С 1825 года кремний (силициум) известен человечеству как самостоятельный химический элемент. Благодаря уникальным физическим и химическим свойствам, это вещество используется в различных отраслях. Гидратированный окисел условно называют гидроксидом кремния. Формула этого неустойчивого вещества изучается на уроках химии в 10 классе. Этот элемент проявляет слабые свойства кислот.
Краткое описание
Гидроксид кремния (H2SiO3) относится к категории неметаллов, но при разных условиях может проявлять кислотные свойства. Это вещество является полупроводником, из-за чего активно используется в электронике. Именно аллотропным состоянием во многом определяются химические и физические свойства элемента. Чаще всего приходится работать с кристаллической формой кремния, так как характеристики этого материала более востребованы в промышленности. Среди основных свойств H2SiO3 можно выделить:
- В человеческом теле именно кремний является одним из основных макроэлементов. Если этого вещества не хватает, тогда заметно ухудшается состояние волос, ногтей, кожного покрова. Кремний помогает повысить защитные свойства иммунной системы.
- H2SiO3 (неметалл) малоактивен. В природе встретить в чистом виде этот элемент крайне сложно, так как на воздухе он практически мгновенно пассивируется слоем диоксида. Только под воздействием высоких температур активность H2SiO3 возрастает.
- Даже сегодня многие стенки колодцев продолжают выкладывать кремнием, так как в этом случае можно получить идеально чистую воду, которая положительно влияет на иммунитет человека, благодаря чему повышается стойкость к инфекционным заболеваниям. В медицине H2SiO3 используется в качестве основы для изготовления препаратов против атеросклероза, туберкулёза и артрита.
В таблице Менделеева силициум расположен в VI группе вместе с германием, углеродом, оловом.
H2SiO3 образует сплавы (силициды) практически со всеми металлами. Полученный материал отличается твёрдостью и тугоплавкостью, что очень важно при изготовлении газовых турбин и нагревательных печей.
Получение кремниевых кислот
В привычном понимании в химии не существует высшего гидроксида кремния. Это простейшая кислота, соли которой называются силикатами. В результате взаимодействия с водяным паром при температуре +500 °C образуется гидроксид кремния и водород. Эту химическую реакцию можно изобразить с помощью следующей формулы: Si (аморфный) + 2H2O (пар) → SiO2 + 2H2. Гидроксид кремния представляет собой слабый кислотный оксид.
Если задействовать водород, то в итоге можно получить кислоту. В этом случае целесообразнее использовать структурную формулу nSiO2∙mH2O. Из перенасыщенных растворов кремниевых кислот образуется силикагель (SiOH). Но показатель рН должен быть в пределах 5—6.
Оксид кремния не вступает в реакцию с соляной кислотой.
На уроках химии можно узнать, что существует несколько разновидностей кремниевых кислот. Их образование зависит от количества атомов водорода. Различают следующие химические формулы кремниевых кислот:
- Ортокремниевая — H4SiO4.
- Пирокремниевая — H6Si2O7.
- Метакремниевая — H2SiO3.
- Поликремневая — nSiO2∙mH2O.
- Дикремниевая — H2Si2O5 и H10Si2O9.
Силикатами называют соли кремниевых кислот. Получить эти химические вещества только от взаимодействия H2SiO3 с водой невозможно. Для лучшего понимания темы можно задействовать графические уравнения. Например? SiO2 + HCl = SiCl4+2H2O. Даже под воздействием высоких температур диоксид не вступает в реакцию с Н2О.
При использовании водорода образуется чистый кремний. Эта химическая реакция показана в формуле: SiO2 + 2Н2 → Si + 2H2O. Не менее интересной является химическая реакция, если взять кремний плюс гидроксид натрия (Si + NaOH). Например: Si + 4NaOH → Na 4 SiO 4 + 2H 2. Диоксид кремния взаимодействует с гидроксидом калия: SiO2 + 2KOH → K2SiO3 + H2O.
Преимущества и недостатки
Как и любое другое химическое вещество H2SiO3 обладает положительными и негативными характеристиками, которые повлияли на то, в каких отраслях используется этот элемент. Среди основных преимуществ силициума можно выделить:
- Образование большого количества соединений с многочисленными полезными свойствами. Например, силициды, силаны, диоксиды и силикаты. H2SiO3 отличается тем, что с его участием можно образовывать различные твёрдые растворы практически бесконечно. Это свойство получило большой спрос в промышленности, так как при правильном применении можно получать различные виды камня, стекла и керамики.
- Востребованность H2SiO3 связана с его доступностью. В природе это химическое вещество нельзя встретить в свободном виде, но технология его получения отличается своей простотой.
- H2SiO3 относится к категории нетоксичных элементов, за счёт чего его можно использовать в любой промышленности.
- Высокие полупроводниковые свойства. Кремний получил спрос в радио- и электротехнике.
Среди недостатков H2SiO3 можно выделить только его относительную хрупкость.
Силициум нельзя использовать для возведения несущих конструкций. Это химическое вещество применяется для качественной обработки поверхности кристаллов, что очень важно в сфере приборостроения.
Физические свойства
Перед использованием любого химического элемента нужно в первую очередь изучить его характеристики. Кремний обладает следующими физическими свойствами:
- Кристаллическая решётка H2SiO3 практически не отличается от алмаза. В этом случае углерод и кремний являются практически одинаковыми, но расстояние между атомами разное. Тип решётки — кубическая гранецентрированная.
- Кремний существует в виде двух аллотропных модификаций: кристаллической, аморфной.
- H2SiO3 закипает при температуре +3250 °C.
- Повышенная хрупкость. Под воздействием высоких температур H2SiO3 приобретает пластичность.
- Химический элемент обладает полупроводниковыми свойствами, которые могут варьироваться при добавлении различных агентов.
- H2SiO3 плавится при температуре +1415 °C.
- Плотность химического вещества составляет 2.33 г/см3.
- Гидроксид кремния не растворяется в воде, кислотах и органических жидкостях.
Физические свойства H2SiO3 повлияли на то, что это вещество используют в различных отраслях современной промышленности.
Польза для организма человека
H2SiO3 — простейшая кремниевая кислота, которую в научной среде называют силикатами. Это белый мелкокристаллический порошок, который практически не растворяется в Н2О, не обладает выраженным вкусом и запахом. Частицы силициума имеют округлую форму, обладают адсорбирующими и абразивными свойствами. Вещество положительно воздействует на организм человека, легко выводится естественным путём и практически не вызывает побочных реакций.
Фрагменты гидроокиси кремния не только удаляет загрязнения, но и полирует те поверхности, с которыми соприкасаются. H2SiO3 может использоваться в качестве наполнителя, стабилизатора, носителя активных компонентов и связывающего агента. Это вещество отлично справляется с бактериями, налётом на зубах. При этом не нарушается целостность эмали, слизистые оболочки не повреждаются, а общее состояние дёсен стремительно улучшается.
Благодаря своим положительным свойствам гидроокись кремния активно используется в стоматологии. При правильном применении H2SiO3 позволяет побороть воспаление слизистых оболочек в ротовой полости, предотвращает кровоточивость дёсен. Гидроокись кремния является наиболее безопасным абразивным веществом, которое используется для изготовления зубных паст для ежедневного использования.
H2SiO3 входит в состав многих фармакологических препаратов, суспензий, сорбентов для перорального применения. Кремний не оказывает негативного воздействия на слизистые оболочки желудочно-кишечного тракта, а также помогает вывести из организма токсины.
Сферы применения
Гидроксид кремния получил большой спрос в промышленности благодаря своим электрофизическим характеристикам. Свойства этого неметалла зависят от примесей. Например, если добавить в состав индий, бор или алюминий, то в итоге можно будет вырастить кристалл дырочной проводимости. Задействовав мышьяк либо фосфор можно получить материал с хорошей электронной проводимостью.
H2SiO3 активно используется в следующих отраслях:
- Очищенный кремний применяется в качестве основы для добычи солнечной энергии.
- H2SiO3 получил большой спрос в электронике. Из кремния на серийном уровне изготавливают фотоэлементы, транзисторы, диоды, интегральные схемы. Итоговая функциональность прибора зависит от характеристик поверхностного слоя кристалла.
- Кремний используют в качестве модификаторов сплавов в металлургической отрасли. H2SiO3 выступает в роли раскислителя при производстве чугуна.
- В природе встречается диоксид кремния, который может иметь самую разную форму. Например, агат, опал, аметист, сердолик, горный хрусталь. Эти кристаллические разновидности H2SiO3 используются в ювелирном деле. В металлургии, радиоэлектронике и строительстве применяются песок, кремень и кварц.
- Силикаты H2SiO3 отличаются своей неустойчивостью, к тому же они легко растворяются под действием высоких температур. Образуемые соли используются для производства керамики, стекла, хрусталя, фаянса, бетона и цемента. Благодаря этому можно с уверенностью сказать, что современное строительство основано на разнообразных силикатах.
- При соединении кремния с углеродом образуется карбид, который используется в приборостроении, металлургии, а также в химической отрасли. Это вещество относится к категории широтно-зональных полупроводников. Карбид обладает высокой твёрдостью — 7 баллов по шкале Мооса, за счёт чего его часто используют в качестве надёжного абразивного материала.
Гидроксид кремний является распространённым химическим элементом и имеет большое значение во многих отраслях народного хозяйства. При этом спрос получило не только само вещество, но и его многочисленные соединения.
