Меню

Формула высшего оксида кремния и его характер

Высшего гидроксида кремния в привычном понимании не существует. Аморфный кремний в реакции с водяным паром при температуре 400-500°C образует диоксид кремния и водород:

Диоксид кремния является слабым кислотным оксидом. При присоединении водорода оксид кремния (IV) способен образовывать кремниевые кислоты. Поэтому правильнее записать формулу гидроксида кремния как nSiO2∙mH2O.

В зависимости от количества атомов водорода, кремния и кислорода выделяют несколько кремниевых кислот:

Соли кремниевых кислот называются силикатами.

Получить кремниевые кислоты непосредственным взаимодействием оксида кремния (IV) с водой невозможно, т.к. диоксид не реагирует с водой даже при высоких температурах. При реакции с водородом образуется чистый кремний:

Поэтому в лабораториях кислоты получают двумя способами:

    воздействием сильных кислот на силикаты натрия или калия:

Кремниевые кислоты самопроизвольно разлагаются на диоксид кремния и воду: H2SiO3 → SiO2 + H2O.

Кремниевые кислоты – слабые кислоты (слабее угольной кислоты), не имеющие кислого вкуса и плохо растворимые в воде. Кислоты кремния значительно отличаются от остальных органических кислот:

  • при взаимодействии с водой образуют коллоидный раствор;
  • не диссоциируют;
  • не меняют окраску индикатора.

Рис. 2. Реакция кремниевой кислоты с водой.

Кремниевые кислоты способны растворятся в расплавах и растворах щелочей с образованием силикатов:

Как и все соединения, содержащие кремний, реагируют с плавиковой кислотой:

Кремниевые кислоты используются в производстве керамики и керамических покрытий. Они содержатся в фотоматериалах, применяются для получения стекла, силикагеля, фильтров.

Соли кремниевой кислоты не растворимы в воде. Исключение составляют силикаты натрия и калия, которые называются жидким стеклом и входят в состав силикатного клея.

Обычное стекло также является силикатом. Его формула –

Стекло получают при сплавлении соды, известняка, песка:

Структурной единицей силикатов является SiO4. Кремний легко замещается атомами алюминия. В результате образуются алюмосиликаты.

Силикаты широко распространены в природе. Некоторые из них (топаз, гранат, изумруд) используют в ювелирном деле.

Гидроксидом кремния называются кремниевые кислоты. Это слабокислые соединения, легко разрушающиеся на диоксид кремния и воду. Кислоты кремния можно получить косвенно при реакции силикатов с сильными кислотами или при гидролизе силанов. Кремниевые кислоты не проявляют обычные свойства кислот: не меняют цвет индикатора, не реагируют с водой, не диссоциируют. Взаимодействуют только со щелочами и плавиковой кислотой. Используются при производстве фотоматериалов, керамики, силикагеля.

Средняя оценка: 4.5 . Всего получено оценок: 29.

Не понравилось? – Напиши в комментариях, чего не хватает.

По многочисленным просьбам теперь можно: сохранять все свои результаты, получать баллы и участвовать в общем рейтинге.

  1. 1. Господин Гусейнов 1,095
  2. 2. Сергей Ефремов 413
  3. 3. Ольга Кауфман 355
  4. 4. Роман Гончаренко 295
  5. 5. Алексей 244
  6. 6. Solomon Moses 197
  7. 7. Анастасия Лаптева 193
  8. 8. Анна Литвякова 143
  9. 9. Дарья Краснокуцкая 140
  10. 10. Андрей Ревякин 135
  1. 1. Дарья Барановская 6,846
  2. 2. Ramzan Ramzan 6,424
  3. 3. Елизавета Анчербак 5,070
  4. 4. Денис Христофоров 4,975
  5. 5. Iren Guseva 4,925
  6. 6. Администратор 4,837
  7. 7. Даниил Юраков 4,590
  8. 8. Алексей 4,541
  9. 9. Олег Чувилин 4,347
  10. 10. Анастасия Гудяева 4,288

Самые активные участники недели:

  • 1. Виктория Нойманн – подарочная карта книжного магазина на 500 рублей.
  • 2. Bulat Sadykov – подарочная карта книжного магазина на 500 рублей.
  • 3. Дарья Волкова – подарочная карта книжного магазина на 500 рублей.

Три счастливчика, которые прошли хотя бы 1 тест:

  • 1. Наталья Старостина – подарочная карта книжного магазина на 500 рублей.
  • 2. Николай З – подарочная карта книжного магазина на 500 рублей.
  • 3. Давид Мельников – подарочная карта книжного магазина на 500 рублей.

Карты электронные(код), они будут отправлены в ближайшие дни сообщением Вконтакте или электронным письмом.

источник

Кремний IV оксид ТУ 6-09-3379-79

Диоксид кремния (кремнезём, SiO2; лат. silica ) — оксид кремния (IV). Бесцветные кристаллы с температурой плавления+1713…+1728 °C, обладающие высокой твёрдостью и прочностью.

Диоксид кремния — главный компонент почти всех земных горных пород, в частности, кизельгура. Из кремнезёма и силикатов состоит 87 % массы литосферы. В крови и плазме человека концентрация кремнезёма составляет 0,001 % по массе.

  • Относится к группе кислотных оксидов.
  • При нагревании взаимодействует с основными оксидами и щелочами.
  • Реагирует с плавиковой кислотой.
  • SiO2 относится к группе стеклообразующих оксидов, то есть склонен к образованию переохлажденного расплава — стекла.
  • Один из лучших диэлектриков (электрический ток не проводит, если не имеет примесей и не нагревается).

Диоксид кремния имеет несколько полиморфных модификаций.

Самая распространённая 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.

В природе также встречаются формы — опал, халцедон, кварцин, лютецит, аутигенный кварц, которые относятся к группе кремнезёма. Опал (SiO2*nH2O) в шлифе бесцветен, изотропен, имеет отрицательный рельеф, отлагается в морских водоемах, входит в состав многих кремнистых пород. Халцедон, кварцин, лютецит — SiO2 — представляют собой скрытокристаллические разновидности кварца. Образуют волокнистые агрегаты, розетки, сферолиты, бесцветные, голубоватые, желтоватые. Отличаются между собой некоторыми свойствами — у халцедона и кварцина — прямое погасание, у лютецита — косое, у халцедона — отрицательное удлинение.

При высоких температуре и давлении диоксид кремния сначала превращается в коэсит (который в 1953 году был синтезирован американским химиком Лорингом Коэсом), а затем в стишовит (который в 1961 году был синтезирован С. М. Стишовым, а в 1962 году был обнаружен в метеоритном кратере) [ источник не указан 2294 дня ] . 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.

Диоксид кремния SiO2 — кислотный оксид, не реагирующий с водой.

Химически стоек к действию кислот, но реагирует с газообразным фтороводородом:

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:

или смешанный силикат кальция и натрия:

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

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 [SiO4/2], в которой атом кремния Si окружен тетраэдром из четырёх атомов кислорода О. При этом каждый атом кислорода соединен с двумя атомами кремния. Фрагменты [SiO4/2] могут быть связаны между собой по-разному. Среди силикатов по характеру связи в них фрагментов [SiO4/2] выделяют островные, цепочечные, ленточные, слоистые, каркасные и другие.

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:

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.

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.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.

Крупные прозрачные кристаллы кварца используются в качестве полудрагоценных камней; бесцветные кристаллы называют горным хрусталём, фиолетовые — аметистами, жёлтые — цитрином.

В микроэлектронике диоксид кремния является одним из основных материалов. Его применяют в качестве изолирующего слоя, а также в качестве защитного покрытия. Получают в виде тонких плёнок термическим окислением кремния, химическим осаждением из газовой фазы, магнетронным распылением.

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 кремниевой кислоты. В сравнении с силохромом обладает меньшей чистотой, однако может обладать чрезвычайно развитой поверхностью: обычно от 300 м²/г до 700 м²/г .

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

источник

Ознакомление с общей характеристикой и описанием оксидов кремния. Исследование строения, физических и химических свойств каждого оксида. Определение их местонахождения в природе и основных способов получения в промышленной и лабораторной практике.

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра неорганической химии

Выполнила студентка 1 курса

химического факультета БГУ

ст. преподаватель кафедры неорганической химии Цобкало Ж. А.

1. Общая характеристика и описание оксидов кремния

1.2 Модификации оксида кремния (IV)

2. Методы синтеза оксидов кремния

3. Применение оксидов кремния. Стёкла

Список использованных источников

Цель работы состояла в изучении свойств, строения и применения оксида кремния (II) и оксида кремния (IV), выявить методы получения диоксида кремния в коллоидном состоянии и в виде высокопористого материала, сравнить методики синтеза и на практике ознакомиться с физическими и химическими свойствами двуокиси кремния.

1. Рассмотреть различные виды оксидов кремния.

2. Охарактеризовать строение, физические и химические свойства каждого оксида.

3. Определить их место нахождения в природе и способы получения в промышленной и лабораторной практике.

4. Разобраться в их применении.

5. Провести зачётный синтез, подтверждая на практике теоретические знания о диоксиде кремния.

Из мелких зерен кварца состоит обычный песок. Чистый песок – белого цвета, но чаше он бывает окрашен соединениями железа в желтый или красноватый цвет.


Кристаллический диоксид кремния очень тверд, нерастворим в воде и плавится около 1610°С, превращаясь в бесцветную жидкость. По охлаждении этой жидкости получается прозрачная стекловидная масса аморфного диоксида кремния, по виду сходного со стеклом.


Аморфный диоксид кремния распространен в природе гораздо меньше, чем кристаллический. На дне морей имеются отложения тонкого пористого аморфного кремнезема, называемого трепелом или кизельгуром. Эти отложения образовались из SiO2, входившего в состав организмов диатомовых водоросли и некоторых инфузорий. [2]


Газообразный монооксид кремния присутствует в газопылевых облаках межзвездных сред и на солнечных пятнах. На нашей планете SiO не встречается. оксид кремний химический

1. Безводный кристаллический кремнезем SiO2.

2. Гидратированный кристаллический кремнезем SiO2*xH2O.

3. Безводный аморфный кремнезем, имеющий микропористое анизотропное строение. К этому классу относится волокнистый, или пластинчатый, кремнезем.

4. Массивное аморфное кварцевое стекло.

5. Безводный и содержащий воду кремнезем, подразделяемый по коллоидным признакам и имеющий микропористое изотропное строение. Сюда относятся золи, гели и тонкодисперсные порошки.

К безводным кристаллическим модификациям относятся кварц, тридимит и кристобалит, которые в зависимости от температуры самопроизвольно претерпевают внутригрупповые превращения.

Кварц может быть и в виде огромных кристаллов, и в форме порошков с размером частиц в несколько микрон, похожих на аморфные порошки кремнезема, и в виде бесформенных масс халцедонового агата или флинта, состоящих из плотно упакованных, соединенных между собой микроскопических кристаллов. Взаимные превращения между тремя распространенными модификациями кристаллического кремнезема и кварцевым стеклом следующие: [3]

Взаимные переходы между различными модификациями [4]

Ниже представлена группа из трех модификаций, образующихся при высоких температурах и давлениях:

Таблица 1.Область устойчивости температуры и давления различных модификаций диоксида кремния [3]

Взаимные переходы между различными модификациями в графическом виде:

Фазовая диаграмма переходов различных модификаций SiO2 [4]

Для каждой модификации известны низкотемпературные б- и высокотемпературные в-формы. Они построены из тетраэдров SiO4, соединенных с соседними тетраэдрами всеми четырьмя атомами кислорода в трехмерные решетки (именно такое соединение тетраэдров SiO4 дает общий состав SiO2: каждый атом кислорода одновременно принадлежит двум тетраэдрам, т.е. плюс атом кремния внутри тетраэдра). Наиболее наглядно способ их сочленения проявляется в кристобалите. Его структура является производной от структуры алмаза, здесь атомы кремния соединены кислородными мостиками –Si–О–Si–.


Взаимное расположение связанных тетраэдров SiO4 в кристаллических модификациях SiO2 совершенно различное, но между собой б- и в-формы отличаются незначительно (углом поворота тетраэдров относительно друг друга и небольшим смещением атомов). В целом низкотемпературные б-формы представляют собой немного искаженные высокотемпературные в-формы, поэтому переходы между ними протекают быстро и обратимо, без перестройки решетки.


Диоксид кремния – это очень твердое, прочное, тугоплавкое вещество белого цвета. Давление пара кремния диоксида 13,3-133 Па вблизи температуры плавления. Кремния диоксид – диэлектрик, r 10 12 Ом.м (20°С), 9.10 -1 Oм.м (1600°C). Монокристаллы б-кварца обладают хиральной структурой, что обусловливает их оптические активность и пьезоэлектрические свойства. Кварц прозрачен для ультрафиолетовых и частично инфракрасных лучей. SiO2 относится к группе стеклообразующих оксидов, то есть, склонен к образованию переохлажденного расплава — стекла. Один из лучших диэлектриков (электрический ток не проводит, если не имеет примесей и не нагревается). Имеет атомную кристаллическую решетку. Растворимость б-кварца в воде 10 – 3 % по массе (25°C), аморфных форм кремнезема 0,007-0,015%. Растворимость кремния диоксида в кислых и щелочных средах определяется природой растворителя. Кремния диоксид не растворимый в большинстве органических растворителей.


Пары монооксида SiO образуются при нагревании кремнезёма с кремнием при 1300єС и конденсируется в чёрно-коричневый порошок, на воздухе медленно окисляющийся до SiO2. Твёрдый SiO обладает химической стойкостью (является несолеобразующим оксидом), он практически не растворяется в кислотах, кроме HF, однако легко растворим в щелочах:


Диоксид кремния – типичный кислотный оксид, химические свойства различных модификаций сходны между собой. При высокотемпературном (t > 1000°С) восстановлении SiO2 простыми веществами (металлами, углеродом, водородом) образуется кремний:


Оксид кремния (IV) проявляет кислотные свойства при взаимодействии с растворами и расплавами щелочей, с основными оксидами и карбонатами:


Все формы SiO2 химически устойчивы к воздействию кислот, но растворяются (кроме стишовита) в плавиковой кислоте с образованием комплексной гексафторокремниевой кислоты H2[SiF6]:


Расщепление связи кремний — кислород под воздействием плавиковой кислоты было показано на примере образования цикло-C6H11SiH2F при нагревании (цикло-С6Н11SiH2)2О с 48%-ным водным раствором HF в течение 10 мин при 60°C.


Ход этой реакции в значительной степени определяется образованием очень прочных связей Si–F (связь Si–0 = 108 ккал/моль; связь Si–F = 135 ккал/моль); поэтому аналогичная реакция с хлористым водородом (связь Si–С1 = 91 ккал/моль) не протекает с такой легкостью, хотя и можно получить 25%-ный выход цикло-C6H11SiH2Cl, если пользоваться нагретым хлористым водородом в присутствии Р2О5 (для удаления воды и смещения равновесия вправо). Йодистый водород может расщеплять связь кремний — кислород в (СН3SiO2)2O с образованием CH3SiH2I. Триорганосилилфториды (и хлориды) часто получают из соответствующего дисилоксана и фтористого (или хлористого) водорода, приготовленного нагреванием дисилоксана со смесью концентрированной серной кислоты и галогенида аммония. [5]


Монооксид кремния получают обычно при нагревании SiO2 или силикатов с такими восстановителями, как водород, кремний или уголь, до температуры свыше

1100°С в вакууме; при этом лучший выход достигается при использования кремния в качестве восстановителя. Образующийся газообразный мономерный SiO конденсируется в полимерной форме на частях реакционного прибора, которые нагреты не выше 400°С – температуры диспропорционирования SiO. На более горячих частях прибора осаждается бурая смесь из кремния и SiO2, которые являются продуктами диспропорционирования.

Тесную смесь тонкоизмельченного кремния (>98,5% кремния) с прокаленным и тонкоизмельченным кварцем наивысшей чистоты (целесообразно спрессовать в таблетки) помещают в закрытую с одной стороны трубку из пифагоровой массы или спеченного корунда (ближе к закрытому концу). Трубка присоединена к высоковакуумному насосу. В трубке создают вакуум 10 -3 –10 -4 мм рт. ст., а затем медленно нагревают закрытый конец трубки в электрической печи приблизительно до 1250°С, примерно через 4 ч процесс заканчивается. В той части трубки, которая во время нагревания имела более низкую температуру, находится SiO в виде черной хрупкой массы, а в переходной зоне трубки, имевшей в процессе нагревания температуру 400 – 700°С, – объемистая бурая смесь SiO2 и кремния. SiO легко отделяется от стенок трубки с помощью шпателя из нержавеющей стали. Окисление SiO на воздухе обычно начинается уже при

1000°С (хотя он может самопроизвольно тлеть), поэтому трубку после охлаждения следует заполнить азотом или аргоном. Извлечение SiO проводят также в среде инертного газа.

Особенно важно, чтобы нагревающаяся до 400–700°С переходная зона трубки, где образовавшийся SiO снова распадается на кремний и SiO2, была как можно короче. Это имеет место в случае использования плохо проводящих тепло керамических трубок. Напротив, в хорошо проводящих тепло металлических трубках, которые тоже рекомендуются для получения SiO, эта переходная зона длиннее, и выход из-за этого чрезвычайно низкий.


Газообразный SiO можно также конденсировать прямо в горячей зоне на охлаждаемом водой «пальце» из железа или меди. При этом он осаждается в волокнистой форме. [6]


В лабораторных условиях синтетический диоксид кремния может быть получен действием кислот, даже слабой уксусной, на растворимые силикаты. Например:


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.


Натуральный диоксид кремния в виде песка используется там, где не требуется высокая чистота материала.


В настоящее время ведутся работы по получению диоксида кремния с наибольшим выходом. Опишем, один из новейших экологически безопасный и практически безотходный способ получения высокочистого диоксида кремния сорта белая сажа или аэросил. Этот метод выполняется по следующей схеме:


Расплавленный фторид аммония, который при нормальных условиях представляют собой неагрессивное, твердое, кристаллическое вещество, – более энергичный фторирующий реагент, чем газообразный фтороводород. Достоинством фторида аммония является энергичное взаимодействие его расплава с оксидом кремния, при этом образуется кремнефториды аммония, в частности – гексафторосиликат аммония (NH4)2SiF6, который в нормальных условиях является неагрессивным, хорошо растворимым в воде порошком. При нагревании (NH4)2SiF6 возгоняется без разложения, а при охлаждении десублимируется – данное свойство используется для очистки от примесей кварцевого концентрата.


На стадии осаждения гидратированного оксида кремния используется регенерированная аммиачная вода, которая образуется в результате взаимодействия исходного оксида кремния (кварцевого песка) с фторидом аммония. Таким образом, разработанная фтороаммонийная технология получения оксида кремния является практически безотходной, так как использует реагенты, регенерирующиеся в ходе технологического цикла. [7]


Двуокись кремния в виде кварцевого песка находит самое широкое применение в строительном деле, ее добавляют в известковый раствор и примешивают к цементу. Самый чистый кварцевый песок применяют в стекольном и фарфоровом производствах. Из спеченного при высокой томпературе кварца (при этом перешедшего в кварцевое стекло) изготовляют химическую посуду, исключительно устойчивую к резким изменениям температуры (вследствие очень малого коэффициента расширения кварцевого стекла) и выдерживающую нагревание до очень высоких температур. Еще в большей степени это относится к совершенно прозрачной посуде, изготовленной из полностью расплавленного кварца. Однако при работе с такой посудой следует учитывать чувствительность кварцевого стекла к щелочам. [8]


Кристаллы кварца обладают пьезоэлектрическими свойствами и поэтому используются в радиотехнике, ультразвуковых установках, в зажигалках.


Развитие нанотехнологий ведет к появлению множества материалов, содержащих наноразмерные частицы. В настоящее время объем промышленного производства разнообразных наночастиц составляет уже сотни тысяч тонн. Большую часть производимого наноразмерного SiO2 составляют нанопорошки аморфного диоксида кремния (НАДК). Они широко применяются в промышленности – в процессе изготовления теплоизоляторов, в производстве оптоэлектроники, как компонент для получения термостойких красок, лаков и клеев, а так же как стабилизаторы эмульсий. Также НАДК добавляют в покрытия для защиты от абразивных повреждений и царапин. Для того чтобы покрытие было прозрачным, используются нанопорошки со средним размером частиц менее 40 нм. Системная токсичность наночастиц диоксида кремния для животных и человека изучена слабо, однако широта спектра их применений ставит их на одно из первых мест в списке наночастиц, требующих детального изучения их биологических свойств. [9]


Оксид кремния (IV) так же нашёл применение в альтернативном получении энергии, а именно, в солнечных батареях. Солнечная батарея представляет собой одну или несколько плоских панелей, на которых размещены солнечные модули, состоящие в свою очередь из ячеек – фотоэлементов.


Учёные из Института выращивания кристаллов (ФРГ) во главе с доктором Торстеном Боеком совместно с компанией «BP Solar» приступили к трехлетнему проекту по выращиванию на стекле тонких пленок поликристаллического кремния с крупными зернами. Суть идеи такова.


Сейчас подложки для солнечных батарей делают, разрезая монокристаллы кремния на пластины толщиной 0,45 мм. А фотон проникает о солнечную батарею на глубину всего 0,02 мм. Получается, что огромное количество сверхчистого кремния затрачивается впустую: тонкая монокристаллическая пленка справилась бы с работой по преобразованию света в электричество ничуть не хуже толстой пластинки. Соответственно, и цена была бы гораздо ниже. Увы, тонкие пленки кремния не растут в виде монокристаллов. Наоборот, они состоят из мелких зерен, что существенно снижает эффективность батареи.


Для увеличения размера зерен кремния, выращиваемых на стеклянной (оксид того же кремния!) пластинке, немецкие ученые предложили двухстадийный процесс. Сначала они создают на поверхности стекла сетку из зародышей кремния с шагом 0,05 мм. Затем превращают эти зародыши в полноценные зерна. В результате получается непрерывная поликристаллическая пленка чистого кремния толщиной 0,05 мм. Она-то и должна послужить основой для дешёвых солнечных батарей. [10]


Коллоидный диоксид кремния AEROSIL® используется в фармацевтической промышленности в качестве вспомогательного вещества с ранней поры применения прямого прессования для производства таблеток. Как традиционное скользящее вещество, коллоидный диоксид кремния AEROSIL® обеспечивает оптимальную сыпучесть порошков, необходимую для современного высокоскоростного таблетирования.

· традиционное скользящее вещество для твердых лекарственных форм

· пригоден для смесей мягких порошков

· идеальный загуститель фармацевтических масел

· отличное скользящее вещество для большинства твердых лекарственных форм

· скользящее вещество для большинства порошковых смесей

· улучшенная способность к «мягкому» перемешиванию

Наиболее распространенными на сегодняшний день лекарственными формами являются таблетки и капсулы. Эти виды твердых лекарственных форм производятся путем дозирования исходных порошков в установленные формы, такие как капсулы или таблеточные прессформы. Для достижения максимальной производительности высокоскоростного оборудования, при выполнении нормативных требований к однородности веса произведенной единицы и дозировки, необходимо обеспечить высокую сыпучесть исходного порошка. Небольшого количества коллоидного диоксида кремния достаточно, чтобы улучшить сыпучесть и набивку порошков и гранул, а значит и точность дозировки. Кроме того, он поглощают влагу, что позволяет сохранять порошки и гранулы сухими и сыпучими во время хранения. [11]

Аморфный непористый диоксид кремния применяется в пищевой промышленности в качестве вспомогательного вещества E551, препятствующего слёживанию и комкованию, в парафармацевтике (зубные пасты), в фармацевтической промышленности в качестве вспомогательного вещества, а также пищевой добавки или лекарственного препарата в качестве энтеросорбента.

Необходимо отметить, что одно из важнейших применений оксида кремния (IV) является производство стекла. Стекло является самым широко применяемым материалом в быту, строительстве, на транспорте благодаря своим уникальным качествам: прозрачности, твердости, химической устойчивости к активным химическим реагентам, относительной дешевизне производства. Без него невозможно изготовить оптические приборы, телевизоры, космические корабли и др. Несмотря на успехи в создании новых материалов широкого назначения, неорганические стекла после камня, бетона, металла прочно занимают одно из главных мест среди используемых в практике.

Обычно понятие “стекло” определяется не просто как материал, а как некоторое особое состояние твердого тела, стеклообразное состояние, противопоставляемое кристаллическому. Известно, что одно и то же вещество может быть газообразным, жидким и кристаллическим. Для каждого такого состояния характерна своя группа специфических признаков [12]. Под твёрдыми телами понимают тела как с кристаллической, так и с аморфной структурой. Поэтому стеклообразное состояние – одна из форм твёрдого состояния вещества. Стёклами называют аморфные твёрдые тела, получаемые обычно переохлаждением жидкостей или расплавов, независимо от состава, строения и температурной области затвердевания последних. В результате увеличения вязкости стёкла обладают механическими свойствами твёрдых тел и фиксированной аморфной структурой. Процесс перехода переохлаждённой низко- или высокомолекулярной жидкости в стеклообразное состояние есть структурное стеклование.

Стекло близко по структуре к переохлаждённой жидкости. Подтверждается это тем, что кривые рассеяния рентгеновых лучей стёклами и жидкостями сходны и тем, что жидкость вблизи температуры кристаллизации (и особенно ниже её в переохлаждённом состоянии) по ряду свойств и строению ближе к твёрдому, чем газообразному состоянию [13]. Но мы также не можем однозначно сказать, что структура стекла является структурой жидкого или твёрдого вещества. Изучая структуру кварцевого стекла, можно однозначно сказать, что она весьма сложна. Поэтому существуют следующие гипотезы, объясняющие его строение:

1) Кристаллитная, в соответствии с которой, стекло состоит из мелких и непрерывно связанных между собой кристаллитов.

2) Агрегативная. При понижении температуры расплава стекла происходят обратимые реакции структурирования, приводящие к образованию различных молекулярных агрегатов, ассоциаций и комплексов.

3) Гипотеза ближнего порядка учитывает, что в процессе охлаждения расплава изменяется равновесная структура стекла в ближнем порядке, характеризуемая при температуре стеклования более плотной и упорядоченной аморфной структурой.

4) Полимерная гипотеза исходит из предпосылки полимерного строения стекла.

5) Микрогетерогенная гипотеза основывается на процессах расслоения в расплавах двух- и многокомпонентных стекол. В случае низколегированных кварцевых стекол возможно образование микронеоднородных включений в основной матрице диоксида кремния.[14]

Но стекло, это не только кварц, это ещё и изоморфное замещение катионов, входящих в каркас, которое управляется одинаковыми законами как для кристаллического, так и для стеклообразного состояний. Это вытекает из того факта, что в стеклообразном состоянии в основном сохраняются правильные геометрические формы тетраэдров [SiO4], слагающих каркас. При замещении ионов Si 4+ другими кристаллохимическими подобными ионами, как-то: Al 3+ , B 3+ , Ti 4+ , Ge 4+ , Be 2+ и др. в структуре стекол, богатых щелочами или другими компонентами основного характера, может возникать единый «смешанный» скелет.

Схема строения многокомплексного алюмо-боросиликатрого стекла с единым скелетом, – к примеру состава 1,5 Na2O•K2O•3CaO•0,5B2O3•Al2O3•9SiO2, т.е. Na3K2Ca3BAl2Si9O28, – может быть условно представлена на плоскости в таком виде:

Схема строения многокомплексного алюмо-боросиликатрого стекла с единым скелетом

Это есть структурная химическая формула идеального стекла как неопределённого химического соединения. В схеме не показана лишь произвольность углов Si–О–Si. [15]

Кроме традиционного пути получения стекол – охлаждения расплава, стали широко применяться и другие способы получения стекол. Сюда относятся стеклообразные пленки, получаемые напылением из газовой фазы; “метамиктные стекла”, образующиеся под воздействием ударных давлений и при бомбардировке кристаллов нейтронами; стекла, получаемые по золь-гель-технологии. В этой связи неудивительно, что разные исследователи дают различные определения стекла. При этом они руководствуются выборочными признаками стеклообразного состояния. За основу принимаются, например, структурные признаки, способ получения стекла, тип химической связи и т.д. Терминологическая дискуссия по этому вопросу ведется уже давно, и она далека от завершения, что, безусловно, свидетельствует о сложности объекта исследования. [16]

Высокопористый диоксид кремния

Описание вещества: белый аморфный порошок или бесцветные кристаллы гексагональной системы. Реактив растворим в воде, растворим во фтористоводородной кислоте и растворах щелочей. Принадлежит к группе кислотных оксидов. Является стеклообразующим оксидом (склонен к образованию переохлажденного расплава – стекла). Диэлектрик (электрический ток не проводит). Плотность раствора равна 2,20–2,65 г/см 3 ; температура плавления 1500–1710 єС; температура кипения 2230–2600 єС (такие расхождения в значениях физических констант объясняются тем, что они относятся к различным модификациям SiO2).

ь изготовление стекла, бетонных изделий, керамики, кремнеземистых огнеупоров, кремния, резины и пр.

ь электроника, радиоэлектроника, ультразвуковые приборы

ь волоконно-оптические кабели.

1) Грубоизмельченный образец кварца нагревают в платиновом тигле до 1100–1200 °С и быстро высыпают его в холодную воду. Полученный порошок SiО2 отфильтровывают, сушат и прокаливают при 200–300 °С. [17]

2) Довольно чистый SiО2 можно приготовить из песка (белого). Для этого его кипятят 2 ч с HCl затем отфильтровывают и сушат при 105–120 єС. [17]

Недостатком описанных способов является недостаточно высокий объем пор и, следовательно, невысокая влаго- и маслоемкость получаемого диоксида кремния. К тому же данные методик сложны для проведения в лаборатории: достаточно высокие температуры, что весьма проблематично и увеличивает количество пыли диоксида кремния в воздухе. Гораздо выгоднее использовать следующую методику, которая проходит за относительно небольшое время, требует небольшое количество реактивов и обеспечивает хороший выход высокопористого вещества.

3) К насыщенному раствору силиката натрия приливают 36% раствор соляной кислоты. При добавлении кислоты сразу начинает образовываться осадок диоксида кремния. В другом стакане разводят 5% раствор соды и помещают туда полученный осадок. Таким образом, избавляются от остатка кислоты. Отделяют осадок с помощью воронки Бюхнера, промывая холодной дистиллированной водой. Далее выкладывают диоксид кремния на термостойкую посуду и отправляют в сушильный шкаф на 1.5 – 2 часа. [17]

В ходе данного синтеза используется раствор соляной кислоты, которая имеет желтый цвет и относится к классу дымящих кислот. На воздухе концентрированная соляная кислота дымит белым удушающим дымом, поэтому работать с ней нужно под тягой. При попадании на кожу вызывает сильные химические ожоги, поэтому при попадании внутрь, необходимо немедленно сделать промывание желудка, если кислота попадает на кожу, её надо быстро смыть, потом обмыть руки теплой водой и промокнуть туалетной бумагой. Если кислота успела разъесть кожу и появилась рана, рану необходимо намазать антисептиком. Пыль самого диоксида кремния при попадании внутрь вызывает общетоксичтое действие, особенно на печень. Общие проявления вредного действия SiO2 на организм (нарушение обмена, изменения реактивности, иммунопатологические явления и др.) являются вторичными. Типичное заболевание от действия кремнеземсодержащей пыли — силикоз. Это фиброз легочной ткани в связи с накоплением в ней пыли диоксида кремния. Поэтому обращаться с полученным веществом нужно аккуратно.

Колба Бунзена и воронка Бюхнера

Расчёты: (необходимо получить 5г SiO2)

Химические свойства полученного вещества:

SiO2 + 2NaOH(конц) = Na2SiO3 + H2O – наблюдаем исчезновение белового осадка на дне пробирки.

SiO2 + K2CO3 = K2SiO3 + CO2 – исчезновение осадка и выделение пузырьков газа.

SiO2 + 2Mg = Si + 2MgО – при контакте раскалённого кусочка магния с белым порошком диоксида кремния последний изменяет свой цвет на чёрный.

Таким образом, диоксид кремния – это кислотный оксид (реагирует со щелочами), способный замещать некоторые другие оксиды из растворов солей. Может быть восстановлен некоторыми восстановителями, например магнием, до кремния.

Диоксид кремния в коллоидном состоянии

Описание вещества: коллоидный диоксид кремния не имеет запаха, вкуса и не токсичен, бесцветный. Его химическая формула SiO2•nH2O. Обладает низкой вязкостью, которая может помочь впитать воду, таким образом, он показывает превосходное рассеивание и проницаемость при смешивании с другими веществами. Когда влага, содержащаяся в коллоидном диоксиде, испаряется, зёрна твёрдо придерживаются друг друга. Таким образом, коллоидный диоксид кремния является хорошим клеем. Размер частиц составляет 10 – 20 нм, pH = 2.

ь используется в качестве сплочяющего агента для различных огнеупорных материалов, т.к. имеет высокую прочность сцепления

ь используемый в индустрии покрытия (производство красок). Обладает такими характеристиками как: анти-загрязнение, пылезащита, анти – старение.

ь применяется в текстильной промышленности для обработки шерсти

ь используется в качестве агента для обработки стали, получения кремневых пластин.

ь используется в пищевой промышленности (E551), фармацевтической и парафармацевтической промышленности.

1) 30 г. метасиликата натрия растворяют при нагревании в 100 мл. воды и отфильтровывают. Прозрачный раствор после охлаждения выливают при энергичном перемешивании в 50 мл. смеси из равных частей воды и концентрированной соляной кислоты. Раствор должен иметь кислую реакцию. [6]

2) 20 г. геля кремневой кислоты встряхивают с 400 мл. 5 н. раствора аммиака, затем раствор фильтруют и удаляют аммиак выпариванием в вакууме на холоду. Следы остающегося в растворе аммиака стабилизируют золь. [6]

3) Получение коллоидного диоксида кремния осложнено выпадением осадка кремневой кислоты (как в предыдущей методике). Поэтому основная цель – это добиться состояния золя. Для этого приготавливаем раствор соляной кислоты, содержащий 20 мл 36% HCl и 25 мл воды, и раствор силиката натрия (30 г Na2SiO3 и 100 г воды). Необходимо придерживаться определённой концентрации растворов, потому что при сильно избытке высока вероятность выпадения осадка. Помещаем раствор силиката натрия на магнитную мешалку, и приливаем к нему по каплям (при помощи капельной воронки) раствор соляной кислоты. Важным моментом является медленное добавление кислоты и постоянное перемешивание раствора. При этом необходимо измерять pH раствора. Первоначально в растворе сильнощелочная среда, но как только она упадёт до 2, то можно говорить о наличии устойчивого золя. [6]

Правила безопасности: в ходе данной методике по-прежнему использовался раствор соляной кислоты. На воздухе соляная кислота дымит белым удушающим дымом, поэтому работать с ней нужно под тягой. При попадании на кожу вызывает сильные химические ожоги, поэтому при попадании внутрь, необходимо немедленно сделать промывание желудка, если кислота попадает на кожу, её надо быстро смыть, потом обмыть руки теплой водой и промокнуть туалетной бумагой. Если кислота успела разъесть кожу и появилась рана, рану необходимо намазать антисептиком.

Очистка получаемого вещества: полученный золь будет загрязнён хлоридом натрия, от которого необходима избавиться. Для очистки от ионов натрия можно использовать катионит, а от самого хлорида избавляются диализом. Проверить чистоту готового коллоидного диоксида кремния можно при помощи добавления нитрата серебра:

Диоксид кремния в виде золя при долгом хранении переходит в гель. По химическим свойствам он подобен высокопористому оксиду. Например, он так же проявляет кислотные свойства, реагируя со щелочами или карбонатами. Однако химически он менее активен.

Несмотря на то, что в обоих случаях необходимо получить диоксид кремния, но из-за разного агрегатного состояния методики синтезов значительно отличаются. В первом случае получали высокопористый диоксид из осадка, легко образующийся при сливании растворов силиката натрия и соляной кислоты. Во втором случае наоборот, необходимо получение устойчивого золя, т.е. избегание выпадения осадка. Добиться последнего можно только при соблюдении определённых концентраций, постоянного перемешивания и медленного добавления раствора кислоты.

Исходя из широкого спектра применения, в данной работе было подробно описано нахождение оксидов кремния в природе их физические и химические свойства, а так же метода получения и очищения. Однако теоретические знания необходимо применить и подтвердить на практике, что и являлось нашей основной задачей.


Таким образом, были детально изучены оксиды кремния, определена их роль в жизни людей и сравнены две методики синтеза оксида кремния (IV) в коллоидном и высокопористом виде.

1. Шрайнер Д., Эткинс П. Неорганическая химия. В 2-х т. Т.1 / Пер. с англ. М.Г. Розовой, С.Я. Истомина. – М.:Мир, 2004.-679с.

2. Глинка, Н.Л. Общая химия: Учебное пособие для ввузов. – 25-е изд., исправленное / Под ред. В.А. Рабиновича. – Л.: Химия, 1986 – 704с.

3. Гринвуд, Н.Н. Химия элементов /Н.Н. Гринвуд, Э. Эрншо: Пер. с англ. – Изд-во Бином, 2008. Ч.1

4. Неорганическая химия: В 3 т. / Под ред. Ю.Д. Третьякова. Т.2: Химия непереходных элементов: Учебник для студ. высш. учеб. заведений / А.А. Дроздов, В.П. Зломанов, Г.Н. Мазо, Ф.М. Спиридонов. – М.: Издательский центр «Академия», 2004.-368с

5. У. Джолли. Синтез неорганических соелдинений В 3 т./ Пер. с англ. А.Д. Власова, А.И. Зарубина// Под редакцией И.В. Тананаева Т.1. – М.: Мир, 1986. – 279с.

6. Г. Брауэр. Руководство по неорганическому синтезу: В 6-ти томах. Т.3. Пер. с нем. Б.С. Захарова/ Под ред Г. Брауэра. – М.: Мир, 1985. – 392с.

7. Fluortechnology [Электронный ресурс]. Режим доступа:

http://ftortechnology.ru/t12.html. Дата доступа: 21.04.2013.

8. Г. Реми. Курс неорганической химии в 2 т. Т.1 / Пер. с нем. А.В. Новосёлова – Изд-во иностранной литературы, Москва, 1963.

9. NANO-TECHNOLOGY.ORG [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://nano-technology.org/novoe/nanochastitsyi-i-novyie-svoystva-izvestnyih-materialov.html. Дата доступа: 21.04.2013.

10. Комаров, С.М. Солнечная батарея на стекле / вып. подг. С.М. Комаров // Химия и жизнь -XXI век. – 2006. – № 10. – С.39.

11. Вспомогательные субстанции для фарминдустрии // Медицинский бизнес. – 2008. № 9. – С.20-21.

12. Айлер P. А Химия кремнезема: Пер. с англ.–М.: Мир, 1982. Ч. 1.

13. Шульц, М.М. Современные представления о строении стекол и их свойствах/ М. М. Шульц, О.В. Мазурин – Л.: Наука, 1988.

14. Бартенева, Г.М. Строение и механические свойств неорганических стекол. – М.: Стройиздат, 1966. – 217с.

15. Красников, Г.Я. Система кремний-диоксид кремния-субмикронных СБИС/ Г.Я. Красников, Н.А. Зайцев – М.: Техносфера, 2003.-384с.

16. Акпен А.А. Химия стекла: Изд-во «Химия», 1974. – 352с.

17. Карякин Ю.В., Ангелов И.И. Чистые химические вещества: Руководство по приготовлению неорганических реактивов и препаратов в лабораторных условиях. М.: Химия, 1974 – 408 с.

18. Singh P. K. Крупномасштабный синтез, изучение и характеристики фотолюминесценции нанопроволок аморфного кремния, полученных термоосаждением моноксида кремния. Large-scale synthesis, characterization and photoluminescence properties of amorphous silica nanowires by thermal evaporation of silicon monoxide. /Srivastava Sanjay К, Singh P. K, Singh V. N, Sood K. N., Haranath D., Kumar Vikram. //Physica. – 2006. – № 8. – с.1545-1549. (РЖХ – 10.l7-19Б2.420).

19. Braisch B., Получение и текучесть эмульсий м/в, стабилизированных гидрофильными частицами SiO2. Preparation and flew behaviour of oil-in-water emulsions stabilised by hydrogphilik silica particles. / Braisch B., Kohler К., Schushmann Н. P., Wolf В. //Chem. Eng. And Technol. – 2009. -№7. – с.1107-1112. (РЖХ – 09.24-19P2.67).

20. Huang Helen Y., MCM-48, графт-полимеризованный с амином и кремневый ксерогель в качестве суперсорсорбентов для удаления кислых газов. Amine-grafted МСМ-48 and silica xerogel as superior sorbent for acidic gas removal form natural gas. / Huang Helen Y., Yang Ralph T, Chinn Darnel, Munson Curtis L. //Ind. and Eng. Che. Res. – 2003. – №12. – с. 2427-2433. (РЖХ – 07.18.-19П.174).

Кремний — элемент главной подгруппы четвертой группы третьего периода периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева; распространение в природе. Разновидности минералов на основе оксида кремния. Области применения соединений кремния; стекло.

презентация [7,3 M], добавлен 16.05.2011

Строение атома кремния, его основные химические и физические свойства. Распространение силикатов и кремнезема в природе, использование кристаллов кварца в промышленности. Методы получения чистого и особо чистого кремния для полупроводниковой техники.

реферат [243,5 K], добавлен 25.12.2014

Обзор руднотермических печей, применяемых при производстве кремния. Пересчет химического состава сырья и углеродистых восстановителей, применяемых при производстве кремния в мольные количества химических элементов с учетом загрузочных коэффициентов.

курсовая работа [516,0 K], добавлен 12.04.2015

Изучение химических и физических свойств оксидов свинца, их применение, способы синтеза. Нахождение самого рационального способа получения оксида свинца, являющегося одним из наиболее востребованных соединений, используемых в повседневной жизни.

реферат [27,5 K], добавлен 30.05.2016

Основные и амфотерные солеобразующие оксиды. Особенности разложения карбонатов металлов. Получение оксидов щелочных металлов косвенным путём. Амфотерность оксида бериллия. Использование оксида магния при производстве огнеупорных строительных материалов.

презентация [218,3 K], добавлен 07.10.2011

Как распространены оксидные соединения в природе. Какие оксиды образуют природные минералы. Химические свойства диоксида углерода, углекислого газа, карбона (II) оксида, красного, магнитного и бурого железняков, оксида хрома (III), оксида кальция.

презентация [1,7 M], добавлен 19.02.2017

Определение понятия и изучение свойств редкоземельных элементов. Характеристика структуры и исследование устойчивости различных форм полуторных оксидов редкоземельных металлов. Европий и влияние метода приготовления оксида на его структуру и свойства.

курсовая работа [316,9 K], добавлен 29.03.2011

Характеристика строения атома, аллотропии, способа получения, окислительных и восстановительных свойств серы. Исследование истории открытия химических элементов теллура, полония, селена, физических свойств и работы с ними, основных областей применения.

презентация [4,4 M], добавлен 27.11.2011

Прямое азотирование кремния. Процессы осаждения из газовой фазы. Плазмохимическое осаждение и реактивное распыление. Структура тонких пленок нитрида кремния. Влияние поверхности подложки на состав, структуру и морфологию осаждаемых слоев нитрида кремния.

курсовая работа [985,1 K], добавлен 03.12.2014

Комплексное изучение элементов периодической системы Менделеева, истории открытия и форм нахождения золота в природе. Исследование коренных месторождений, физических и химических свойств золота и его соединений, способов получения и областей применения.

курсовая работа [41,4 K], добавлен 17.11.2011

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.

источник

Читайте также:  Как сделать инкубатор в домашних условиях
Adblock
detector
Общие
Систематическое
наименование