Силіцій у природі.

Добування і властивості силіцію. Силіцій — один з найпоширеніших у земній корі елементів. Він становить 27% (мас.) доступної нашому дослідженню частини земної кори, займаючи щодо поширеності друге місце після кисню. У природі силіцій трапляється лише в сполуках: у вигляді діоксиду силіцію SiO2, що також називається ангідридом силіцію, або кремнеземом, і у вигляді солей силікатних кислот (силікатів). У природі найбільше поширені алюмосилікати, тобто силікати, до складу яких входить алюміній. До них належать польові шпати, слюди, каолін та ін.

Так само як карбон, входячи до складу всіх органічних речовин, є дуже важливим елементом рослинного і тваринного світу, силіцій — основний елемент у світі мінералів і гірських порід. У більшості організмів вміст силіцію дуже невеликий. Проте деякі морські організми нагромаджують великі кількості силіцію. До багатих на нього морських рослин належать діатомові водорості, з тварин багато силіцію містять радіолярії, силіцієві губки.

Вільний силіцій можна добути, прожарюючи з магнієм дрібний білий пісок, що є діоксидом силіцію:

SiO2 + 2Mg = 2MgO + Si.

При цьому утворюється бурий порошок аморфного силіцію.

Силіцій розчиняється у розплавлених металах. При повільному охолодженні розчину силіцію в цинку або в алюмінії силіцій виділяється у вигляді добре утворених кристалів октаедричної форми. Кристалічний силіцій має стальний блиск.

Кристали силіцію високої чистоти, що. мають мінімальне число дефектів структури, характеризуються дуже низькою електропровідністю; домішки і порушення правильності будови різко збільшують її.

Силіцій застосовують в основному в металургії і напівпровідниковій техніці. У металургії його використовують для видалення кисню з розплавлених металів; він є також складовою частиною багатьох сплавів, найважливіші з яких — сплави на основі феруму, купруму та алюмінію. В напівпровідниковій техніці силіцій використовують для виготовлення фотоелементів, підсилювачів, випрямлячів. Напівпровідникові прилади на основі силіцію витримують нагрівання до 250° С, що розширює галузь їх застосування.

У промисловості силіцій добувають відновленням діоксиду силіцію коксом в електричних печах:

SiO2 + 2С = Si + 2C0

Добутий цим способом силіцій містить 2—5% домішок. Силіцій високої чистоти, потрібний для виготовлення напівпровідникових приладів, добувають складнішим способом. Природний кремнезем переводять у таку сполуку силіцію, яка піддається глибокому очищенню. Потім силіцій виділяють з добутої чистої речовини термічним розкладанням або дією відновника. Один з таких способів полягає в перетворенні кремнезем у хлорид силіцію SiCl4, очищенні цього продукту і відновленні з нього силіцію високочистим цинком. Дуже чистий силіцій можна добути також термічним розкладанням йодиду силіцію Sil4 або силану SiH4. Добутий цим способом силіцій містить дуже мало домішок і придатний для виготовлення деяких напівпровідникових приладів. Щоб добути ще чистіший продукт, його додатково очищають, наприклад зонною плавкою

У хімічному відношенні силіцій, особливо кристалічний, малоактивний; при кімнатній температурі він безпосередньо сполучається лише з фтором. Кислоти, крім суміші фтористоводневої і нітратної, не діють на силіцій, але луги енергійно з ним реагують, виділяючи гідроген і утворюючи солі силікатної кислоти H2Si03:

Si + 2КОН + Н2О = K2Si03 + 2H2|

При наявності слідів лугу, що відіграє роль каталізатора, силіцій витісняє гідроген також з води.

При високій температурі силіцій вступає в сполуку з багатьма металами, утворюючи силіциди.

З киснем силіцій реагує тільки при сильному нагріванні:

Si+O2=Sio2

З воднем силіцій безпосередньо не взаємодіє. З активними металами силіцій утворює силіціди (ступінь окиснення Силіцію в них - 4)

З утвореного силіциду магнію можна отримати сполуку Силіцію з Гідрогеном – силан SiH4. Для цього чорний порошок Mg2Si висипають у розчин хлоридної кислоти;

Mg2Si+4HCl= 2MgCl2 +SiH4

Утворені пузирчики силану лопають, і силан згоряє на повітрі:

SiH4 + 2O2 = SiO2 + 2H2O

Силіцій, як і Карбон, реагує з оксидами металів. Наприклад, відновлює металічне залізо з оксидів феруму в процесі виплавляння сталі:

2FeO+Si = 2Fe+SiO2

2Fe2O3 +3Si = 4Fe+3SiO2

За звичайних умов силіцій реагує лише з однією кислотою – фторидної:

Si+4HF = SiF4+2H2↑

Також він взаємодіє з розчином лугів:

Si+2NaOH+H2O = Na2SiO3+2H2↑

Діоксид силіцію. Найстійкішою сполукою силіцію є діоксид силіцію, або

кремнезем, SiO2. Він трапляється у природі в кристалічному і аморфному стані.

Силіцій (IV) оксид – досить поширена в літосфері сполука. Вона міститься в піску, є складовою мінералів і гірських порід, утворює окремий мінерал – кварц (інша назва – гірський кришталь).

Гірський кришталь - це стійка при низьких температурах модифікація.

З кварцу виготовляють кварцове скло, яке майже не змінює свій об'єм при зміні температури. При зануренні сильно нагрітої кварцової склянки у холодну воду вона не тріскає. На відміну від звичайного скла кварцове пропускає ультрафіолетові промені, і з нього виготовляють лампи для медицини.

За наявності домішок оксидів Феруму, Хрому, деяких інших елементів кварц набуває певного забарвлення. Забарвлені різновиди кварцу використовують як дорогоцінні й напівдорогоцінні камені (аметист, топаз, сердолік).

Аметист.

Колір природного аметисту, обумовлений входженням в його кристалічну решітку йонів Fe3+, вар`юється від червоно-фіолетового до блакитно-бузкового.

Топаз - Al2(SiO4)(F, OH)2.

Його безбарвні, прозорі різновиди зустрічаються не часто. В основному буває забарвленим у світлі відтінки жовтого, блакитного, фолетового, зеленого, рожевого, червоного кольорів.

У вигляді піску SiO2 широко застосовують у будівництві, для добування скла, кераміки, порцеляни, фаянсу, цегли, цементу.

Кристалічний діоксид силіцію трапляється головним чином у вигляді мінералу кварцу. Прозорі, безбарвні кристали кварцу, що мають форму шестигранних призм з шестигранними пірамідами на кінцях, називаються гірським кришталем Гірський кришталь, забарвлений домішками в ліловий колір, називається аметистом, а в буруватий — димчастим топазом. Але частіше кварц трапляється у вигляді суцільних напівпрозорих мас, безбарвних або забарвлених у різні кольори. Однією з різновидностей кварцу є кремінь.

До дрібнокристалічних різновидностей кварцу належать агат і яшма. Кварц входить також до складу багатьох складних гірських порід, наприклад граніту і гнейсу.

З дрібних зерен кварцу складається звичайний пісок. Чистий пісок має білий колір, але частіше він буває забарвлений сполуками заліза в жовтий або червонуватий колір.

Кристалічний діоксид силіцію дуже твердий, не розчиняється у воді, плавиться близько 1610° С, перетворюючись у безбарвну рідину. Після охолодження цієї рідини утворюється прозора скловидна маса аморфного діоксиду силіцію, на вигляд схожа на скло.

Аморфний діоксид силіцію поширений у природі значно менше, ніж кристалічний. На дні морів є відклади тонкого пористого аморфного кремнезему, що називається трепелом, або кізельгуром. Ці відклади утворилися з SiO2, що входив до складу організмів діатомових водоростей і деяких інфузорій.

Силікатна кислота та її солі. Діоксид силіцію — кислотний оксид. Йому відповідають слабкі малорозчинні у воді силікатних кислоти. їх можна подати загальною формулою nSiO2 • mH20. У вільному стані виділено ортосилікатну H4Si04, метасилікатна (або силікатну) H2SiO3 і кілька інших кислот. Метасилікатна кислота досить легко утворює перенасичені розчини, у яких вона поступово полімеризується і переходить у колоїдний стан. За допомогою стабілізаторів можна добути стійкі золі силікатної кислоти високої концентрації. Ці розчини застосовують у деяких виробництвах, наприклад для виготовлення паперу, обробки води. Якщо немає стабілізаторів, то золь силікатної кислоти переходить у гель. Коли висушити його, то утворюється пористий продукт (силікагель), що застосовуєтеся як осушувач та адсорбент.

Солі силікатних кислот — силікати — здебільшого у воді не розчиняються; розчиняються лише силікати натрію і калію. Вони утворюються у процесі сплавляння діоксиду силіцію з їдкими лугами або карбонатами калію і натрію, наприклад:

SiO2 + 2NaOH = Na2Si03 + H2O;

SiO2 + K2CO3 = K2Si08 + CO2|.

Завдяки зовнішній подібності до скла і розчинності у воді силікати натрію і калію дістали назву розчинного скла.

Розчинне скло у вигляді водних розчинів, що називаються рідким склом, застосовують для виготовлення кислототривкого цементу і бетону, газонепроникних штукатурок по бетону, для просочування тканин, виготовлення вогнезахисних фарб по дереву, для хімічного зміцнення слабких грунтів.

Каолін

Чистий каолін трапляється досить рідко. Він має білий колір і містить лише незначну домішку кварцового піску. Такий каолін використовують для виготовлення фарфору. Звичайна глина — це суміш каоліну з іншими речовинами, що забарвлюють її в жовтуватобурий або синюватий колір.