Получение оксида кремния (IV)

Содержание

Введение 3
Глава 1. Нахождение в природе 5
Глава 2. Получение оксида кремния (IV) 7
Глава 3. Свойства диоксида кремния 9
3.1. Физические свойства 9
3.2. Химические свойства 10
Глава 4. Применение в строительном деле 12
Заключение 14
Список использованной литературы 15

Введение

Кремний после кислорода - самый распространённый элемент (27,6%) на земле. Наиболее широко распространённые соединения кремния - оксид кремния SiO2 и производные кремниевых кислот, называемые силикатами. Оксид кремния (IV) встречается в виде минерала кварца (кремнезем, кремень). В природе из этого соединения сложены целые горы. Попадаются очень крупные, массой до 40 тонн, кристаллы кварца. Обычный песок состоит из мелкого кварца, загрязнённого различными примесями. Ежегодное мировое потребление песка достигает 300 млн. тонн.
Анализ образцов лунного грунта, доставленного кораблями показали присутствие оксида кремния в количестве более 40 процентов. В составе каменных метеоритов содержание кремния достигает 20 процентов.
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 температуре кварца (при этом перешедшего в кварцевое стекло) изготовляют химическую посуду.
Кристаллы кварца обладают пьезоэлектрическими свойствами и поэтому используются в радиотехнике, ультразвуковых установках, в зажигалках.
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. Коллоидный диоксид кремния AEROSIL используется в фармацевтической промышленности в качестве вспомогательного вещества с ранней поры применения прямого прессования для производства таблеток.
Цель данной работы: всесторонне изучить SiO2.
Для решения цели были поставлены следующие задачи:
Рассмотреть нахождение в природе диоксида кремния;
Узнать каким образом получают SiO2;
Изучить физические и химические свойства;
Рассмотреть применение диоксида кремния в строительстве.
Работа состоит из введения, 4 глав, соответствующих задачам работы, заключения и списка использованных источников.
Глава 1. Нахождение в природеSiO2 встречается как в кристаллическом, так и в аморфном виде. Кристаллический диоксид кремния находится в природе главным образом в виде минерала кварца [1]. Кварц — один из самых распространённых минералов в земной коре, породообразующий минерал большинства магматических и метаморфических пород. Свободное содержание в земной коре 12%. Входит в состав других минералов в виде смесей и силикатов. В общей сложности массовая доля кварца в земной коре более 60%. Ценное минеральное сырье: используется в оптических приборах, в генераторах ультразвука, в телефонной и радиоаппаратуре (как пьезоэлектрик). В больших количествах потребляется стекольной и керамической промышленностью (горный хрусталь и чистый кварцевый песок) Также применяется в производстве кремнеземистых огнеупоров и кварцевого стекла. Многие разновидности используются в ювелирном деле как поделочные камни.
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 [2].
Одной из разновидностей кварца является кремень. Отдельные виды кремня обладают необычной окраской. Они получили название халцедон, яшма, опал. Эти виды очень широко используются в ювелирной промышленности. Для изготовления запонок и подвесок применяют рисунчатый кремень. Также из такого камня изготавливают пуговицы, которые впоследствии используются при изготовлении эксклюзивной одежды. Делают из кремня и подсвечники, шкатулки, вазы. Особую популярность эта порода имеет в производстве изделий для украшения интерьеров. Такие изделия чаще всего можно увидеть в зданиях общественного назначения. Из кремня изготавливается напольное покрытие, которое отличается повышенной износостойкостью.
Высокие прочностные характеристики данного минерала обеспечили ему спрос в промышленной и строительной сферах. Любое изделие, сделанное из кремня, на протяжении долгих лет сохраняет свой первоначальный вид. Также кремень очень популярен в строительстве дорог самого разного назначения.
Кремень – горная порода, состоящая из смеси аморфного и кристаллического кремнезема. Обычно, кремни — это тонкозернистые скрытокристаллические конкреции кремнезема сложного состава, характерные для осадочных, преимущественно известковых пород и состоящие из микроскопических зерен кварца, халцедона, кристобалита, иногда – опала [3].
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 [4].
Глава 2. Получение оксида 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. 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 1):
Схема 1. Очистка 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 [5].
Глава 3. Свойства диоксида кремния

3.1. Физические свойстваДиоксид 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 кремния диоксида в кислых и щелочных средах определяется природой растворителя. Кремния диоксид не растворимый в большинстве органических растворителей.SiO2 имеет tпл 1713—1728 °C, обладает высокой твёрдостью и прочностью [6].
Диоксид кремния имеет несколько полиморфных модификаций.
Самая распространенная из них на поверхности земли — α-кварц — кристаллизуется в тригональной сингонии.При нормальных условиях диоксид кремния чаще всего находится в полиморфной модификации α-кварца, которая при температуре выше 573 °C обратимо переходит в β-кварц. Растворимость β -кварца в воде 10-3 % по массе (25°C), аморфных форм кремнезема 0,007-0,015%. При дальнейшем повышении температуры кварц переходит в тридимит и кристобалит. Эти полиморфные модификации устойчивы при высоких температурах и низких давлениях. При высоких температуре и давлении диоксид кремния сначала превращается в коэсит, а затем в стишовит (который в 1961 году был синтезирован С. М. Стишовым, а в 1962 был обнаружен в метеоритном кратере) [7]. Согласно некоторым исследованиям стишовит слагает значительную часть мантии, так что вопрос о том какая разновидность SiO2 наиболее распространена на Земле, пока не имеет однозначного ответа.
Также имеет аморфную модификацию — кварцевое стекло.
3.2. Химические свойстваПри сплавлении SiO2 с щелочами и основными оксидами, а также с карбонатами активных металлов образуются силикаты — соли не имеющих постоянного состава очень слабых, нерастворимых в воде кремниевых кислот общей формулы xH2O·ySiO2 (довольно часто в литературе упоминаются не кремниевые кислоты, а кремниевая кислота, хотя фактически речь при этом идет об одном и том же).
Например, может быть получен ортосиликат натрия:
SiO2 + 4NaOH → Na4SiO4 + 2H2O,
метасиликат кальция:
SiO2 + СаО → СаО·SiO2,
или смешанный силикат кальция и натрия:
Na2CO3 + CaCO3 + 6SiO2 → Na2O·CaO·6SiO2 + 2CO2↑.
Из силиката Na2O·CaO·6SiO2 изготовляют оконное стекло.
Следует отметить, что большинство силикатов не имеет постоянного состава. Из всех силикатов растворимы в воде только силикаты натрия и калия. Растворы этих силикатов в воде называют растворимым стеклом. Из-за гидролиза эти растворы характеризуются сильнощелочной средой. Для гидролизованных силикатов характерно образование не истинных, а коллоидных растворов. При подкислении растворов силикатов натрия или калия выпадает студенистый белый осадок гидратированных кремниевых кислот.
Главным структурным элементом как твердого диоксида кремния, так и всех силикатов выступает группа [SiO4/2], в которой атом кремния Si окружен тетраэдром из четырёх атомов кислорода О. При этом каждый атом кислорода соединен с двумя атомами кремния. Фрагменты [SiO4/2] могут быть связаны между собой по-разному. Среди силикатов по характеру связи в них фрагментов [SiO4/2] выделяют островные, цепочечные, ленточные, слоистые, каркасные и другие.
2) С водой не реагирует
3) С плавиковой кислотой образуется (гексафторкремниевая кислота):
SiO2 + 4HF → SiF4 + 2H2O
SiO2 + 6HF → H2[SiF6] + 2H2O
(реакции лежат в основе процесса травления стекла)
4) Взаимодействует с металлами
При температуре выше 1000 °С реагирует с активными металлами,
при этом образуется кремний:
SiO2 + 2Mg → Si + 2MgO
или при избытке восстановителя – силициды:
SiO2 + 4Mg = Mg2Si + 2MgO.
5) Взаимодействует с неметаллами
Реагирует с водородом:
SiO2 + 2Н2 → Si + 2Н2O.
Взаимодействует с углеродом:
SiO2 + 3С → SiС + 2СO. [8]
Глава 4. Применение в строительном делеSiO2 является частым компонентом в смесях для приготовления разных строительных материалов. К примеру, кварцевый песок активно используется при замесе состава и формовке из него блоков. В результате получается прочный и надежный материал ля возведения домов, имеющий отличный цвет и приятный вид.
Кроме того, очень часто SiO2 добавляют в облицовочные смеси. Чтобы сделать кирпич более крепким и прочным, при его производстве в смесь добавляют диоксид кремния. Кварцевый песок входит в состав смеси для укладки асфальта, а также при производстве бетона. Весь современный ассортимент цемента имеет в своем составе кварцевый песок. Данный компонент обеспечивают высокую степень адгезии с поверхностью.
Кроме того, выпускают грунтовки с кварцевым песком. С учетом того, что кварцевый песок имеет различные оттенки, то оштукатуренная поверхность может иметь отличия по фактуре и цвету. Благодаря высокой прочности материала, покрытие на фасаде дома будет служить вам верой и правдой довольно продолжительное время. Добавление в состав смесей для штукатурки кварцевого песка, обеспечивает гладкое покрытие.
Применение разных видов песка в строительстве
Речной песок является популярным материалом в современной строительстве, обладающим особыми характеристиками. Речной песок способствует значительному увеличению надежности строений благодаря тому, что бетон, в состав которого входит речной песок, отличается повышенными прочностными характеристиками и оптимально подходит для крупной каменной или блочной кладки. К тому же речной песок широко используют в декоративно-облицовочных работах.
Карьерный песок применяется главным образом для насыпки под фундамент, а также под дороги. При проведении обработки карьерный песок разделяют на сеяный и намывной. Намывной песок, как правило, промывается большими объемами воды, после чего практически полностью вымывается вся глина, а также все пылевидные частицы, от чего в значительной мере повышается его качество. Используют данный вид песка прежде всего в штукатурке. Также данный песок можно применять в производстве кирпичей и бетона.
Сеяный песок тщательно просеянный и полностью очищенный от камней и крупных фракций, используется для штукатурных работ.
Что касается кварцевого песка, то он применяется прежде всего в производстве стекла, потому любые даже самые незначительные примеси в кварцевом песке окажут отрицательное действие на качество стекла. Кварцевый песок, благодаря повышенной сыпучести применяют не только как строительный материал, однако также и как удобный отделочный материал для различных травянистых поверхностей при игре в гольф, а также на футбольном поле или детских площадках. Мелкий кварцевый песок белого цвета применяется также при финишной штукатурке.
Нередко сегодня в строительстве применяется и искусственный песок. Получают такой песок путем дробления гранита, мрамора, а также различных иных горных пород, шлаков и известняков. Чаще всего такой песок применяется в разнообразных декоративных растворах, а также при оформлении наружных панелей [9].
Заключение

В ходе проделанной работы можно сделать следующие выводы:
SiO2 встречается как в кристаллическом, так и в аморфном виде. Кристаллический диоксид кремния находится в природе главным образом в виде минерала кварца и его разновидностей: аметист, дымчатый топаз, халцедон, яшма, опал, кремень и многие другие.
В лабораторных условиях синтетический диоксид кремния может быть получен действием кислот, даже слабой уксусной, на растворимые силикаты. В настоящее время ведутся работы по получению диоксида кремния с наибольшим выходом. Один из новейших экологически безопасный и практически безотходный способ получения высокочистого диоксида кремния сорта белая сажа или аэросил. Этот метод выполняется по схеме 1, представленной в работе.
Диоксид кремния, SiO2 бесцветное кристаллическое вещество, тугоплавкое (1720 С), с высокой твердостью. Кислотный оксид, химически малоактивен, взаимодействует с плавиковой кислотой и растворами щелочей, образуя в последнем случае соли кремниевых кислот - силикаты. Силикаты также образуются при сплавлении оксида кремния с щелочами, основными оксидами и некоторыми солями.
SiO2 является частым компонентом в смесях для приготовления разных строительных материалов. Диоксид кремния входит в состав цемента, шпатлевок, грунтовок, бетона, асфальта.
Список использованной литературы

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. https://catalogmineralov.ru/mineral/quartz.html
3. https://catalogmineralov.ru/mineral/kremen.html
4. Глинка, Н.Л. Общая химия: Учебное пособие для ввузов. - 25-е изд., исправленное / Под ред. В.А. Рабиновича. - Л.: Химия, 1986 - 704с.
5. У. Джолли. Синтез неорганических соединений В 3 т./ Пер. с англ. А.Д. Власова, А.И. Зарубина// Под редакцией И.В. Тананаева Т.1. - М.: Мир, 1986. - 279с.
6. https://www.cdc.gov/niosh/npg/npgd0552.html
7. https://www.chem21.info/info/2165/
8. http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2178.html
9. http://www.vashdom.ru/