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?