Гидроксид кремния - формула, свойства и применение соединения

Краткое описание

От 26 до 30% от общей массы земной коры состоит из гидроксида кремния (общая формула — H2SiO3). В морской воде концентрация этого вещества достигает отметки 3 мг/л. По уровню распространённости в литосфере кремний находится на втором месте после О2. Наиболее востребованная форма H2SiO3 — кремнезём, который является диоксидом. Химические и физические свойства этого материала повлияли на его распространённость в промышленности.

H2SiO3 — неметалл, который в зависимости от созданных условий может проявлять не только кислотные, но и основные характеристики. Кремний является полупроводником, из-за чего активно используется в электротехнике. От аллотропного состояния зависят химические и физические свойства H2SiO3. Чаще всего приходится работать с кристаллической формой неустойчивого вещества, так как его характеристики наиболее востребованы в народном хозяйстве.

Номенклатура кремниевой кислоты (химическая формула — nSiO2•mH2O) включает в себя различные подвиды. Условное обозначение химического состава выглядит так:

1. Дикремниевые. Речь идёт о H6Si2O7, H2Si2O5, H10Si2O9. При температуре +20 °C показатель растворимости в Н2О составляет 2.93 моль/л (-4 степень).
2. Ортокремниевые (H4SiO4). Метакремниевая и ортокремниевая кислоты являются наиболее распространёнными химическими веществами этого вида.
3. Пирокремниевые соединения (H6Si2O7).

Наиболее распространённая форма кремния представляет собой тёмно-серый порошок. Это вещество имеет алмазоподобную кристаллическую решётку, но между атомами слишком длинная связь, с чем и связана хрупкость неметалла.

Соли кремниевых кислот обозначаются только как силикаты. В состав поликремневых кислот входят специфические структурные звенья, которые соединены между собой в сложные разветвлённые, а также линейные цепи. В графических формулах и отдельных характеристиках присутствуют серьёзные различия, но все виды этих химических соединений обладают тетраэдрическим принципом строения. Гидрат окиси кремния (кремнезём) обязательно присутствует в составе экзоскелетов одноклеточных простейших.

Преимущества и недостатки

Как и многие другие химические вещества, гидроксид кремния обладает определёнными положительными и негативными характеристиками, от которых зависит сфера его применения. Среди основных преимуществ можно выделить:

1. Образование большого количества различных соединений с полезными свойствами. Например, силициды, силаны, диоксиды и силикаты. H2SiO3 и его соединения могут образовывать различные растворы, которые необходимы для производства камня, стекла и керамики.
2. Доступность и долговечность. В природе кремний находится не в свободном виде, но технология производства этого вещества не отличается сложностью.
3. H2SiO3 нетоксичен, благодаря чему использовать его можно в любой отрасли. Технологический процесс не обладает потенциальной опасностью, благодаря чему риск негативного воздействия на человека и окружающую среду сведён к минимуму.

Среди недостатков H2SiO3 можно выделить только небольшую хрупкость.

Гидроксид кремния запрещено использовать для возведения несущих конструкций. H2SiO3 пользуется большим спросом при обработке поверхности кристаллов, что является актуальным в сфере приборостроения.

Особенности кремниевых кислот

В природе высшего гидроксида кремния не существует. Аморфный H2SiO3 в результате взаимодействия с паром Н2О при температуре +500 °C образует водород и диоксид кремния. Уравнение этой химической реакции можно изобразить следующим образом: Si (аморфный) + 2H2O (пар) → SiO2 + 2H2.

Диоксид кремния представляет собой слабый кислотный оксид. Если задействовать водород и H2SiO3, то в итоге можно будет получить nSiO2∙mH2O. Характер кремниевой кислоты зависит от общего количества атомов кремния, водорода и кислорода, например:

• пирокремниевые (H6Si2O7);
• метакремниевые (H2SiO3);
• дикремниевые (H2Si2O5, H10Si2O9);
• ортокремниевые (H4SiO4).

На уроках химии в 10 классе можно узнать, что соли кремниевых кислот называются силикатами.

Научные исследования показали, что nSiO2∙mH2O нельзя получить в результате взаимодействия оксида кремния с Н2О. Это связано с тем, что диоксид не реагирует с водой даже при воздействии высокой температуры. Если задействовать водород, тогда в итоге будет образован чистый H2SiO3.

Химические свойства

H2SiO3 не имеет выраженного запаха, а также плохо растворяется в воде. Кислоты кремния существенно отличаются от остальных органических веществ. Основные различия:

• кислоты не диссоциируют;
• при взаимодействии с Н2О образуется коллоидный раствор;
• кремниевые кислоты не влияют на окраску индикатора.

Растворить nSiO2∙mH2O можно в растворах щелочей и специальных расплавах. В итоге образуются силикаты: H2SiO3 + 2KOH → K2SiO3 + 2H2O. Все соединения с кремнием реагируют с плавиковой кислотой, например, H2SiO3 + 6HF → H2SiF6 + 3H2O → SiF4 + 2HF + 3H2O. В результате воздействия соляной кислоты на кремний происходит образование сложного соединения под названием хлорсилан, а также выделяется газ (водород).

Если для проведения химической реакции используется кремний плюс гидроксид натрия, тогда результат будет следующим: Si + NaOH → Na4SiO4 + 2H2. Свойства кремниевых кислот повлияли на то, что эти химические вещества активно используются для серийного производства керамических покрытий и прочных изделий из керамики. nSiO2∙mH2O применяется для изготовления силикагеля (SiOH), стекла и различных фильтров.

Физические характеристики

В промышленности чаще всего используется кремний в виде кристаллов, которые обладают востребованными техническими свойствами. Среди основных физических характеристик H2SiO3 можно выделить то, что это вещество начинает плавиться при температуре +1427 °C, а закипает при +2600 °C.

Уровень теплоёмкости и теплопроводность не обладают постоянными характеристиками, но чаще всего итоговый показатель находится в пределах 800 Дж/(кг*К). Материал довольно хрупкий, так как его плотность составляет всего 2.33 г/куб. см. Твёрдость по шкале Мооса не превышает 7 баллов. H2SiO3 прозрачен для длинноволнового инфракрасного излучения, что очень важно при изготовлении качественной оптики.

Итоговые электрические свойства гидроксида кремния зависят от присутствующих примесей. Для серийного изготовления каких-либо товаров научились использовать эту особенность элемента, извлекая из неё огромную пользу, так как всегда можно скорректировать нужный тип полупроводника. В обычных условиях H2SiO3 является весьма хрупким веществом, но при нагревании до +800 °C не исключена пластическая деформация.

Гидроокись кремния относится к разряду простейших nSiO2•mH2O, которые образуют соли — силикаты. H2SiO3 в виде белого порошка практически не растворяется в воде, не имеет выраженного вкуса и запаха. Частицы кремния округлые, из-за чего наделены незначительными адсорбирующими и абразивными свойствами. H2SiO3 входит в состав многих фармацевтических препаратов, поскольку хорошо переносится организмом человека, а вероятность возникновения побочных реакций сведена к минимуму.

Сферы применения

Свойства H2SiO3 зависят от наличия в составе примесей, благодаря которым можно получить кристаллы кремния с определёнными характеристиками. Основные сферы применения элемента:

1. В металлургической отрасли гидроксид кремния используется в качестве модификатора сплавов. H2SiO3 применяется как раскислитель при производстве высококачественного чугуна.
2. Гидроксид кремния является основой электротехники. Это вещество входит в состав различных фотоэлементов, транзисторов, диодов, интегральных схем. Функциональность готового устройства зависит от характеристики поверхностного слоя кристалла.
3. Соли кремниевой кислоты легко разлагаются под воздействием высокой температуры. Они используются для серийного производства керамики, стекла, бетона, фаянса, хрусталя, цемента.
4. В результате соединения неметалла H2SiO3 с углеродом образуется карбид, который получил огромный спрос в металлургической отрасли, приборостроении, а также в химической промышленности. Это вещество зарекомендовало себя как широкозональный проводник, который отличается высокой твёрдостью. Карбид часто используют в качестве абразивного материала.
5. H2SiO3 позволяет образовывать различные соединения по типу углеродных связей, которые в научной среде называются кремнийорганическими. Эти вещества используются для изготовления автомобильных смазок, силикона, герметика.
6. Среди силикатов растворимыми являются только соли щелочных металлов, которые принято называть жидким стеклом. Силикаты калия и натрия входят в состав силикатного клея.

Концентрированные растворы H2SiO3 используются для пропитки деревянных изделий и тканей, чтобы придать им огнеупорные свойства. После высыхания силикаты образуют специальный стеклоподобный слой, который отлично противостоит Н2О.

В природе встречаются алюмосиликаты и силикаты, например, слюда, гранит, глина, асбест. Эти материалы активно применяются в строительной отрасли.

Кремний является распространённым элементом, который получил огромный спрос в различных отраслях народного хозяйства. В промышленности используется не только H2SiO3, но и его многочисленные соединения, которые при правильном применении безопасны для человека и окружающей среды.