Оксид кремния: формула и кристаллическая решётка

Для кремния свойственна переменная валентность, из-за чего могут образовываться сразу 2 оксида — диоксид и монооксид. Эти элементы отличаются не только физическими, но и химическими свойствами, благодаря чему они получили спрос в строительной промышленности, а также в сфере производства медикаментозных средств и продуктов питания. Общую формулу оксида кремния изучают на уроках химии в 9 классе.

Оглавление:

• Краткое описание
• Способы получения
• Химические свойства
• Физические характеристики
• Силикаты и их значение
• Сферы применения

Краткое описание

В природе диоксид кремния встречается в виде кварцевого песка. На основе этого материала образуются кристаллы яшмы, агатов, аметистов, топазов, горного хрусталя и халцедонов. На дне океанов и морей, где нет доступа для О2 и всегда сохраняется высокое давление, двуокись кремния образуется благодаря микроорганизмам и остаткам водорослей. Это кристаллическое вещество доступно для синтезирования. Общая формула оксида кремния (IV) — SiO2. В земных породах он представлен в виде бесцветных кристаллов, которые относятся к кислотным оксидам.

Основные химические и физические свойства SiO2 повлияли на то, что этот элемент начали использовать в качестве пищевой добавки Е551. Кремний помогает предотвратить слёживание сыпучих продуктов. SiO2 отличается своей тугоплавкостью. Температура плавления этого вещества находится в пределах +1600 °C. Элемент нерастворим в Н2О.

В промышленности большой спрос получили напыления из диоксида кремния, которые обладают диэлектрическими свойствами. Кристаллическая решётка может принимать несколько полиморфных состояний под воздействием высокой температуры и давления. Распространённым аморфным диоксидом является кварцевое стекло.

Способы получения

Диоксид кремния можно получить не только из природных ресурсов, но и благодаря синтезированию. В лабораторных условиях доступно 2 способа: безводный и водный. В последнем случае применяются следующие технологии:

1. Коагуляция в среде электролита.
2. Гидролиз соединений кремния.
3. Растворение силикатов в соляной или серной кислоте. В итоге получается гидрат, который подвергают дальнейшему синтезированию.

Химическая реакция гидролиза зависит от того, какой гидроксид натрия взаимодействует с хлористым кремнием, например, SiCl4 + 4NaOH = SiO2 + 4NaCl + 2H2O. Выполнить гидролиз можно в аммиачных/водных растворах или газовой среде. В этом случае используется этанол или органика. К безводным способам получения оксида кремния относятся:

1. Окисление кремнезёма при помощи сложных эфиров.
2. Постепенное расплавление и дальнейшее размалывание вещества в мелкодисперсную массу.
3. В среде водорода и кислорода можно сжечь кремниевые соединения.

Диоксид кремния получил огромный спрос в разных сферах современной промышленности, поскольку отличается доступностью и долговечностью.

Химические свойства

Диоксид кремния обладает немолекулярным принципом строения. Кристаллическая решётка образуется благодаря атомам SiO2 и О2. Они связаны между собой ковалентным способом. Кремнозем можно получить в лабораторных условиях, предварительно нагрев SiO2 до отметки +500 °C. Дополнительно должен присутствовать кислород. Эту химическую реакцию можно изобразить следующим образом: Si + O2 → SiO2.

В результате воздействия кислот на растворимые силикаты образуется диоксид силициума. Образующаяся кремниевая кислота распадается на SiO2 и Н2О, например:

• Na2SiO3 + 2CH3COOH → 2CH3COONa + H2SiO3↓;
• H2SiO3 → H2O + SiO2.

При комнатной температуре и небольшом давлении SiO2 реагирует исключительно с плавиковой кислотой.

В результате нагревания кремний может вступать в реакцию с основными оксидами и щелочами. Кремнозем не реагирует на Н2О. Среди ключевых химических свойств диоксида кремния можно выделить:

1. SiO2 взаимодействует с углеродом и водородом. В результате этой химической реакции образуются карборунда и кремний: SiO2 + 2Н2 → Si + 2H2O, SiO2 + 3С → SiC + 2CO (Si2O3).
2. Диоксид кремния реагирует с активными металлами. Химическая реакция возможна только после достижения отметки +1000 °C. В случае избытка металла образуются силициды. Изобразить химическую реакцию можно следующим образом: SiO2 + 2Mg → Si + 2MgO, SiO2 + 4Mg → Mg2Si + 2MgO.
3. SiO2 реагирует с газом и плавиковой кислотой, но только при нормальных условиях. Формулы: SiO2 + 4HF → SiF4 + 2H2O, SiO2 + 6HF → H2[SiF6] + 2H2O.
4. С оксидами химическая реакция возможна только при условии воздействия высоких температур: SiO2 + MgO → MgSiO3.
5. Если задействовать щёлочи, тогда в итоге можно будет получить силикаты: SiO2 + 4NaOH → Na4SiO4 + 2H2O.
6. Под воздействием высоких температур SiO2 реагирует с карбонатами щелочных металлов: SiO2 + K2CO3 → K2SiO3 + CO2.

Химические свойства кремния повлияли на то, что это вещество активно применяется практически во всех отраслях современной промышленности.

Физические характеристики

SiO2 имеет порядковый номер 14, находится в таблице Менделеева в IV группе 3 периода. При определённых условиях возможно образование двух оксидов кремния:

1. Диоксид. Это высший оксид с четырехвалентным Si.
2. Монооксид. В этом случае Si двухвалентный.

По внешнему виду оксид кремния представляет собой прозрачные кристаллы. Плотность этого вещества составляет 2,648 г/ см³. Плавиться оксид кремния начинает при температуре +1600 °C, а кипит при +2230 °C.

В различных отраслях промышленности SiO2 активно используется благодаря тому, что он прочный и твёрдый. В природных условиях это вещество представлено в виде кварца или песка. Небольшое количество SiO2 содержится в стенках диатомовых водорослей. Вещество отличается наличием различных полиморфных модификаций, но чаще всего можно встретить:

1. Кристаллы. К этой категории относятся кварц и основные его разновидности (горный хрусталь, яшма, халцедон, кремень).
2. SiO2 встречается в виде природного минерала опала, его состав можно описать следующей химической формулой: SiO2 • nH2O. Искусственный безводный аморфный кремнезём — силикагель, для изготовления которого используется метасиликат натрия.

SiO2 представляет собой кислотный окисел. Именно от этого факта зависят многие химические свойства вещества, а также специфичность его использования в промышленных целях.

Силикаты и их значение

Соли кремниевой кислоты (nSiO2·mH2O) чаще всего не растворяются в Н2О. В категорию исключений входят только силикаты калия и натрия, которые принято называть жидким стеклом. Для nSiO2·mH2O свойственны все характеристики средних солей. Силикаты взаимодействуют с кислотами, из-за чего в итоге получаются нерастворимые кремниевые кислоты, например, Na2SiO3 + 2HCl = 2NaCl + H2SiO3. Аналогичным образом действует угольная кислота. Изобразить химическую реакцию можно так: Na2SiO3 + CO2 + H2O = Na2CO3 + H2SiO3↓.

Силикаты часто встречаются в природе. Их свойства могут существенно различаться, так как всё зависит от состава и принципа строения. Чаще всего силикаты имеют красивый цвет, благодаря чему они получили большой спрос в ювелирной промышленности (изумруд, гранат, топаз).

Знакомое всем стекло тоже относится к силикатам. Его состав можно показать следующей формулой: Na2O*CaO*6SiO2. Прочное и долговечное стекло получают после того, как смесь из известняка, белого песка и соды прошла через сплавление в специальной печи: 6SiO2 + Na2CO3 + CaCO3 = Na2O * CaO*6SiO2 + 2CO2. При помощи различных добавок можно получить более интересные разновидности и оттенки стекла: Со2+ (синий цвет), Pb2+ (хрусталь), Ск3+ (зелёный цвет).

Сферы применения

Оксид кремния может обладать разными полиморфными состояниями, благодаря чему получил огромный спрос в различных областях. Чаще всего он используется в следующих сферах:

• микроэлектроника и радиотехника;
• авиастроение;
• производство косметических средств;
• серийное изготовление строительных материалов;
• пищевая промышленность;
• медицинская отрасль;
• производство прочной резины;
• изготовление высококачественного сантехнического оборудования;
• текстильная промышленность;
• изготовление различных ювелирных изделий.

Кварцевый песок получил большой спрос в строительстве, так как его используют для производства бетона, железобетонных изделий, цемента. Без этого материала не обходится изготовление огнеупорных товаров и диэлектриков. Кварцевый песок используется для производства керамики и стекла.

В косметологии активно применяются хроматографы, а также специальные устройства для очищения кожных покровов ультразвуковыми волнами.

На основе SiO2 изготавливаются интегральные микросхемы, различные электронные детали и оптическое волокно, которое обеспечивает стабильную работу этих аппаратов.

Проведённые лабораторные исследования показали, что диоксид кремния абсолютно безопасен для организма человека. SiO2 не проникает в кровоток через слизистую оболочку органов пищеварительного тракта, выводится естественным путём. Но чрезмерное употребление продуктов, в которых содержится пищевая добавка Е551, чревато существенным ухудшением работы ЖКТ.

Во Франции были проведены исследования, которые показали, что умеренное применение препаратов с SiO2 помогает на 10% снизить вероятность развития болезни Альцгеймера. Если в составе препарата указано название оксида, тогда принимать его можно только после предварительной консультации с врачом. В этом случае можно будет снизить риск негативного воздействия на организм.