Стаття "Другий за поширеністю хімічний елемент – хто він?"

Другий за поширеністю хімічний елемент – хто він?

Елемент Силіцій – основа всього мінерального світу нашої планети, він

становить 27 % у земній корі і є головним елементом у царстві мінералів та гірських порід.

У чистому вигляді кремній був виділений в 1811 році французькими ученими Жозефом Луї Гей-Люссаком і Луї Жаком Тенаром. У 1825 шведський хімік Йєнс Якоб Берцеліус дією металевого калію на фтористий кремній SiF₄ отримав чистий елементарний кремній. Новому елементу було дано назву «силіцій» (від лат. silex — кремінь).

Історія силіцію – дуже  цікава. У епоху палеоліту, тобто 800-1000 тисячоліть тому, силіцій допоміг людині в боротьбі за життя. Цей твердий камінь, від якого легко відбити шматок з гострими краями, послужив матеріалом для першої зброї (наконечником копій і стріл) і перших знарядь праці (сокир, ножів і так далі). Пізніше, коли на зміну каменю пришли мідь, бронза, залізо, кремінь знайшов використання у вигляді кресала. При ударі твердого кремнію об залізо від нього відриваються дрібні осколки, нагріті до високої температури, унаслідок швидкого переходу механічної енергії удару в теплову. А розжарене залізо легко спалахує на повітрі і запалює трут. До винаходу сірників такий спосіб добування вогню був широко поширений. За цим же принципом влаштована старовинна зброя - кременевий пістолет, тільки в нім замість труту запалав порох.

Щоб сталося, якби зник елемент Силіцій?   Сполуки Силіцію з Оксисеном і Алюмінієм складають 82% земної кори. З них складаються пісок, глина, граніт, слюда, польовий шпат. Якби він зник, то зникло б скло, не було б будинків з цегли, глини, граніту, зникли б усі гірські породи.

Яке значення має Силіцій в організмі людей , тварин і рослин?

Він входить  до складу шкіри, волосся, нігтів, зубів, кісток. Порівняно з рослинами організми тварин містять менше  Силіцію. Так стебла бамбуку, вівса, ячменю, жита, пшениці є міцними незважаючи на тонкість і висоту, бо Силіцій відіграє роль кістяка.

Надчистий Силіцій – напівпровідник . Його використовують у радіотехніці, електротехнічній промисловості, у сонячних батареях.

Силіцій малоактивній при кімнатній температурі сполучається лише з фтором. При нагріванні реагує з киснем, галоґенами, сіркою, металами:

       Si + O₂ → SiO₂  

      Si + 2F₂ → SiF₄ 

       Si + С → SiС 

       2Si + 2СаО → Са₂Si + SiO₂ 

Сполуки Силіцію:

Відомий монооксид Силіцію SіО, пари якого утворюються при нагріванні кремнезему з кремнієм при 1300⁰С та потім конденсуються в чорно-коричневий порошок, який на повітрі окислюється до SiO₂. Твердий SiO хімічно стійкій, має сильні відновні властивості, практично не розчиняється у кислотах, крім НF, однак легко розчиняється у лугах:

SiO + 2NaOH → Na₂SiO₃ + Н₂

Найбільш поширеною сполукою Силіцію є SiO₂ – кремнезем. За звичайної температури та тиску існує три кристалічні модифікації: кварц, тридиміт, кристобаліт, кожна з яких стійка в певному інтервалі температур. Для кожної модифікації відомі низькотемпературні α- та високотемпературні β-форми, які складаються з тетраедрів SіО₄.

 SіО₂ – харчова добавка Е551 (запобігає злежуванню); силікати – Е500, Е552, Е553, Е557, Е560; тальк – Е553, алюмосилікати – Е554 –Е556, 559

За високотемпературного (більше 1000⁰С) відновлення SiO₂ простими речовинами (металами, воднем, вуглецем) утворюється кремній:

2Mg + SiO₂ → Si + 2MgO

Кислотний оксид SiO₂ – ангідрид кремнієвих кислот. У водних розчинах доведена присутність ортосилікатної Н₄SiO_4,  піросилікатної Н₆Si₂O₇, метасилікатоої Н₂SiO₃ та дисилікатної Н₂SiO₅ кислот.

Солі силікатних кислот називаються силікатами. Розчиняються у воді лише силікати калію та натрію. Їх отримують сплавлянням SiO₂ з лугами або карбонатами натрію та калію, наприклад:

SiO₂ + 2KOH → K₂SiO₃ + H₂O;

       SiO₂ + Nа₂CO₃ → Nа₂SiO₃ + CO₂.

 Концентровані розчини Nа₂SiO₃ називаються "рідким склом" та використовуються як канцелярський клей. 

Карборунд – сполука Силіцію з Карбоном (SiC) має вигляд чорних чорних або зелених зерен, які утворюються внаслідок нагрівання суміші кварцового піску з коксом:

SiO2 + 3C = SiC + 2CO

Він має алмазоподібну кристалічну решітку, в якій кожен атом силіцію оточений чотирма атомами карбону і навпаки, а ковалентні зв’язки дуже міцні, як у алмазі. Тому за твердістю він близький до алмазу. З карбіду силіцію виготовляють точильні камені та шліфувальні круги. Його використовують як абразивний і конструктивний матеріал.

Силіцій і кераміка:

Кераміка (від грец. керамон — глина). Сировиною для виробництва керамічних виробів (цегли, кахлю, порцеляни, фаянсу) є глина та мінеральні добавки. Основна складова глини — мінерал каолін Al2O3 • 2SiO2 • 2H2O.

Силіцій і скло:

Кольорове скло. Для його виготовлення у скло вносять солі різних металів або їх оксидів. Якщо додати у розчинене скло небагато срібла, утворюється жовте забарвлення, додаючи сполуки Купру му – червоне, Хрому – яскраво-зелене, Мангану – червоно-фіолетовий, Кобальту – синє.

Кварцове скло має багато переваг. Воно пропускає ультрафіолетове проміння, тугоплавке ( точка плавлення кварцу – близько 1500 С), при нагріванні або охолодженні об’єм майже  не змінюється.  Кварцове скло застосовують для виготовлення лабораторного посуду, в хімічній промисловості, атомній енергетиці, металургії.

Сонцезахисне скло – відбиває теплові промені, а пропускає сватлові. Будинок Ашхабадського банку на дві третини складається із скла, але, незважаючи на пекуче сонце Туркменії, в приміщені прохолодно. Скло покрите плівкою оксиду Кобальту .

Із скляної кульки діаметром 20 мм можна витягнути волокно довжиною 200 км. Із скла виготовляють найтонші нитки, які в 20 разів тонші за людську волосину, та значно міцніші бавовняних ниток. Скляні нитки можна фарбувати у різні кольори, виготовляти тканини, які використовують як електроізоляційний, звукоізоляційний та фільтрувальний матеріал.

Силіцій та сплави: залізо з добавкою 4% силіцію має здатність швидко намагнічуватись і розмагнічуватись. З нього виготовляють електричні трансформатори. Сталь з вмістом 15—20% силіцію є кислотостійкою і йде на виготовлення хімічної апаратури. Сплав міді з 4—5% силіцію застосовується у машинобудуванні. Силіцій широко застосовують як напівпровідниковий матеріал в електронній та радіотехнічній промисловості. Але для цього він повинен бути найвищої чистоти.

Силіцій і будівельні матеріали:

Цемент являє собою сірий порошок, який складається із силікатів та алюмінатів кальцію, що під час змішування з водою швидко висихає і твердне, перетворюючись на каменеподібну масу. Для добування цементу як сировину використовують вапняк, глину та інші речовини. Сировина завантажується у піч, перемішується і спікається за температури у межах 1400 — 1600 °С. Одержану масу, основними компонентами якої є СаО, SiO₂ і Аl₂О₃, охолоджують і перемелюють на порошок. Добувають цемент різних сортів: морозовитривалий, такий, що швидко твердне, та ін. Цемент — важливий будівельний матеріал. Із суміші цементу, піску й води готують будівельні розчини. Цемент, змішаний з водою і наповнювачами (піском, щебенем, гравієм, шлаком), утворює суміш, з тужавінням якої утворюється бетон. Якщо бетоном залити сталевий каркас, дістанемо залізобетон. Із нього роблять балки, панелі, труби, мости, перекриття, шпали.

Силіцій у дорогоцінних каміннях: яшма, гірський кришталь, топаз, опал, аметист (гірський кришталь, забарвлений домішками у ліловий колір).

Опал – за хімічним складом SiO2. Він містить дуже дрібні краплини води, які надають йому матово-молочного відтінку. У вологому повітрі або на шкірі людини він зберігає свій красивий вигляд, але в сухому повітрі при тривалому зберіганні опал втрачає воду і розсипається на пісок.

Сполуки Силіцію є нетоксичними, але небезпечним є вдихання як високодисперсних частинок силікатів, так і Сіліцій оксиду – це призводить до виникнення небезпечної хвороби силікозу (руйнування легеневої тканини).

Домашній хімічний експеримент:

У склянку наливаємо силікатний клей, занурюємо олівець і доливаємо оцтову (лимонну) кислоту. Спостерігаємо застигання розчину, а олівець під час перевертання склянки догори дном міцно тримається в цій масі. Це пояснюється утворенням драглеподібної колоїдної силікатної кислоти.

Негорюча тканина:

Невеликий кусок тканини просочіть силікатним клеєм і висушіть на повітрі при кімнатній температурі. Внесіть її за допомогою щипців у полум’я . Вона  не загориться.

                                                       Вчитель хімії Паращак Наталія Миколаївна м.Трускавець