Хімія. Профільний рівень. 11 клас. Григорович
§ 57. Силіцій(ІV) оксид
Пригадайте: що таке адсорбція (за § 51).
Поширеність у природі
Силіцій(ІV) оксид SiO2, або кремнезем, поширений у природі у вигляді мінералу кварцу (мал. 57.1а), дрібні кристали якого містяться у складі гранітів та інших гірських порід (мал. 57.1б). Під час руйнування породи під впливом сонця й води кристали кварцу вимиваються водними потоками й осідають у вигляді річкового піску. Білий пісок являє собою чистий кварц. Часто пісок містить домішки сполук Феруму, які забарвлюють його в жовтий колір (мал. 57.1в). Значно рідше трапляється гірський кришталь — великі прозорі кристали кварцу, що іноді сягають довжини до 10 м.
Мал. 57.1. а — кристали кварцу; б — кристали кварцу, вкраплені в мінерал кальцит; в — подрібнені мінерали кварцу у вигляді піску
Назва кришталю походить від грецького слова krystallos — «лід». Стародавні греки вважали його однією з форм льоду, що неможливо розплавити.
Усередині деяких каменів є порожнини, у яких перебувають аметисти — кристали кварцу, забарвлені домішками в рожево-фіолетовий колір. Силіцій(ІУ) оксид утворює багато гірських порід.
Будова і фізичні властивості силіцій(IV) оксиду
За фізичними властивостями силіцій(ІV) оксид (кварц) дуже відрізняється від карбон(ІV) оксиду (вуглекислого газу). Причина полягає в різній будові цих речовин. Атому Карбону вигідніше утворювати з Оксигеном два подвійні зв’язки, а атому Силіцію (який має більший радіус) — чотири одинарні, тому карбон(ІV) оксид складається з молекул, а силіцій(ІV) оксид має атомні кристалічні ґратки. Саме завдяки атомній будові кварц тугоплавкий: він плавиться за температури близько 1700 °С. Розплавлений кварц під час охолодження застигає в прозору масу, яку називають кварцовим склом. За будовою кварцове скло є аморфною речовиною, на відміну від кристалічного кварцу.
Силіцій(ІV) оксид нерозчинний у воді й інших розчинниках, порівняно легкий (густина 2,65 г/см3), не проводить електричний струм.
Силікагель
Дрібний порошок силіцій(ІV) оксиду — силікагель, або кремнезем, — використовують як осушувач завдяки його здатності поглинати (адсорбувати) вологу (мал. 57.2).
Мал. 57.2. Пакетики із силікагелем часто поміщають у коробки зі взуттям, електронними приладами тощо для поглинання зайвої вологи
Аморфний непористий силіцій(ІV) оксид використовують у харчовій промисловості (харчова добавка Е551) для запобігання утворенню грудок у порошкоподібних продуктах. Його додають до зубних паст і твердих лікарських препаратів (таблеток і порошків).
Великий адсорбційний потенціал кремнеземів зумовлює можливість створення на їх основі сучасних матеріалів (модифікованих кремнеземів) для наукових досліджень та технічного використання.
Юрій Валентинович Холін (1962-2017)
Український хімік, лауреат Державної премії України. Досліджував властивості та застосування модифікованих кремнеземів
Хімія навколо нас
Адсорбенти та хроматографія
Хроматографія — дуже потужний сучасний метод для розділення складних сумішей різних речовин. Сьогодні відомо багато різновидів хроматографії, але всі вони ґрунтуються на явищі адсорбції на поверхні силікагелю SiO2 або алюмогелю Аl2О3. Уперше майже 100 років тому М. С. Цвет розробив метод колонкової хроматографії. Він полягає в тому, що крізь товстий шар адсорбенту пропускають суміш речовин із великим обсягом розчинника. Різні речовини по-різному утримуються адсорбентом, і поступово суміш розділяється на окремі шари (мал. а).
Колонкова хроматографія
Наші співвітчизники — М. А. Ізмайлов і М. С. Шрайбер — 1938 року розробили інший різновид хроматографії — тонкошарову. Її принцип також ґрунтується на адсорбції, але для неї використовують тонкий шар адсорбенту, нанесений на тверду основу (скляну, алюмінієву або полімерну пластинку) (мал. б). Сьогодні тонкошарову хроматографію (ТШХ) в усьому світі використовують у наукових і навчальних лабораторіях з органічного синтезу та біохімії для ідентифікації речовин під час органічного й біохімічного синтезу. Це один із надважливих методів контролю якості лікарських засобів і харчових продуктів.
Тонкошарова хроматографія
ТШХ дозволяє визначити ступінь закінчення реакції.
Хроматографія — найпоширеніший аналітичний метод. Хроматографами різної конструкції та призначення зараз обладнують усі сучасні наукові, промислові й криміналістичні лабораторії. На основі хроматографів сконструйовано так званий «електронний ніс» для виявлення наркотичних речовин та вибухівки в аеропортах та вокзалах.
Хімічні властивості силіцій(IV) оксиду
Атомні кристалічні ґратки силіцій(ІV) оксиду надзвичайно стійкі, тому він хімічно малоактивний. На відміну від інших кислотних оксидів, силіцій(ІV) оксид не взаємодіє з водою. Але в інших реакціях силіцій(ІV) оксид виявляє властивості кислотних оксидів:
• у концентрованих розчинах лугів він повільно розчиняється, утворюючи силікати — солі силікатної кислоти:
SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + Н2О
• взаємодіє з основними оксидами:
• витісняє нестійку летку карбонатну кислоту з карбонатів під час прожарювання:
Останні дві властивості є основою виробництва силікатного (звичайного) скла.
Як і силіцій, силіцій(ІV) оксид може взаємодіяти з флуоридною кислотою завдяки утворенню розчинної флуоросилікатної кислоти:
SiO2 + 6HF = H2SiF6 + 2Н2О
Така реакція дозволяє використовувати флуоридну кислоту для нанесення безбарвних написів на поверхні скла.
Силікагель — більш активна форма силіцій(ІV) оксиду. Він легко розчиняється навіть у розбавлених лужних розчинах.
Застосування силіцій(ІV) оксиду
Мінерали на основі силіцій(ІV) оксиду дуже поширені в природі. Окрім кварцу, силіцій(ІV) оксид часто трапляється у вигляді суцільних мас, що складаються зі зрослих між собою кристаликів, настільки дрібних, що їх неможливо розгледіти. Таку будову мають кремінь, яшма, агат, халцедон та інші виробні камені, з яких виготовляють художні вироби і ювелірні прикраси. Через високу твердість ці камені також використовують у техніці для виготовлення ступок, кульових (барабанних) млинів.
Кремінь був першим твердим матеріалом, який почала обробляти людина. На відміну від яшми, він здатний розколюватися на тонкі пластини з дуже гострими краями. Саме тому первісні люди робили з кременю рубила, шкребки, наконечники стріл і списів (мал. 57.3).
Мал. 57.3. Шкребки, виготовлені первісною людиною з кременю
Із чистого кварцу (силіцій(ІV) оксиду) виготовляють кварцове скло.
Природний і синтетичний кварц широко застосовують у техніці. Величезних кількостей кварцового піску потребує виробництво скла й бетону, багато його витрачається в будівництві.
Із кварцового скла виготовляють термостійкий лабораторний посуд, спеціальні лампи та вогнетривкі матеріали.
Дрібні пластинки з кристалів кварцу здатні перетворювати механічну енергію на електричну, і навпаки. Такі речовини називають п’єзоелектриками, їх використовують як генератори звуку, у радіотехніці, а також у запальничках.
Силіцій(ІV) оксид — головний компонент майже всіх земних гірських порід, зокрема кізельгуру, який використовують для виготовлення вибухівки з тринітрогліцеролу.
Із силіцій(ІV) оксиду виготовляють силікагель.
Ключова ідея
Силіцій(ІV) оксид є основою природних ґрунтів і скельних порід та сучасних адсорбційних матеріалів.
Запитання та завдання
341. Схарактеризуйте фізичні й хімічні властивості силіцій(IV) оксиду, його застосування та поширеність у природі.
342. Обчисліть масу силіцій(IV) оксиду, необхідну для перетворення кальцинованої соди Na2CO3 масою 1 т на натрій силікат.
343. Як ви вважаєте, чому кварцовий посуд, розпечений у полум'ї, не тріскається під час контакту з холодною водою?
Цей контент створено завдяки Міністерству освіти і науки України