Оксид кремния(IV)

Кварц

Кварцевое стекло

Oксид кремния (IV) (диоксид кремния, кремнезём SiO₂) — бесцветные кристаллы, t_пл 1713—1728 °C, обладают высокой твёрдостью и прочностью.

Свойства

• Относится к группе кислотных оксидов.
• При нагревании взаимодействует с основными оксидами и щелочами.
• Растворяется в плавиковой кислоте.
• SiO₂ относится к группе стеклообразующих оксидов, то есть склонен к образованию переохлажденного расплава — стекла.
• Один из лучших диэлектриков (электрический ток почти не проводит).
• Имеет атомную кристаллическую решетку.

Полиморфизм

Диоксид кремния имеет несколько полиморфных модификаций.

Самая распространенная 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. При высоких температуре и давлении диоксид кремния сначала превращается в коэсит (который в 1953 был синтезирован американским химиком Лорингом Коэсом), а затем в стишовит (который в 1961 году был синтезирован С. М. Стишовым, а в 1962 был обнаружен в метеоритном кратере)^{[источник не указан 506 дней]}. 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 газобразным фтороводородом:

$\mathsf{SiO_2 + 4HF \rightarrow SiF_4 + 2H_2O}$

и плавиковой кислотой:

$\mathsf{SiO_2 + 6HF \rightarrow H_2[SiF_6] + 2H_2O}$

Эти две реакции широко используют для травления 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 идет об одном и том же веществе).

Например, может быть получен ортосиликат натрия:

$\mathsf{SiO_2 + 4NaOH \rightarrow Na_4SiO_4 + 2H_2O}$

метасиликат кальция:

$\mathsf{SiO_2 + CaO \rightarrow CaSiO_3}$

или смешанный силикат кальция и натрия:

$\mathsf{Na_2CO_3 + CaCO_3 + 6SiO_2\rightarrow Na_2CaSi_6O_{14} + 2CO_2}$

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

Следует отметить, что 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 твердого диоксида кремния, так и всех силикатов, выступает группа [SiO_4/2], в которой атом кремния Si окружен тетраэдром из четырёх атомов кислорода О. При этом каждый атом кислорода соединен с двумя атомами кремния. Фрагменты [SiO_4/2] могут быть связаны между собой по-разному. Среди силикатов по характеру связи в них фрагментов [SiO_4/2] 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:

$\mathsf{Na_2SiO_3 + 2CH_3COOH \rightarrow 2CH_3COONa + H_2SiO_3\downarrow}$

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.

Диоксид кремния — главный компонент почти всех земных горных пород, в частности, кизельгура. Из кремнезёма и силикатов состоит 87 % массы литосферы.

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.

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 кремневой кислоты. В сравнении с силохромом обладает меньшей чистотой, однако может обладать чрезвычайно развитой поверхностью: до 320 м²/г.

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

Литература

• Кнунянц И. Л. и др. т.2 Даффа-Меди // Химическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — 671 с. — 100 000 экз. — ISBN 5-85270-035-5

Соединения кремния

Гексафторосиликат натрия (Na₂[SiF₆])  • Гексафторосиликат(IV) калия (K₂[SiF₆]) • Карбид кремния (SiC) • Кремнефтористоводородная кислота (H₂[SiF₆]) • Кремниевые кислоты (SiO₂•n H₂О) • Метасиликат калия (K₂SiO₃) • Метасиликат натрия (Na₂SiO₃) • Метилсилан (CH₃-SiH₃) • Муассанит • Нитрид кремния (Si₃N₄) • Оксид кремния(II) (SiO) • Оксид кремния(IV) (SiO₂) • Ортосиликат натрия (Na₄SiO₄) • Полевые шпаты • Силаны (Si_nH_2n+2) • Силикагель (n SiO2•m H₂O) • Силицид сурьмы (Si₃Sb₄) • Силиконовое масло • Силиконы ([R₂SiO]_n) • Силицид ванадия (V₃Si) • Силицид висмута (Si₃Bi₄) • Силицид кальция (CaSi₂) • Силицид лития (Li₆Si₂) • Силицид магния (Mg₂Si) • Силицид молибдена (MoSi₂) • Силицид полония (SiPo₂) • Силицид рения (ReSi) • Сульфид кремния (SiS₂) • Тетрабромид кремния (SiBr₄) • Тетраиодид кремния (SiI₄) • Тетрасиликат калия (K₂Si₄O₉•H₂O) • Тетрафторид кремния (SiF₄) • Трихлорсилан (SiHCl₃) • Хлорид кремния(IV) (SiCl₄) • Хлориды кремния