Krzem i jego związki: wzory
Krzem (Si) jest drugim elementem głównej (A) podgrupy 4 układu okresowego, ustalonej przez Dymitra Iwanowicza Mendelejewa. Krzem jest bardzo powszechny w przyrodzie, więc zajmuje drugie miejsce (po tlenie) w obfitości. Tak więc bez krzemu i jego związków nie byłoby skorupy ziemskiej, która stanowi więcej niż jedną czwartą związków tego pierwiastka. Jakie są cechy krzemu? Jakie są wzory związków i ich zastosowanie? Jakie są najważniejsze substancje w swoim składzie krzemu? Spróbujmy to rozgryźć.
Element krzemowy i jego właściwości
Krzem występuje w przyrodzie w kilku modyfikacjach alotropowych - najczęściej spotyka się krzem w postaci krystalicznej i krzemu amorficznego. Rozważ każdą z tych modyfikacji osobno.
Crystal Silicon
Krzem w tej modyfikacji to ciemnoszara, twarda i krucha substancja o stalowym połysku. Taki krzem jest półprzewodnikiem; jego użyteczną właściwością jest to, że w przeciwieństwie do metali jego przewodnictwo elektryczne wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Temperatura topnienia takiego krzemu wynosi 1415 ° C. Ponadto krystaliczny krzem nie jest w stanie rozpuścić się w wodzie i różnych kwasach.
Zastosowanie krzemu i jego związków w krystalicznej modyfikacji jest niezwykle różnorodne. Na przykład krystaliczny krzem jest częścią paneli słonecznych zainstalowanych na statkach kosmicznych i dachach. Krzem jest półprzewodnikiem i jest w stanie przekształcić energię słoneczną w energię elektryczną.
Oprócz ogniw słonecznych, krystaliczny krzem jest używany do tworzenia wielu urządzeń elektronicznych i stali krzemowych.
Amorficzny krzem
Amorficzny krzem to brązowy / ciemnobrązowy proszek o strukturze przypominającej diament. W przeciwieństwie do krystalicznego krzemu, ta alotropowa modyfikacja pierwiastka nie ma ściśle uporządkowanego uporządkowania sieć krystaliczna. Pomimo tego, że bezpostaciowy krzem topi się w temperaturze około 1400 ° C, jest on znacznie bardziej aktywny niż krystaliczny. Amorficzny krzem nie przewodzi prądu i ma gęstość około 2 g / cm³.
Taki krzem jest najczęściej stosowany w przemyśle spożywczym i przy produkcji leków.
Właściwości chemiczne krzemu
- Główną właściwością chemiczną krzemu jest spalanie w tlenie, w wyniku czego powstaje niezwykle powszechny związek - tlenek krzemu:
Si + O2 → SiO2 (w temperaturze).
- Po podgrzaniu krzem w postaci niemetalu tworzy związki z różnymi metalami. Takie związki nazywane są krzemkami. Na przykład:
2Ca + Si → Ca 2 Si (w temperaturze).
- Krzemiany z kolei łatwo rozkładają się wodą lub niektórymi kwasami. W wyniku tej reakcji powstaje specjalny związek wodoru z krzemu - gazowy silan (SiH 4 ):
Mg2Si + 4HCl → 2MgCl2 + SiH4.
- Krzem jest również w stanie oddziaływać z fluorem (w normalnych warunkach):
Si + 2F 2 → SiF 4 .
- A po podgrzaniu krzem wchodzi w interakcje z innymi niemetalami:
Si + 2Cl2 → SiCl4 (400-600 °).
3Si + 2N2 → Si3N4 (1000 °).
Si + C → SiC (2000 °).
- Również krzem, oddziaływujący z alkaliami i wodą, tworzy sole, zwane krzemianami i gazowym wodorem:
Si + 2KOH + H 2 O → K 2 SiO 3 + H 2 .
Jednak przeanalizujemy większość chemicznych właściwości tego pierwiastka, biorąc pod uwagę krzem i jego związki, ponieważ są one głównymi substancjami, na których stosuje się krzem i wchodzą w interakcje z innymi pierwiastkami chemicznymi. Więc jakie związki krzemu są najbardziej powszechne?
Związki krzemu
Wcześniej dowiedzieliśmy się, co to jest krzem i jakie właściwości posiada. Teraz rozważmy formuły związków krzemu.
Przy udziale krzemu powstaje ogromna liczba różnych związków. Pierwszym miejscem występowania jest tlenowe związki krzemu. SiO2 i nierozpuszczalny kwas krzemowy należą do tej kategorii.
Kwasowa pozostałość kwasu krzemowego tworzy różne krzemiany (na przykład CaSiO3 lub Al2O3 • SiO2). W takich solach i powyższych związkach krzemu z tlenem pierwiastek ma typowy stopień utlenienia równy +4.
Również dość powszechne są sole krzemu - krzemki (Mg2Si, NaSi, CoSi) i związki krzemu z wodorem (na przykład gazowy silan). Silan, jak dobrze wiadomo, sam się rozpala w powietrzu z efektem oślepiającego błysku, a krzemki łatwo rozkładają się z pomocą wody, a także różnych kwasów.
Rozważ bardziej szczegółowo krzem i jego związki, które są uważane za najczęstsze.
Dwutlenek krzemu
Inną nazwą tego tlenku jest krzemionka. Jest to substancja stała i ogniotrwała, która nie jest rozpuszczalna w wodzie i kwasach i ma atomową sieć krystaliczną. W naturze tlenek krzemu tworzy takie minerały i kamienie szlachetne, jak kwarc, ametyst, opal, agat, chalcedon, jaspis, krzemień i kilka innych.
Warto zauważyć, że to z krzemu prymitywni ludzie wykonywali narzędzia pracy i polowania. Flint oznaczał początek tak zwanej epoki kamienia ze względu na jej powszechną dostępność i zdolność do formowania ostrych krawędzi podczas łuszczenia.
Jest tlenek krzemu, który sprawia, że łodygi roślin, takich jak trzcina, trzcina i skrzyp, liście turzycowe i pędy zboża są silne. Krzemionka znajduje się również w pokrowcach ochronnych niektórych zwierząt.
Ponadto stanowi podstawę kleju silikatowego, dzięki któremu powstaje uszczelniacz silikonowy i kauczuk silikonowy.
Właściwości chemiczne tlenku krzemu
Dwutlenek krzemu oddziałuje z ogromną liczbą pierwiastków chemicznych - zarówno metali, jak i niemetali. Na przykład:
- W wysokich temperaturach krzemionka oddziałuje z alkaliami, tworząc sole:
SiO 2 + 2KOH → K 2 SiO 3 + H 2O (temperatura).
- Jako typowy tlenek kwasu, ten związek wytwarza krzemiany w wyniku oddziaływania z tlenkami różnych metali:
SiO2 + CaO → CaSiO 3 (w temperaturze).
- Lub z solami węglanowymi:
SiO 2 + K 2 CO 3 → K 2 SiO 3 + CO 2 ↑ (w temperaturze).
- Jedną z najważniejszych właściwości chemicznych dwutlenku krzemu jest możliwość pozyskania z niego czystego krzemu. Można to zrobić na dwa sposoby - poprzez reakcję dwutlenku z magnezem lub węglem:
SiO 2 + 2Mg → 2MgO + Si (w temperaturze).
SiO 2 + 2C → Si + 2CO ↑ (w temperaturze)
Kwas krzemowy
Kwas krzemowy jest bardzo słaby. Jest nierozpuszczalny w wodzie i podczas reakcji tworzy galaretowaty osad, który czasami jest w stanie wypełnić całą objętość roztworu. Gdy ta mieszanina wyschnie, można zobaczyć utworzony żel krzemionkowy, który jest używany jako adsorbent (pochłaniacz innych substancji).
Najbardziej przystępny cenowo i powszechny sposób wytwarzania kwasu krzemowego można wyrazić za pomocą następującego wzoru:
K 2 SiO 3 + 2HCl → 2KCl + H 2 SiO 3 ↓ .
Krzemiany
Biorąc pod uwagę krzem i jego związki, bardzo ważne jest, aby powiedzieć o jego solach, takich jak krzemki. Takie związki krzemu tworzą się z metalami, nabywając z reguły w tym samym czasie stan utleniania -4. Jednak metale takie jak rtęć, cynk, beryl, złoto i srebro nie są w stanie oddziaływać z krzemem i tworzyć krzemków.
Najpowszechniejszymi krzemkami są Mg2Si, Ca2Si, NaSi i niektóre inne.
Krzemiany
Związki takie jak krzemiany są drugim co do wielkości po krzemionce. Sól-krzemiany są uważane za dość skomplikowane substancje, ponieważ mają złożoną strukturę, a także są częścią większości minerałów i skał.
Najczęstsze krzemiany w przyrodzie - glinokrzemiany - to granit, mika, różne rodzaje gliny. Znany jest również krzemian azbestu, z którego wytwarza się ognioodporne tkaniny.
Aplikacja krzemowa
Przede wszystkim do produkcji materiałów półprzewodnikowych i stopów kwasoodpornych wykorzystywany jest krzem. Węglik krzemu (SiC) jest często używany do ostrzenia narzędzi maszynowych i szlifowania kamieni szlachetnych.
Stabilne i wytrzymałe wyroby kwarcowe wytwarzane są ze stopionego kwarcu.
Związki krzemu leżą u podstaw produkcji szkła i cementu.
Okulary różnią się od siebie składem, w którym krzem jest koniecznie obecny. Na przykład, oprócz okna, znajdują się materiały ogniotrwałe, kryształowe, kwarcowe, kolorowe, fotochromowe, optyczne, lustrzane i inne.
Kiedy cement miesza się z wodą, tworzy się specjalna substancja - zaprawa cementowa, z której następnie otrzymuje się materiał budowlany, taki jak beton.
Przemysł krzemowy zajmuje się produkcją tych substancji. Oprócz szkła i cementu, w przemyśle krzemianowym uzyskuje się cegłę, porcelanę, wyroby ceramiczne i różne produkty z nich pochodzące.
Wniosek
Odkryliśmy więc, że krzem jest najważniejszym pierwiastkiem chemicznym, który ma szerokie zastosowanie w przyrodzie. Krzem wykorzystywany jest w działalności budowlanej i artystycznej, a także niezbędny dla organizmów żywych. Wiele substancji, od zwykłego szkła po najcenniejszą porcelanę, składa się z krzemu i jego związków.
Badanie chemii pozwala nam poznać świat wokół nas i zrozumieć, że nie wszystko wokół, nawet te najwspanialsze i najdroższe, jest tak tajemnicze i tajemnicze, jak się wydawało. Życzymy powodzenia w wiedzy naukowej i studium tak wspaniałej nauki, jak chemia!