Оксид кремния - формула, свойства и применение вещества

Кислородные соединения

Известно 2 соединения силициума с кислородом: монооксид (SiO) и диоксид (SiO2). Первый, двухвалентный, является неустойчивым: на воздухе он медленно окисляется до четырехвалентного: SiO + O2 → 2SiO2. При повышении температуры (от 400° C до 1000°C) реакция будет протекать так: 4SiO + O2 → 2Si2O3.

Si2O3 относится к низшим кислородным соединениям кремния. Данные о нем довольно ограничены — еще не так давно в среде химиков существование этого вещества оспаривалось. Объяснялось это не только трудностью его получения, но и необычностью основных свойств.

По внешнему виду SiO — порошок, тёмно-коричневого цвета, механически прочный, обладающий хорошими диэлектрическими характеристиками. Его химические свойства:

• Инертен по отношению к кислотам (кроме плавиковой): SiO + HF → SiF2 + H2O.
• Хорошо растворяется в щелочах: SiO + 4NaOH → Na4SiO4 + H2 + H2O.
• Проявляет свойства восстановителя.

Двухвалентный оксид в естественном виде в природе не встречается. Однако в газообразном состоянии он присутствует в космических пылевых облаках.

Получают монооксид путем нагревания кремния при недостатке кислорода, температура протекания реакции составляет 400 °C и выше: 2Si + O2 → 2SiO.

Еще один способ — восстановление диоксида кремнием при высоких температурах: SiO2 + Si → 2SiO.

Монооксид кремния используется при изготовлении волоконной оптики, изоляционных материалов, полупроводников (оптические слои).

Второе соединение с кислородом — диоксид кремния (наиболее характерное и устойчивое). Он широко распространен в природе — присутствует в составе практически всех горных пород.

Физические признаки и получение SiO2

Другое название соединения — кремнезем. Это твердое вещество с атомной кристаллической решеткой (в узлах расположены отдельные атомы, соединенные ковалентными связями). Температура плавления — 1713 °C, кипения — 2590 °C. Получение:

1. Окисление кремния: Si + O2 → SiO2.
2. Разложение водой сульфида: SiS2 + 2H2O → SiO2 + 2H2S.
3. Воздействие кислот на растворимые силикаты: Na2SiO3 + 2CH3COOH (уксусная кислота) → 2CH3COONa + H2SiO3; H2SiO3 → SiO2 + H2O.

В природе соединение встречается в виде обычного и кварцевого песка (из-за содержащихся в нем примесей может приобретать разную окраску), крупных прозрачных кристаллов горного хрусталя или фиолетового аметиста, агата, яшмы, в минералах тридимит и кристобалит (редкие камни).

Химические свойства

Диоксид кремния — соединение довольно инертное. По химическим свойствам — ангидрид кремневой кислоты. При нормальных условиях (комнатная температура) он слабо реагирует только с концентрированными щелочами и фторводородной кислотой.

При нагревании двуокись кремния взаимодействует с плавиковой кислотой: SiO2 + 4HF → SiF4 + 2H2O. Какие еще особенности присущи двуокиси силициума:

1. Взаимодействие со щелочами происходит только при повышенном давлении. В результате реакций образуются силикаты — соединения с кремнекислым радикалом: SiO2 + 2NaOH → Na2SiO3 + H2O; KOH + SiO2 → K2SiO3 + H2O.
2. Аналогично протекают и реакции взаимодействия с карбонатами щелочных металлов: SiO2 + Na2CO3 → Na2SiO3 + CO2.
3. Реагирование с оксидами щёлочноземельных металлов: SiO2 + CaO → CaSiO3.
4. С водой кремнезем не вступает во взаимодействие.
5. При нагревании до 1000 °C силициум будет реагировать с металлами, образуя при этом чистый кремний: SiO2 + 2Mg → Si + 2MgO.
6. Протекание реакций с неметаллами: SiO2 + 2H2 → Si + 2H2O; SiO2 + 3C → SiC (карборунд) + 2CO.

При реакции сплавления двуокиси кремния с фосфатом кальция и углеродом происходит образование силиката, угарного газа (CO) и выделение чистого фосфора (P): 3SiO2 + Ca3 (PO4)2 + 5C → 3CaSiO3 + 5CO + 2P.

Фосфат кальция — минеральное удобрение, используемое в сельском хозяйстве как источник фосфора.

Производственное применение стабильного оксида

До того времени, как его свойства не были исследованы досконально, кремнезем использовался лишь для изготовления стройматериалов (цемент, бетон). Но по мере его дальнейшего изучения сферы применения значительно расширились:

1. Крупные кристаллы кварца популярны в ювелирном деле — в качестве полудрагоценных камней (например, горный хрусталь, опал).
2. В промышленности — авиационная индустрия, оптика, электроника.
3. При производстве зубной пасты — как «мягкий» абразив.
4. В качестве огнеупорного вещества в сталелитейном производстве.
5. В фармацевтической отрасли (как загуститель) — при производстве мазей, суспензий, гелей.
6. При производстве ядохимикатов (средство для борьбы с клопами «Гектор») — порошок не отравляет насекомых, но он выводит воду из их организма, что приводит к последующему обезвоживанию и гибели вредителей.
7. В пищевой промышленности — как стабилизатор суспензий, загуститель, порошок для фильтрации (в производстве пива, масел, натуральных соков), для предотвращения слеживания и комкования сыпучих продуктов (сахара, муки, соли). Кроме того, этот материал используется как энтеросорбент и даже самостоятельная пищевая добавка (E551 — в сырах, специях, сухих завтраках).

Добавка E551 считается полностью безопасной для организма человека — он разрешена к использованию не только в России и странах бывшего СНГ, но также в государствах ЕС и США.

Однако вдыхание пыли двуокиси кремния может привести к появлению проблем со стороны дыхательной системы — бронхиту, реже — силикозу легких (заболеванию, снижающему способность легких перерабатывать кислород) и даже спровоцировать развитие онкозаболеваний.