Общая химия - Николай Глинка

По внутреннему строению карборунд представляет собой как бы алмаз, в котором половина атомов углерода равномерно заменена атомами кремния. Каждый атом углерода находится в центре тетраэдра, в вершинах которого расположены атомы кремния; в свою очередь каждый атом кремния окружен подобным же образом четырьмя атомами углерода. Ковалентные связи, соединяющие все атомы в этой структуре, как и в алмазе, очень прочны. Этим объясняется большая твердость карборунда.

Карборунд получают в больших количествах; применение его разнообразно и связано с его высокой твердостью и огнеупорностью. Из порошка карборунда изготовляют шлифовальные круги, бруски, шлифовальную бумагу. На его основе производят плиты для сооружения полов, платформ и переходов в метро и на вокзалах. Из него готовят муфели и футеровку для различных печей. Смесь порошков карборунда и кремния служит материалом для изготовления силитовых стержней для электрических печей.

При высокой температуре кремний вступает в соединение со многими металлами, образуя силициды. Например, при нагревании диоксида кремния с избытком металлического магния восстанавливающийся кремний соединяется с магнием, образуя силицид магния Mg2Si:

- 494 -

179. Соединения кремния с водородом и галогенами.

При действии соляной кислоты на силицид магния Mg2Si получается кремневодород (силан) SiH4, подобный метану:

Силан SiH4 бесцветный газ, самовоспламеняющийся на воздухе и сгорающий с образованием диоксида кремния и воды:

SiH4 + 2O2 = SiO2 + 2H2O

Кроме SiH4, известно несколько других кремневодородов, которые носят общее название силанов, например дисилан Si2H6, трисилан Si3H8. Силаны аналогичны углеводородам, но отличаются от них малой стойкостью. Очевидно, что связь между атомами кремния гораздо менее прочна, чем связь между атомами углерода, вследствие чего цепи —Si—Si—Si— легко разрушаются. Непрочна также связь кремния с водородом, что указывает на значительное ослабление у кремния неметаллических свойств.

Хлорид кремния SiCl4 получается нагреванием смеси диоксида кремния с углем в струе хлора:

или хлорированием технического кремния. Он представляет собой жидкость, кипящую при 57°C.

При действии воды хлорид кремния подвергается полному гидролизу с образованием кремниевой и соляной кислот:

SiCl4 + 3H2O = H2SiO3 + 4HCl

Вследствие этой реакции при испарении SiCl4 во влажном воздухе образуется густой дым. Хлорид кремния применяется для Синтеза кремнийорганических соединений.

Фторид кремния SiF4 образуется при взаимодействии фтороводорода с диоксидом кремния;

Это — бесцветный газ с резким запахом.

Как и хлорид кремния, в водных растворах SiF4 гидролизуется:

SiF4 + 3H2O = H2SiO3 + 4HF

Образующийся фтороводород взаимодействует с SiF4. При этом получается гексафторокрвмниевая (или кремнефтористоводородная) кислота H2SiF6:

SiF4 + 2HF = H2SiF6

Суммарный процесс выражается уравнением:

3SiF4 + 3H2O = H2SiF6 + H2SiO3

- 495 -

По силе гексафторокремниевая кислота близка к серной. Соли ее — кремнефториды, или фторосиликаты, в большинстве своем растворимы в воде; малорастворимы соли натрия, калия, рубидия, цезия, практически нерастворима соль бария. Сама кислота и все фторосиликаты ядовиты.

Фторосиликат натрия Na2SiF6 применяется в качестве инсектицида, а также входит в состав смесей для производства цементов и эмалей. Растворимые фторосиликаты магния, цинка, алюминия применяют в строительстве. Эти вещества делают поверхность строительного камня — известняка, мрамора — водонепроницаемой. Такое их действие объясняется образованием малорастворимых фторидов и кремнезема.

180. Диоксид кремния.

Наиболее стойким соединением кремния является диоксид кремния, или кремнезем, SiO2. Он встречается как в кристаллическом, так и в аморфном виде.

Кристаллический диоксид кремния находится в природе главным образом в виде минерала кварца. Прозрачные, бесцветные кристаллы кварца, имеющие форму шестигранных призм с шестигранными пирамидами на концах, называются горным хрусталем (рис. 134). Горный хрусталь, окрашенный примесями в лиловый цвет, называется аметистом, а в буроватый — дымчатым топазом. Но чаще кварц встречается в виде сплошных полупрозрачных масс, бесцветных или окрашенных в разные цвета. Одной из разновидностей кварца является кремень. К мелкокристаллическим разновидностям кварца относятся агат и яшма. Кварц входит также в состав многих сложных горных пород, например гранита и гнейса.

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

Кристаллический диоксид кремния очень тверд, нерастворим в воде и плавится около 1610°C, 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 входившего в состав организмов диатомовых водорослей и некоторых инфузорий.

Рис. 134. Кристаллы горного хрусталя.

- 496 -

Кислоты, за исключением плавиковой, не действуют на диоксид кремния. Плавиковая же кислота легко вступает с ним в реакцию, образуя фторид кремния и воду (см. стр. 350).

Кремнезем в виде песка широко применяется в строительстве, в производстве стекла (см. § 182), керамики (см. § 183), цемента (см. § 184), абразивов. Особая область применения кварца связана с тем, что он способен деформироваться под действием электрического поля. Это свойство кристаллов кварца используется в звукозаписывающей и звуковоспроизводящей аппаратуре и для генерации ультразвуковых колебаний.

181. Кремниевые кислоты и их соли.

Диоксид кремния — кислотный оксид. Ему соответствуют слабые малорастворимые в воде кремниевые кислоты. Их можно представить общей формулой nSiO2·mH2O. В свободном состоянии выделены ортокремниевая H4SiO4, метакремниевая (или кремниевая) H2SiO3 и несколько других кислот. Метакремниевая кислота довольно легко образует пересыщенные растворы, в которых она постепенно полимеризуется и переходит в коллоидное состояние. С помощью стабилизаторов можно получить стойкие золи кремниевой кислоты высокой концентрации. Эти растворы применяются в некоторых производствах, например, при изготовлении бумаги, для обработки воды.

В отсутствие стабилизаторов золь кремниевой кислоты переходит в гель. При его высушивании образуются пористые продукты (силикагель), применяемые в качестве осушителей и адсорбентов.

Соли кремниевых кислот — силикаты — в большинстве своем нерастворимы в воде; растворимы лишь силикаты натрия и калия. Они получаются при сплавлении диоксида кремния с едкими щелочами или карбонатами калия и натрия, например:

Благодаря внешнему сходству со стеклом и растворимости в воде силикаты натрия и калия получили название растворимого стекла.

Растворимое стекло в виде водных растворов, называемых жидким стеклом, применяется для изготовления кислотоупорного цемента и бетона (см. § 184), для керосинонепроницаемых штукатурок по бетону, для пропитывания тканей, для приготовления огнезащитных красок по дереву, для химического укрепления слабых грунтов.

В растворах Na2SiO3 и K2SiO3 сильно гидролизованы; эти растворы имеют щелочную реакцию.

Силикаты чрезвычайно распространены в природе. Как уже упоминалось, земная кора состоит главным образом из кремнезема и различных силикатов. К природным силикатам принадлежат полевые шпаты, слюда, глины, асбест, тальк и многие другие минералы.

- 497 -

Силикаты входят в состав целого ряда горных пород: гранита, гнейса, базальта, различных сланцев и т. д. Многие драгоценные камни, например изумруд, топаз, аквамарин, представляют собой хорошо образованные кристаллы природных силикатов.

Состав природных силикатов выражается в большинстве случаев довольно сложными формулами. Ввиду сложности этих формул, а также недоказанности существования соответствующих поликремниевых кислот, принято писать их несколько иначе, чем обычные формулы солей.

Дело в том, что всякую соль кислородной кислоты можно рассматривать как соединение кислотного оксида с основным (или даже с двумя основными оксидами, если это двойная соль). Например, CaCO3 можно рассматривать как соединение CaO и CO2, Al2(SO4)3 — как соединение Al2O3 и 3SO3 и т. д. На этом основании при изображении состава силикатов обычно пишут отдельно формулы диоксида кремния и всех оксидов, образующих силикат, соединяя их точками.