Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ХИМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра неорганической химии

Курсовая работа

Оксиды кремния

Выполнила студентка 1 курса

3 группы

химического факультета БГУ

Корзун Д. А.

Руководитель:

ст. преподаватель кафедры неорганической химии Цобкало Ж. А.

Минск 2013



Оглавление

Введение

1. Общая характеристика и описание оксидов кремния

1.1 Нахождение в природе

1.2 Модификации оксида кремния (IV)

1.3 Особенности строения

1.4 Физические свойства

1.5 Химические свойства

2. Методы синтеза оксидов кремния

3. Применение оксидов кремния. Стёкла

4. Зачётный синтез

Заключение

Список использованных источников



Введение

Высокое сродство кремния к кислороду объясняет существование обширнейшего круга силикатных минералов и синтетических кислородных соединений кремния, которые играют важную роль в минералогии, промышленности и лабораторной практике. [1] Современные наноматериалы, фармакология, электротехника и пищевая промышленность не могут обойтись без данного типа соединений. Что бы выяснить причину этой зависимости, необходимо детально ознакомится с особенностями строения и свойствами оксидов кремния.

Темой настоящего исследования явилось изучение оксидов кремния.

Цель работы состояла в изучении свойств, строения и применения оксида кремния (II) и оксида кремния (IV), выявить методы получения диоксида кремния в коллоидном состоянии и в виде высокопористого материала, сравнить методики синтеза и на практике ознакомиться с физическими и химическими свойствами двуокиси кремния.

При написании курсовой работы были поставлены следующие задачи:

1. Рассмотреть различные виды оксидов кремния.

2. Охарактеризовать строение, физические и химические свойства каждого оксида.

3. Определить их место нахождения в природе и способы получения в промышленной и лабораторной практике.

4. Разобраться в их применении.

5. Провести зачётный синтез, подтверждая на практике теоретические знания о диоксиде кремния.

6. Сформулировать вывод.



1. Общая характеристика и описание оксидов кремния

Кремний образует главным образом два оксида: монооксид SiO и диоксид SiO₂, имеющий различные модификации и формы нахождения в природе.

1.1 Нахождение в природе

Наиболее стойким соединением кремния является диоксид кремния, или кремнезём, SiO₂. Он встречается как в кристаллическом, так и в аморфном виде. Кристаллический диоксид кремния находится в природе главным образом в виде минерала кварца. Прозрачные, бесцветные кристаллы кварца, имеющие форму шестигранных призм с шестигранными пирамидами на концах, называются горным хрусталем. Горный хрусталь, окрашенный примесями в лиловый называется аметистом, а в буроватый -- дымчатым топазом. Но чаще кварц встречается в виде сплошных полупрозрачны масс, бесцветных или окрашенных в разные цвета. Одной из разновидностей кварца является кремень. К мелкокристаллическим разновидностям кварца относятся агат и яшма. Кварц входит также в состав многих сложных горных пород, например гранита и гнейса.

Из мелких зерен кварца состоит обычный песок. Чистый песок - белого цвета, но чаше он бывает окрашен соединениями железа в желтый или красноватый цвет.

Кристаллический диоксид кремния очень тверд, нерастворим в воде и плавится около 1610°С, превращаясь в бесцветную жидкость. По охлаждении этой жидкости получается прозрачная стекловидная масса аморфного диоксида кремния, по виду сходного со стеклом.

Аморфный диоксид кремния распространен в природе гораздо меньше, чем кристаллический. На дне морей имеются отложения тонкого пористого аморфного кремнезема, называемого трепелом или кизельгуром. Эти отложения образовались из SiO₂, входившего в состав организмов диатомовых водоросли и некоторых инфузорий. [2]

Газообразный монооксид кремния присутствует в газопылевых облаках межзвездных сред и на солнечных пятнах. На нашей планете SiO не встречается. оксид кремний химический

1.2 Модификации оксида кремния (IV)

Наиболее широко распространённая кристаллическая модификация кремнезема - кварц - представляет собой главную составную часть обычного песка. Однако в некоторых природных и лабораторных условиях образуются и другие разновидности кремнезема. Модификации можно подразделить на следующие классы:

1. Безводный кристаллический кремнезем SiO₂.

2. Гидратированный кристаллический кремнезем SiO_2*xH₂O.

3. Безводный аморфный кремнезем, имеющий микропористое анизотропное строение. К этому классу относится волокнистый, или пластинчатый, кремнезем.

4. Массивное аморфное кварцевое стекло.

5. Безводный и содержащий воду кремнезем, подразделяемый по коллоидным признакам и имеющий микропористое изотропное строение. Сюда относятся золи, гели и тонкодисперсные порошки.

К безводным кристаллическим модификациям относятся кварц, тридимит и кристобалит, которые в зависимости от температуры самопроизвольно претерпевают внутригрупповые превращения.

Кварц может быть и в виде огромных кристаллов, и в форме порошков с размером частиц в несколько микрон, похожих на аморфные порошки кремнезема, и в виде бесформенных масс халцедонового агата или флинта, состоящих из плотно упакованных, соединенных между собой микроскопических кристаллов. Взаимные превращения между тремя распространенными модификациями кристаллического кремнезема и кварцевым стеклом следующие: [3]

Взаимные переходы между различными модификациями [4]

Ниже представлена группа из трех модификаций, образующихся при высоких температурах и давлениях:

Таблица 1.Область устойчивости температуры и давления различных модификаций диоксида кремния [3]

	ОБЛОСТЬ УСТОЙЧИВОСТИ
МОДИФИКАЦИИ	ТЕМПЕРАТУРА, °С	ДАВЛЕНИЕ, КБАР
Китит	400-500	0,8-1,3
Коэсит	от 300 до 1700	от 15 до 40
Стишовит	1200-1400	160

Взаимные переходы между различными модификациями в графическом виде:

Фазовая диаграмма переходов различных модификаций SiO₂ [4]

1.3 Особенности строения

SiO, SiO₂ имеют каркасную структуру, что обусловлено большим значением энергии связи Si-O (Е = 443 кДж/моль), а так же упрочнением связи Si - O - Si за счёт дополнительного р-связывания.

Для каждой модификации известны низкотемпературные б- и высокотемпературные в-формы. Они построены из тетраэдров SiO₄, соединенных с соседними тетраэдрами всеми четырьмя атомами кислорода в трехмерные решетки (именно такое соединение тетраэдров SiO₄ дает общий состав SiO₂: каждый атом кислорода одновременно принадлежит двум тетраэдрам, т.е. плюс атом кремния внутри тетраэдра). Наиболее наглядно способ их сочленения проявляется в кристобалите. Его структура является производной от структуры алмаза, здесь атомы кремния соединены кислородными мостиками --Si--О--Si--.

Взаимное расположение связанных тетраэдров SiO₄ в кристаллических модификациях SiO₂ совершенно различное, но между собой б- и в-формы отличаются незначительно (углом поворота тетраэдров относительно друг друга и небольшим смещением атомов). В целом низкотемпературные б-формы представляют собой немного искаженные высокотемпературные в-формы, поэтому переходы между ними протекают быстро и обратимо, без перестройки решетки.

Строение б-кварца и б-кристобалита (показаны кремний-кислородные тетраедры):

Строение б-кварца (слева) и б-кристобалита (справа) [4]

1.4 Физические свойства

Монооксид кремния - это тугоплавкий темно-коричневый порошок, обладает хорошими диэлектрическими характеристиками и механической прочностью.

Диоксид кремния - это очень твердое, прочное, тугоплавкое вещество белого цвета. Давление пара кремния диоксида 13,3-133 Па вблизи температуры плавления. Кремния диоксид - диэлектрик, r 10¹² Ом.м (20°С), 9.10^-1 Oм.м (1600°C). Монокристаллы б-кварца обладают хиральной структурой, что обусловливает их оптические активность и пьезоэлектрические свойства. Кварц прозрачен для ультрафиолетовых и частично инфракрасных лучей. SiO₂ относится к группе стеклообразующих оксидов, то есть, склонен к образованию переохлажденного расплава -- стекла. Один из лучших диэлектриков (электрический ток не проводит, если не имеет примесей и не нагревается). Имеет атомную кристаллическую решетку. Растворимость б-кварца в воде 10^-3% по массе (25°C), аморфных форм кремнезема 0,007-0,015%. Растворимость кремния диоксида в кислых и щелочных средах определяется природой растворителя. Кремния диоксид не растворимый в большинстве органических растворителей.

1.5 Химические свойства

В силу своей тугоплавкости, твёрдости и каркасной структуры SiO и SiO₂ являются химически инертными оксидами.

Пары монооксида SiO образуются при нагревании кремнезёма с кремнием при 1300єС и конденсируется в чёрно-коричневый порошок, на воздухе медленно окисляющийся до SiO₂. Твёрдый SiO обладает химической стойкостью (является несолеобразующим оксидом), он практически не растворяется в кислотах, кроме HF, однако легко растворим в щелочах:

SiO + 6HF_(р) = H₂[SiF₆] + H₂O + H₂

SiO + 2NaOH = Na₂SiO₃ + H₂

Оксид SiO является сильным восстановителем:

2SiO + 4AgClO₄ + 12HF = 4Ag + 4HClO₄ + 2H₂[SiF₆] + 2H₂O [4]

Диоксид кремния - типичный кислотный оксид, химические свойства различных модификаций сходны между собой. При высокотемпературном (t > 1000°С) восстановлении SiO₂ простыми веществами (металлами, углеродом, водородом) образуется кремний:

SiO₂ + 2Mg = Si + 2MgО

SiO₂ + 2H₂ = Si + 2H₂O

При избытке восстановителя -- силициды:

Si + 2Mg = Mg₂Si

SiO₂ + 3C = SiC + 2CO

Взаимодействие с неметаллами, такими как углерод, фтор:

SiO₂ + 3С = SiС + 2СO.

SiO₂ + 2F₂ = SiF₄ + O₂

Оксид кремния (IV) проявляет кислотные свойства при взаимодействии с растворами и расплавами щелочей, с основными оксидами и карбонатами:

SiO₂ + K₂CO₃ = K₂SiO₃ + CO₂

SiO₂ + СаО = CaSiO₃

SiO₂ + 2NaOH_(конц) = Na₂SiO₃ + H₂O

(горячая концентрированная щёлочь разъедает стекло)

Все формы SiO₂ химически устойчивы к воздействию кислот, но растворяются (кроме стишовита) в плавиковой кислоте с образованием комплексной гексафторокремниевой кислоты H₂[SiF₆]:

SiO₂ + 6HF_(p) = H₂[SiF₆] + 2H₂O [4]

Расщепление связи кремний -- кислород под воздействием плавиковой кислоты было показано на примере образования цикло-C₆H₁₁SiH₂F при нагревании (цикло-С₆Н₁₁SiH₂)₂О с 48%-ным водным раствором HF в течение 10 мин при 60°C.

(цикло-С₆Н₁₁SiH₂)₂О + 2HF > цикло-C₆H₁₁SiH₂F + H₂O.

Эта реакция совершенно аналогична хорошо известной реакции:

SiO₂ + 4HF SiF₄ + 2H₂O

Ход этой реакции в значительной степени определяется образованием очень прочных связей Si--F (связь Si--0 = 108 ккал/моль; связь Si--F = 135 ккал/моль); поэтому аналогичная реакция с хлористым водородом (связь Si--С1 = 91 ккал/моль) не протекает с такой легкостью, хотя и можно получить 25%-ный выход цикло-C₆H₁₁SiH₂Cl, если пользоваться нагретым хлористым водородом в присутствии Р₂О₅ (для удаления воды и смещения равновесия вправо). Йодистый водород может расщеплять связь кремний -- кислород в (СН₃SiO₂)₂O с образованием CH₃SiH₂I. Триорганосилилфториды (и хлориды) часто получают из соответствующего дисилоксана и фтористого (или хлористого) водорода, приготовленного нагреванием дисилоксана со смесью концентрированной серной кислоты и галогенида аммония. [5]

2. Методы синтеза оксидов кремния

Оксид кремния (II)

Монооксид кремния получают обычно при нагревании SiO₂ или силикатов с такими восстановителями, как водород, кремний или уголь, до температуры свыше ~1100°С в вакууме; при этом лучший выход достигается при использования кремния в качестве восстановителя. Образующийся газообразный мономерный SiO конденсируется в полимерной форме на частях реакционного прибора, которые нагреты не выше 400°С - температуры диспропорционирования SiO. На более горячих частях прибора осаждается бурая смесь из кремния и SiO₂, которые являются продуктами диспропорционирования.

Si + SiO₂ > SiO

Тесную смесь тонкоизмельченного кремния (>98,5% кремния) с прокаленным и тонкоизмельченным кварцем наивысшей чистоты (целесообразно спрессовать в таблетки) помещают в закрытую с одной стороны трубку из пифагоровой массы или спеченного корунда (ближе к закрытому концу). Трубка присоединена к высоковакуумному насосу. В трубке создают вакуум 10^-3--10^-4 мм рт. ст., а затем медленно нагревают закрытый конец трубки в электрической печи приблизительно до 1250°С, примерно через 4 ч процесс заканчивается. В той части трубки, которая во время нагревания имела более низкую температуру, находится SiO в виде черной хрупкой массы, а в переходной зоне трубки, имевшей в процессе нагревания температуру 400 - 700°С, - объемистая бурая смесь SiO₂ и кремния. SiO легко отделяется от стенок трубки с помощью шпателя из нержавеющей стали. Окисление SiO на воздухе обычно начинается уже при ~1000°С (хотя он может самопроизвольно тлеть), поэтому трубку после охлаждения следует заполнить азотом или аргоном. Извлечение SiO проводят также в среде инертного газа.

Особенно важно, чтобы нагревающаяся до 400--700°С переходная зона трубки, где образовавшийся SiO снова распадается на кремний и SiO₂, была как можно короче. Это имеет место в случае использования плохо проводящих тепло керамических трубок. Напротив, в хорошо проводящих тепло металлических трубках, которые тоже рекомендуются для получения SiO, эта переходная зона длиннее, и выход из-за этого чрезвычайно низкий.

Газообразный SiO можно также конденсировать прямо в горячей зоне на охлаждаемом водой «пальце» из железа или меди. При этом он осаждается в волокнистой форме. [6]

Оксид кремния (IV)

В лабораторных условиях синтетический диоксид кремния может быть получен действием кислот, даже слабой уксусной, на растворимые силикаты. Например:

Na₂SiO₃ + 2CH₃COOH > 2CH₃COONa + H₂SiO₃

Кремниевая кислота сразу распадается на воду и SiO₂, выпадающий в осадок.

Синтетический диоксид кремния получают нагреванием кремния до температуры 400--500°C в атмосфере кислорода, при этом кремний окисляется до диоксида SiO₂. А также термическим оксидированием при больших температурах.

Натуральный диоксид кремния в виде песка используется там, где не требуется высокая чистота материала.

В настоящее время ведутся работы по получению диоксида кремния с наибольшим выходом. Опишем, один из новейших экологически безопасный и практически безотходный способ получения высокочистого диоксида кремния сорта белая сажа или аэросил. Этот метод выполняется по следующей схеме:

Схема очистки от примесей кварцевого концентрата.

Расплавленный фторид аммония, который при нормальных условиях представляют собой неагрессивное, твердое, кристаллическое вещество, - более энергичный фторирующий реагент, чем газообразный фтороводород. Достоинством фторида аммония является энергичное взаимодействие его расплава с оксидом кремния, при этом образуется кремнефториды аммония, в частности - гексафторосиликат аммония (NH₄)₂SiF₆, который в нормальных условиях является неагрессивным, хорошо растворимым в воде порошком. При нагревании (NH₄)₂SiF₆ возгоняется без разложения, а при охлаждении десублимируется - данное свойство используется для очистки от примесей кварцевого концентрата.

На стадии осаждения гидратированного оксида кремния используется регенерированная аммиачная вода, которая образуется в результате взаимодействия исходного оксида кремния (кварцевого песка) с фторидом аммония. Таким образом, разработанная фтороаммонийная технология получения оксида кремния является практически безотходной, так как использует реагенты, регенерирующиеся в ходе технологического цикла. [7]



3. Применение оксидов кремния. Стёкла

Монооксид кремния -- материал для изолирующих, защитных, пассивирующих, оптических слоев в полупроводниковых устройствах, волоконной оптике. Слои наносятся напылением в вакууме, реактивным распылением кремния в плазме кислорода.

Двуокись кремния в виде кварцевого песка находит самое широкое применение в строительном деле, ее добавляют в известковый раствор и примешивают к цементу. Самый чистый кварцевый песок применяют в стекольном и фарфоровом производствах. Из спеченного при высокой томпературе кварца (при этом перешедшего в кварцевое стекло) изготовляют химическую посуду, исключительно устойчивую к резким изменениям температуры (вследствие очень малого коэффициента расширения кварцевого стекла) и выдерживающую нагревание до очень высоких температур. Еще в большей степени это относится к совершенно прозрачной посуде, изготовленной из полностью расплавленного кварца. Однако при работе с такой посудой следует учитывать чувствительность кварцевого стекла к щелочам. [8]

Кристаллы кварца обладают пьезоэлектрическими свойствами и поэтому используются в радиотехнике, ультразвуковых установках, в зажигалках.

Развитие нанотехнологий ведет к появлению множества материалов, содержащих наноразмерные частицы. В настоящее время объем промышленного производства разнообразных наночастиц составляет уже сотни тысяч тонн. Большую часть производимого наноразмерного SiO₂ составляют нанопорошки аморфного диоксида кремния (НАДК). Они широко применяются в промышленности - в процессе изготовления теплоизоляторов, в производстве оптоэлектроники, как компонент для получения термостойких красок, лаков и клеев, а так же как стабилизаторы эмульсий. Также НАДК добавляют в покрытия для защиты от абразивных повреждений и царапин. Для того чтобы покрытие было прозрачным, используются нанопорошки со средним размером частиц менее 40 нм. Системная токсичность наночастиц диоксида кремния для животных и человека изучена слабо, однако широта спектра их применений ставит их на одно из первых мест в списке наночастиц, требующих детального изучения их биологических свойств. [9]

Оксид кремния (IV) так же нашёл применение в альтернативном получении энергии, а именно, в солнечных батареях. Солнечная батарея представляет собой одну или несколько плоских панелей, на которых размещены солнечные модули, состоящие в свою очередь из ячеек - фотоэлементов.

Схема солнечной батареи

Учёные из Института выращивания кристаллов (ФРГ) во главе с доктором Торстеном Боеком совместно с компанией «BP Solar» приступили к трехлетнему проекту по выращиванию на стекле тонких пленок поликристаллического кремния с крупными зернами. Суть идеи такова.

Сейчас подложки для солнечных батарей делают, разрезая монокристаллы кремния на пластины толщиной 0,45 мм. А фотон проникает о солнечную батарею на глубину всего 0,02 мм. Получается, что огромное количество сверхчистого кремния затрачивается впустую: тонкая монокристаллическая пленка справилась бы с работой по преобразованию света в электричество ничуть не хуже толстой пластинки. Соответственно, и цена была бы гораздо ниже. Увы, тонкие пленки кремния не растут в виде монокристаллов. Наоборот, они состоят из мелких зерен, что существенно снижает эффективность батареи.

Для увеличения размера зерен кремния, выращиваемых на стеклянной (оксид того же кремния!) пластинке, немецкие ученые предложили двухстадийный процесс. Сначала они создают на поверхности стекла сетку из зародышей кремния с шагом 0,05 мм. Затем превращают эти зародыши в полноценные зерна. В результате получается непрерывная поликристаллическая пленка чистого кремния толщиной 0,05 мм. Она-то и должна послужить основой для дешёвых солнечных батарей. [10]

Коллоидный диоксид кремния AEROSIL® используется в фармацевтической промышленности в качестве вспомогательного вещества с ранней поры применения прямого прессования для производства таблеток. Как традиционное скользящее вещество, коллоидный диоксид кремния AEROSIL® обеспечивает оптимальную сыпучесть порошков, необходимую для современного высокоскоростного таблетирования.

Таблица 2. Коллоидный диоксид кремния для фармацевтической промышленности

Марка	Свойства	Преимущества
AEROSIL® 200 Pharma	гидрофильный неуплотненный	· традиционное скользящее вещество для твердых лекарственных форм · пригоден для смесей мягких порошков · идеальный загуститель фармацевтических масел
AEROSIL® 200 VV Pharma	гидрофильный уплотненный	· отличное скользящее вещество для большинства твердых лекарственных форм · пониженное пылеобразование · удобство в обращении
AEROSIL® R 972 Pharma	гидрофобный неуплотненный	· скользящее вещество для большинства порошковых смесей · улучшенная способность к «мягкому» перемешиванию · стабилизация эмульсий

Наиболее распространенными на сегодняшний день лекарственными формами являются таблетки и капсулы. Эти виды твердых лекарственных форм производятся путем дозирования исходных порошков в установленные формы, такие как капсулы или таблеточные прессформы. Для достижения максимальной производительности высокоскоростного оборудования, при выполнении нормативных требований к однородности веса произведенной единицы и дозировки, необходимо обеспечить высокую сыпучесть исходного порошка. Небольшого количества коллоидного диоксида кремния достаточно, чтобы улучшить сыпучесть и набивку порошков и гранул, а значит и точность дозировки. Кроме того, он поглощают влагу, что позволяет сохранять порошки и гранулы сухими и сыпучими во время хранения. [11]

Аморфный непористый диоксид кремния применяется в пищевой промышленности в качестве вспомогательного вещества E551, препятствующего слёживанию и комкованию, в парафармацевтике (зубные пасты), в фармацевтической промышленности в качестве вспомогательного вещества, а также пищевой добавки или лекарственного препарата в качестве энтеросорбента.

Необходимо отметить, что одно из важнейших применений оксида кремния (IV) является производство стекла. Стекло является самым широко применяемым материалом в быту, строительстве, на транспорте благодаря своим уникальным качествам: прозрачности, твердости, химической устойчивости к активным химическим реагентам, относительной дешевизне производства. Без него невозможно изготовить оптические приборы, телевизоры, космические корабли и др. Несмотря на успехи в создании новых материалов широкого назначения, неорганические стекла после камня, бетона, металла прочно занимают одно из главных мест среди используемых в практике.

Обычно понятие "стекло" определяется не просто как материал, а как некоторое особое состояние твердого тела, стеклообразное состояние, противопоставляемое кристаллическому. Известно, что одно и то же вещество может быть газообразным, жидким и кристаллическим. Для каждого такого состояния характерна своя группа специфических признаков [12]. Под твёрдыми телами понимают тела как с кристаллической, так и с аморфной структурой. Поэтому стеклообразное состояние - одна из форм твёрдого состояния вещества. Стёклами называют аморфные твёрдые тела, получаемые обычно переохлаждением жидкостей или расплавов, независимо от состава, строения и температурной области затвердевания последних. В результате увеличения вязкости стёкла обладают механическими свойствами твёрдых тел и фиксированной аморфной структурой. Процесс перехода переохлаждённой низко- или высокомолекулярной жидкости в стеклообразное состояние есть структурное стеклование.

Стекло близко по структуре к переохлаждённой жидкости. Подтверждается это тем, что кривые рассеяния рентгеновых лучей стёклами и жидкостями сходны и тем, что жидкость вблизи температуры кристаллизации (и особенно ниже её в переохлаждённом состоянии) по ряду свойств и строению ближе к твёрдому, чем газообразному состоянию [13]. Но мы также не можем однозначно сказать, что структура стекла является структурой жидкого или твёрдого вещества. Изучая структуру кварцевого стекла, можно однозначно сказать, что она весьма сложна. Поэтому существуют следующие гипотезы, объясняющие его строение:

1) Кристаллитная, в соответствии с которой, стекло состоит из мелких и непрерывно связанных между собой кристаллитов.

2) Агрегативная. При понижении температуры расплава стекла происходят обратимые реакции структурирования, приводящие к образованию различных молекулярных агрегатов, ассоциаций и комплексов.

3) Гипотеза ближнего порядка учитывает, что в процессе охлаждения расплава изменяется равновесная структура стекла в ближнем порядке, характеризуемая при температуре стеклования более плотной и упорядоченной аморфной структурой.

4) Полимерная гипотеза исходит из предпосылки полимерного строения стекла.

5) Микрогетерогенная гипотеза основывается на процессах расслоения в расплавах двух- и многокомпонентных стекол. В случае низколегированных кварцевых стекол возможно образование микронеоднородных включений в основной матрице диоксида кремния.[14]

Но стекло, это не только кварц, это ещё и изоморфное замещение катионов, входящих в каркас, которое управляется одинаковыми законами как для кристаллического, так и для стеклообразного состояний. Это вытекает из того факта, что в стеклообразном состоянии в основном сохраняются правильные геометрические формы тетраэдров [SiO₄], слагающих каркас. При замещении ионов Si⁴⁺ другими кристаллохимическими подобными ионами, как-то: Al³⁺, B³⁺, Ti⁴⁺, Ge⁴⁺, Be²⁺ и др. в структуре стекол, богатых щелочами или другими компонентами основного характера, может возникать единый «смешанный» скелет.

Схема строения многокомплексного алюмо-боросиликатрого стекла с единым скелетом, - к примеру состава 1,5 Na₂O•K₂O•3CaO•0,5B₂O₃•Al₂O₃•9SiO₂, т.е. Na₃K₂Ca₃BAl₂Si₉O₂₈, - может быть условно представлена на плоскости в таком виде:

Схема строения многокомплексного алюмо-боросиликатрого стекла с единым скелетом

Это есть структурная химическая формула идеального стекла как неопределённого химического соединения. В схеме не показана лишь произвольность углов Si--О--Si. [15]

Кроме традиционного пути получения стекол - охлаждения расплава, стали широко применяться и другие способы получения стекол. Сюда относятся стеклообразные пленки, получаемые напылением из газовой фазы; "метамиктные стекла", образующиеся под воздействием ударных давлений и при бомбардировке кристаллов нейтронами; стекла, получаемые по золь-гель-технологии. В этой связи неудивительно, что разные исследователи дают различные определения стекла. При этом они руководствуются выборочными признаками стеклообразного состояния. За основу принимаются, например, структурные признаки, способ получения стекла, тип химической связи и т.д. Терминологическая дискуссия по этому вопросу ведется уже давно, и она далека от завершения, что, безусловно, свидетельствует о сложности объекта исследования. [16]



4. Зачётный синтез

Синтез диоксида кремния в коллоидном состоянии и в виде высокопористого материала

Синтез проходит в два этапа: сначала получаем высокопористый диоксид кремния, затем в коллоидном состоянии и сравниваем методики синтеза.

Высокопористый диоксид кремния

Описание вещества: белый аморфный порошок или бесцветные кристаллы гексагональной системы. Реактив растворим в воде, растворим во фтористоводородной кислоте и растворах щелочей. Принадлежит к группе кислотных оксидов. Является стеклообразующим оксидом (склонен к образованию переохлажденного расплава - стекла). Диэлектрик (электрический ток не проводит). Плотность раствора равна 2,20--2,65 г/см³; температура плавления 1500--1710 єС; температура кипения 2230--2600 єС (такие расхождения в значениях физических констант объясняются тем, что они относятся к различным модификациям SiO₂).

Область применения:

ь изготовление стекла, бетонных изделий, керамики, кремнеземистых огнеупоров, кремния, резины и пр.

ь электроника, радиоэлектроника, ультразвуковые приборы

ь волоконно-оптические кабели.

Методики синтеза:

1) Грубоизмельченный образец кварца нагревают в платиновом тигле до 1100--1200 °С и быстро высыпают его в холодную воду. Полученный порошок SiО₂ отфильтровывают, сушат и прокаливают при 200--300 °С. [17]

2) Довольно чистый SiО₂ можно приготовить из песка (белого). Для этого его кипятят 2 ч с HCl затем отфильтровывают и сушат при 105--120 єС. [17]

Недостатком описанных способов является недостаточно высокий объем пор и, следовательно, невысокая влаго- и маслоемкость получаемого диоксида кремния. К тому же данные методик сложны для проведения в лаборатории: достаточно высокие температуры, что весьма проблематично и увеличивает количество пыли диоксида кремния в воздухе. Гораздо выгоднее использовать следующую методику, которая проходит за относительно небольшое время, требует небольшое количество реактивов и обеспечивает хороший выход высокопористого вещества.

3) К насыщенному раствору силиката натрия приливают 36% раствор соляной кислоты. При добавлении кислоты сразу начинает образовываться осадок диоксида кремния. В другом стакане разводят 5% раствор соды и помещают туда полученный осадок. Таким образом, избавляются от остатка кислоты. Отделяют осадок с помощью воронки Бюхнера, промывая холодной дистиллированной водой. Далее выкладывают диоксид кремния на термостойкую посуду и отправляют в сушильный шкаф на 1.5 - 2 часа. [17]

Правила безопасности:

В ходе данного синтеза используется раствор соляной кислоты, которая имеет желтый цвет и относится к классу дымящих кислот. На воздухе концентрированная соляная кислота дымит белым удушающим дымом, поэтому работать с ней нужно под тягой. При попадании на кожу вызывает сильные химические ожоги, поэтому при попадании внутрь, необходимо немедленно сделать промывание желудка, если кислота попадает на кожу, её надо быстро смыть, потом обмыть руки теплой водой и промокнуть туалетной бумагой. Если кислота успела разъесть кожу и появилась рана, рану необходимо намазать антисептиком. Пыль самого диоксида кремния при попадании внутрь вызывает общетоксичтое действие, особенно на печень. Общие проявления вредного действия SiO₂ на организм (нарушение обмена, изменения реактивности, иммунопатологические явления и др.) являются вторичными. Типичное заболевание от действия кремнеземсодержащей пыли -- силикоз. Это фиброз легочной ткани в связи с накоплением в ней пыли диоксида кремния. Поэтому обращаться с полученным веществом нужно аккуратно.

Химические стаканы

Шпатель

Колба Бунзена и воронка Бюхнера

Фарфоровые чашки

Сушильный шкаф

Расчёты: (необходимо получить 5г SiO₂)

Na₂SiO₃ + 2HCl = 2NaCl + SiO₂ +H₂O NaHCO₃ + HCl = NaCl + CO₂ + H₂O

_,

,

,

Химические свойства полученного вещества:

SiO₂ + 2NaOH_(конц) = Na₂SiO₃ + H₂O - наблюдаем исчезновение белового осадка на дне пробирки.

SiO₂ + K₂CO₃ = K₂SiO₃ + CO₂ - исчезновение осадка и выделение пузырьков газа.

SiO₂ + 2Mg = Si + 2MgО - при контакте раскалённого кусочка магния с белым порошком диоксида кремния последний изменяет свой цвет на чёрный.

Таким образом, диоксид кремния - это кислотный оксид (реагирует со щелочами), способный замещать некоторые другие оксиды из растворов солей. Может быть восстановлен некоторыми восстановителями, например магнием, до кремния.

Диоксид кремния в коллоидном состоянии

Описание вещества: коллоидный диоксид кремния не имеет запаха, вкуса и не токсичен, бесцветный. Его химическая формула SiO₂•nH₂O. Обладает низкой вязкостью, которая может помочь впитать воду, таким образом, он показывает превосходное рассеивание и проницаемость при смешивании с другими веществами. Когда влага, содержащаяся в коллоидном диоксиде, испаряется, зёрна твёрдо придерживаются друг друга. Таким образом, коллоидный диоксид кремния является хорошим клеем. Размер частиц составляет 10 - 20 нм, pH = 2.

Область применения:

ь используется в качестве сплочяющего агента для различных огнеупорных материалов, т.к. имеет высокую прочность сцепления

ь используемый в индустрии покрытия (производство красок). Обладает такими характеристиками как: анти-загрязнение, пылезащита, анти - старение.

ь применяется в текстильной промышленности для обработки шерсти

ь используется в качестве агента для обработки стали, получения кремневых пластин.

ь используется в пищевой промышленности (E551), фармацевтической и парафармацевтической промышленности.

Методика синтеза:

1) 30 г. метасиликата натрия растворяют при нагревании в 100 мл. воды и отфильтровывают. Прозрачный раствор после охлаждения выливают при энергичном перемешивании в 50 мл. смеси из равных частей воды и концентрированной соляной кислоты. Раствор должен иметь кислую реакцию. [6]

2) 20 г. геля кремневой кислоты встряхивают с 400 мл. 5 н. раствора аммиака, затем раствор фильтруют и удаляют аммиак выпариванием в вакууме на холоду. Следы остающегося в растворе аммиака стабилизируют золь. [6]

3) Получение коллоидного диоксида кремния осложнено выпадением осадка кремневой кислоты (как в предыдущей методике). Поэтому основная цель - это добиться состояния золя. Для этого приготавливаем раствор соляной кислоты, содержащий 20 мл 36% HCl и 25 мл воды, и раствор силиката натрия (30 г Na₂SiO₃ и 100 г воды). Необходимо придерживаться определённой концентрации растворов, потому что при сильно избытке высока вероятность выпадения осадка. Помещаем раствор силиката натрия на магнитную мешалку, и приливаем к нему по каплям (при помощи капельной воронки) раствор соляной кислоты. Важным моментом является медленное добавление кислоты и постоянное перемешивание раствора. При этом необходимо измерять pH раствора. Первоначально в растворе сильнощелочная среда, но как только она упадёт до 2, то можно говорить о наличии устойчивого золя. [6]

Правила безопасности: в ходе данной методике по-прежнему использовался раствор соляной кислоты. На воздухе соляная кислота дымит белым удушающим дымом, поэтому работать с ней нужно под тягой. При попадании на кожу вызывает сильные химические ожоги, поэтому при попадании внутрь, необходимо немедленно сделать промывание желудка, если кислота попадает на кожу, её надо быстро смыть, потом обмыть руки теплой водой и промокнуть туалетной бумагой. Если кислота успела разъесть кожу и появилась рана, рану необходимо намазать антисептиком.

Очистка получаемого вещества: полученный золь будет загрязнён хлоридом натрия, от которого необходима избавиться. Для очистки от ионов натрия можно использовать катионит, а от самого хлорида избавляются диализом. Проверить чистоту готового коллоидного диоксида кремния можно при помощи добавления нитрата серебра:

AgNO₃ + NaCl = NaNO₃ + AgCl

Штатив с лапкой

Капельная воронка

Магнитная мешалка

Химические свойства:

SiO₂•nH₂O(гидрогель) (H₂SiO₃)_n(гидрозоль)

SiO₂•nH₂O + 4NaOH(конц) = Na₄SiO₄ + (2+n)H₂O

SiO₂•nH₂O + K₂CO₃ = K₂SiO₃ + CO₂ + H₂O

Диоксид кремния в виде золя при долгом хранении переходит в гель. По химическим свойствам он подобен высокопористому оксиду. Например, он так же проявляет кислотные свойства, реагируя со щелочами или карбонатами. Однако химически он менее активен.

Сравнение методик

Несмотря на то, что в обоих случаях необходимо получить диоксид кремния, но из-за разного агрегатного состояния методики синтезов значительно отличаются. В первом случае получали высокопористый диоксид из осадка, легко образующийся при сливании растворов силиката натрия и соляной кислоты. Во втором случае наоборот, необходимо получение устойчивого золя, т.е. избегание выпадения осадка. Добиться последнего можно только при соблюдении определённых концентраций, постоянного перемешивания и медленного добавления раствора кислоты.



Заключение

Растущие объёмы и скорость передачи информации определяют необходимость создания кремневой оптоэлектроники, для которой уже созданы разветвители, модуляторы и фотоприёмники. Фармацевтическая деятельность невозможна без оксидов кремния в качестве средств прямого прессования и поглощения влаги при производстве таблеток. И конечно, современный мир сложно представить без стекол, где в качестве главной составной части содержится 70--75 % двуокиси кремния (SiO₂).

Исходя из широкого спектра применения, в данной работе было подробно описано нахождение оксидов кремния в природе их физические и химические свойства, а так же метода получения и очищения. Однако теоретические знания необходимо применить и подтвердить на практике, что и являлось нашей основной задачей.

Таким образом, были детально изучены оксиды кремния, определена их роль в жизни людей и сравнены две методики синтеза оксида кремния (IV) в коллоидном и высокопористом виде.



Список использованных источников

1. Шрайнер Д., Эткинс П. Неорганическая химия. В 2-х т. Т.1 / Пер. с англ. М.Г. Розовой, С.Я. Истомина. - М.:Мир, 2004.-679с.

2. Глинка, Н.Л. Общая химия: Учебное пособие для ввузов. - 25-е изд., исправленное / Под ред. В.А. Рабиновича. - Л.: Химия, 1986 - 704с.

3. Гринвуд, Н.Н. Химия элементов /Н.Н. Гринвуд, Э. Эрншо: Пер. с англ. - Изд-во Бином, 2008. Ч.1

4. Неорганическая химия: В 3 т. / Под ред. Ю.Д. Третьякова. Т.2: Химия непереходных элементов: Учебник для студ. высш. учеб. заведений / А.А. Дроздов, В.П. Зломанов, Г.Н. Мазо, Ф.М. Спиридонов. - М.: Издательский центр «Академия», 2004.-368с

5. У. Джолли. Синтез неорганических соелдинений В 3 т./ Пер. с англ. А.Д. Власова, А.И. Зарубина// Под редакцией И.В. Тананаева Т.1. - М.: Мир, 1986. - 279с.

6. Г. Брауэр. Руководство по неорганическому синтезу: В 6-ти томах. Т.3. Пер. с нем. Б.С. Захарова/ Под ред Г. Брауэра. - М.: Мир, 1985. - 392с.

7. Fluortechnology [Электронный ресурс]. Режим доступа:

http://ftortechnology.ru/t12.html. Дата доступа: 21.04.2013.

8. Г. Реми. Курс неорганической химии в 2 т. Т.1 / Пер. с нем. А.В. Новосёлова - Изд-во иностранной литературы, Москва, 1963.

9. NANO-TECHNOLOGY.ORG [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://nano-technology.org/novoe/nanochastitsyi-i-novyie-svoystva-izvestnyih-materialov.html. Дата доступа: 21.04.2013.

10. Комаров, С.М. Солнечная батарея на стекле / вып. подг. С.М. Комаров // Химия и жизнь -XXI век. - 2006. - № 10. - С.39.

11. Вспомогательные субстанции для фарминдустрии // Медицинский бизнес. - 2008. № 9. - С.20-21.

12. Айлер P. А Химия кремнезема: Пер. с англ.--М.: Мир, 1982. Ч. 1.

13. Шульц, М.М. Современные представления о строении стекол и их свойствах/ М. М. Шульц, О.В. Мазурин - Л.: Наука, 1988.

14. Бартенева, Г.М. Строение и механические свойств неорганических стекол. - М.: Стройиздат, 1966. - 217с.

15. Красников, Г.Я. Система кремний-диоксид кремния-субмикронных СБИС/ Г.Я. Красников, Н.А. Зайцев - М.: Техносфера, 2003.-384с.

16. Акпен А.А. Химия стекла: Изд-во «Химия», 1974. - 352с.

17. Карякин Ю.В., Ангелов И.И. Чистые химические вещества: Руководство по приготовлению неорганических реактивов и препаратов в лабораторных условиях. М.: Химия, 1974 - 408 с.

18. Singh P. K. Крупномасштабный синтез, изучение и характеристики фотолюминесценции нанопроволок аморфного кремния, полученных термоосаждением моноксида кремния. Large-scale synthesis, characterization and photoluminescence properties of amorphous silica nanowires by thermal evaporation of silicon monoxide. /Srivastava Sanjay К, Singh P. K, Singh V. N, Sood K. N., Haranath D., Kumar Vikram. //Physica. - 2006. - № 8. - с.1545-1549. (РЖХ - 10.l7-19Б2.420).

19. Braisch B., Получение и текучесть эмульсий м/в, стабилизированных гидрофильными частицами SiO₂. Preparation and flew behaviour of oil-in-water emulsions stabilised by hydrogphilik silica particles. / Braisch B., Kohler К., Schushmann Н. P., Wolf В. //Chem. Eng. And Technol. - 2009. -№7. - с.1107-1112. (РЖХ - 09.24-19P2.67).

20. Huang Helen Y., MCM-48, графт-полимеризованный с амином и кремневый ксерогель в качестве суперсорсорбентов для удаления кислых газов. Amine-grafted МСМ-48 and silica xerogel as superior sorbent for acidic gas removal form natural gas. / Huang Helen Y., Yang Ralph T, Chinn Darnel, Munson Curtis L. //Ind. and Eng. Che. Res. - 2003. - №12. - с. 2427-2433. (РЖХ - 07.18.-19П.174).

Размещено на Allbest.ru

...