II. Строение атома

Кремний

Кремний открыл и получил в 1823 году шведский химик Йенс Якоб Берцелиус.

Второй по распространённости элемент в земной коре после кислорода (27,6% по массе). Встречается в соединениях.

III. Аллотропия кремния

Известен аморфный и кристаллический кремний.

 

Кристаллический – тёмно-серое вещество с металлическим блеском, большая твёрдость, хрупок, полупроводник; ρ = 2,33 г/см³, t°пл. =1415°C; t°кип. = 2680°C.

Имеет алмазоподобную структуру и образует прочные ковалентные связи. Инертен.

Аморфный - бурый порошок, гигроскопичен, алмазоподобная структура, ρ = 2 г/см³, более реакционноспособен.

IV. Получение кремния

1) Получение в промышленности: нагревание угля с песком:

2C + SiO₂ ^t˚→ Si + 2CO

2) Получение в лаборатории: 

Опыт: “Нагревание песка с магнием”

2Mg + SiO₂  ^t˚→ Si + 2MgO    

Опыт

V. Химические свойства

Типичный неметалл, инертен.

1. Как восстановитель:

1) Взаимодействие с кислородом

Si⁰ + O₂  ^t˚→  Si⁺⁴O₂

2) Взаимодействие с фтором (без нагревания)

Si⁰ + 2F₂ →  SiF₄­

3) Взаимодействие с углеродом

Si⁰ + C  ^t˚→  Si⁺⁴C

(SiC - карборунд - твёрдый; используется для точки и шлифовки)

4) С водородом не взаимодействует

Силан (SiH₄) получают разложением силицидов металлов кислотой:

Mg₂Si + 2H₂SO₄ → SiH₄­ + 2MgSO₄

5) С кислотами не реагирует (только с плавиковой кислотой Si+4HF=SiF₄+2H₂)

Растворяется только в смеси азотной и плавиковой кислот:

3Si + 4HNO₃ + 18HF →  3H₂[SiF₆] + 4NO­ + 8H₂O

6) Взаимодействие со щелочами (при нагревании):

Si⁰ + 2NaOH + H₂O ^t˚→  Na₂Si⁺⁴O₃+ 2H₂­

Опыт: “Взаимодействие кремния с раствором щклочи”

2. Как окислитель:

7) Взаимодействие с металлами (образуются силициды):

Si⁰ + 2Mg  ^t˚→  Mg₂Si^-4

VI. Применение кремния

Кремний широко используется в электронике как полупроводник. Добавки кремния к сплавам повышают их коррозионную стойкость. Силикаты, алюмосиликаты и кремнезем – основное сырье для производства стекла и керамики, а также для строительной промышленности.

Слайды: Кремний в технике

Применение кремния и его соединений

VII. Соединения кремния

Физические свойства: Бесцветный газ, ядовит, t°пл. = -185°C, t°кип. = -112°C.

Получение: Mg₂Si + 4HCl → 2MgCl₂ + SiH_4­↑

Химические свойства:

1)  Окисление: SiH₄ + 2O₂ ^t˚→   SiO₂ + 2H₂O

2)  Разложение: SiH₄ → Si + 2H_2­

2. Оксид кремния (IV) - (SiO₂)_n

 SiO₂ - кварц, горный хрусталь, аметист, агат, яшма, опал, кремнезём (основная часть песка):

Кристаллическая решётка оксида кремния (IV) – атомная и имеет такое строение:

 Al₂O₃ • 2SiO₂ • 2H₂O - каолинит   K₂O • Al₂O₃ • 6SiO₂ - ортоклаз 

(основная часть глины)                           (полевой шпат)

Физические свойства: твёрдое, кристаллическое, тугоплавкое вещество, t°пл.= 1728°C, t°кип.= 2590°C

Химические свойства: 

Кислотный оксид. При сплавлении взаимодействует с основными оксидами, щелочами, а также с карбонатами щелочных и щелочноземельных металлов:

Опыт: “Изучение свойств оксида кремния (IV)”

1) Взаимодействие с основными оксидами:

SiO₂ + CaO ^t˚→ CaSiO₃

2) Взаимодействие со щелочами:

SiO₂ + 2NaOH ^t˚→ Na₂SiO₃ + H₂O

3) С водой не реагирует

4) Взаимодействие с солями:

SiO₂ + CaCO₃ ^t˚→ CaSiO₃ + CO₂­

SiO₂ + K₂CO₃ ^t˚→ K₂SiO₃ + CO₂­

5) Взаимодействие с плавиковой кислотой:

SiO₂ + 4HF ^t˚→ SiF₄­ + 2H₂O

SiO₂ + 6HF ^t˚→ H₂[SiF₆] (гексафторкремниевая кислота) + 2H₂O

 (реакции лежат в основе процесса травления стекла).

Применение:

1. Изготовление силикатного кирпича

2. Изготовление керамических изделий

3. Получение стекла

3. Кремниевые кислоты

x • SiO₂ • y H₂O

x = 1, y = 1     H₂SiO₃ - метакремниевая кислота

x = 1, y = 2     H₄SiO₄ - ортокремниевая кислота и т.д.

Физические свойства: H₂SiO₃ - очень слабая (слабее угольной), непрочная, в воде малорастворима (образует коллоидный раствор), не имеет кислого вкуса.

Получение:

Опыт: “Получение геля кремниевой кислоты”

Опыт:“Получение кремниевой кислоты”

Действие сильных кислот на силикаты: Na₂SiO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂SiO₃↓

Химические свойства:

При нагревании разлагается: H₂SiO₃  ^t˚→ H₂O + SiO₂

Соли кремниевой кислоты - силикаты.

 1) Взаимодействие с кислотами:

Na₂SiO₃+H₂O+CO₂=Na₂CO₃+H₂SiO₃↓

2) Взаимодействие с солями:

Na₂SiO₃+CaCl₂=2NaCl+CaSiO₃↓

3) Силикаты, входящие в состав минералов, в природных условиях разрушаются под действием воды и оксида углерода (IV) - выветривание горных пород:

(K₂O • Al₂O₃ • 6SiO₂) (полевой шпат)  + CO₂ + 2H₂O → (Al₂O₃ • 2SiO₂ • 2H₂O) (каолинит (глина)) + 4SiO₂ (кремнезём (песок)) + K₂CO₃

Применение соединений кремния

 

Керамика
Фарфор = каолин+ глина + кварц + полевой шпат. Родина фарфора – Китай, где фарфор известен уже в 220г. В 1746 г – налажено производство фарфора в России	Фаянс - от названия итальянского города Фаэнца. Где в 14-15веках было развито керамическое ремесленничество. Фаянс – отличается от фарфора большим содержанием глины (85%), более низкой температурой обжига.

Стекло – хрупкий, прозрачный материал, способен размягчаться и при застывании принимает любую форму. Стекло получают варкой шихты (сырьевой смеси, состоящей из песка, соды и известняка) в специальных стекловаренных печах. 

Видео: "Производство стекла"

  

Основные реакции, протекающие при плавке шихты

1. Na₂CO₃ + SiO₂ = Na₂SiO₃ + CO₂
2. CaCO₃ + SiO₂ = CaSiO₃ + CO₂ 
3. Na₂SiO₃ + CaSiO₃ + 4SiO₂ = Na₂O * CaO * 6SiO₂ - формула оконного стекла

При добавлении оксида свинца получают хрусталь.

Видео:“Сравнение свойств кварцевого и обычного стекла”

Это интересно:  «Как было открыто стекло»

Тысячи лет известно человеку стекло. Долгое время оно использовалось для украшения и изготовления драгоценных вещей. Но по-настоящему стекло стало полезным для всех, когда люди научились использовать главное его качество — прозрачность.

Никто в точности не знает, когда и где было впервые получено стекло, хотя известно, что оно использовалось с древнейших времен. Первобытные люди уже были знакомы с ним и обращали внимание на оплавившиеся после удара молнии камни, покрытые гладкой и вязкой стекловидной массой. В I веке до н.э. в Сирии был изобретен способ варки прозрачного, бесцветного стекла и выдувная трубка. Ее применение открыло новые возможности для широкого изготовления дешевой стеклянной посуды. Несколько позже сирийские мастера перенесли свое искусство стеклоделия в Италию.

Главные компоненты для изготовления стекла — песок, содовая зола, или поташ и известь, расплавленные вместе при высокой температуре. А так как все эти материалы широко распространены на Земле, секрет изготовления стекла мог быть обнаружен во многих странах. Поэтому единое мнение на этот счет отсутствует. Согласно одной из существующих версий, честь открытия стекла принадлежит древним финикийцам. Команда какого-то корабля, утверждает легенда, высадилась на берег реки в Сирии. Желая приготовить себе обед на огне, они не нашли больших камней, чтобы поставить на них горшок, и использовали для этой цели крупные куски селитры (соединения натрия) из груза корабля. От сильного жара селитра расплавилась, соединилась с окружающим песком и потекла струей 

жидкого стекла! Дело читателя — верить этому рассказу или нет, но бесспорно, что Сирия была одним из первых мест изготовления стекла на Земле. А финикийские торговцы продавали изделия из стекла во всех средиземноморских странах.

Другой страной, где изготовление стекла было известно издревле, был Египет. Стеклянные бусы и амулеты находили в гробницах, которые относятся к 7000 году до н.э. Впрочем, эти изделия могли попасть туда и из Сирии. Но мы точно знаем, что около 1500 года до н.э. египтяне делали собственное стекло. Для этого они использовали смесь измельченной кварцевой гальки с песком. Они также обнаружили, что если прибавить к этой смеси кобальт, медь или марганец, то можно получить стекло голубого, зеленого, пурпурного цвета.

После 1200 года до н.э. египтяне научились отливать стекло в стеклянных формах. Но трубка для выдувания стекла была неизвестна вплоть до начала христианской эры, когда ее изобрели финикийцы.

Большими умельцами по части изготовления стекла были римляне, которые, видимо, первыми начали делать тонкие оконные стекла. А к началу новой эры оконное стекло уже стало предметом повседневного быта!

Как и когда научились делать оконное стекло?

Техника римского стеклоделия была разнообразна. Выдувание из трубки стекла делалось с применением форм и без них. Изготавливали разнообразные фигурные сосуды из стекла, большинство из них составляло наиболее массовую продукцию. Усложнялись и приемы орнаментации стеклянных сосудов.

Изобретение на Востоке прозрачного и бесцветного стекла связано с еще одним большим достижением римлян: они изобрели способ изготовления плоского стекла, которое можно было бы вставлять в окна. Это случилось уже в I веке нашей эры. Для изготовления оконных стекол применяли деревянные формы-рамы. Их предварительно смягчали водой и затем выливали в них горячую стеклянную массу, растягивая ее щипцами до краев рамы. Поэтому края плоских оконных стекол, изготовленных таким способом, закругленные и слегка утолщенные. Обычный размер римского оконного стекла квадратной формы — 30-40 см. Но известны плоские оконные стекла и больших размеров. В Помпеях археологи обнаружили бронзовые оконные рамы с остатками стекла размером почти метр на метр и толщиной стекла в 13 мм.

Цемент – мелко измельчённый клинкер с минеральными добавками.

Клинкер - шарики тёмно-серого цвета получают спеканием глины и известняка в специальных вращающихся печах

Видео: "Производство бетона"

Это интересно: «Почему цемент затвердевает?»

Цемент — один из наиболее распространенных материалов в современном строительстве. Сам по себе он мелкий порошок. Но если его смешать с водой и дать затвердеть, он вместе с песком и гравием превращается в твердое, прочное вещество.

Цемент — главное составляющее вещество строительного раствора и бетона. Строительный раствор — это смесь цемента, песка и воды. Бетон — это та же самая смесь, но с добавлением гравия или измельченного камня.

Современный цемент производится путем нагревания известняка и глины или шлака до очень высокой температуры. Эта смесь нагревается до тех пор, пока не образовываются большие, спекшиеся куски. Их называют клинкерами. Клинкеры размалывают затем в порошок.

Когда вода добавляется к цементному порошку, происходят сложные химические реакции. В результате образуется стойкий искусственный камень, нерастворимый в воде.

Какая химическая реакция происходит, чтобы цемент затвердел?

У химиков нет точного ответа на этот вопрос. В состав цемента входит четыре компонента. Считают, что каждый из этих компонентов при добавлении воды превращается в кристаллы. Эти кристаллы сцепляются между собой, и цемент затвердевает.

Вид цемента, который затвердевает под водой, называется гидравлическим цементом. Удивительно то, что римляне открыли процесс получения гидравлического цемента в III—II веке до н.э. Они делали такой цемент путем смешивания вулканического пепла с известью. Это открытие было одним из выдающихся достижений римлян.

VII. Тренажеры 

Тренажёр №1 - Характеристика кремния по положению в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева

Тренажёр №2 - Тестовые задания по теме: "Углерод и кремний, их соединения"

Тренажёр №3 - Задания для контроля и самопроверки по теме "Углерод и кремний в природе. Применение углерода и кремния и их соединений"

VIII. Задания

Осуществите превращения по схеме:

1) Si → SiO₂ → Na₂SiO₃ → H₂SiO₃ →SiO₂

2) Si → Mg₂Si → SiH₄ → SiO₂

3) Si → Na₂SiO₃

ЦОРы

Учебный фильм: “Кремний”

Опыт:“Взаимодейчтвие магния с диоксидом кремния”

Опыт: “Взаимодействие кремния с раствором щклочи”

Опыт:“Получение силана”

Опыт: Изучение свойств оксида кремния (IV)

Опыт: “Получение геля кремниевой кислоты”

Опыт: “Получение кремниевой кислоты”

Видео: "Производство стекла"

Видео: Сравнение свойств кварцевого и обычного стекла

Видео: "Производство бетона"