Πώς σχηματίζεται το πυρίτιο. Πυρίτιο
Πυρίτιο (Si) -βρίσκεται στην περίοδο 3, ομάδα IV της κύριας υποομάδας του περιοδικού συστήματος. Φυσικές ιδιότητες:Το πυρίτιο υπάρχει σε δύο τροποποιήσεις: άμορφο και κρυσταλλικό. Το άμορφο πυρίτιο είναι μια καφέ σκόνη με πυκνότητα 2,33 g/cm3, διαλυτή σε τήγματα μετάλλων. Το κρυσταλλικό πυρίτιο είναι σκούρο γκρι κρύσταλλα με ατσάλινη λάμψη, σκληρό και εύθραυστο, με πυκνότητα 2,4 g/cm3. Το πυρίτιο αποτελείται από τρία ισότοπα: Si (28), Si (29), Si (30).
Χημικές ιδιότητες:ηλεκτρονική διαμόρφωση: 1s22s22p63 s23p2 . Το πυρίτιο είναι αμέταλλο. Στο εξωτερικό ενεργειακό επίπεδο, το πυρίτιο έχει 4 ηλεκτρόνια, τα οποία καθορίζουν τις καταστάσεις οξείδωσής του: +4, -4, -2. Σθένος – 2,4 Το άμορφο πυρίτιο έχει μεγαλύτερη αντιδραστικότητα από το κρυσταλλικό πυρίτιο. Υπό κανονικές συνθήκες, αλληλεπιδρά με το φθόριο: Si + 2F2 = SiF4. Στους 1000 °C το Si αντιδρά με αμέταλλα: CL2, N2, C, S.
Από τα οξέα, το πυρίτιο αντιδρά μόνο με ένα μείγμα νιτρικών και υδροφθορικών οξέων:
Συμπεριφέρεται διαφορετικά σε σχέση με τα μέταλλα: σε λιωμένο Zn, Al, Sn, Pb διαλύεται καλά, αλλά δεν αντιδρά με αυτά. Το πυρίτιο αλληλεπιδρά με άλλα τήγματα μετάλλων - με Mg, Cu, Fe - για να σχηματίσει πυριτικά: Si + 2Mg = Mg2Si. Το πυρίτιο καίγεται σε οξυγόνο: Si + O2 = SiO2 (άμμος).
Διοξείδιο του πυριτίου ή πυρίτιο– σταθερή σύνδεση Σι, ευρέως διαδεδομένο στη φύση. Αντιδρά με τη σύντηξή του με αλκάλια και βασικά οξείδια, σχηματίζοντας άλατα πυριτικού οξέος - πυριτικά. Παραλαβή:Στη βιομηχανία, το πυρίτιο στην καθαρή του μορφή λαμβάνεται με αναγωγή του διοξειδίου του πυριτίου με οπτάνθρακα σε ηλεκτρικούς κλιβάνους: SiO2 + 2C = Si + 2CO?.
Στο εργαστήριο, το πυρίτιο λαμβάνεται με φρύξη λευκής άμμου με μαγνήσιο ή αλουμίνιο:
SiO2 + 2Mg = 2MgO + Si.
3SiO2 + 4Al = Al2O3 + 3Si.
Το πυρίτιο σχηματίζει οξέα:Η2 SiO3 - μεταπυριτικό οξύ;Η2 Το Si2O5 είναι διμεθασιλικό οξύ.
Εύρεση στη φύση:ορυκτό χαλαζία – SiO2. Οι κρύσταλλοι χαλαζία έχουν σχήμα εξαγωνικού πρίσματος, άχρωμοι και διαφανείς και ονομάζονται κρύσταλλοι βράχου. Ο αμέθυστος είναι ένα κρύσταλλο βράχου μοβ χρώματος με ακαθαρσίες. Το καπνιστό τοπάζι έχει καφέ χρώμα. Ο αχάτης και ο ίασπις είναι κρυσταλλικές ποικιλίες χαλαζία. Το άμορφο πυρίτιο είναι λιγότερο κοινό και υπάρχει με τη μορφή του ορυκτού οπάλιο - SiO2 nH2O. Ο διατομίτης, η τρίπολη ή η γη διατόμων (γη διατομών) είναι γήινες μορφές άμορφου πυριτίου.
42. Η έννοια των κολλοειδών διαλυμάτων
Κολλοειδή διαλύματα– συστήματα δύο φάσεων υψηλής διασποράς, που αποτελούνται από ένα μέσο διασποράς και μια διασπορά φάση. Τα μεγέθη σωματιδίων είναι ενδιάμεσα μεταξύ πραγματικών διαλυμάτων, εναιωρημάτων και γαλακτωμάτων. U κολλοειδή σωματίδιαμοριακή ή ιοντική σύνθεση.
Υπάρχουν τρεις τύποι εσωτερικής δομής των πρωτογενών σωματιδίων.
1. Εναιωρήματα (ή μη αναστρέψιμα κολλοειδή)– ετερογενή συστήματα, οι ιδιότητες των οποίων μπορούν να προσδιοριστούν από την ανεπτυγμένη διαφασική επιφάνεια. Σε σύγκριση με τις αναρτήσεις, έχουν μεγαλύτερη διασπορά. Δεν μπορούν να υπάρχουν για μεγάλο χρονικό διάστημα χωρίς σταθεροποιητή διασποράς. Καλούνται μη αναστρέψιμα κολλοειδήλόγω του γεγονότος ότι τα ιζήματά τους δεν σχηματίζουν ξανά sol μετά την εξάτμιση. Η συγκέντρωσή τους είναι χαμηλή - 0,1%. Διαφέρουν ελαφρώς από το ιξώδες του διασκορπισμένου μέσου.
Τα αιωρούμενα μπορούν να ληφθούν:
1) μέθοδοι διασποράς (συντριβή μεγάλων σωμάτων).
2) μέθοδοι συμπύκνωσης (παραγωγή αδιάλυτων ενώσεων με τη χρήση αντιδράσεων ανταλλαγής, υδρόλυση κ.λπ.).
Η αυθόρμητη μείωση της διασποράς στα εναιωρήματα εξαρτάται από την ενέργεια της ελεύθερης επιφάνειας. Για να αποκτήσετε μια μακράς διάρκειας ανάρτηση, απαιτούνται προϋποθέσεις για να σταθεροποιηθεί.
Σταθερά συστήματα διασποράς:
1) μέσο διασποράς.
2) διασκορπισμένη φάση.
3) σταθεροποιητής του διασκορπισμένου συστήματος.
Ο σταθεροποιητής μπορεί να είναι ιονικός, μοριακός, αλλά πιο συχνά υψηλού μοριακού.
Προστατευτικά κολλοειδή– υψηλομοριακές ενώσεις που προστίθενται για σταθεροποίηση (πρωτεΐνες, πεπτίδια, πολυβινυλική αλκοόλη κ.λπ.).
2. Συνειρμικά (ή μικκυλιακά κολλοειδή) –ημικολλοειδή που προκύπτουν όταν υπάρχει επαρκής συγκέντρωση μορίων που αποτελούνται από ρίζες υδρογονάνθρακα (διφιλικά μόρια) ουσιών χαμηλού μοριακού βάρους όταν συνδέονται σε συσσωματώματα μορίων (μικκύλια). Μικκύλιασχηματίζονται σε υδατικά διαλύματα απορρυπαντικών (σαπούνια), οργανικές βαφές.
3. Μοριακά κολλοειδή (αναστρέψιμα ή λυόφιλα κολλοειδή) –φυσικές και συνθετικές υψηλομοριακές ουσίες με μεγάλο μοριακό βάρος. Τα μόριά τους έχουν το μέγεθος κολλοειδών σωματιδίων (μακρομόρια).
Τα αραιά διαλύματα κολλοειδών ενώσεων υψηλού μοριακού βάρους είναι ομοιογενή διαλύματα. Όταν είναι πολύ αραιωμένα, αυτά τα διαλύματα υπακούουν στους νόμους των αραιωμένων διαλυμάτων.
Τα μη πολικά μακρομόρια διαλύονται σε υδρογονάνθρακες, τα πολικά - σε πολικούς διαλύτες.
Αναστρέψιμα κολλοειδή– ουσίες των οποίων το ξηρό υπόλειμμα, κατά την προσθήκη νέας μερίδας του διαλύτη, επανέρχεται στο διάλυμα.
ΟΡΙΣΜΟΣ
Πυρίτιο- το δέκατο τέταρτο στοιχείο του Περιοδικού Πίνακα. Ονομασία - Si από το λατινικό "silicium". Βρίσκεται στην τρίτη περίοδο, ομάδα IVA. Αναφέρεται σε αμέταλλα. Το πυρηνικό φορτίο είναι 14.
Το πυρίτιο είναι ένα από τα πιο κοινά στοιχεία στον φλοιό της γης. Αποτελεί το 27% (wt.) του τμήματος του φλοιού της γης που είναι προσβάσιμο στη μελέτη μας, καταλαμβάνοντας τη δεύτερη θέση σε αφθονία μετά το οξυγόνο. Στη φύση, το πυρίτιο βρίσκεται μόνο σε ενώσεις: με τη μορφή διοξειδίου του πυριτίου SiO 2, που ονομάζεται ανυδρίτης του πυριτίου ή πυρίτιο, με τη μορφή αλάτων πυριτικών οξέων (πυριτικά). Τα αργιλοπυριτικά είναι τα πιο διαδεδομένα στη φύση, δηλ. πυριτικά που περιέχουν αλουμίνιο. Αυτά περιλαμβάνουν άστριο, μαρμαρυγία, καολίνη κ.λπ.
Όπως ο άνθρακας, ο οποίος είναι μέρος όλων των οργανικών ουσιών, το πυρίτιο είναι το πιο σημαντικό στοιχείο του φυτικού και ζωικού βασιλείου.
Υπό κανονικές συνθήκες, το πυρίτιο είναι μια σκούρα γκρίζα ουσία (Εικ. 1). Μοιάζει με μέταλλο. Το πυρίμαχο - σημείο τήξης είναι 1415 o C. Χαρακτηρίζεται από υψηλή σκληρότητα.
Ρύζι. 1. Πυρίτιο. Εμφάνιση.
Ατομικό και μοριακό βάρος πυριτίου
Η σχετική μοριακή μάζα μιας ουσίας (M r) είναι ένας αριθμός που δείχνει πόσες φορές η μάζα ενός δεδομένου μορίου είναι μεγαλύτερη από το 1/12 της μάζας ενός ατόμου άνθρακα και η σχετική ατομική μάζα ενός στοιχείου (A r) είναι πόσες φορές η μέση μάζα των ατόμων ενός χημικού στοιχείου είναι μεγαλύτερη από το 1/12 της μάζας ενός ατόμου άνθρακα.
Δεδομένου ότι στην ελεύθερη κατάσταση το πυρίτιο υπάρχει με τη μορφή μονοατομικών μορίων Si, οι τιμές της ατομικής και μοριακής του μάζας συμπίπτουν. Είναι ίσα με 28.084.
Αλλοτροπία και αλλοτροπικές τροποποιήσεις του πυριτίου
Το πυρίτιο μπορεί να υπάρχει με τη μορφή δύο αλλοτροπικών τροποποιήσεων: διαμαντοειδούς (κυβικό) (σταθερό) και γραφίτη (ασταθές). Το πυρίτιο που μοιάζει με διαμάντι βρίσκεται σε στερεά αδρανής κατάσταση και το πυρίτιο που μοιάζει με γραφίτη είναι σε άμορφη κατάσταση. Διαφέρουν επίσης ως προς την εμφάνιση και τη χημική δραστηριότητα.
Το κρυσταλλικό πυρίτιο είναι μια σκούρα γκρίζα ουσία με μεταλλική λάμψη και το άμορφο πυρίτιο είναι μια καφέ σκόνη. Η δεύτερη τροποποίηση είναι πιο αντιδραστική από την πρώτη.
Ισότοπα πυριτίου
Είναι γνωστό ότι στη φύση το πυρίτιο μπορεί να βρεθεί με τη μορφή τριών σταθερών ισοτόπων 28 Si, 29 Si και 30 Si. Οι μάζες τους είναι 28, 29 και 30, αντίστοιχα. Ο πυρήνας ενός ατόμου του ισοτόπου πυριτίου 28 Si περιέχει δεκατέσσερα πρωτόνια και δεκατέσσερα νετρόνια, και τα ισότοπα 29 Si και 30 Si περιέχουν τον ίδιο αριθμό πρωτονίων, δεκαπέντε και δεκαέξι νετρόνια, αντίστοιχα.
Υπάρχουν τεχνητά ισότοπα πυριτίου με μαζικούς αριθμούς από 22 έως 44, μεταξύ των οποίων το μακροβιότερο είναι το 32 Si με χρόνο ημιζωής 170 χρόνια.
Ιόντα πυριτίου
Στο εξωτερικό επίπεδο ενέργειας του ατόμου του πυριτίου υπάρχουν τέσσερα ηλεκτρόνια, τα οποία είναι σθένους:
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 .
Ως αποτέλεσμα της χημικής αλληλεπίδρασης, το πυρίτιο μπορεί να εγκαταλείψει τα ηλεκτρόνια του σθένους, δηλ. είναι ο δότης τους και μετατρέπεται σε θετικά φορτισμένο ιόν, ή δέχεται ηλεκτρόνια από άλλο άτομο, δηλ. είναι δέκτης και μετατρέπεται σε αρνητικά φορτισμένο ιόν:
Si 0 -4e → Si 4+ ;
Si 0 +4e → Si 4- .
Μόριο και άτομο πυριτίου
Στην ελεύθερη κατάσταση, το πυρίτιο υπάρχει με τη μορφή μονατομικών μορίων Si. Ακολουθούν ορισμένες ιδιότητες που χαρακτηρίζουν το άτομο και το μόριο του πυριτίου:
Κράματα πυριτίου
Το πυρίτιο χρησιμοποιείται στη μεταλλουργία. Χρησιμεύει ως συστατικό πολλών κραμάτων. Τα σημαντικότερα από αυτά είναι κράματα με βάση το σίδηρο, τον χαλκό και το αλουμίνιο.
Παραδείγματα επίλυσης προβλημάτων
ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 1
| Ασκηση | Πόση ποσότητα οξειδίου του πυριτίου (IV) που περιέχει 0,2 μάζες ακαθαρσίες απαιτείται για να ληφθούν 6,1 g πυριτικού νατρίου. |
| Λύση | Ας γράψουμε την εξίσωση αντίδρασης για την παραγωγή πυριτικού νατρίου από οξείδιο του πυριτίου (IV): SiO 2 + 2NaOH = Na 2 SiO 3 + H 2 O. Ας βρούμε την ποσότητα του πυριτικού νατρίου: n(Na2SiO3) = m (Na2SiO3) / M(Na2SiO3); n(Na2SiO3) = 6,1 / 122 = 0,05 mol. Σύμφωνα με την εξίσωση αντίδρασης n(Na 2 SiO 3) : n(SiO 2) = 1:1, δηλ. n(Na2SiO3) = n(SiO2) = 0,05 mol. Η μάζα του οξειδίου του πυριτίου (IV) (χωρίς ακαθαρσίες) θα είναι ίση με: M(SiO 2) = Ar(Si) + 2×Ar(O) = 28 + 2×16 = 28 + 32 = 60 g/mol. m καθαρό (SiO 2) = n(SiO 2) ×M (SiO 2) = 0,05 × 60 = 3 g. Τότε η μάζα του οξειδίου του πυριτίου (IV) που απαιτείται για την αντίδραση θα είναι ίση με: m(SiO 2) =m καθαρό (SiO 2)/w ακαθαρσία = 3 / 0,2 = 15 g. |
| Απάντηση | 15 γρ |
ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 2
| Ασκηση | Ποια μάζα πυριτικού νατρίου μπορεί να ληφθεί με τη σύντηξη οξειδίου του πυριτίου (IV) με 64,2 g σόδας, το κλάσμα μάζας των ακαθαρσιών στο οποίο είναι 5%; |
| Λύση | Ας γράψουμε την εξίσωση αντίδρασης για την παραγωγή πυριτικού νατρίου με σύντηξη σόδας και οξειδίου του πυριτίου (IV): SiO 2 + Na 2 CO 3 = Na 2 SiO 3 + CO 2 -. Ας προσδιορίσουμε τη θεωρητική μάζα της σόδας (υπολογισμένη χρησιμοποιώντας την εξίσωση αντίδρασης): n(Na 2 CO 3) = 1 mol. M(Na2CO3) = 2×Ar(Na) + Ar(C) + 3×Ar(O) = 2×23 + 12 + 3×16 = 106 g/mol. m(Na 2 CO 3) = n (Na 2 CO 3) ×M (Na 2 CO 3) = 1 × 106 = 106 g. Ας βρούμε την πρακτική μάζα της σόδας: w καθαρό (Na 2 CO 3) = 100% - w ακαθαρσία = 100% - 5% = 95% = 0,95. m καθαρό (Na2CO3) = m (Na2CO3) ×w καθαρό (Na2CO3); m καθαρό (Na 2 CO 3) = 64,2 × 0,95 = 61 g. Ας υπολογίσουμε τη θεωρητική μάζα του πυριτικού νατρίου: n(Na 2 SiO 3) = 1 mol. M(Na2SiO3) = 2×Ar(Na) + Ar(Si) + 3×Ar(O) = 2×23 + 28 + 3×16 = 122 g/mol. m(Na 2 SiO 3) = n(Na 2 SiO 3) ×M (Na 2 SiO 3) = 1 × 122 = 122 g. Έστω η πρακτική μάζα του πυριτικού νατρίου x g. Ας κάνουμε την αναλογία: 61 g Na 2 CO 3 - x g Na 2 SiO 3; 106 g Na 2 CO 3 - 122 g Na 2 SiO 3. Άρα το x θα ισούται με: x = 122 × 61 / 106 = 70,2 g. Αυτό σημαίνει ότι η μάζα του απελευθερωμένου πυριτικού νατρίου είναι 70,2 g. |
| Απάντηση | 70,2 γρ |
Οι ενώσεις του πυριτίου, ευρέως διαδεδομένες στη γη, είναι γνωστές στον άνθρωπο από την εποχή του λίθου. Η χρήση λίθινων εργαλείων για εργασία και κυνήγι συνεχίστηκε για αρκετές χιλιετίες. Η χρήση ενώσεων πυριτίου που σχετίζεται με την επεξεργασία τους - παραγωγή γυαλιού - ξεκίνησε γύρω στο 3000 π.Χ. μι. (στην Αρχαία Αίγυπτο). Η παλαιότερη γνωστή ένωση πυριτίου είναι το οξείδιο SiO 2 (πυρίτιο). Τον 18ο αιώνα, το πυρίτιο θεωρούνταν απλό στερεό και αναφερόταν ως «γη» (όπως αντικατοπτρίζεται στο όνομά του). Η πολυπλοκότητα της σύνθεσης του πυριτίου διαπιστώθηκε από τον I. Ya. Berzelius. Για πρώτη φορά, το 1825, έλαβε στοιχειώδες πυρίτιο από φθοριούχο πυρίτιο SiF 4, ανάγεται το τελευταίο με μέταλλο κάλιο. Στο νέο στοιχείο δόθηκε το όνομα "πυρίτιο" (από το λατινικό silex - πυριτόλιθο). Το ρωσικό όνομα εισήχθη από τον G. I. Hess το 1834.
Κατανομή πυριτίου στη φύση.Το πυρίτιο είναι το δεύτερο πιο άφθονο στοιχείο στον φλοιό της γης (μετά το οξυγόνο), η μέση περιεκτικότητά του στη λιθόσφαιρα είναι 29,5% (κατά μάζα). Στον φλοιό της γης, το πυρίτιο παίζει τον ίδιο πρωταρχικό ρόλο με τον άνθρακα στον κόσμο των ζώων και των φυτών. Για τη γεωχημεία του πυριτίου, η εξαιρετικά ισχυρή σύνδεσή του με το οξυγόνο είναι σημαντική. Περίπου το 12% της λιθόσφαιρας είναι πυρίτιο SiO 2 με τη μορφή του ορυκτού χαλαζία και των ποικιλιών του. Το 75% της λιθόσφαιρας αποτελείται από διάφορα πυριτικά και αργιλοπυριτικά άλατα (άστριο, μαρμαρυγία, αμφιβολίες κ.λπ.). Ο συνολικός αριθμός ορυκτών που περιέχουν πυρίτιο ξεπερνά τα 400.
Κατά τη διάρκεια των μαγματικών διεργασιών, εμφανίζεται ασθενής διαφοροποίηση του πυριτίου: συσσωρεύεται τόσο σε γρανιτοειδή (32,3%) όσο και σε υπερβασικά πετρώματα (19%). Σε υψηλές θερμοκρασίες και υψηλή πίεση, η διαλυτότητα του SiO 2 αυξάνεται. Η μετακίνησή του με υδρατμούς είναι επίσης δυνατή, επομένως οι πηγματίτες υδροθερμικών φλεβών χαρακτηρίζονται από σημαντικές συγκεντρώσεις χαλαζία, ο οποίος συχνά συνδέεται με μεταλλεύματα (χρυσός-χαλαζίας, χαλαζίας-κασιτρίτης και άλλες φλέβες).
Φυσικές ιδιότητες του πυριτίου.Το πυρίτιο σχηματίζει σκούρου γκρι κρυστάλλους με μεταλλική λάμψη, που έχουν ένα επικεντρωμένο κυβικό πλέγμα τύπου διαμαντιού με περίοδο a = 5,431 Å και πυκνότητα 2,33 g/cm 3 . Σε πολύ υψηλές πιέσεις, ελήφθη μια νέα (προφανώς εξαγωνική) τροποποίηση με πυκνότητα 2,55 g/cm3. Το πυρίτιο λιώνει στους 1417 °C και βράζει στους 2600 °C. Ειδική θερμοχωρητικότητα (στους 20-100 °C) 800 J/(kg K), ή 0,191 cal/(g deg); Η θερμική αγωγιμότητα ακόμη και για τα πιο καθαρά δείγματα δεν είναι σταθερή και είναι στην περιοχή (25 °C) 84-126 W/(m K) ή 0,20-0,30 cal/(cm sec deg). Ο συντελεστής θερμοκρασίας γραμμικής διαστολής είναι 2,33·10 -6 K-1, κάτω από 120 K γίνεται αρνητικός. Το πυρίτιο είναι διαφανές στις υπέρυθρες ακτίνες μεγάλου κύματος. δείκτης διάθλασης (για λ = 6 μm) 3,42; διηλεκτρική σταθερά 11.7. Το πυρίτιο είναι διαμαγνητικό, η ατομική μαγνητική επιδεκτικότητα είναι -0,13-10-6. Σκληρότητα πυριτίου κατά Mohs 7.0, κατά Brinell 2,4 Gn/m2 (240 kgf/mm2), μέτρο ελαστικότητας 109 Gn/m2 (10.890 kgf/mm2), συντελεστής συμπιεστότητας 0,325·10 -6 cm2 /kg. Το πυρίτιο είναι εύθραυστο υλικό. Η αισθητή πλαστική παραμόρφωση αρχίζει σε θερμοκρασίες πάνω από 800°C.
Το πυρίτιο είναι ένας ημιαγωγός με πολλές χρήσεις. Οι ηλεκτρικές ιδιότητες του πυριτίου εξαρτώνται πολύ από τις ακαθαρσίες. Η ειδική ογκομετρική ηλεκτρική αντίσταση του πυριτίου σε θερμοκρασία δωματίου θεωρείται ότι είναι 2,3·10 3 ohm·m (2,3·10 5 ohm·cm).
Το πυρίτιο ημιαγωγών με αγωγιμότητα τύπου p (πρόσθετα B, Al, In ή Ga) και τύπου n (πρόσθετα P, Bi, As ή Sb) έχει σημαντικά χαμηλότερη αντίσταση. Το ηλεκτρικά μετρούμενο διάκενο ζώνης είναι 1,21 eV στους 0 K και μειώνεται σε 1,119 eV στους 300 K.
Χημικές ιδιότητες του πυριτίου.Σύμφωνα με τη θέση του πυριτίου στον περιοδικό πίνακα του Mendeleev, 14 ηλεκτρόνια του ατόμου του πυριτίου κατανέμονται σε τρία κελύφη: στο πρώτο (από τον πυρήνα) 2 ηλεκτρόνια, στο δεύτερο 8, στο τρίτο (σθένος) 4. Διαμόρφωση κελύφους ηλεκτρονίων 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2. Διαδοχικά δυναμικά ιονισμού (eV): 8.149; 16.34; 33.46 και 45.13. Ατομική ακτίνα 1,33 Α, ομοιοπολική ακτίνα 1,17 Α, ιοντικές ακτίνες Si 4+ 0,39 Α, Si 4- 1,98 Α.
Στις ενώσεις, το πυρίτιο (παρόμοιο με τον άνθρακα) είναι 4-σθενές. Ωστόσο, σε αντίθεση με τον άνθρακα, το πυρίτιο, μαζί με έναν αριθμό συντονισμού 4, εμφανίζει αριθμό συντονισμού 6, ο οποίος εξηγείται από τον μεγάλο όγκο του ατόμου του (ένα παράδειγμα τέτοιων ενώσεων είναι τα πυριτοφθορίδια που περιέχουν την ομάδα 2).
Ο χημικός δεσμός του ατόμου του πυριτίου με άλλα άτομα πραγματοποιείται συνήθως μέσω υβριδικών τροχιακών sp 3, αλλά είναι επίσης δυνατό να εμπλέκονται δύο από τα πέντε (κενά) 3d τροχιακά του, ειδικά όταν το πυρίτιο είναι εξασυντεταγμένο. Έχοντας χαμηλή τιμή ηλεκτραρνητικότητας 1,8 (έναντι 2,5 για τον άνθρακα, 3,0 για το άζωτο, κ.λπ.), το πυρίτιο σε ενώσεις με αμέταλλα είναι ηλεκτροθετικό και αυτές οι ενώσεις είναι πολικής φύσης. Η υψηλή ενέργεια δέσμευσης του Si - O με το οξυγόνο, ίση με 464 kJ/mol (111 kcal/mol), καθορίζει τη σταθερότητα των ενώσεων οξυγόνου του (SiO 2 και πυριτικά άλατα). Η ενέργεια του δεσμού Si - Si είναι χαμηλή, 176 kJ/mol (42 kcal/mol). Σε αντίθεση με τον άνθρακα, το πυρίτιο δεν χαρακτηρίζεται από το σχηματισμό μακριών αλυσίδων και διπλών δεσμών μεταξύ των ατόμων Si. Στον αέρα, το πυρίτιο είναι σταθερό ακόμη και σε υψηλές θερμοκρασίες λόγω του σχηματισμού προστατευτικού φιλμ οξειδίου. Στο οξυγόνο οξειδώνεται ξεκινώντας από τους 400 °C, σχηματίζοντας οξείδιο του πυριτίου (IV) SiO 2. Το οξείδιο του πυριτίου (II) SiO είναι επίσης γνωστό, σταθερό σε υψηλές θερμοκρασίες με τη μορφή αερίου. Ως αποτέλεσμα της ταχείας ψύξης, μπορεί να ληφθεί ένα στερεό προϊόν που αποσυντίθεται εύκολα σε ένα λεπτό μείγμα Si και SiO 2. Το πυρίτιο είναι ανθεκτικό στα οξέα και διαλύεται μόνο σε μείγμα νιτρικών και υδροφθορικών οξέων. διαλύεται εύκολα σε θερμά αλκαλικά διαλύματα με την απελευθέρωση υδρογόνου. Το πυρίτιο αντιδρά με το φθόριο σε θερμοκρασία δωματίου και με άλλα αλογόνα όταν θερμαίνεται για να σχηματίσει ενώσεις του γενικού τύπου SiX 4 . Το υδρογόνο δεν αντιδρά απευθείας με το πυρίτιο και τα υδρογονοπυρίτια (σιλάνια) λαμβάνονται με αποσύνθεση πυριτιδίων (βλ. παρακάτω). Οι υδρογονοσιλικόνες είναι γνωστές από SiH 4 έως Si 8 H 18 (η σύνθεση είναι παρόμοια με τους κορεσμένους υδρογονάνθρακες). Το πυρίτιο σχηματίζει 2 ομάδες σιλανίων που περιέχουν οξυγόνο - σιλοξάνες και σιλοξένες. Το πυρίτιο αντιδρά με το άζωτο σε θερμοκρασίες άνω των 1000 °C. Το νιτρίδιο Si3N4, το οποίο δεν οξειδώνεται στον αέρα ακόμη και στους 1200 °C, είναι ανθεκτικό σε οξέα (εκτός νιτρικού οξέος) και αλκάλια, καθώς και σε λιωμένα μέταλλα και σκωρίες, είναι πρακτικό. σημασία., γεγονός που το καθιστά πολύτιμο υλικό για τη χημική βιομηχανία, για την παραγωγή πυρίμαχων υλικών και άλλα. Οι ενώσεις πυριτίου με άνθρακα (καρβίδιο του πυριτίου SiC) και βόριο (SiB 3, SiB 6, SiB 12) χαρακτηρίζονται από υψηλή σκληρότητα, καθώς και θερμική και χημική αντοχή. Όταν θερμαίνεται, το πυρίτιο αντιδρά (παρουσία μεταλλικών καταλυτών, όπως ο χαλκός) με οργανοχλωρικές ενώσεις (για παράδειγμα, CH 3 Cl) για να σχηματίσει οργανοαλογονοσιλάνια [για παράδειγμα, Si(CH 3) 3 Cl], τα οποία χρησιμοποιούνται για τη σύνθεση πολυάριθμων οργανοπυριτικών ενώσεων.
Το πυρίτιο σχηματίζει ενώσεις με όλα σχεδόν τα μέταλλα - πυριτικά (ενώσεις μόνο με Bi, Tl, Pb, Hg δεν έχουν βρεθεί). Έχουν ληφθεί περισσότερα από 250 πυριτικά, η σύνθεση των οποίων (MeSi, MeSi 2, Me 5 Si 3, Me 3 Si, Me 2 Si και άλλα) συνήθως δεν αντιστοιχεί σε κλασικά σθένη. Τα πυριτικά είναι πυρίμαχα και σκληρά. Το σιδηροπυρίτιο (ένας αναγωγικός παράγοντας στην τήξη ειδικών κραμάτων, βλέπε Σιδηροκράματα) και το πυριτικό μολυβδαίνιο MoSi 2 (ηλεκτρικοί θερμαντήρες κλιβάνων, πτερύγια αεριοστροβίλων κ.λπ.) έχουν τη μεγαλύτερη πρακτική σημασία.
Λήψη πυριτίου.Το πυρίτιο τεχνικής καθαρότητας (95-98%) λαμβάνεται σε ηλεκτρικό τόξο με την αναγωγή του πυριτίου SiO 2 μεταξύ των ηλεκτροδίων γραφίτη. Σε σχέση με την ανάπτυξη της τεχνολογίας ημιαγωγών, έχουν αναπτυχθεί μέθοδοι για την παραγωγή καθαρού και εξαιρετικά καθαρού πυριτίου, που απαιτεί την προκαταρκτική σύνθεση των καθαρότερων αρχικών ενώσεων πυριτίου, από τις οποίες το πυρίτιο εξάγεται με αναγωγή ή θερμική αποσύνθεση.
Το καθαρό ημιαγωγό πυρίτιο λαμβάνεται σε δύο μορφές: πολυκρυσταλλικό (με αναγωγή SiCl 4 ή SiHCl 3 με ψευδάργυρο ή υδρογόνο, θερμική αποσύνθεση του SiI 4 και SiH 4) και μονοκρύσταλλο (ζώνη χωρίς χωνευτήριο που τήκεται και «τράβηγμα» ενός μόνο κρυστάλλου από λιωμένο πυρίτιο - η μέθοδος Czochralski).
Εφαρμογή πυριτίου.Το ειδικά ντοπαρισμένο πυρίτιο χρησιμοποιείται ευρέως ως υλικό για την κατασκευή συσκευών ημιαγωγών (τρανζίστορ, θερμίστορ, ανορθωτές ισχύος, θυρίστορ, ηλιακά φωτοκύτταρα που χρησιμοποιούνται σε διαστημόπλοια κ.λπ.). Δεδομένου ότι το πυρίτιο είναι διαφανές σε ακτίνες με μήκη κύματος από 1 έως 9 μικρά, χρησιμοποιείται στην υπέρυθρη οπτική,
Το πυρίτιο έχει ποικίλες και διευρυνόμενες εφαρμογές. Στη μεταλλουργία, το πυρίτιο χρησιμοποιείται για την αφαίρεση οξυγόνου διαλυμένου σε λιωμένα μέταλλα (αποξείδωση). Το πυρίτιο είναι συστατικό μεγάλου αριθμού κραμάτων σιδήρου και μη σιδηρούχων μετάλλων. Συνήθως, το πυρίτιο δίνει στα κράματα αυξημένη αντοχή στη διάβρωση, βελτιώνει τις ιδιότητες χύτευσης και αυξάνει τη μηχανική αντοχή. Ωστόσο, σε υψηλότερα επίπεδα το πυρίτιο μπορεί να προκαλέσει ευθραυστότητα. Τα πιο σημαντικά είναι τα κράματα σιδήρου, χαλκού και αλουμινίου που περιέχουν πυρίτιο. Μια αυξανόμενη ποσότητα πυριτίου χρησιμοποιείται για τη σύνθεση ενώσεων οργανοπυριτίου και πυριτιδίων. Το πυρίτιο και πολλά πυριτικά άλατα (άργιλοι, άστριοι, μαρμαρυγία, τάλκης κ.λπ.) υφίστανται επεξεργασία από βιομηχανίες γυαλιού, τσιμέντου, κεραμικής, ηλεκτρικής και άλλων βιομηχανιών.
Το πυρίτιο βρίσκεται στο σώμα με τη μορφή διαφόρων ενώσεων, που εμπλέκονται κυρίως στο σχηματισμό σκληρών σκελετικών μερών και ιστών. Μερικά θαλάσσια φυτά (για παράδειγμα, διάτομα) και ζώα (για παράδειγμα, πυριτικοί σπόγγοι, ραδιολάρια) μπορούν να συσσωρεύσουν ιδιαίτερα μεγάλες ποσότητες πυριτίου, σχηματίζοντας πυκνές εναποθέσεις οξειδίου του πυριτίου (IV) όταν πεθαίνουν στον πυθμένα του ωκεανού. Σε κρύες θάλασσες και λίμνες, κυριαρχούν οι βιογενείς λάσπες εμπλουτισμένες με πυρίτιο· στις τροπικές περιοχές. θάλασσες - ασβεστολιθικές λάσπες με χαμηλή περιεκτικότητα σε πυρίτιο. Μεταξύ των χερσαίων φυτών, τα δημητριακά, οι σπαθόχοιροι, οι φοίνικες και οι αλογοουρές συσσωρεύουν πολύ πυρίτιο. Στα σπονδυλωτά, η περιεκτικότητα σε οξείδιο του πυριτίου (IV) σε ουσίες τέφρας είναι 0,1-0,5%. Το πυρίτιο βρίσκεται στις μεγαλύτερες ποσότητες στον πυκνό συνδετικό ιστό, στα νεφρά και στο πάγκρεας. Η καθημερινή ανθρώπινη διατροφή περιέχει έως και 1 g πυριτίου. Όταν υπάρχει υψηλή περιεκτικότητα σε σκόνη οξειδίου του πυριτίου (IV) στον αέρα, εισέρχεται στους ανθρώπινους πνεύμονες και προκαλεί ασθένεια - πυριτίαση.
Πυρίτιο στο σώμα.Το πυρίτιο βρίσκεται στο σώμα με τη μορφή διαφόρων ενώσεων, που εμπλέκονται κυρίως στο σχηματισμό σκληρών σκελετικών μερών και ιστών. Μερικά θαλάσσια φυτά (για παράδειγμα, διάτομα) και ζώα (για παράδειγμα, πυριτικοί σπόγγοι, ραδιολάρια) μπορούν να συσσωρεύσουν ιδιαίτερα μεγάλες ποσότητες πυριτίου, σχηματίζοντας πυκνές εναποθέσεις οξειδίου του πυριτίου (IV) όταν πεθαίνουν στον πυθμένα του ωκεανού. Σε κρύες θάλασσες και λίμνες, κυριαρχούν οι βιογενείς λάσπες εμπλουτισμένες με πυρίτιο· στις τροπικές περιοχές. θάλασσες - ασβεστολιθικές λάσπες με χαμηλή περιεκτικότητα σε πυρίτιο. Μεταξύ των χερσαίων φυτών, τα δημητριακά, οι σπαθόχοιροι, οι φοίνικες και οι αλογοουρές συσσωρεύουν πολύ πυρίτιο. Στα σπονδυλωτά, η περιεκτικότητα σε οξείδιο του πυριτίου (IV) σε ουσίες τέφρας είναι 0,1-0,5%. Το πυρίτιο βρίσκεται στις μεγαλύτερες ποσότητες στον πυκνό συνδετικό ιστό, στα νεφρά και στο πάγκρεας. Η καθημερινή ανθρώπινη διατροφή περιέχει έως και 1 g πυριτίου. Όταν υπάρχει υψηλή περιεκτικότητα σε σκόνη οξειδίου του πυριτίου (IV) στον αέρα, εισέρχεται στους ανθρώπινους πνεύμονες και προκαλεί την ασθένεια πυριτίωση.
Χαρακτηριστικά στοιχείων
14 Si 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2
Ισότοπα: 28 Si (92,27%); 29 Si (4,68%); 30 Si (3,05%)
Το πυρίτιο είναι το δεύτερο πιο άφθονο στοιχείο στον φλοιό της γης μετά το οξυγόνο (27,6% κατά μάζα). Δεν βρίσκεται σε ελεύθερη κατάσταση στη φύση, βρίσκεται κυρίως με τη μορφή SiO 2 ή πυριτικών αλάτων.
Οι ενώσεις Si είναι τοξικές. η εισπνοή μικροσκοπικών σωματιδίων SiO 2 και άλλων ενώσεων πυριτίου (για παράδειγμα, αμίαντος) προκαλεί μια επικίνδυνη ασθένεια - πυριτίαση
Στη θεμελιώδη κατάσταση, το άτομο πυριτίου έχει σθένος = II, και στη διεγερμένη κατάσταση = IV.
Η πιο σταθερή κατάσταση οξείδωσης του Si είναι +4. Σε ενώσεις με μέταλλα (πυριτικά) S.O. -4.
Μέθοδοι λήψης πυριτίου
Η πιο κοινή φυσική ένωση πυριτίου είναι το πυρίτιο (διοξείδιο του πυριτίου) SiO 2 . Είναι η κύρια πρώτη ύλη για την παραγωγή πυριτίου.
1) Αναγωγή του SiO 2 με άνθρακα σε καμίνους τόξου στους 1800 "C: SiO 2 + 2C = Si + 2CO
2) Το Si υψηλής καθαρότητας από ένα τεχνικό προϊόν λαμβάνεται σύμφωνα με το σχήμα:
α) Si → SiCl 2 → Si
β) Si → Mg 2 Si → SiH 4 → Si
Φυσικές ιδιότητες του πυριτίου. Αλλοτροπικές τροποποιήσεις πυριτίου
1) Κρυσταλλικό πυρίτιο - μια ασημί-γκρι ουσία με μεταλλική γυαλάδα, κρυσταλλικό πλέγμα τύπου διαμαντιού. σ.τ. 1415"C, σημείο βρασμού 3249"C, πυκνότητα 2,33 g/cm3; είναι ημιαγωγός.
2) Άμορφο πυρίτιο - καφέ σκόνη.
Χημικές ιδιότητες του πυριτίου
Στις περισσότερες αντιδράσεις, το Si δρα ως αναγωγικός παράγοντας:
Σε χαμηλές θερμοκρασίες, το πυρίτιο είναι χημικά αδρανές· όταν θερμαίνεται, η δραστικότητά του αυξάνεται απότομα.
1. Αντιδρά με το οξυγόνο σε θερμοκρασίες πάνω από 400°C:
Si + O 2 = SiO 2 οξείδιο του πυριτίου
2. Αντιδρά με φθόριο ήδη σε θερμοκρασία δωματίου:
Si + 2F 2 = SiF 4 τετραφθοριούχο πυρίτιο
3. Αντιδράσεις με άλλα αλογόνα συμβαίνουν σε θερμοκρασία = 300 - 500°C
Si + 2Hal 2 = SiHal 4
4. Με ατμούς θείου στους 600°C σχηματίζει ένα δισουλφίδιο:
5. Η αντίδραση με το άζωτο συμβαίνει πάνω από 1000°C:
3Si + 2N 2 = Si 3 N 4 νιτρίδιο πυριτίου
6. Σε θερμοκρασία = 1150°C αντιδρά με άνθρακα:
SiO 2 + 3C = SiC + 2CO
Το Carborundum είναι κοντά στο διαμάντι σε σκληρότητα.
7. Το πυρίτιο δεν αντιδρά άμεσα με το υδρογόνο.
8. Το πυρίτιο είναι ανθεκτικό στα οξέα. Αλληλεπιδρά μόνο με ένα μείγμα νιτρικών και υδροφθορικών (υδροφθορικών) οξέων:
3Si + 12HF + 4HNO 3 = 3SiF 4 + 4NO + 8H 2 O
9. αντιδρά με αλκαλικά διαλύματα σχηματίζοντας πυριτικά και απελευθερώνοντας υδρογόνο:
Si + 2NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 2H 2
10. Οι αναγωγικές ιδιότητες του πυριτίου χρησιμοποιούνται για την απομόνωση μετάλλων από τα οξείδια τους:
2MgO = Si = 2Mg + SiO 2
Σε αντιδράσεις με μέταλλα, το Si είναι ένας οξειδωτικός παράγοντας:
Το πυρίτιο σχηματίζει πυριτίδια με τα μέταλλα s και τα περισσότερα d-μέταλλα.
Η σύνθεση των πυριτιδίων ενός δεδομένου μετάλλου μπορεί να ποικίλλει. (Για παράδειγμα, FeSi και FeSi 2 , Ni 2 Si και NiSi 2 .) Ένα από τα πιο γνωστά πυριτοκτόνα είναι το πυριτικό μαγνήσιο, το οποίο μπορεί να ληφθεί με άμεση αλληλεπίδραση απλών ουσιών:
2Mg + Si = Mg 2 Si
Σιλάνιο (μονοσιλάνιο) SiH 4
Σιλάνια (υδροπυρίτια) Si n H 2n + 2, (πρβλ. αλκάνια), όπου n = 1-8. Τα σιλάνια είναι ανάλογα των αλκανίων· διαφέρουν από αυτά στην αστάθεια των αλυσίδων -Si-Si-.
Το Monosilane SiH 4 είναι ένα άχρωμο αέριο με δυσάρεστη οσμή. διαλυτό σε αιθανόλη, βενζίνη.
Τρόποι απόκτησης:
1. Αποσύνθεση πυριτικού μαγνησίου με υδροχλωρικό οξύ: Mg 2 Si + 4HCI = 2MgCI 2 + SiH 4
2. Αναγωγή αλογονιδίων Si με υδρίδιο λιθίου αργιλίου: SiCl 4 + LiAlH 4 = SiH 4 + LiCl + AlCl 3
Χημικές ιδιότητες.
Το σιλάνιο είναι ένας ισχυρός αναγωγικός παράγοντας.
1.SiH 4 οξειδώνεται με οξυγόνο ακόμα και σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες:
SiH 4 + 2O 2 = SiO 2 + 2H 2 O
2. Το SiH 4 υδρολύεται εύκολα, ειδικά σε αλκαλικό περιβάλλον:
SiH 4 + 2H 2 O = SiO 2 + 4H 2
SiH 4 + 2NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 4H 2
Οξείδιο του πυριτίου (IV) (πυριτία) SiO 2
Το πυρίτιο υπάρχει σε διάφορες μορφές: κρυσταλλικό, άμορφο και υαλώδες. Η πιο κοινή κρυσταλλική μορφή είναι ο χαλαζίας. Όταν τα χαλαζιακά πετρώματα καταστρέφονται, σχηματίζεται χαλαζιακή άμμος. Τα μονοκρύσταλλα χαλαζία είναι διάφανα, άχρωμα (πετροκύσταλλο) ή χρωματισμένα με ακαθαρσίες σε διάφορα χρώματα (αμέθυστος, αχάτης, ίασπης κ.λπ.).
Το άμορφο SiO 2 βρίσκεται με τη μορφή του ορυκτού οπάλιο: η γέλη πυριτίου παράγεται τεχνητά, που αποτελείται από κολλοειδή σωματίδια SiO 2 και είναι πολύ καλός προσροφητικός. Το γυάλινο SiO 2 είναι γνωστό ως γυαλί χαλαζία.
Φυσικές ιδιότητες
Το SiO 2 διαλύεται πολύ ελαφρά στο νερό και είναι επίσης πρακτικά αδιάλυτο σε οργανικούς διαλύτες. Το πυρίτιο είναι διηλεκτρικό.
Χημικές ιδιότητες
1. Το SiO 2 είναι ένα όξινο οξείδιο, επομένως το άμορφο πυρίτιο διαλύεται αργά σε υδατικά διαλύματα αλκαλίων:
SiO 2 + 2NaOH = Na 2 SiO 3 + H 2 O
2. Το SiO 2 αλληλεπιδρά επίσης με βασικά οξείδια όταν θερμαίνεται:
SiO 2 + K 2 O = K 2 SiO 3;
SiO 2 + CaO = CaSiO 3
3. Όντας ένα μη πτητικό οξείδιο, το SiO 2 εκτοπίζει το διοξείδιο του άνθρακα από το Na 2 CO 3 (κατά τη σύντηξη):
SiO 2 + Na 2 CO 3 = Na 2 SiO 3 + CO 2
4. Το πυρίτιο αντιδρά με το υδροφθορικό οξύ, σχηματίζοντας υδροφθοροπυριτικό οξύ H 2 SiF 6:
SiO 2 + 6HF = H 2 SiF 6 + 2H 2 O
5. Στους 250 - 400°C, το SiO 2 αλληλεπιδρά με το αέριο HF και το F 2, σχηματίζοντας τετραφθοροσιλάνιο (τετραφθοριούχο πυρίτιο):
SiO 2 + 4HF (αέριο) = SiF 4 + 2H 2 O
SiO 2 + 2F 2 = SiF 4 + O 2
Πυριτικά οξέα
Γνωστός:
Ορθοπυριτικό οξύ H 4 SiO 4 ;
Μεταπυριτικό (πυριτικό) οξύ H 2 SiO 3 ;
Δι- και πολυπυριτικά οξέα.
Όλα τα πυριτικά οξέα είναι ελαφρώς διαλυτά στο νερό και σχηματίζουν εύκολα κολλοειδή διαλύματα.
Μέθοδοι παραλαβής
1. Καθίζηση με οξέα από διαλύματα πυριτικών αλκαλικών μετάλλων:
Na 2 SiO 3 + 2HCl = H 2 SiO 3 ↓ + 2NaCl
2. Υδρόλυση χλωροσιλανίων: SiCl 4 + 4H 2 O = H 4 SiO 4 + 4HCl
Χημικές ιδιότητες
Τα πυριτικά οξέα είναι πολύ αδύναμα οξέα (ασθενέστερα από το ανθρακικό οξύ).
Όταν θερμαίνονται, αφυδατώνονται για να σχηματίσουν πυρίτιο ως τελικό προϊόν.
H 4 SiO 4 → H 2 SiO 3 → SiO 2
Πυριτικά - άλατα πυριτικών οξέων
Δεδομένου ότι τα πυριτικά οξέα είναι εξαιρετικά αδύναμα, τα άλατά τους σε υδατικά διαλύματα υδρολύονται σε μεγάλο βαθμό:
Na 2 SiO 3 + H 2 O = NaHSiO 3 + NaOH
SiO 3 2- + H 2 O = HSiO 3 - + OH - (αλκαλικό μέσο)
Για τον ίδιο λόγο, όταν το διοξείδιο του άνθρακα διέρχεται από πυριτικά διαλύματα, το πυριτικό οξύ εκτοπίζεται από αυτά:
K 2 SiO 3 + CO 2 + H 2 O = H 2 SiO 3 ↓ + K 2 CO 3
SiO 3 + CO 2 + H 2 O = H 2 SiO 3 ↓ + CO 3
Αυτή η αντίδραση μπορεί να θεωρηθεί ως ποιοτική αντίδραση σε πυριτικά ιόντα.
Από τα πυριτικά άλατα, μόνο τα Na 2 SiO 3 και K 2 SiO 3 είναι πολύ διαλυτά, τα οποία ονομάζονται διαλυτό γυαλί και τα υδατικά διαλύματά τους ονομάζονται υγρό γυαλί.
Ποτήρι
Το συνηθισμένο γυαλί παραθύρου έχει τη σύνθεση Na 2 O CaO 6 SiO 2, δηλαδή είναι ένα μείγμα πυριτικών αλάτων νατρίου και ασβεστίου. Λαμβάνεται με τη σύντηξη σόδας Na 2 CO 3, ασβεστόλιθου CaCO 3 και άμμου SiO 2.
Na 2 CO 3 + CaCO 3 + 6SiO 2 = Na 2 O CaO 6SiO 2 + 2СO 2
Τσιμέντο
Ένα συνδετικό υλικό σε σκόνη που, όταν αλληλεπιδρά με το νερό, σχηματίζει μια πλαστική μάζα που με την πάροδο του χρόνου μετατρέπεται σε ένα συμπαγές σώμα που μοιάζει με πέτρα. κύριο δομικό υλικό.
Η χημική σύσταση του πιο συνηθισμένου τσιμέντου Portland (σε % κατά βάρος) είναι 20 - 23% SiO 2. 62 - 76% CaO; 4 - 7% Al 2 O 3; 2-5% Fe 2 O 3; 1-5% MgO.
- Ονομασία - Si (Πυρίτιο);
- Περίοδος - III;
- Ομάδα - 14 (IVa);
- Ατομική μάζα - 28,0855;
- Ατομικός αριθμός - 14;
- Ατομική ακτίνα = 132 μ.μ.
- Ομοιοπολική ακτίνα = 111 μ.μ.
- Κατανομή ηλεκτρονίων - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 ;
- θερμοκρασία τήξης = 1412°C;
- σημείο βρασμού = 2355°C;
- Ηλεκτραρνητικότητα (σύμφωνα με τον Pauling/σύμφωνα με τους Alpred και Rochow) = 1,90/1,74;
- Κατάσταση οξείδωσης: +4, +2, 0, -4;
- Πυκνότητα (αρ.) = 2,33 g/cm3;
- Μοριακός όγκος = 12,1 cm 3 /mol.
Ενώσεις πυριτίου:
Το πυρίτιο απομονώθηκε για πρώτη φορά στην καθαρή του μορφή το 1811 (οι Γάλλοι J. L. Gay-Lussac και L. J. Tenard). Το καθαρό στοιχειακό πυρίτιο ελήφθη το 1825 (Σουηδός J. J. Berzelius). Το χημικό στοιχείο έλαβε το όνομά του «πυρίτιο» (μεταφρασμένο από τα αρχαία ελληνικά ως βουνό) το 1834 (Ρώσος χημικός G. I. Hess).
Το πυρίτιο είναι το πιο κοινό (μετά το οξυγόνο) χημικό στοιχείο στη Γη (η περιεκτικότητα στον φλοιό της γης είναι 28-29% κατά βάρος). Στη φύση, το πυρίτιο υπάρχει συχνότερα με τη μορφή πυριτίου (άμμος, χαλαζίας, πυριτόλιθος, άστριοι), καθώς και σε πυριτικά και αργιλοπυριτικά άλατα. Στην καθαρή του μορφή, το πυρίτιο είναι εξαιρετικά σπάνιο. Πολλά φυσικά πυριτικά άλατα στην καθαρή τους μορφή είναι πολύτιμοι λίθοι: σμαράγδι, τοπάζι, υδάτινο - όλα αυτά είναι πυρίτιο. Το καθαρό κρυσταλλικό οξείδιο του πυριτίου (IV) εμφανίζεται με τη μορφή κρυστάλλου βράχου και χαλαζία. Το οξείδιο του πυριτίου, το οποίο περιέχει διάφορες ακαθαρσίες, σχηματίζει πολύτιμους και ημιπολύτιμους λίθους - αμέθυστο, αχάτη, ίασπη.
Ρύζι. Δομή του ατόμου πυριτίου.
Η ηλεκτρονική διαμόρφωση του πυριτίου είναι 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 (βλ. Ηλεκτρονική δομή ατόμων). Στο εξωτερικό επίπεδο ενέργειας, το πυρίτιο έχει 4 ηλεκτρόνια: 2 ζευγαρωμένα στο υποεπίπεδο 3s + 2 ασύζευκτα σε p-τροχιακά. Όταν ένα άτομο πυριτίου μεταβαίνει σε διεγερμένη κατάσταση, ένα ηλεκτρόνιο από το s-υποεπίπεδο «φεύγει» από το ζεύγος του και μετακινείται στο p-υποεπίπεδο, όπου υπάρχει ένα ελεύθερο τροχιακό. Έτσι, στη διεγερμένη κατάσταση, η ηλεκτρονική διαμόρφωση του ατόμου του πυριτίου παίρνει την ακόλουθη μορφή: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3.
Ρύζι. Μετάβαση ενός ατόμου πυριτίου σε διεγερμένη κατάσταση.
Έτσι, το πυρίτιο στις ενώσεις μπορεί να εμφανίσει σθένος 4 (πιο συχνά) ή 2 (βλ. Σθένος). Το πυρίτιο (όπως και ο άνθρακας), αντιδρώντας με άλλα στοιχεία, σχηματίζει χημικούς δεσμούς στους οποίους μπορεί και να εγκαταλείψει τα ηλεκτρόνια του και να τα δεχτεί, αλλά η ικανότητα να δέχεται ηλεκτρόνια στα άτομα πυριτίου είναι λιγότερο έντονη από ότι στα άτομα άνθρακα, λόγω του μεγαλύτερου πυριτίου άτομο.
Καταστάσεις οξείδωσης πυριτίου:
- -4 : SiH4 (σιλάνιο), Ca2Si, Mg2Si (πυριτικά μέταλλα);
- +4 - το πιο σταθερό: SiO 2 (οξείδιο του πυριτίου), H 2 SiO 3 (πυριτικό οξύ), πυριτικά και αλογονίδια πυριτίου.
- 0 : Si (απλή ουσία)
Το πυρίτιο ως απλή ουσία
Το πυρίτιο είναι μια σκούρα γκρι κρυσταλλική ουσία με μεταλλική λάμψη. Κρυσταλλικό πυρίτιοείναι ημιαγωγός.
Το πυρίτιο σχηματίζει μόνο μία αλλοτροπική τροποποίηση, παρόμοια με το διαμάντι, αλλά όχι τόσο ισχυρή, αφού οι δεσμοί Si-Si δεν είναι τόσο ισχυροί όσο στο μόριο άνθρακα του διαμαντιού (Βλ. Διαμάντι).
Άμορφο πυρίτιο- καφέ σκόνη, με σημείο τήξης 1420°C.
Το κρυσταλλικό πυρίτιο λαμβάνεται από άμορφο πυρίτιο με ανακρυστάλλωση. Σε αντίθεση με το άμορφο πυρίτιο, το οποίο είναι μια αρκετά δραστική χημική ουσία, το κρυσταλλικό πυρίτιο είναι πιο αδρανές όσον αφορά την αλληλεπίδραση με άλλες ουσίες.
Η δομή του κρυσταλλικού πλέγματος του πυριτίου επαναλαμβάνει τη δομή του διαμαντιού - κάθε άτομο περιβάλλεται από τέσσερα άλλα άτομα που βρίσκονται στις κορυφές ενός τετραέδρου. Τα άτομα συγκρατούνται μεταξύ τους με ομοιοπολικούς δεσμούς, οι οποίοι δεν είναι τόσο ισχυροί όσο οι δεσμοί άνθρακα στο διαμάντι. Για το λόγο αυτό, ακόμη και στο αρ. Μερικοί ομοιοπολικοί δεσμοί στο κρυσταλλικό πυρίτιο σπάνε, με αποτέλεσμα την απελευθέρωση ορισμένων ηλεκτρονίων, με αποτέλεσμα το πυρίτιο να έχει μικρή ηλεκτρική αγωγιμότητα. Καθώς το πυρίτιο θερμαίνεται, στο φως ή όταν προστίθενται ορισμένες ακαθαρσίες, ο αριθμός των σπασμένων ομοιοπολικών δεσμών αυξάνεται, με αποτέλεσμα να αυξάνεται ο αριθμός των ελεύθερων ηλεκτρονίων και επομένως αυξάνεται και η ηλεκτρική αγωγιμότητα του πυριτίου.
Χημικές ιδιότητες του πυριτίου
Όπως ο άνθρακας, το πυρίτιο μπορεί να είναι και αναγωγικός και οξειδωτικός παράγοντας, ανάλογα με την ουσία με την οποία αντιδρά.
Στο αρ. Το πυρίτιο αλληλεπιδρά μόνο με το φθόριο, γεγονός που εξηγείται από το αρκετά ισχυρό κρυσταλλικό πλέγμα του πυριτίου.
Το πυρίτιο αντιδρά με χλώριο και βρώμιο σε θερμοκρασίες άνω των 400°C.
Το πυρίτιο αλληλεπιδρά με τον άνθρακα και το άζωτο μόνο σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες.
- Σε αντιδράσεις με αμέταλλα, το πυρίτιο δρα ως αναγωγικό μέσο:
- υπό κανονικές συνθήκες, από μη μέταλλα, το πυρίτιο αντιδρά μόνο με το φθόριο, σχηματίζοντας αλογονίδιο πυριτίου:
Si + 2F 2 = SiF 4 - σε υψηλές θερμοκρασίες, το πυρίτιο αντιδρά με χλώριο (400°C), οξυγόνο (600°C), άζωτο (1000°C), άνθρακα (2000°C):
- Si + 2Cl 2 = SiCl 4 - αλογονίδιο πυριτίου;
- Si + O 2 = SiO 2 - οξείδιο του πυριτίου;
- 3Si + 2N 2 = Si 3 N 4 - νιτρίδιο πυριτίου;
- Si + C = SiC - καρβορούνδιο (καρβίδιο του πυριτίου)
- υπό κανονικές συνθήκες, από μη μέταλλα, το πυρίτιο αντιδρά μόνο με το φθόριο, σχηματίζοντας αλογονίδιο πυριτίου:
- Σε αντιδράσεις με μέταλλα, το πυρίτιο είναι μέσο οξείδωσης(σχηματίστηκε σαλικοειδή:
Si + 2Mg = Mg 2 Si - Σε αντιδράσεις με πυκνά διαλύματα αλκαλίων, το πυρίτιο αντιδρά με την απελευθέρωση υδρογόνου, σχηματίζοντας διαλυτά άλατα πυριτικού οξέος, που ονομάζονται πυριτικά:
Si + 2NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 2H 2 - Το πυρίτιο δεν αντιδρά με οξέα (εκτός από HF).
Παρασκευή και χρήση πυριτίου
Λήψη πυριτίου:
- στο εργαστήριο - από πυρίτιο (θεραπεία αλουμινίου):
3SiO 2 + 4Al = 3Si + 2Al 2 O 3 - στη βιομηχανία - με αναγωγή του οξειδίου του πυριτίου με οπτάνθρακα (τεχνικά καθαρό πυρίτιο) σε υψηλή θερμοκρασία:
SiO 2 + 2C = Si + 2CO - Το πιο καθαρό πυρίτιο λαμβάνεται με αναγωγή του τετραχλωριούχου πυριτίου με υδρογόνο (ψευδάργυρος) σε υψηλή θερμοκρασία:
SiCl4 +2H2 = Si+4HCl
Εφαρμογή πυριτίου:
- παραγωγή ραδιοστοιχείων ημιαγωγών.
- ως μεταλλουργικά πρόσθετα για την παραγωγή θερμοανθεκτικών και ανθεκτικών στα οξέα ενώσεων.
- στην παραγωγή φωτοκυττάρων για ηλιακές μπαταρίες.
- ως ανορθωτές AC.
