Гидроксид кремния: свойства, структурная формула и способы получения

Впервые кремний стал известен человечеству как самостоятельный химический элемент в 1825 году. Это вещество является неметаллом, который в зависимости от условий реакции может быть восстановителем и окислителем. Основные химические и физические свойства этого элемента повлияли на его распространённость в народном хозяйстве. Структурную формулу гидроксид кремния, а также сферы его использования изучают на уроках химии в 8 классе.

Оглавление:

• Краткое описание
• Структура и состав
• Физические характеристики
• Химические свойства
• Способы получения
• Сферы использования

Краткое описание

В привычном понимании высшего гидроксид кремния не существует. Но благодаря своим физическим свойствам этот элемент получил большой спрос в промышленности. В аморфном состоянии это вещество в результате химической реакции с водяным паром (при температуре +500 °C) образует водород плюс диоксид кремния. Например, Si (аморфный) + 2H2O (пар) → SiO2 + 2H2.

Полученный диоксид кремния представляет собой слабый кислотный оксид, который после присоединения водорода может образовывать кремниевые кислоты. Для обозначения гидроксид кремния используется общая формула — H2SiO3.

В зависимости от общего количества задействованных атомов кремния, водорода и кислорода может образовываться несколько разновидностей кислот:

• Ортокремниевая (H4SiO4).
• Метакремниевая (H2SiO3).
• Поликремниевая (nSiO2∙mH2O).
• Дикремниевая (H2Si2O5, H10Si2O9).
• Пирокремниевая (H6Si2O7).

В научной среде соли кремниевых кислот (химическая формула — nSiO2∙mH2O) принято называть силикатами. Для их получения недостаточно соединить H2SiO3 с Н2О, так как даже при самой высокой температуре диоксид не вступает в реакцию с водой. Чистый кремний можно получить только в результате взаимодействия гидроокиси кремния с водородом. Записать эту химическую реакцию можно так: SiO2 + 2Н2 → Si + 2H2O.

В лабораторных условиях получить H2SiO3 можно только двумя способами:

• Использование гидролиза силанов.
• Воздействие на силикаты калия и натрия сильных кислот: Na2SiO3 + 2HCl → H2SiO3↓ + 2NaCl.

Проведённые лабораторные исследования показали, что nSiO2∙mH2O могут самопроизвольно разлагаться на Н2О и кремниевую воду. Эта химическая реакция записывается так: H2SiO3 → SiO2 + H2O.

Структура и состав

H2SiO3 существует в двух формах, которые являются неустойчивыми при нормальной температуре. В каждом случае структура и состав имеют свои отличия:

• Аморфный. H2SiO3 является порошком буро-коричневого цвета. Аморфный кремний гораздо активнее вступает в химические реакции. Это связано не только с инертностью кристаллического вещества, но и с тем, что на воздухе элемент покрывается тонким слоем диоксида.
• Кристаллический. Кремний представляет собой порошок тёмно-серого цвета. Химическое вещество обладает алмазоподобной кристаллической решёткой, но при этом остаётся довольно хрупким. Это связано со слишком длинной связью между атомами. В промышленности кристаллический кремний широко востребован благодаря своим свойствам полупроводника.

При условии воздействия высоким давлением можно получить определённую модификацию H2SiO3 гексагонального типа с плотностью 2.55 г/куб. см. Но эта форма вещества пока не пользуется большим спросом. Дополнительно существует ещё один тип классификации гидроксид кремния, связанный с размером кристаллов, из которых состоит химический элемент.

Наличие кристаллической решётки предполагает упорядоченность всех атомов и образующих их структур. Чем больше будет показатель, тем однороднее по своим характеристикам будет вещество.

Физические характеристики

В промышленной отрасли чаще всего используется кристаллический кремний. Это связано с тем, что физические свойства этого материала позволяют выпускать различный товар с высокими эксплуатационными характеристиками. Плавиться H2SiO3 начинает при температуре +1417 °C, а закипает при +2600 °C. Материал весьма хрупкий, так как показатель его плотности не превышает 2.33 г/куб. см. Гидроксид кремния получил 7 баллов по шкале Мооса. Уровень диэлектрической проницаемости не превышает 1.17.

H2SiO3 является неметаллом, из-за чего его электрические свойства полностью зависят от присутствующих в составе примесей. В промышленной отрасли специалисты научились использовать эту особенность химического вещества в свою пользу, так как на любом этапе производства они могут смоделировать нужный тип проводника.

При комнатной температуре силициум является хрупким, но если нагреть его до отметки +800 °C, тогда не исключена пластическая деформация. Итоговые характеристики аморфного кремния могут существенно отличаться, что связано с его гигроскопичностью. Это химическое вещество может вступать в различные реакции даже при комнатной температуре.

Химические свойства

Практически во всех существующих соединениях H2SiO3 проявляет следующие степени окисления: +2, -4, +4. Вещество является химически инертным при низких температурах. Под воздействием кислорода кремний покрывается тонкой плёнкой оксида. После нагревания до отметки +400 °C элемент окисляется. С фтором H2SiO3 может взаимодействовать в обычных условиях, а вот с азотом, галогенами и углеродом вступает в химическую реакцию только под воздействием высоких температур.

Задействованные щёлочи могут перевести кремний в Na2SiO3 с последующим выделением водорода. H2SiO3 растворим практически во всех расплавленных металлах, а с некоторыми из них может формировать различные соединения, которые называются силицидами. Образуемые вещества получили большой спрос в народном хозяйстве.

Гидроксид кремния в сочетании с водородом может формировать специфические соединения, которые имеют общую формулу — SinH2n+2 (силаны). В химии используются различные кремнийорганические соединения. Например, органосилоксаны, силиконы. Но наибольшее значение имеют nSiO2∙mH2O.

В результате растворения аморфного кремния в концентрированном растворе гидроксид натрия (Si + NaOH) происходит образование средней соли — ортосиликата натрия, а также выделение газа водорода. Молекулярное уравнение реакции имеет вид: Si + 4NaOH → Na4SiO4 + 2H2. Чтобы понять, какой будет реакция взаимодействия соляной кислоты с оксидом кремния, нужно обратить внимание на следующую формулу: SiO2 + 4HCl → SiCl4 + 2H2O.

В природе широко распространены соли кремниевых кислот: различные минералы класса силикатов. Алюмосиликаты образуются в результате изоморфного замещения в их структуре небольшого процента H2SiO3 алюминием.

Способы получения

Чаще всего nSiO2∙mH2O стараются получить непрямым способом. В лабораторных условиях на силикат натрия или калия воздействуют сильной кислотой. Например, Na2SiO3 + 2HCl = H2SiO3 + 2NaCl. Но в этом случае невозможно получить идеально чистую кислоту. В водном растворе обязательно будет присутствовать высокодисперсная коллоидная система, которая через некоторое время превратится в гель.

Многие кремниевые соединения можно получить благодаря гидролизу хлорсиланов. Эту химическую реакцию можно записать так: SiH2Cl2 + 3H2O = H2SiO3 +2HCl + 2H2. Если всё сделано правильно, то nSiO2∙mH2O будут являться финальным продуктом гидролитического расщепления элементов. Методы ионного обмена и электродиализа целесообразно использовать в том случае, если речь касается промышленного производства, либо различных лабораторных экспериментов. Благодаря перенасыщенным растворам кремниевых кислот получается силикагель (SiOH). Сама технология производства состоит из нескольких этапов:

1. Первым делом образуется коллоидный раствор, который после остывания превращается в однородную массу, называемую гидрогелем.
2. На втором этапе происходит созревание. Учитывается не только гелеобразование, но и разжижение химического вещества.
3. Полученный гель очищают, промывают от солей.
4. На финальном этапе вещество высушивают и превращают в ксерогель.

В лабораторных условиях было доказано, что самый качественный силикагель можно получить после гидролиза кремниевых и ортокремниевых соединений. Этот химический процесс можно изобразить следующим образом: Na2SiO3 + H2SO4 = nSiO2 • mH2O + Na2SO4. В этой графической формуле использовался гидратированный аморфный кремнезём.

Сферы использования

H2SiO3 благодаря своим физическим и химическим характеристикам получил большой спрос в различных отраслях современной промышленности. В чистом виде аморфный и кристаллический кремний применяется в следующих сферах:

• Изготовление качественного поликремния.
• В металлургии H2SiO3 используется как легирующая добавка, которая может менять свойства металлов и их сплавов. Кремний применяется при выплавке чугуна и стали.
• Серийное производство солнечных батарей. Среди преимуществ такого получения электроэнергии можно выделить экономичность, износоустойчивость и экологическую безопасность.
• H2SiO3 часто используется в сочетании с органическими веществами. Кремнийорганические материалы применяются при изготовлении посуды, различных инструментов.
• Производство комплектующих деталей для лазерных устройств.

Кремниевые соединения являются важными элементами для кожного покрова, ногтей и волос. H2SiO3 используется для производства лекарственных препаратов и косметологических средств.

Составы на основе кремния гарантируют повышение упругости соединительных тканей. При правильном применении препараты с H2SiO3 улучшают усвоение кальция, а также нормализуют работу органов желудочно-кишечного тракта.