El signo químico del silicio es Si, peso atómico 28.086, carga nuclear +14. , así como, se ubica en el subgrupo principal del grupo IV, en el tercer período. Es análogo al carbono. La configuración electrónica de las capas electrónicas del átomo de silicio es ls 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2. La estructura de la capa externa de electrones.

La estructura de la capa externa de electrones es similar a la de un átomo de carbono.
se presenta en forma de dos modificaciones alotrópicas: amorfa y cristalina.
Amorfo: un polvo pardusco con una actividad química ligeramente más alta que el cristalino. Reacciona con el flúor a temperaturas ordinarias:
Si + 2F2 \u003d SiF4 a 400 ° - con oxígeno
Si + O2 \u003d SiO2
en fundidos - con metales:
2Mg + Si \u003d Mg2Si
El silicio cristalino es una sustancia dura y quebradiza con un brillo metálico. Tiene buena conductividad térmica y eléctrica, se disuelve fácilmente en metales fundidos, formándose. Una aleación de silicio con aluminio se llama silumin, una aleación de silicio con hierro se llama ferrosilicio. La densidad del silicio es 2,4. Punto de fusión 1415 °, punto de ebullición 2360 °. El silicio cristalino es una sustancia bastante inerte y apenas entra en reacciones químicas. El silicio no reacciona con los ácidos, a pesar de sus notables propiedades metálicas, pero reacciona con los álcalis, formando sales de ácido silícico y:
Si + 2KOH + H2O \u003d K2SiO2 + 2H2

■ 36. ¿Cuál es la similitud y cuál es la diferencia entre las estructuras electrónicas de átomos de silicio y carbono?
37. ¿Cómo explicar, desde el punto de vista de la estructura electrónica del átomo de silicio, por qué las propiedades metálicas son más características del silicio que del carbono?
38. Enumere las propiedades químicas del silicio.

Silicio en la naturaleza. Sílice

El silicio está muy extendido en la naturaleza. Aproximadamente el 25% de la corteza terrestre es silicio. Una parte significativa del silicio natural está representada por dióxido de silicio SiO2. En un estado cristalino muy puro, el dióxido de silicio se presenta en forma de un mineral llamado cristal de roca. El dióxido de silicio y el dióxido de carbono son químicamente similares, pero el dióxido de carbono es un gas y el dióxido de silicio es un sólido. En contraste con la red cristalina molecular del CO2, el dióxido de silicio SiO2 cristaliza en forma de una red cristalina atómica, cada célula de la cual es un tetraedro con un átomo de silicio en el centro y átomos de oxígeno en las esquinas. Esto se debe al hecho de que el átomo de silicio tiene un radio más grande que el átomo de carbono, y no se pueden ubicar 2, sino 4 átomos de oxígeno a su alrededor. La diferencia en la estructura de la red cristalina explica la diferencia en las propiedades de estas sustancias. En la Fig. 69 muestra el aspecto de un cristal de cuarzo natural, compuesto de dióxido de silicio puro, y su fórmula estructural.

Figura: 60. Fórmula estructural de dióxido de silicio (a) y cristales de cuarzo natural (b)

La sílice cristalina se encuentra más comúnmente en forma de arena, que es blanca si no está contaminada con impurezas de arcilla amarilla. Además de la arena, el dióxido de silicio se encuentra a menudo en forma de un mineral muy duro llamado silicio (dióxido de silicio hidratado). El dióxido de silicio cristalino, coloreado con diversas impurezas, forma piedras preciosas y semipreciosas: ágata, amatista, jaspe. El dióxido de silicio casi puro también se encuentra en forma de cuarzo y cuarcita. El dióxido de silicio libre en la corteza terrestre es del 12%, en la composición de varias rocas, aproximadamente el 43%. En total, más del 50% de la corteza terrestre está formada por dióxido de silicio.
El silicio forma parte de una amplia variedad de rocas y minerales: arcillas, granitos, sienitas, micas, feldespatos, etc.

Dióxido de carbono sólido, sin fundir, sublima a -78,5 °. El punto de fusión del dióxido de silicio es de aproximadamente 1,713 °. Es muy refractario. Densidad 2,65. El coeficiente de expansión del dióxido de silicio es muy pequeño. Esto es muy importante cuando se utilizan utensilios de cocina de vidrio de cuarzo. El dióxido de silicio no se disuelve en agua y no reacciona con él, a pesar de que es un óxido ácido y corresponde al ácido silícico H2SiO3. Se sabe que el dióxido de carbono en agua es soluble. El dióxido de silicio no reacciona con ácidos, a excepción del ácido fluorhídrico HF, y da sales con álcalis.

Figura: 69. Fórmula estructural de dióxido de silicio (a) y cristales de cuarzo natural (b).
Cuando el dióxido de silicio se calienta con carbón, el silicio se reduce y luego se combina con carbono y se forma carborundo de acuerdo con la ecuación:
SiO2 + 2C \u003d SiC + CO2. El carborundo tiene una gran dureza, es resistente a los ácidos y es destruido por los álcalis.

■ 39. ¿Qué propiedades del dióxido de silicio se pueden usar para juzgar acerca de su red cristalina?
40. ¿En forma de qué minerales se encuentra el dióxido de silicio en la naturaleza?
41. ¿Qué es el carborundo?

Ácido silícico. Silicatos

El ácido silícico H2SiO3 es un ácido muy débil e inestable. Cuando se calienta, se descompone gradualmente en agua y dióxido de silicio:
H2SiO3 \u003d H2O + SiO2

El ácido silícico es prácticamente insoluble en agua, pero puede dar lugar fácilmente.
El ácido silícico forma sales llamadas silicatos. se encuentran ampliamente en la naturaleza. Los naturales son bastante complejos. Su composición se suele representar como una combinación de varios óxidos. Cuando los silicatos naturales contienen alúmina, se denominan aluminosilicatos. Estos son arcilla blanca, (caolín) Al2O3 2SiO2 2H2O, feldespato K2O Al2O3 6SiO2, mica
К2O · Al2O3 · 6SiO2 · 2Н2O. Muchos naturales en su forma pura son piedras preciosas, por ejemplo, aguamarina, esmeralda, etc.
Entre los silicatos artificiales, cabe destacar el silicato de sodio Na2SiO3, uno de los pocos silicatos solubles en agua. Se llama vidrio soluble y la solución se llama vidrio líquido.

Los silicatos se utilizan ampliamente en ingeniería. El vidrio soluble se impregna con tejidos y madera para protegerlos de la ignición. El líquido forma parte de las masillas refractarias para pegar vidrio, porcelana, piedra. Los silicatos son la base en la producción de vidrio, porcelana, loza, cemento, hormigón, ladrillo y diversos productos cerámicos. En solución, los silicatos se hidrolizan fácilmente.

■ 42. ¿Qué es? ¿En qué se diferencian de los silicatos?
43. ¿Qué es líquido y para qué se utiliza?

Vaso

Las materias primas para la producción de vidrio son sosa Na2CO3, piedra caliza CaCO3 y arena SiO2. Todos los componentes del lote de vidrio se limpian, mezclan y funden a fondo a una temperatura de aproximadamente 1400 °. Durante la fusión, tienen lugar las siguientes reacciones:
Na2CO3 + SiO2 \u003d Na2SiO3 + CO2

CaCO3 + SiO2 \u003d CaSiO 3+ CO2
De hecho, el vidrio contiene silicatos de sodio y calcio, así como un exceso de SO2, por lo que la composición del vidrio de ventana común es Na2O · CaO · 6SiO2. El lote de vidrio se calienta a una temperatura de 1500 ° hasta que el dióxido de carbono se elimina por completo. Luego se enfría a una temperatura de 1200 °, a la que se vuelve viscoso. Como cualquier sustancia amorfa, el vidrio se ablanda y endurece gradualmente, por lo que es un buen material plástico. La masa viscosa de vidrio se pasa a través de una rendija para formar una hoja de vidrio. La hoja de vidrio caliente se estira con rollos, se lleva a un cierto tamaño y se enfría gradualmente con una corriente de aire. Luego se recorta en los bordes y se corta en hojas de un formato específico.

■ 44. Indique las ecuaciones de las reacciones que tienen lugar durante la producción de vidrio y la composición del vidrio de la ventana.

Vaso - la sustancia es amorfa, transparente, prácticamente insoluble en agua, pero si la muele hasta obtener un polvo fino y la mezcla con una pequeña cantidad de agua, se puede encontrar álcali en la mezcla resultante usando fenolftaleína. Durante el almacenamiento prolongado de álcalis en cristalería, el exceso de SiO2 en el vidrio reacciona muy lentamente con el álcali y el vidrio pierde gradualmente su transparencia.
El vidrio se hizo conocido por la gente hace más de 3000 años antes de Cristo. En la antigüedad, se obtenían vasos de casi la misma composición que en la actualidad, pero los antiguos maestros se guiaban solo por su propia intuición. En 1750, M.V. pudo desarrollar una base científica para la producción de vidrio. Durante 4 años M.V. ha recopilado muchas recetas para la fabricación de diferentes vasos, especialmente de colores. Una fábrica de vidrio construida por él produjo una gran cantidad de muestras de vidrio que han sobrevivido hasta nuestros días. Actualmente se utilizan vasos de diferentes composiciones con distintas propiedades.

El vidrio de cuarzo se compone de dióxido de silicio casi puro y se funde a partir de cristal de roca. Su característica muy importante es que su coeficiente de expansión es insignificante, casi 15 veces menor que el del vidrio ordinario. Los platos hechos de este tipo de vidrio se pueden calentar al rojo vivo en la llama de un quemador y luego sumergirlos en agua fría; sin embargo, no se producirán cambios en el vidrio. El vidrio de cuarzo no atrapa los rayos ultravioleta, y si se pinta con sales de níquel de color negro, atrapará todos los rayos visibles del espectro, pero permanecerá transparente a los rayos ultravioleta.
Los ácidos no actúan sobre el vidrio de cuarzo, pero los álcalis lo corroen notablemente. El vidrio de cuarzo es más frágil que el vidrio ordinario. El vidrio de laboratorio contiene aproximadamente 70% de SiO2, 9% de Na2O, 5% de K2O, 8% de CaO, 5% de Al2O3, 3% de B2O3 (la composición de los vidrios no se proporciona para la memorización).

En la industria, se utilizan vidrio Jena y Pyrex. El vidrio de Jena contiene aproximadamente 65% de SiO2, 15% de B2O3, 12% de BaO, 4% de ZnO, 4% de Al2O3. Es duradero, resistente a la tensión mecánica, tiene un bajo coeficiente de expansión y es resistente a los álcalis.
El vidrio Pyrex contiene 81% SiO2, 12% B2O3, 4% Na2O, 2% Al2O3, 0.5% As2O3, 0.2% K2O, 0.3% CaO. Tiene las mismas propiedades que el vidrio de Jena, pero en mayor medida, especialmente después del templado, pero menos resistente a los álcalis. El vidrio Pyrex se usa para fabricar artículos domésticos que están expuestos al calor, así como partes de algunas instalaciones industriales que operan a bajas y altas temperaturas.

Algunos aditivos confieren diferentes calidades al vidrio. Por ejemplo, las impurezas de los óxidos de vanadio dan un vidrio que bloquea completamente los rayos ultravioleta.
También consigue vidrio, pintado en diferentes colores. MV también hizo varios miles de muestras de vidrio coloreado de varios colores y matices para sus pinturas en mosaico. En la actualidad, se han desarrollado en detalle métodos para pintar vidrio. Compuestos de manganeso de color vidrio violeta, azul cobalto. rociado en una masa de vidrio en forma de partículas coloidales, le da un color rubí, etc. Los compuestos de plomo le dan al vidrio un brillo similar al brillo del cristal de roca, por eso se le llama cristal. Dicho vidrio es fácil de procesar y cortar. Los productos fabricados con él refractan la luz de manera muy hermosa. Cuando este vidrio se colorea con varios aditivos, se obtiene un cristal de color.

Si el vidrio fundido se mezcla con sustancias que, durante la descomposición, forman una gran cantidad de gases, entonces estos últimos, al ser liberados, espuman el vidrio, formando espuma de vidrio. Dicho vidrio es muy ligero, está bien procesado y es un excelente aislante eléctrico y térmico. Primero fue recibido por el prof. I. I. Kitaigorodsky.
Tirando de hilos de vidrio, puede obtener la llamada fibra de vidrio. Si impregna una capa de fibra de vidrio con resinas sintéticas, obtiene un material de construcción muy duradero, que no se pudre y perfectamente procesado, la llamada fibra de vidrio. Curiosamente, cuanto más delgada es la fibra de vidrio, mayor es su resistencia. La fibra de vidrio también se usa para confeccionar ropa de trabajo.
La lana de vidrio es un material valioso a través del cual se pueden filtrar ácidos y álcalis fuertes, que no se pueden filtrar a través del papel. Además, la lana de vidrio es un buen material aislante.

■ 44. ¿Qué determina las propiedades de los diferentes tipos de gafas?

Cerámica

De los aluminosilicatos, la arcilla blanca es especialmente importante: el caolín, que es la base para la producción de porcelana y loza. La producción de porcelana es una rama de la economía extremadamente antigua. La patria de la porcelana es China. En Rusia, la porcelana se obtuvo por primera vez en el siglo XVIII. D, I. Vinogradov.
Además del caolín, la arena y se utilizan como materias primas para la producción de porcelana y loza. Una mezcla de caolín, arena y agua se somete a un minucioso triturado fino en molinos de bolas, luego se filtra el exceso de agua y se envía una masa plástica bien mezclada a los productos de moldeo. Después de la formación, los productos se secan y cuecen en hornos de túnel continuo, donde primero se calientan, luego se cuecen y finalmente se enfrían. Después de esto, los productos se someten a un procesamiento adicional: recubrimiento de esmalte, dibujo con pinturas cerámicas. Después de cada etapa, se cuecen los productos. Como resultado, la porcelana es blanca, lisa y brillante. En capas delgadas, brilla a través. La loza es porosa y no se ve.

La arcilla roja se utiliza para moldear ladrillos, tejas, alfarería, aros de cerámica para empaque en torres de absorción y lavado de diversas industrias químicas y macetas. También se cuecen para que no se ablanden con el agua y se vuelvan mecánicamente fuertes.

Cemento. Hormigón

Los compuestos de silicio sirven como base para la producción de cemento, un material aglutinante indispensable en la construcción. Las materias primas para la producción de cemento son la arcilla y la piedra caliza. Esta mezcla se cuece en un enorme horno rotatorio tubular inclinado, donde las materias primas se cargan continuamente. Después de la cocción a 1200-1300 ° desde el orificio ubicado en el otro extremo del horno, la masa sinterizada, el clínker, se libera continuamente. Después de moler, el clinker se convierte en. La composición del cemento se compone principalmente de silicatos. Si se mezcla con agua hasta que se forma una suspensión espesa y luego se deja en el aire durante algún tiempo, reaccionará con las sustancias del cemento, formando hidratos cristalinos y otros compuestos sólidos, lo que conduce al endurecimiento ("fraguado") del cemento. Esto ya no se traduce a su estado anterior, por lo tanto, antes de su uso, intentan proteger el cemento del agua. El proceso de endurecimiento del cemento es largo y adquiere fuerza real solo después de un mes. Es cierto que existen diferentes tipos de cemento. El cemento ordinario que hemos considerado se llama silicato o cemento Portland. Se utilizan alúmina, piedra caliza y dióxido de silicio para producir un cemento de alúmina de endurecimiento rápido.

Si mezcla cemento con piedra triturada o grava, se obtiene hormigón, que ya es un material de construcción independiente. La piedra triturada y la grava se llaman rellenos. El hormigón tiene una alta resistencia y puede soportar cargas pesadas. Es impermeable, incombustible. Cuando se calienta, casi no pierde fuerza, ya que su conductividad térmica es muy baja. El hormigón es resistente a las heladas, atenúa la radiación radiactiva, por lo que se utiliza como material de construcción para estructuras hidráulicas, para las carcasas protectoras de reactores nucleares. Las calderas están revestidas de hormigón. Si mezcla cemento con un agente espumante, se formará hormigón celular impregnado de muchas células. Dicho hormigón es un buen aislante acústico y conduce el calor incluso menos que el hormigón ordinario.

Introducción

Capítulo 2. Compuestos químicos del carbono

2.1 Derivados de oxígeno del carbono

2.1.1 Estado de oxidación +2

2.1.2 Estado de oxidación +4

2.3 Carburos metálicos

2.3.1 Carburos solubles en agua y ácidos diluidos

2.3.2 Carburos insolubles en agua y en ácidos diluidos

Capítulo 3. Compuestos de silicio

3.1 Compuestos de oxígeno de silicio

Bibliografía

Introducción

La química es una de las ramas de las ciencias naturales, cuyo tema son los elementos químicos (átomos), las sustancias simples y complejas (moléculas) que forman, sus transformaciones y las leyes que rigen estas transformaciones.

Según D.I. Mendeleev (1871), "la química en su estado actual puede ser ... llamada la doctrina de los elementos".

El origen de la palabra "química" no está del todo claro. Muchos investigadores creen que proviene del nombre antiguo de Egipto - Chemia (griego Chemia, que se encuentra en Plutarco), que se deriva de "hem" o "hame" - negro y significa "ciencia de la tierra negra" (Egipto), "ciencia egipcia".

La química moderna está estrechamente relacionada tanto con otras ciencias naturales como con todas las ramas de la economía nacional.

La característica cualitativa de la forma química del movimiento de la materia, y sus transiciones a otras formas de movimiento, determina la versatilidad de la ciencia química y su conexión con áreas de conocimiento que estudian formas de movimiento tanto inferiores como superiores. El conocimiento de la forma química del movimiento de la materia enriquece la doctrina general del desarrollo de la naturaleza, la evolución de la materia en el Universo, contribuye a la formación de una imagen materialista integral del mundo. El contacto de la química con otras ciencias da lugar a áreas específicas de su mutua penetración. Así, las áreas de transición entre la química y la física están representadas por la química física y la física química. Surgieron áreas fronterizas especiales entre la química y la biología, la química y la geología: geoquímica, bioquímica, biogeoquímica y biología molecular. Las leyes más importantes de la química se formulan en lenguaje matemático, y la química teórica no puede desarrollarse sin las matemáticas. La química ha tenido y está influyendo en el desarrollo de la filosofía, y ella misma ha experimentado y está experimentando su influencia.

Históricamente, se han desarrollado dos ramas principales de la química: la química inorgánica, que estudia principalmente los elementos químicos y las sustancias simples y complejas que forman (excepto los compuestos de carbono), y la química orgánica, cuyo tema son los compuestos de carbono con otros elementos (sustancias orgánicas).

Hasta finales del siglo XVIII, los términos "química inorgánica" y "química orgánica" indicaban sólo de qué "reino" de la naturaleza (mineral, vegetal o animal) se obtenían estos o aquellos compuestos. Desde el siglo XIX. estos términos han llegado a indicar la presencia o ausencia de carbono en una sustancia determinada. Luego adquirieron un significado nuevo y más amplio. La química inorgánica se ocupa principalmente de la geoquímica y luego de la mineralogía y la geología, es decir. con las ciencias de la naturaleza inorgánica. La química orgánica es una rama de la química que estudia una variedad de compuestos de carbono hasta las sustancias biopoliméricas más complejas. A través de la química orgánica y bioorgánica, la química limita con la bioquímica y más allá con la biología, es decir. con la totalidad de las ciencias de la naturaleza viva. En la unión entre la química orgánica e inorgánica se encuentra el área de los compuestos organoelementos.

En química, las ideas sobre los niveles estructurales de la organización de la materia se han ido formando gradualmente. La complicación de una sustancia, partiendo del más bajo, atómico, pasa por las etapas de compuestos moleculares, macromoleculares o de alto peso molecular (polímero), luego intermolecular (complejo, clatrato, catenano) y finalmente, por diversas macroestructuras (cristal, micela) hasta formaciones no estequiométricas indefinidas. Poco a poco se fueron formando y separando las disciplinas correspondientes: química de compuestos complejos, polímeros, química de cristales, teoría de sistemas dispersos y fenómenos superficiales, aleaciones, etc.

El estudio de los objetos y fenómenos químicos por métodos físicos, el establecimiento de las leyes de las transformaciones químicas, basado en los principios generales de la física, es la base de la química física. Esta área de la química incluye una serie de disciplinas en gran medida independientes: termodinámica química, cinética química, electroquímica, química coloidal, química cuántica y el estudio de la estructura y propiedades de moléculas, iones, radicales, química de radiación, fotoquímica, estudios de catálisis, equilibrios químicos, soluciones. y otros. La química analítica ha adquirido un carácter independiente , cuyos métodos son ampliamente utilizados en todas las áreas de la química y la industria química. En las áreas de aplicación práctica de la química, han surgido tales ciencias y disciplinas científicas como la tecnología química con sus múltiples ramas, metalurgia, agroquímica, química médica, química forense, etc.

Como se mencionó anteriormente, la química considera los elementos químicos y las sustancias que forman, así como las leyes que gobiernan estas transformaciones. En este trabajo consideraré uno de estos aspectos (a saber, los compuestos químicos basados \u200b\u200ben silicio y carbono).

Capítulo 1. Silicio y carbono: elementos químicos

1.1 Información general sobre carbono y silicio

El carbono (C) y el silicio (Si) pertenecen al grupo IVA.

El carbono no es un elemento muy común. A pesar de esto, su importancia es enorme. El carbono es la base de la vida en la tierra. Es parte de los carbonatos, que son muy comunes en la naturaleza (Ca, Zn, Mg, Fe, etc.), existe en la atmósfera en forma de CO 2, se presenta en forma de carbones naturales (grafito amorfo), petróleo y gas natural, así como sustancias simples ( diamante, grafito).

El silicio es el segundo más abundante en la corteza terrestre (después del oxígeno). Si el carbono es la base de la vida, entonces el silicio es la base de la corteza terrestre. Se encuentra en una gran variedad de silicatos (Figura 4) y aluminosilicatos, arena.

El silicio amorfo es un polvo marrón. Este último se puede obtener fácilmente en estado cristalino en forma de sólido gris pero cristales más bien quebradizos. El silicio cristalino es un semiconductor.

Tabla 1. Datos químicos generales para carbono y silicio.

La modificación del carbono estable a temperaturas ordinarias (grafito) es una masa grasosa gris opaca. El diamante, la sustancia más dura de la tierra, es incoloro y transparente. Las estructuras cristalinas de grafito y diamante se muestran en la Fig.1.

Figura 1. La estructura del diamante (a); estructura de grafito (b)

El carbono y el silicio tienen sus propios derivados definidos.

Tabla 2. Los derivados más típicos del carbono y el silicio

1.2 Obtención, propiedades químicas y uso de sustancias simples

El silicio se obtiene por reducción de óxidos con carbono; para obtenerlo en un estado particularmente puro después de la reducción, la sustancia se transfiere a tetracloruro y se reduce nuevamente (con hidrógeno). Luego se alean en lingotes y se someten a purificación mediante el método de fusión por zonas. El lingote de metal se calienta en un extremo de modo que se forme una zona de metal fundido en el mismo. Cuando la zona se mueve hacia el otro extremo del lingote, la impureza, que se disuelve en el metal fundido mejor que en el sólido, se elimina y, por lo tanto, el metal se purifica.

El carbono es inerte, pero a temperaturas muy altas (en estado amorfo) interactúa con la mayoría de los metales para formar soluciones sólidas o carburos (CaC 2, Fe 3 C, etc.), así como con muchos metaloides, por ejemplo:

2C + Ca \u003d CaC 2, C + 3Fe \u003d Fe 3 C,

El silicio es más reactivo. Reacciona con el flúor ya a temperatura normal: Si + 2F 2 \u003d SiF 4

El silicio también tiene una afinidad muy alta por el oxígeno:

La reacción con cloro y azufre tiene lugar a unos 500 K. A temperaturas muy altas, el silicio interactúa con el nitrógeno y el carbono:

El silicio no interactúa directamente con el hidrógeno. El silicio se disuelve en álcalis:

Si + 2NaOH + H 2 0 \u003d Na 2 Si0 3 + 2H 2.

Los ácidos distintos del ácido fluorhídrico no tienen ningún efecto sobre él. Hay una reacción con HF

Si + 6HF \u003d H2 + 2H2.

El carbono en la composición de varios carbones, petróleo, natural (principalmente CH4), así como gases obtenidos artificialmente es la base de combustible más importante de nuestro planeta.

Característica del elemento

14 Si 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2

Isótopos: 28 Si (92,27%); 29 Si (4,68%); 30 Si (3,05%)

El silicio es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre después del oxígeno (27,6% en masa). No se presenta en estado libre en la naturaleza, se encuentra principalmente en forma de SiO 2 o silicatos.

Los compuestos de Si son tóxicos; La inhalación de las partículas más pequeñas de SiO 2 y otros compuestos de silicio (por ejemplo, amianto) causa una enfermedad peligrosa: la silicosis.

En el estado fundamental, el átomo de silicio tiene valencia \u003d II, y en el estado excitado \u003d IV.

El estado de oxidación más estable del Si es +4. En compuestos con metales (siliciuros) S.O. -4.

Métodos de producción de silicio

El compuesto de silicio natural más común es el sílice (dióxido de silicio) SiO 2. Es la principal materia prima para la producción de silicio.

1) Reducción de SiO 2 con carbón en hornos de arco a 1800 "C: SiO 2 + 2C \u003d Si + 2CO

2) El Si de alta pureza de un producto técnico se obtiene de acuerdo con el esquema:

a) Si → SiCl 2 → Si

b) Si → Mg 2 Si → SiH 4 → Si

Propiedades físicas del silicio. Modificaciones alotrópicas del silicio

1) El silicio cristalino es una sustancia gris plateada con un brillo metálico, una red cristalina tipo diamante; t. pl. 1415 "C, pe 3249" C, densidad 2,33 g / cc; es un semiconductor.

2) El silicio amorfo es un polvo marrón.

Propiedades químicas del silicio

En la mayoría de las reacciones, el Si actúa como agente reductor:

A bajas temperaturas, el silicio es químicamente inerte; cuando se calienta, su reactividad aumenta drásticamente.

1.Reacciona con oxígeno a una temperatura superior a 400 ° C:

Si + O 2 \u003d SiO 2 óxido de silicio

2.Reacciona con flúor ya a temperatura ambiente:

Si + 2F 2 \u003d SiF 4 tetrafluoruro de silicio

3.Con el resto de los halógenos, las reacciones proceden a una temperatura de \u003d 300 - 500 ° С

Si + 2Hal 2 \u003d SiHal 4

4.Con vapor de azufre a 600 ° C se forma un disulfuro:

5. La reacción con nitrógeno ocurre por encima de 1000 ° C:

3Si + 2N 2 \u003d Si 3 N 4 nitruro de silicio

6. A una temperatura \u003d 1150 ° C reacciona con el carbono:

SiO 2 + 3C \u003d SiC + 2CO

El carborundo tiene una dureza cercana al diamante.

7. El silicio no reacciona directamente con el hidrógeno.

8. El silicio es resistente a los ácidos. Interactúa solo con una mezcla de ácidos nítrico y fluorhídrico (fluorhídrico):

3Si + 12HF + 4HNO 3 \u003d 3SiF 4 + 4NO + 8H 2 O

9.Reacciona con soluciones alcalinas para formar silicatos y liberar hidrógeno:

Si + 2NaOH + H 2 O \u003d Na 2 SiO 3 + 2H 2

10. Las propiedades reductoras del silicio se utilizan para aislar metales de sus óxidos:

2MgO \u003d Si \u003d 2Mg + SiO 2

En reacciones con metales, el Si es un agente oxidante:

El silicio forma siliciuros con los metales s y la mayoría de los metales d.

La composición de los siliciuros de este metal puede ser diferente. (Por ejemplo, FeSi y FeSi 2; Ni 2 Si y NiSi 2.) Uno de los siliciuros más famosos es el siliciuro de magnesio, que se puede obtener por interacción directa de sustancias simples:

2Mg + Si \u003d Mg 2 Si

Silano (monosilano) SiH 4

Silanos (sílices) Si n H 2n + 2, (comparar con alcanos), donde n \u003d 1-8. Los silanos son análogos de los alcanos, que se diferencian de ellos en la inestabilidad de las cadenas -Si-Si-.

El monosilano SiH 4 es un gas incoloro con un olor desagradable; se disuelve en etanol, gasolina.

Métodos de obtención:

1. Descomposición de siliciuro de magnesio con ácido clorhídrico: Mg 2 Si + 4HCl \u003d 2MgCl 2 + SiH 4

2. Reducción de haluros de Si con hidruro de litio y aluminio: SiCl 4 + LiAlH 4 \u003d SiH 4 + LiCl + AlCl 3

Propiedades químicas.

El silano es un poderoso agente reductor.

1.SiH 4 se oxida con oxígeno incluso a temperaturas muy bajas:

SiH 4 + 2O 2 \u003d SiO 2 + 2H 2 O

2. El SiH 4 se hidroliza fácilmente, especialmente en un ambiente alcalino:

SiH 4 + 2H 2 O \u003d SiO 2 + 4H 2

SiH 4 + 2NaOH + H 2 O \u003d Na 2 SiO 3 + 4H 2

Óxido de silicio (IV) (sílice) SiO 2

La sílice existe en varias formas: cristalina, amorfa y vítrea. La forma cristalina más común es el cuarzo. Cuando se destruyen las rocas de cuarzo, se forman arenas de cuarzo. Los monocristales de cuarzo son transparentes, incoloros (cristal de roca) o coloreados con impurezas en varios colores (amatista, ágata, jaspe, etc.).

El SiO 2 amorfo se presenta en forma de mineral ópalo: el gel de sílice se obtiene artificialmente, que consiste en partículas de SiO 2 coloidal y es un muy buen adsorbente. El SiO 2 vítreo se conoce como vidrio de cuarzo.

Propiedades físicas

El SiO 2 se disuelve muy ligeramente en agua y prácticamente no se disuelve en disolventes orgánicos. La sílice es un dieléctrico.

Propiedades químicas

1. SiO 2 es un óxido ácido, por lo tanto, la sílice amorfa se disuelve lentamente en soluciones acuosas de álcalis:

SiO 2 + 2NaOH \u003d Na 2 SiO 3 + H 2 O

2. El SiO 2 también interactúa cuando se calienta con óxidos básicos:

SiO 2 + K 2 O \u003d K 2 SiO 3;

SiO 2 + CaO \u003d CaSiO 3

3. Al ser un óxido no volátil, el SiO 2 desplaza el dióxido de carbono del Na 2 CO 3 (por fusión):

SiO 2 + Na 2 CO 3 \u003d Na 2 SiO 3 + CO 2

4. La sílice reacciona con el ácido fluorhídrico, formando ácido hidrofluorosilícico H 2 SiF 6:

SiO 2 + 6HF \u003d H 2 SiF 6 + 2H 2 O

5. A 250 - 400 ° C, el SiO 2 interactúa con HF y F 2 gaseosos, formando tetrafluorosilano (tetrafluoruro de silicio):

SiO 2 + 4HF (gas) \u003d \u200b\u200bSiF 4 + 2H 2 O

SiO 2 + 2F 2 \u003d SiF 4 + O 2

Ácido silícico

Conocido:

Ácido ortosilícico H 4 SiO 4;

Ácido meta-silícico (silícico) H2SiO3;

Ácidos di y polisilícicos.

Todos los ácidos silícicos son poco solubles en agua y forman fácilmente soluciones coloidales.

Métodos de obtención

1. Precipitación con ácidos de soluciones de silicatos de metales alcalinos:

Na 2 SiO 3 + 2HCl \u003d H 2 SiO 3 ↓ + 2NaCl

2. Hidrólisis de clorosilanos: SiCl 4 + 4H 2 O \u003d H 4 SiO 4 + 4HCl

Propiedades químicas

Los ácidos silícicos son ácidos muy débiles (más débiles que el ácido carbónico).

Cuando se calientan, se deshidratan para formar sílice como producto final.

H 4 SiO 4 → H 2 SiO 3 → SiO 2

Silicatos - sales de ácido silícico

Dado que los ácidos silícicos son extremadamente débiles, sus sales en soluciones acuosas están altamente hidrolizadas:

Na 2 SiO 3 + H 2 O \u003d NaHSiO 3 + NaOH

SiO 3 2- + H 2 O \u003d HSiO 3 - + OH - (medio alcalino)

Por la misma razón, cuando el dióxido de carbono pasa a través de soluciones de silicato, el ácido silícico se desplaza de ellas:

K 2 SiO 3 + CO 2 + H 2 O \u003d H 2 SiO 3 ↓ + K 2 CO 3

SiO 3 + CO 2 + H 2 O \u003d H 2 SiO 3 ↓ + CO 3

Esta reacción se puede considerar como una reacción cualitativa para iones de silicato.

Entre los silicatos, solo el Na 2 SiO 3 y el K 2 SiO 3 son altamente solubles, que se denominan vidrio soluble, y sus soluciones acuosas se denominan vidrio líquido.

Vaso

El vidrio de ventana ordinario tiene la composición Na 2 O CaO 6SiO 2, es decir, es una mezcla de silicatos de sodio y calcio. Se obtiene fusionando sosa Na 2 CO 3, piedra caliza CaCO 3 y arena SiO 2;

Na 2 CO 3 + CaCO 3 + 6SiO 2 \u003d Na 2 O CaO 6SiO 2 + 2CO 2

Cemento

Aglutinante en polvo, que forma una masa plástica al interactuar con el agua, que con el tiempo se convierte en un cuerpo sólido similar a una piedra material de construcción básico.

La composición química del cemento Portland más común (en% en peso) es de 20 a 23% de SiO 2; 62 - 76% CaO; 4 - 7% de Al _ {2} O _ {3}; 2-5% de Fe 2 O 3; 1-5% de MgO.

En condiciones normales, las modificaciones alotrópicas del carbono (grafito y diamante) son bastante inertes. Pero con un aumento en t, entran activamente en reacciones químicas con sustancias simples y complejas.

Propiedades químicas del carbono

Dado que la electronegatividad del carbono es baja, las sustancias simples son buenos agentes reductores. El carbono cristalino fino se oxida más fácilmente, el grafito es más difícil y el diamante es aún más difícil.

Las modificaciones alotrópicas del carbono son oxidadas por el oxígeno (quemado) a ciertas temperaturas de ignición: el grafito se enciende a 600 ° C, el diamante - a 850-1000 ° C. Si hay exceso de oxígeno, se forma monóxido de carbono (IV), si hay una deficiencia - monóxido de carbono (II):

C + O2 \u003d CO2

2C + O2 \u003d 2CO

El carbono reduce los óxidos metálicos. Esto da metales libres. Por ejemplo, cuando el óxido de plomo se calcina con coque, el plomo se funde:

PbO + C \u003d Pb + CO

agente reductor: C0 - 2e \u003d\u003e C + 2

agente oxidante: Pb + 2 + 2e \u003d\u003e Pb0

El carbono también presenta propiedades oxidantes en relación con los metales. Al mismo tiempo, forma varios tipos de carburos. Entonces, con el aluminio, las reacciones tienen lugar a alta temperatura:

3C + 4Al \u003d Al4C3

C0 + 4e \u003d\u003e C-4 3

Al0 - 3e \u003d\u003e Al + 3 4

Propiedades químicas de los compuestos de carbono.

1) Dado que la fuerza del monóxido de carbono es grande, entra en reacciones químicas a altas temperaturas. Con un calentamiento significativo, aparecen las altas propiedades reductoras del monóxido de carbono. Entonces, reacciona con óxidos metálicos:

CuO + CO \u003d\u003e Cu + CO2

A temperaturas elevadas (700 ° C), se enciende en oxígeno y arde con una llama azul. A partir de esta llama, puede descubrir que como resultado de la reacción, se forma dióxido de carbono:

CO + O2 \u003d\u003e CO2

2) Los dobles enlaces en la molécula de dióxido de carbono son lo suficientemente fuertes. Para romperlos, se requiere una energía considerable (525,6 kJ / mol). Por tanto, el dióxido de carbono es bastante inerte. Las reacciones en las que entra a menudo tienen lugar a altas temperaturas.

El dióxido de carbono es ácido cuando reacciona con el agua. Esto forma una solución de ácido carbónico. La reacción es reversible.

El dióxido de carbono como óxido ácido reacciona con álcalis y óxidos básicos. Cuando se pasa dióxido de carbono a través de una solución alcalina, se puede formar una sal media o ácida.

3) El ácido carbónico tiene todas las propiedades de los ácidos e interactúa con álcalis y óxidos básicos.

Propiedades químicas del silicio

Silicio es más activo que el carbono y se oxida por oxígeno ya a 400 ° C. Otros no metales pueden oxidar el silicio. Estas reacciones suelen tener lugar a una temperatura más alta que con el oxígeno. En estas condiciones, el silicio interactúa con el carbono, en particular con el grafito. Esto da como resultado la formación de carborundo de SiC, una sustancia muy dura, superada solo por el diamante en dureza.

El silicio también puede ser un agente oxidante. Esto se manifiesta en reacciones con metales activos. Por ejemplo:

Si + 2Mg \u003d Mg2Si

La mayor actividad del silicio en comparación con el carbono se manifiesta en el hecho de que, a diferencia del carbono, reacciona con los álcalis:

Si + NaOH + H2O \u003d\u003e Na2SiO3 + H2

Propiedades químicas de los compuestos de silicio

1) Los fuertes enlaces entre los átomos en la red cristalina del dióxido de silicio explican la baja actividad química. Las reacciones en las que entra este óxido tienen lugar a altas temperaturas.

El óxido de silicio es un óxido ácido. Como sabes, no reacciona con el agua. Su naturaleza ácida se manifiesta en reacción con álcalis y óxidos básicos:

SiO2 + 2NaOH \u003d Na2SiO3 + H2O

Las reacciones con óxidos básicos tienen lugar a altas temperaturas.

El óxido de silicio presenta pocas propiedades oxidantes. Es reducido por algunos metales activos.

Características generales del cuarto grupo del subgrupo principal:

• a) propiedades de los elementos en términos de estructura atómica;
• b) estado de oxidación;
• c) propiedades de los óxidos;
• d) propiedades de los hidróxidos;
• e) compuestos de hidrógeno.

a) Carbono (C), silicio (Si), germanio (Ge), estaño (Sn), plomo (Pb): elementos del grupo 4 del subgrupo principal del PES. En la capa externa de electrones, los átomos de estos elementos tienen 4 electrones: ns 2 np 2. En un subgrupo, con un aumento en el número ordinal de un elemento, el radio atómico aumenta, las propiedades no metálicas se debilitan y las metálicas se intensifican: el carbono y el silicio son no metales, germanio, estaño, plomo son metales.

b) Los elementos de este subgrupo exhiben estados de oxidación tanto positivos como negativos: -4, +2, +4.

c) Los óxidos superiores de carbono y silicio (CO2, SiO2) tienen propiedades ácidas, los óxidos de los otros elementos del subgrupo son anfóteros (GeO2, SnO2, PbO2).

d) Los ácidos carbónico y silícico (H 2 CO 3, H 2 SiO 3) son ácidos débiles. Los hidróxidos de germanio, estaño y plomo son anfóteros, exhiben propiedades ácidas y básicas débiles: H 2 GeO 3 \u003d Ge (OH) 4, H 2 SnO 3 \u003d Sn (OH) 4, H 2 PbO 3 \u003d Pb (OH) 4.

e) Compuestos de hidrógeno:

CH 4; SiH 4, GeH 4. SnH 4, PbH 4. Metano: el CH 4 es un compuesto fuerte, el silano SiH 4 es un compuesto menos fuerte.

Diagramas de la estructura de átomos de carbono y silicio, propiedades generales y distintivas.

Con lS 2 2S 2 2p 2;

Si 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3p 2.

El carbono y el silicio no son metales, ya que hay 4 electrones en la capa externa de electrones. Pero como el silicio tiene un radio atómico más grande, es más característico de la capacidad de donar electrones que el carbono. Agente reductor de carbono:

Tarea. ¿Cómo demostrar que el grafito y el diamante son modificaciones alotrópicas del mismo elemento químico? ¿Cómo explicar las diferencias en sus propiedades?

Decisión. Tanto el diamante como el grafito, cuando se queman en oxígeno, forman monóxido de carbono (IV) C0 2, cuando se pasan a través del agua de cal, precipita un precipitado blanco de carbonato de calcio CaCO 3

C + 0 2 \u003d CO 2; C0 2 + Ca (OH) 2 \u003d CaCO 3 v - H 2 O.

Además, el diamante se puede obtener a partir del grafito calentándolo a alta presión. En consecuencia, solo el carbono se incluye en la composición tanto del grafito como del diamante. La diferencia en las propiedades del grafito y el diamante se explica por la diferencia en la estructura de la red cristalina.

En la red cristalina del diamante, cada átomo de carbono está rodeado por otros cuatro. Los átomos están ubicados a distancias iguales entre sí y están estrechamente conectados entre sí por enlaces covalentes. Esto explica la alta dureza del diamante.

El grafito tiene átomos de carbono en capas paralelas. La distancia entre capas adyacentes es mucho mayor que entre átomos vecinos en una capa. Esto da como resultado una baja fuerza de unión entre las capas y, por lo tanto, el grafito se divide fácilmente en escamas delgadas, que son muy fuertes en sí mismas.

Compuestos con hidrógeno formando carbono. Fórmulas empíricas, tipo de hibridación de átomos de carbono, valencia y estado de oxidación de cada elemento.

El estado de oxidación del hidrógeno en todos los compuestos es +1.

La valencia del hidrógeno es uno, la valencia del carbono es cuatro.

Fórmulas de ácidos carbónico y silícico, sus propiedades químicas en relación a metales, óxidos, bases, propiedades específicas.

H 2 CO 3 - ácido carbónico,

H 2 SiO 3 - ácido silícico.

H 2 CO 3 - existe solo en solución:

H 2 C0 3 \u003d H 2 O + C0 2

H 2 SiO 3 es un sólido, prácticamente insoluble en agua, por lo tanto, los cationes de hidrógeno en el agua prácticamente no se separan. A este respecto, el H 2 SiO 3 no presenta una propiedad tan general de los ácidos como un efecto sobre los indicadores, es incluso más débil que el ácido carbónico.

H 2 SiO 3 es un ácido frágil y se descompone gradualmente cuando se calienta:

H 2 SiO 3 \u003d SiO 2 + H 2 0.

H 2 CO 3 reacciona con metales, óxidos metálicos, bases:

a) H 2 CO 3 + Mg \u003d MgCO 3 + H 2

b) H 2 CO 3 + CaO \u003d CaCO 3 + H 2 0

c) H 2 CO 3 + 2NaOH \u003d Na 2 CO 3 + 2H 2 0

Propiedades químicas del ácido carbónico:

• 1) común con otros ácidos,
• 2) propiedades específicas.

Confirma la respuesta con las ecuaciones de reacción.

1) reacciona con metales activos:

Tarea. Mediante transformaciones químicas, separar una mezcla de óxido de silicio (IV), carbonato cálcico y plata, disolviendo sucesivamente los componentes de la mezcla. Describe la secuencia de acciones.

Decisión.

1) se añadió una solución de ácido clorhídrico a la mezcla.