Что такое оксид кремния

Оксид кремния (IV)

Оксид кремния (IV)

Физические свойства и нахождение в природе

Оксид кремния (IV) SiO₂ – это твердое вещество с атомной кристаллической решеткой. В природе встречается в виде кварца, речного песка, кремнезема и прочих модификаций:

Химические свойства

Еще пример : диоксид кремния взаимодействует с оксидом кальция.

SiO₂ + CaO → CaSiO₃

4. Из кислот диоксид кремния реагирует только с плавиковой или с газообразным фтороводородом:

5. При температуре выше 1000 °С оксид кремния реагирует с активными металлами, при этом образуется кремний.

SiO₂ + 2Mg → Si + 2MgO

Видеоопыт взаимодействия оксида кремния (IV) с магнием можно посмотреть здесь.

При избытке восстановителя образуются силициды:

SiO₂ + 4Mg → Mg₂Si + 2MgO

6. Оксид кремния (IV) взаимодействует с неметаллами.

Еще пример : оксид кремния взаимодействует с углеродом. При этом образуется карборунд и угарный газ:

SiO₂ + 3С → SiС + 2СО

При сплавлении оксид кремния взаимодействует с фосфатом кальция и углем:

Источник

Оксид кремния: формула и кристаллическая решётка

Для кремния свойственна переменная валентность, из-за чего могут образовываться сразу 2 оксида — диоксид и монооксид. Эти элементы отличаются не только физическими, но и химическими свойствами, благодаря чему они получили спрос в строительной промышленности, а также в сфере производства медикаментозных средств и продуктов питания. Общую формулу оксида кремния изучают на уроках химии в 9 классе.

Краткое описание

В природе диоксид кремния встречается в виде кварцевого песка. На основе этого материала образуются кристаллы яшмы, агатов, аметистов, топазов, горного хрусталя и халцедонов. На дне океанов и морей, где нет доступа для О2 и всегда сохраняется высокое давление, двуокись кремния образуется благодаря микроорганизмам и остаткам водорослей. Это кристаллическое вещество доступно для синтезирования. Общая формула оксида кремния (IV) — SiO2. В земных породах он представлен в виде бесцветных кристаллов, которые относятся к кислотным оксидам.

Основные химические и физические свойства SiO2 повлияли на то, что этот элемент начали использовать в качестве пищевой добавки Е551. Кремний помогает предотвратить слёживание сыпучих продуктов. SiO2 отличается своей тугоплавкостью. Температура плавления этого вещества находится в пределах +1600 °C. Элемент нерастворим в Н2О.

В промышленности большой спрос получили напыления из диоксида кремния, которые обладают диэлектрическими свойствами. Кристаллическая решётка может принимать несколько полиморфных состояний под воздействием высокой температуры и давления. Распространённым аморфным диоксидом является кварцевое стекло.

Способы получения

Диоксид кремния можно получить не только из природных ресурсов, но и благодаря синтезированию. В лабораторных условиях доступно 2 способа: безводный и водный. В последнем случае применяются следующие технологии:

Химическая реакция гидролиза зависит от того, какой гидроксид натрия взаимодействует с хлористым кремнием, например, SiCl4 + 4NaOH = SiO2 + 4NaCl + 2H2O. Выполнить гидролиз можно в аммиачных/водных растворах или газовой среде. В этом случае используется этанол или органика. К безводным способам получения оксида кремния относятся:

Диоксид кремния получил огромный спрос в разных сферах современной промышленности, поскольку отличается доступностью и долговечностью.

Химические свойства

Диоксид кремния обладает немолекулярным принципом строения. Кристаллическая решётка образуется благодаря атомам SiO2 и О2. Они связаны между собой ковалентным способом. Кремнозем можно получить в лабораторных условиях, предварительно нагрев SiO2 до отметки +500 °C. Дополнительно должен присутствовать кислород. Эту химическую реакцию можно изобразить следующим образом: Si + O2 → SiO2.

В результате воздействия кислот на растворимые силикаты образуется диоксид силициума. Образующаяся кремниевая кислота распадается на SiO2 и Н2О, например:

При комнатной температуре и небольшом давлении SiO2 реагирует исключительно с плавиковой кислотой.

В результате нагревания кремний может вступать в реакцию с основными оксидами и щелочами. Кремнозем не реагирует на Н2О. Среди ключевых химических свойств диоксида кремния можно выделить:

Химические свойства кремния повлияли на то, что это вещество активно применяется практически во всех отраслях современной промышленности.

Физические характеристики

SiO2 имеет порядковый номер 14, находится в таблице Менделеева в IV группе 3 периода. При определённых условиях возможно образование двух оксидов кремния:

По внешнему виду оксид кремния представляет собой прозрачные кристаллы. Плотность этого вещества составляет 2,648 г/ см³. Плавиться оксид кремния начинает при температуре +1600 °C, а кипит при +2230 °C.

В различных отраслях промышленности SiO2 активно используется благодаря тому, что он прочный и твёрдый. В природных условиях это вещество представлено в виде кварца или песка. Небольшое количество SiO2 содержится в стенках диатомовых водорослей. Вещество отличается наличием различных полиморфных модификаций, но чаще всего можно встретить:

SiO2 представляет собой кислотный окисел. Именно от этого факта зависят многие химические свойства вещества, а также специфичность его использования в промышленных целях.

Силикаты и их значение

Соли кремниевой кислоты (nSiO2·mH2O) чаще всего не растворяются в Н2О. В категорию исключений входят только силикаты калия и натрия, которые принято называть жидким стеклом. Для nSiO2·mH2O свойственны все характеристики средних солей. Силикаты взаимодействуют с кислотами, из-за чего в итоге получаются нерастворимые кремниевые кислоты, например, Na2SiO3 + 2HCl = 2NaCl + H2SiO3. Аналогичным образом действует угольная кислота. Изобразить химическую реакцию можно так: Na2SiO3 + CO2 + H2O = Na2CO3 + H2SiO3↓.

Силикаты часто встречаются в природе. Их свойства могут существенно различаться, так как всё зависит от состава и принципа строения. Чаще всего силикаты имеют красивый цвет, благодаря чему они получили большой спрос в ювелирной промышленности (изумруд, гранат, топаз).

Знакомое всем стекло тоже относится к силикатам. Его состав можно показать следующей формулой: Na2O*CaO*6SiO2. Прочное и долговечное стекло получают после того, как смесь из известняка, белого песка и соды прошла через сплавление в специальной печи: 6SiO2 + Na2CO3 + CaCO3 = Na2O * CaO*6SiO2 + 2CO2. При помощи различных добавок можно получить более интересные разновидности и оттенки стекла: Со2+ (синий цвет), Pb2+ (хрусталь), Ск3+ (зелёный цвет).

Сферы применения

Оксид кремния может обладать разными полиморфными состояниями, благодаря чему получил огромный спрос в различных областях. Чаще всего он используется в следующих сферах:

Кварцевый песок получил большой спрос в строительстве, так как его используют для производства бетона, железобетонных изделий, цемента. Без этого материала не обходится изготовление огнеупорных товаров и диэлектриков. Кварцевый песок используется для производства керамики и стекла.

В косметологии активно применяются хроматографы, а также специальные устройства для очищения кожных покровов ультразвуковыми волнами.

На основе SiO2 изготавливаются интегральные микросхемы, различные электронные детали и оптическое волокно, которое обеспечивает стабильную работу этих аппаратов.

Проведённые лабораторные исследования показали, что диоксид кремния абсолютно безопасен для организма человека. SiO2 не проникает в кровоток через слизистую оболочку органов пищеварительного тракта, выводится естественным путём. Но чрезмерное употребление продуктов, в которых содержится пищевая добавка Е551, чревато существенным ухудшением работы ЖКТ.

Во Франции были проведены исследования, которые показали, что умеренное применение препаратов с SiO2 помогает на 10% снизить вероятность развития болезни Альцгеймера. Если в составе препарата указано название оксида, тогда принимать его можно только после предварительной консультации с врачом. В этом случае можно будет снизить риск негативного воздействия на организм.

Источник

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:

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:

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:

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:

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.

Источник

Диоксид кремния (Е551)

Кремнезем, по латыни Silicondioxide, silica – это двуокись кремния. Что же представляет собой такое соединение? Это твердые кристаллы без цвета, не имеющие запаха, они достаточно твердые, прочные, пластичные и тугоплавкие. В природе это самый обычный кварц, мельчайшие прозрачные песчинки, которые образуются при окислении кремния (Si).

SiO₂ – молекулярная (химическая) формула диоксида кремния.

Свойства диоксида кремния

Это соединение – высший, четырехвалентный кислотный оксид кремния. Он обладает идеальной устойчивостью к действию кислорода, различных кислот (при температуре плавления, равной 1 600 ºС, растворяется плавиковой кислотой, щелочами). Диоксид кремния не растворяется водой, является диэлектриком (не проводит ток).

Siliconiumdioxide- идеальный нейтрализатор щелочи.

Производство кремнезема для пищевой промышленности

В пищевой промышленности SiO₂ используют как добавку в пищу, которая имеет собственный индекс в европейской системе кодов – Е551.

Диоксид кремния в чистом виде не применяется в пищевой промышленности. В ней используют порошковый SiliconDioxide, другими словами, «белую сажу», аморфный кремнезем. Производство Е551 осуществляется на специализированных заводах двумя методами искусственного синтезирования: нагреванием Si в кислородной среде при температуре, равной пятистам градусам по Цельсию, происходит окислительная реакция, в результате которой получается белая сажа, и в специальных стерилизаторах при tº 1 000 ºС происходит реакция паров SiliconаTetrachloridа в пламени водорода (второй метод).

Синтезированный Silicondioxide относится к группе эмульгаторов, которые обеспечивают однородность смесям несмешивающихся веществ в природе, таких, как масло (растительного и животного происхождения) и жир с водой.

Применение эмульгатора Е551 в пищевом производстве разрешено во всех странах без исключения (в том числе в РФ, Беларуси, Украине, европейских странах) при условии, что его содержание в готовом продукте не превышает лимита, т.е. 30 гр/кг. Он не наносит вред здоровью, безопасен в употреблении.

Особые требования предъявляются к упаковке и условиям хранения пищевой добавки.

Для упаковки применяют мешки, изготовленные из прочного полиэтилена или специальной оберточной бумаги (kraft), а также полипропилена (обязательное присутствие вставки из полиэтилена).

Хранить пищевую добавку Е551 следует в сухом, закрытом помещении при установленном режиме влажности и определенной вентиляции.

Использование диоксида кремния

Пока уникальные свойства вещества не были изучены, оно главным образом применялось для изготовления строительных материалов, таких как бетон и цемент.

Но по мере исследования Siliconаdioxide учеными, медиками, физиологами, химиками стали известны и другие его признаки. Вещество стали применять в радиотехнике, в производстве огнеупорных материалов и резины.

Благодаря своим свойствам вещество нашло широкое применение в различных отраслях промышленности, в том числе пищевой, фармацевтической, косметологической.

В пищевой промышленности эмульгатор используют как антикоагулятор (стабилизатор) и нейтрализатор, а также как загуститель. Он помогает продуктам сохранять сыпучесть, предотвращает образование комков и слеживание:

Влияние на организм человека, польза и вред

До конца влияние на организм двуокиси кремния учеными не изучено, но из их исследований на сегодняшний день можно сделать вывод, что вещество не наносит вред здоровью при его правильном употреблении.

Диоксид кремния полностью выводится из организма, не всасывается в желудочно-кишечный тракт.

Помимо этого, Silicondioxide присутствует в организме, в крови и плазме.

Немецким физиологом на основе его практики было доказано, что кремнезем полезен для человека, он предупреждает и предотвращает атеросклероз, укрепляет и очищает сосуды. Вода кремния имеет не только абсорбирующие свойства, выводит шлаки и токсичные вещества из человеческого организма, но еще и антибактериальные.

Существует теория, что вещество оказывает положительное влияние на организм человека и сокращает риск дальнейшего развития такого заболевания, как болезнь Альцгеймера. Однако это лишь гипотеза, которую следует доказать ученым.

Ясно одно, что существенный вред здоровью может нанести пыль диоксида кремния при ее вдыхании (только на промышленных производствах). Она может послужить развитию таких заболеваний, как силикоз легких. Умеренное использование пищевой добавки Е551 безопасно для здоровья.

Источник