (SiO₂•H₂О) — силикаты, ортокремневой кислоты H₄SiO₄ (SiO₂•2H₂O) — ортосиликаты и других кислот с различным числом SiO₂•nH₂О. Гидраты кремнезема с содержанием более 2Н₂О на каждую молекулу SiO₂ в индивидуальном состоянии, по-видимому, не существуют, однако известны многие их соли. В воде кремниевые кислоты образуют коллоидные растворы. Кремниевые кислоты — соединения оксида кремния (IV) с водой, очень слабые кислоты. Соотношение SiO₂ и Н₂О в кремниевых кислотах бывает самым различным, поэтому их состав обычно представляют в виде общей формулы SiO₂•mH₂O. Кислоты с разными «n» легко переходят друг в друга. В свободном состоянии выделены: ортокремневая (H₄SiO₄), метакремниевая (H₂SiO₃) и несколько других кислот. 
Кремниевую кислоту получают косвенным путем, действуя кислотой на силикат калия или натрия: 
                     Na₂SiO₃  +  2HCl  =  2NaCl  +  H₂SiO3

Кремниевую кислоту нельзя получить в чистом виде. В водных растворах она образует коллоидный раствор, или золь, который существует очень малый промежуток времени. Золь далее коагулирует, и образуется гель. При высушивании геля образуются продукты с пористой структурой — силикагели, применяемые в качестве осушителей и адсорбентов.

В процессе образования кремниевые кислоты вначале получают неустойчивый истинный раствор H₄SiO₄; эта кислота в дальнейшем, благодаря наличию реакционноспособных силанольных групп SiOH, вступает в поликонденсацию, первая стадия которой 2H₄SiO₄:(HO)3SiOSi(OH)₃+Н₂О. В результате поликонденсации могут образовываться разнообразные поликремневые кислоты с линейной, разветвленной, смешанной структурой:

- Si(OH)2 – o - Si(OH)2 – O - Si(OH)2 – o - Si(OH)2 - o -Si(OH)2-O-

      К продуктам поликонденсациикремневые кислоты относятся гидрозоль (коллоидный кремнезем) и гидрогели кремнезема, силикагели(силикаксерогели) и др. Поликремневые кислоты имеют изоэлектрическую точку в интервале рН 2,0-3,0. Скорость поликонденсации минимальна при рН ~ 2-3, причем в области рН<2 реакция ускоряется протонами, а при рН>2 -ионами ОН-. Поликонденсация в кислой среде протекает по донорно-акцепторному механизму с образованием переходного комплекса, в котором атом Si временно приобретает координацию число 6 (вместо 4). Устойчивость золякремневые кислоты зависит от концентрации кремниевые кислоты, температуры, рН и др. Со временем золь теряет устойчивость и переходит в гель (при рН>7,5 гидрозоль термодинамически устойчив к коагуляции). Скорость гелеобразования максимальна при рН 5,5-6,0. Подбирая соответствующие условия и применяя специальные добавки (стабилизаторы) удается получить устойчивые, высококонцeнтрированые золи. Гидрозоли кремнезема-связующие материалы и наполнители в керамических изделиях, покрытиях, в формах для литья; универсальные носители катализаторов и светочувствительных слоев в фотоматериалах; сырье для получения адсорбентов, кварцевого стекла; поглотители паров и газов в промышленных аппаратах; фильтры для очистки воды и минеральных масел. 

3.2 Получение кислоты

Метакремниевую кислоту получают действием сильных кислот на соли метакремниевой кислоты:

Na₂SiO₃ + 2HCl = H₂SiO₃ + 2NaCl.

При высокой температуре вода выпаривается:

H₂SiO₃ = SiO₂ + H₂O

В этой реакции оксид кремния(IV) выделяется в виде силикагеля