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Õèìèÿ 9 êëàññ ñ ÃÄÇ. Ãàáðèåëÿí § 35. Êðåìíèé è åãî ñîåäèíåíèÿ
Âòîðîé ïðåäñòàâèòåëü ýëåìåíòîâ ãëàâíîé ïîäãðóïïû IV ãðóïïû (IVÀ ãðóïïû) Ïåðèîäè÷åñêîé ñèñòåìû Ä. È. Ìåíäåëååâà — êðåìíèé Si.  ïðèðîäå êðåìíèé — âòîðîé ïî ðàñïðîñòðàí¸ííîñòè ïîñëå êèñëîðîäà õèìè÷åñêèé ýëåìåíò. Çåìíàÿ êîðà áîëåå ÷åì íà ÷åòâåðòü ñîñòîèò èç åãî ñîåäèíåíèé. Íàèáîëåå ðàñïðîñòðàí¸ííûì ñîåäèíåíèåì êðåìíèÿ ÿâëÿåòñÿ îêñèä êðåìíèÿ (IV) SiO2, äðóãîå åãî íàçâàíèå — êðåìíåç¸ì.  ïðèðîäå îí îáðàçóåò ìèíåðàë êâàðö (ðèñ. 158), ìíîãèå ðàçíîâèäíîñòè êîòîðîãî — ãîðíûé õðóñòàëü è åãî çíàìåíèòàÿ ëèëîâàÿ ôîðìà — àìåòèñò, à òàêæå àãàò, îïàë, ÿøìà, õàëöåäîí, ñåðäîëèê, èçâåñòíû êàê ïîäåëî÷íûå è ïîëóäðàãîöåííûå êàìíè. Èç îêñèäà êðåìíèÿ (IV) ñîñòîÿò òàêæå îáû÷íûé è êâàðöåâûé ïåñîê. Èç ðàçíîâèäíîñòåé ìèíåðàëîâ íà îñíîâå îêñèäà êðåìíèÿ (IV) (êðåìíÿ, õàëöåäîíà è äð.) ïåðâîáûòíûå ëþäè èçãîòîâëÿëè îðóäèÿ òðóäà. Èìåííî êðåìåíü, ýòîò íåâçðà÷íûé è íå î÷åíü ïðî÷íûé êàìåíü, ïîëîæèë íà÷àëî êàìåííîìó âåêó — âåêó êðåìí¸âûõ îðóäèé òðóäà (ðèñ. 159).
Ïðè÷èí ýòîìó äâå: ðàñïðîñòðàí¸ííîñòü è äîñòóïíîñòü êðåìíÿ, à òàêæå åãî ñïîñîáíîñòü îáðàçîâûâàòü ïðè ñêîëå îñòðûå ðåæóùèå êðàÿ. Âòîðîé òèï ïðèðîäíûõ ñîåäèíåíèé êðåìíèÿ — ýòî ñèëèêàòû. Ñðåäè íèõ íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåíû àëþìîñèëèêàòû (ïîíÿòíî, ÷òî ýòè ñèëèêàòû ñîäåðæàò õèìè÷åñêèé ýëåìåíò àëþìèíèé). Ê àëþìîñèëèêàòàì îòíîñÿò ãðàíèò, ðàçëè÷íûå âèäû ãëèí, ñëþäû. Ñèëèêàòîì, íå ñîäåðæàùèì àëþìèíèÿ, ÿâëÿåòñÿ, íàïðèìåð, àñáåñò, èç êîòîðîãî èçãîòàâëèâàþò îãíåóïîðíûå òêàíè. Îêñèä êðåìíèÿ (IV) SiO2 íåîáõîäèì äëÿ æèçíè ðàñòåíèé è æèâîòíûõ. Îí ïðèäà¸ò ïðî÷íîñòü ñòåáëÿì ðàñòåíèé è çàùèòíûì ïîêðîâàì æèâîòíûõ (ðèñ. 160). Áëàãîäàðÿ åìó òðîñòíèêè, êàìûøè è õâîùè ñòîÿò êðåïêî, êàê øòûêè, îñòðûå ëèñòüÿ îñîêè ðåæóò, êàê íîæè, ñòåðíÿ íà ñêîøåííîì ïîëå êîëåò, êàê èãîëêè, à ñòåáëè çëàêîâ íàñòîëüêî êðåïêè, ÷òî íå ïîçâîëÿþò íèâå íà ïîëÿõ ëîæèòüñÿ îò äîæäÿ è âåòðà. ×åøóÿ ðûá, ïàíöèðè íàñåêîìûõ, êðûëüÿ áàáî÷åê, ïåðüÿ ïòèö è øåðñòü æèâîòíûõ ïðî÷íû, òàê êàê ñîäåðæàò êðåìíåç¸ì. Ñîåäèíåíèÿ êðåìíèÿ ïðèäàþò ãëàäêîñòü è ïðî÷íîñòü âîëîñàì è íîãòÿì ÷åëîâåêà. Êðåìíèé âõîäèò è â ñîñòàâ íèçøèõ æèâûõ îðãàíèçìîâ — äèàòîìîâûõ âîäîðîñëåé è ðàäèîëÿðèé, íåæíåéøèõ êîìî÷êîâ æèâîé ìàòåðèè, êîòîðûå ñîçäàþò ñâîè íåïðåâçîéä¸ííûå ïî êðàñîòå ñêåëåòû èç êðåìíåç¸ìà (ðèñ. 161).
Ñâîéñòâà êðåìíèÿ. Âû ïîëüçóåòåñü ìèêðîêàëüêóëÿòîðîì ñ ñîëíå÷íîé áàòàðåéêîé è ïîýòîìó èìååòå ïðåäñòàâëåíèå î êðèñòàëëè÷åñêîì êðåìíèè. Ýòî ïîëóïðîâîäíèê.  îòëè÷èå îò ìåòàëëîâ, ñ ïîâûøåíèåì òåìïåðàòóðû åãî ýëåêòðîïðîâîäíîñòü óâåëè÷èâàåòñÿ. Íà ñïóòíèêàõ, êîñìè÷åñêèõ êîðàáëÿõ, ñòàíöèÿõ è êðûøàõ äîìîâ (ðèñ. 162) óñòàíàâëèâàþò ñîëíå÷íûå áàòàðåè, ïðåîáðàçóþùèå ñîëíå÷íóþ ýíåðãèþ â ýëåêòðè÷åñêóþ.  íèõ ðàáîòàþò êðèñòàëëû ïîëóïðîâîäíèêîâ, è â ïåðâóþ î÷åðåäü êðåìíèÿ.
Êðåìíèåâûå ôîòîýëåìåíòû ìîãóò ïðåâðàòèòü â ýëåêòðè÷åñêóþ äî 10% ïîãëîù¸ííîé ñîëíå÷íîé ýíåðãèè. Êðåìíèé ãîðèò â êèñëîðîäå, îáðàçóÿ óæå èçâåñòíûé âàì îêñèä êðåìíèÿ (IV):
Áóäó÷è íåìåòàëëîì, ïðè íàãðåâàíèè êðåìíèé ñîåäèíÿåòñÿ ñ ìåòàëëàìè ñ îáðàçîâàíèåì ñèëèöèäîâ, íàïðèìåð:
Ñèëèöèäû ëåãêî ðàçëàãàþòñÿ âîäîé èëè êèñëîòàìè, ïðè ýòîì âûäåëÿåòñÿ ãàçîîáðàçíîå âîäîðîäíîå ñîåäèíåíèå êðåìíèÿ — ñèëàí:
 îòëè÷èå îò óãëåâîäîðîäîâ, ñèëàí íà âîçäóõå ñàìîâîñïëàìåíÿåòñÿ è ñãîðàåò ñ îáðàçîâàíèåì îêñèäà êðåìíèÿ (IV) è âîäû:
Ïîâûøåííàÿ ðåàêöèîííàÿ ñïîñîáíîñòü ñèëàíà ïî ñðàâíåíèþ ñ ìåòàíîì ÑÍ4 îáúÿñíÿåòñÿ òåì, ÷òî ðàçìåð àòîìà ó êðåìíèÿ áîëüøå, ÷åì ó óãëåðîäà, ïîýòîìó õèìè÷åñêèå ñâÿçè Si—Í ìåíåå ïðî÷íûå, ÷åì ñâÿçè Ñ—Í. Êðåìíèé âçàèìîäåéñòâóåò ñ êîíöåíòðèðîâàííûìè âîäíûìè ðàñòâîðàìè ùåëî÷åé, îáðàçóÿ ñèëèêàòû è âîäîðîä:
Êðåìíèé ïîëó÷àþò, âîññòàíàâëèâàÿ åãî èç îêñèäà êðåìíèÿ (IV) ìàãíèåì èëè óãëåðîäîì:
Îêñèä êðåìíèÿ (IV), èëè äèîêñèä êðåìíèÿ, èëè êðåìíåç¸ì Si02, êàê è Ñ02, ÿâëÿåòñÿ êèñëîòíûì îêñèäîì. Îäíàêî â îòëè÷èå îò Ñ02 èìååò íå ìîëåêóëÿðíóþ, à àòîìíóþ êðèñòàëëè÷åñêóþ ðåø¸òêó. Ïîýòîìó Si02 òâ¸ðäîå è òóãîïëàâêîå âåùåñòâî. Îí íå ðàñòâîðÿåòñÿ â âîäå è êèñëîòàõ, êðîìå, êàê âû çíàåòå, ïëàâèêîâîé, íî âçàèìîäåéñòâóåò ïðè âûñîêèõ òåìïåðàòóðàõ ñ ùåëî÷àìè ñ îáðàçîâàíèåì ñîëåé êðåìíèåâîé êèñëîòû — ñèëèêàòîâ:
Ñèëèêàòû ìîæíî ïîëó÷èòü òàêæå ñïëàâëåíèåì îêñèäà êðåìíèÿ (IV) ñ îêñèäàìè ìåòàëëîâ èëè ñ êàðáîíàòàìè:
Ñèëèêàòû íàòðèÿ è êàëèÿ íàçûâàþò ðàñòâîðèìûì ñòåêëîì. Èõ âîäíûå ðàñòâîðû — ýòî õîðîøî èçâåñòíûé ñèëèêàòíûé êëåé. Èç ðàñòâîðîâ ñèëèêàòîâ äåéñòâèåì íà íèõ áîëåå ñèëüíûõ êèñëîò — ñîëÿíîé, ñåðíîé, óêñóñíîé è äàæå óãîëüíîé ïîëó÷àåòñÿ êðåìíèåâàÿ êèñëîòà H2SiO3 (ðèñ. 163):
Ñëåäîâàòåëüíî, H2SiO3 î÷åíü ñëàáàÿ êèñëîòà. Îíà íåðàñòâîðèìà â âîäå è âûïàäàåò èç ðåàêöèîííîé ñìåñè â âèäå ñòóäåíèñòîãî îñàäêà, èíîãäà çàïîëíÿþùåãî êîìïàêòíî âåñü îáú¸ì ðàñòâîðà, ïðåâðàùàÿ åãî â ïîëóòâ¸ðäóþ ìàññó, ïîõîæóþ íà ñòóäåíü, æåëå. Ïðè âûñûõàíèè ýòîé ìàññû îáðàçóåòñÿ âûñîêîïîðèñòîå âåùåñòâî — ñèëèêàãåëü, øèðîêî ïðèìåíÿåìûé â êà÷åñòâå àäñîðáåíòà — ïîãëîòèòåëÿ äðóãèõ âåùåñòâ.
Ïðèìåíåíèå êðåìíèÿ. Âû óæå çíàåòå, ÷òî êðåìíèé ïðèìåíÿþò äëÿ ïîëó÷åíèÿ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ìàòåðèàëîâ, à òàêæå êèñëîòîóïîðíûõ ñïëàâîâ. Ïðè ñïëàâëåíèè êâàðöåâîãî ïåñêà ñ óãë¸ì ïðè âûñîêèõ òåìïåðàòóðàõ îáðàçóåòñÿ êàðáèä êðåìíèÿ SiC, êîòîðûé ïî òâ¸ðäîñòè óñòóïàåò òîëüêî àëìàçó. Ïîýòîìó åãî èñïîëüçóþò äëÿ çàòà÷èâàíèÿ ðåçöîâ ìåòàëëîðåæóùèõ ñòàíêîâ è øëèôîâêè äðàãîöåííûõ êàìíåé.
Èç ðàñïëàâëåííîãî êâàðöà èçãîòàâëèâàþò ðàçëè÷íóþ êâàðöåâóþ õèìè÷åñêóþ ïîñóäó, êîòîðàÿ ìîæåò âûäåðæèâàòü âûñîêóþ òåìïåðàòóðó è íå òðåñêàåòñÿ ïðè ðåçêîì îõëàæäåíèè. Ñîåäèíåíèÿ êðåìíèÿ ñëóæàò îñíîâîé äëÿ ïðîèçâîäñòâà ñòåêëà è öåìåíòà. Îáû÷íîå îêîííîå ñòåêëî èìååò ñîñòàâ, êîòîðûé ìîæíî âûðàçèòü ôîðìóëîé Na2O • ÑàÎ • 6SiO2. Åãî ïîëó÷àþò â ñïåöèàëüíûõ ñòåêëîâàðåííûõ ïå÷àõ ñïëàâëåíèåì ñìåñè ñîäû, èçâåñòíÿêà è ïåñêà. Îòëè÷èòåëüíàÿ îñîáåííîñòü ñòåêëà — ñïîñîáíîñòü ðàçìÿã÷àòüñÿ è â ðàñïëàâëåííîì ñîñòîÿíèè ïðèíèìàòü ëþáóþ ôîðìó, êîòîðàÿ ñîõðàíÿåòñÿ ïðè çàñòûâàíèè ñòåêëà. Íà ýòîì îñíîâàíî ïðîèçâîäñòâî ïîñóäû è äðóãèõ èçäåëèé èç ñòåêëà. Äîïîëíèòåëüíûå êà÷åñòâà ñòåêëó ïðèäàþò ðàçëè÷íûå äîáàâêè. Òàê, ââåäåíèåì îêñèäà ñâèíöà ïîëó÷àþò õðóñòàëüíîå ñòåêëî, îêñèä õðîìà îêðàøèâàåò ñòåêëî â çåë¸íûé öâåò, îêñèä êîáàëüòà — â ñèíèé è ò. ä. (ðèñ. 164). Ñòåêëî — îäíî èç äðåâíåéøèõ èçîáðåòåíèé ÷åëîâå÷åñòâà. Óæå 3—4 òûñ. ëåò íàçàä ïðîèçâîäñòâî ñòåêëà áûëî ðàçâèòî â Åãèïòå, Ñèðèè, Ôèíèêèè è Ïðè÷åðíîìîðüå.
Ñòåêëî — ýòî ìàòåðèàë íå òîëüêî ðåìåñëåííèêîâ, íî è õóäîæíèêîâ. Âûñîêîãî ñîâåðøåíñòâà äîñòèãëè ìàñòåðà Äðåâíåãî Ðèìà, êîòîðûå óìåëè ïîëó÷àòü öâåòíûå ñò¸êëà è äåëàòü èç èõ êóñî÷êîâ ìîçàèêè. Ïðîèçâåäåíèÿ èñêóññòâà èç ñòåêëà ÿâëÿþòñÿ îáÿçàòåëüíûìè àòðèáóòàìè ëþáîãî êðóïíîãî ìóçåÿ, è öâåòíûå âèòðàæè öåðêâåé, ìîçàè÷íûå ïàííî — ÿðêèå òîìó ïðèìåðû (ðèñ. 165).  îäíîì èç ïîìåùåíèé Ñàíêò-Ïåòåðáóðãñêîãî îòäåëåíèÿ Ðîññèéñêîé àêàäåìèè íàóê íàõîäèòñÿ ìîçàè÷íûé ïîðòðåò Ïåòðà I, âûïîëíåííûé Ì. Â. Ëîìîíîñîâûì (ðèñ. 166). Îáëàñòè ïðèìåíåíèÿ ñòåêëà î÷åíü îáøèðíû. Ýòî îêîííîå, áóòûëî÷íîå, ëàìïîâîå, çåðêàëüíîå ñòåêëî; ñòåêëî îïòè÷åñêîå — îò ñò¸êîë î÷êîâ äî ñò¸êîë ôîòîêàìåð; ëèíçû áåñ÷èñëåííûõ îïòè÷åñêèõ ïðèáîðîâ — îò ìèêðîñêîïîâ äî òåëåñêîïîâ. Äðóãîé âàæíûé ìàòåðèàë, ïîëó÷àåìûé íà îñíîâå ñîåäèíåíèÿ êðåìíèÿ, — öåìåíò. Åãî ïîëó÷àþò ñïåêàíèåì ãëèíû è èçâåñòíÿêà â ñïåöèàëüíûõ âðàùàþùèõñÿ ïå÷àõ. Åñëè ïîðîøîê öåìåíòà ñìåøàòü ñ âîäîé, òî îáðàçóåòñÿ öåìåíòíîå òåñòî, èëè, êàê åãî íàçûâàþò ñòðîèòåëè, «öåìåíòíûé ðàñòâîð», êîòîðûé ïîñòåïåííî çàòâåðäåâàåò. Ïðè äîáàâëåíèè ê öåìåíòó ïåñêà èëè ùåáíÿ â êà÷åñòâå íàïîëíèòåëÿ ïîëó÷àþò áåòîí. Ïðî÷íîñòü áåòîíà âîçðàñòàåò, åñëè â íåãî ââîäèòñÿ æåëåçíûé êàðêàñ, — ïîëó÷àåòñÿ æåëåçîáåòîí, èç êîòîðîãî èçãîòàâëèâàþò ñòåíîâûå ïàíåëè, áëîêè ïåðåêðûòèé, ôåðìû ìîñòîâ è ò. ä. Ïðîèçâîäñòâîì ñòåêëà è öåìåíòà çàíèìàåòñÿ ñèëèêàòíàÿ ïðîìûøëåííîñòü. Îíà òàêæå âûïóñêàåò ñèëèêàòíóþ êåðàìèêó — êèðïè÷, ôàðôîð (ðèñ. 167), ôàÿíñ è èçäåëèÿ èç íèõ. Îòêðûòèå êðåìíèÿ. Õîòÿ óæå â ãëóáîêîé äðåâíîñòè ëþäè øèðîêî èñïîëüçîâàëè â áûòó ñîåäèíåíèÿ êðåìíèÿ, ñàì êðåìíèé áûë âïåðâûå ïîëó÷åí â 1824 ã. øâåäñêèì õèìèêîì É. ß. Áåðöåëèóñîì. Îäíàêî çà 12 ëåò äî íåãî êðåìíèé ïîëó÷èëè Æ. Ãåé-Ëþññàê è Ë. Òåíàð, íî îí áûë î÷åíü çàãðÿçí¸í ïðèìåñÿìè. Ëàòèíñêîå íàçâàíèå ñèëèöèóì áåð¸ò ñâî¸ íà÷àëî îò ëàòèíñêîãî ñëîâà ñèëåêñ— «êðåìåíü».
Ðóññêîå íàçâàíèå «êðåìíèé» ïðîèñõîäèò îò ãðå÷åñêîãî êðåìíîñ — «óò¸ñ, ñêàëà».
1. Îáðàòèòåñü ê ýëåêòðîííîìó ïðèëîæåíèþ. Èçó÷èòå ìàòåðèàë óðîêà è âûïîëíèòå ïðåäëîæåííûå çàäàíèÿ. 2. Íàéäèòå â Èíòåðíåòå ýëåêòðîííûå àäðåñà, êîòîðûå ìîãóò ñëóæèòü äîïîëíèòåëüíûìè èñòî÷íèêàìè, ðàñêðûâàþùèìè ñîäåðæàíèå êëþ÷åâûõ ñëîâ è ñëîâîñî÷åòàíèé ïàðàãðàôà. Ïðåäëîæèòå ó÷èòåëþ ñâîþ ïîìîùü â ïîäãîòîâêå íîâîãî óðîêà — ñäåëàéòå ñîîáùåíèå ïî êëþ÷åâûì ñëîâàì è ñëîâîñî÷åòàíèÿì ñëåäóþùåãî ïàðàãðàôà.
1. Óêàæèòå ñõîäñòâî è ðàçëè÷èå îêñèäà óãëåðîäà (IV) è îêñèäà êðåìíèÿ (IV) ïî ñòðîåíèþ è ñâîéñòâàì. Íàïèøèòå óðàâíåíèÿ ðåàêöèé. 2. Ïî÷åìó óãëåðîä íàçûâàþò îñíîâíûì ýëåìåíòîì æèâîé ïðèðîäû, à êðåìíèé — îñíîâíûì ýëåìåíòîì íåæèâîé ïðèðîäû? 3. Ïðè âçàèìîäåéñòâèè èçáûòêà ðàñòâîðà ãèäðîêñèäà íàòðèÿ ñ 16 ã êðåìíèÿ áûëî ïîëó÷åíî 22,4 ë âîäîðîäà (í. ó.). Âû÷èñëèòå ìàññîâóþ äîëþ êðåìíèÿ âî âçÿòîì îáðàçöå. Ñêîëüêî ãðàììîâ îêñèäà êðåìíèÿ (IV) ñîäåðæàëîñü â í¸ì? Ñêîëüêî ãðàììîâ 60%-ãî ðàñòâîðà ù¸ëî÷è ïîòðåáîâàëîñü äëÿ ðåàêöèè? 4. Íàïèøèòå óðàâíåíèÿ ðåàêöèé, ñ ïîìîùüþ êîòîðûõ ìîæíî îñóùåñòâèòü ñëåäóþùèå ïðåâðàùåíèÿ:
Ðàññìîòðèòå ïðîöåññû îêèñëåíèÿ-âîññòàíîâëåíèÿ.
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