Часть II. НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Раздел 11. ПОДГРУППА КАРБОНА

§ 11.6. Оксид кремния(V) и силикатная кислота

Оксид кремния(ИV) называют также кремнеземом. Это тугоплавкая твердая вещество, широко распространена в природе в двух вариантах: 1) кристаллический кремнезем - в виде минерала кварца и его разновидностей (горный хрусталь, халцедон, агат, яшма, кремень); кварц является основой кварцевых песков, которые широко используются в строительстве и силикатной промышленности; 2) аморфный кремнезем - в виде минерала опала состава SiO₂ ∙ nН₂О; землистими формами аморфного кремнезема являются диатомит, трепел (інфузорна земля); примером искусственного аморфного безводного кремнезема может быть силикагель, который добывают из метасилікату натрия:

Na₂SiO₃ + 2НСl = 2NaCl + Н₂SiO₃;

Н₂Sио₃ = Н₂О + SiO₂.

Силикагель имеет развитую поверхность, а поэтому хорошо адсорбирует влагу.

При 1 710°С кварц плавится. По быстрого охлаждения расплавленной массы образуется кварцевое стекло. Оно имеет очень малый коэффициент расширения, благодаря чему каленое кварцевое стекло не трескается при быстром охлаждении водой. Из кварцевого стекла изготовляют лабораторная посуда и приборы для научных исследований.

Простейшая формула оксида кремния(ИV) SiO₂ аналогична формуле оксида карбона(ИV) СО₂. Однако их физические свойства значительно отличаются (Sио₂ - твердое вещество, СО₂ - газ). Это различие объясняется строением кристаллических решеток: СО₂ кристаллизуется в молекулярной решетке, SiO₂ - в атомной. Структуру SiO₂ в плоскостном изображении можно представить так:

Координационное число атома углерода в твердом СО₂ равна 2, а кремния в SiO₂ равно 4. Каждый атом кремния помещенный в тетраэдр из 4 атомов кислорода. При этом атом кремния находится в центре, а в вершинах тетраэдра расположены атомы кислорода. Весь кусок кремнезема можно рассматривать как кристалл, формула которого (SiO₂)n. Такое строение оксида кремния(ИV) обусловливает его высокую твердость и тугоплавкость.

По химическим свойствам оксид кремния(ИV) Sио₂ принадлежит к кислотных оксидов. При сплава его с твердыми щелочами, основными оксидами и карбонатами образуются соли кремневой кислоты:

SiO₂ + 2NaOH = Na₂SiO₃ + Н₂О;

SiO₂ + CaO = СаSио₃;

SiO₂ + Na₂CO₂ = Na₂SiO₃ + CO₂.

С оксидом кремния(ИV) взаимодействует только плавиковая кислота:

SiO₂ + 4HF = SiF₄ + 2Н₂О.

С помощью этой реакции осуществляют травление стекла. В воде оксид кремния(ИV) не растворяется и с ней химически не взаимодействует. Поэтому силикатную кислоту добывают косвенным способом, действуя кислотой на раствор силиката калия или натрия:

SiO^2-₃ + 2Н⁺ = H₂SiO₃.

При этом силикатную кислоту (в зависимости от концентрации исходных растворов соли и кислоты) можно добыть как в виде студенистой массы, содержащей воду, так и в виде коллоидного раствора (золя).

Силикатная кислота построена из тетраэдрических структурных звеньев (в каждом таком звене атом кремния находится в центре тетраэдра, в вершинах размещены атомы кислорода). Структурные звенья, объединяясь в цепи, образуют более устойчивые полісилікатні кислоты:

Состав такого соединения можно выразить формуле (Н₂Sио₃)n. Однако конечно силикатную кислоту изображают формулой Н₂SiO₃.

H₂SiO₃ - кислота очень слабая, малорастворимое в воде. При нагревании легко разлагается аналогично карбонатній кислоте:

H₂SiO₃ = Н₂О + SiO₂.

Как двохосновна кислота, диссоциирует ступенчато:

H₂SiO₃ ⇆ Н⁺ + HSiO^-₃ и HSiO^-₃ ⇆Н⁺ + SiO^2-₃.