Кремниевые кислот и их соли

Состав кремниевых кислот, можно выразить общей формулой xSiO₂ × yH₂O, где х и у – целые числа:

1) x = 1, y = 1: SiO₂ × H₂O, т.е. H₂SiO₃ – метакремниевая кислота

2) x = 1, y = 2: SiO₂ × 2H₂O, т.е. H₄SiO₄ – ортокремниевая кислота

3) x = 2, y = 1: 2SiO₂ × 2H₂O, т.е. H₂Si₂O₅ – двуметакремниевая кислота

Кремниевые кислоты, в молекулах которых содержится больше одной молекулы SiO₂, относятся к поликремниевым. Самой простой кремниевой кислотой является H₂SiO₃, которую часто называют просто кремниевая кислота.

Все кремниевые кислоты очень слабые (слабее угольной). Соли всех кремниевых кислот называют силикатами, хотя, как правило, в учебной литературе под силикатами подразумевают соли метакремниевой кислоты. При стоянии на воздухе растворы силикатов мутнеют, так как находящийся в воздухе оксид углерода (IV) вытесняет кремниевую кислоту из ее солей:

Кремниевая кислота практически нерастворима в воде – это свойство используют как качественную реакцию на ион .

Силикаты получают сплавлением оксида кремния со щелочами или карбонатами.

Наиболее широко используются силикаты натрия и калия. Концентрированные растворы этих солей называют жидким стеклом, они имеют сильнощелочную реакцию вследствие гидролиза. Жидкое стекло используют при изготовлении клея и водонепроницаемых тканей.

Твердое стекло получают сплавлением при высоких температурах («1500 °С) смеси соды, песка и известняка до полного удаления газов:

В стекла особого назначения – сигнальные, декоративные, ювелирные и другие – добавляют оксиды бария, свинца, бора и др. Для получения цветных стекол добавляют: оксид кобальта (III) – синее стекло, оксид хрома (III) – зеленое стекло, оксид марганца (IV) – «черное» стекло и т.д.

Частично закристаллизованные стекла – ситаллы – находят широкое применение благодаря высокой механической прочности и химической стойкости.

Не менее важно использование оксида кремния (IV) при получении цемента. Цемент находит широкое применение в строительстве как вяжущий материал, затвердевающий при смешивании с водой. Обычно цемент получают в результате обжига (»1500 °С) и размола в больших вращающихся печах из известняков и глины.

Наиболее распространенный портландцемент имеет следующий состав: СаО – 62 ¸ 65%, Al₂O₃ – 6 ¸ 8%, SiO₂ – 21 ¸ 23%, Fe₂O₃ – 2 ¸ 3% и другие оксиды.

В основе схватывания портландцемента лежат следующие химические реакции:

Соединения кремния со степенью окисления –4

Степень окисления -4 кремний проявляет в соединениях с металлами и водородом.

Соединения кремния с металлами получили название силицидов. Силициды получают при непосредственном взаимодействии с металлами при температурах 500 – 1000 °С с кремнием или оксидом кремния (IV):

Они также могут быть получены взаимодействием кремния с гидридами металлов, например:

Силициды многих d-металлов обладают высокой термостойкостью, влагостойкостью и химической инертностью. Например, силицид молибдена не взаимодействует со всеми известными кислотами и их смесями.

Силициды щелочных и щелочно-земельных металлов легко окисляются, гидролизуются, реагируют с растворами кислот и щелочей, выделяя простейшее водородное соединение кремния – силан SiH₄:

Силан – бесцветный газ, имеющий запах плесени, самопроизвольно воспламеняющийся на воздухе, сгорая до SiO₂ и воды:

Щелочи очень легко разлагают силан по уравнению

вода также гидролизует силан, но значительно медленнее:

При нагревании выше 400 °С без доступа воздуха силан распадается на кремний и водород (один из способов получения кремния)

Кроме моносилана, известны также дисилан Si₂H₆, трисилан Si₃H₈, тетрасилан Si₄H₁₀ и т. д. В индивидуальном состоянии выделены соединения лишь до Si₆H₁₄ включительно. Все эти соединения относятся к гомологическому ряду силанов, которым отвечает общая формула Si_nH_2n+2 Подобно алканам, силаны бесцветны, первые члены гомологического ряда при обычных условиях газообразны, следующие – жидкости. Химическая активность силанов и углеводородов различна: в противоположность достаточно инертным алканам, силаны весьма реакционноспособны. Это объясняется меньшим по сравнению с углеродом сродством кремния к водороду и очень большим сродством кремния к кислороду. К тому же связи Si – Si менее прочны, чем связи С – С. В отличие от связи С – Н связь Si – H имеет более ионный характер. В табл. 1 приведены соответствующие энергии связей.

Таблица 1. Энергии связей Si – Э • С – Э

Связь	Энергия связи, кДх/моль	Связь	Энергия связи, кДх/моль
Si-H		С-Н
Si-Si		С-С
Si-O		с-о
Si-С		C-Si

Малой прочностью связи Si – Si обусловлена ограниченность гомологического ряда силанов.