Элементы главной подгруппы IV группы периодической системы

Электронная конфигурация./^-элементы.

Свойства. Элементы этой подгруппы образуют оксиды с общей формулой RO и RO, н водородные соединения с формулой RH4. От углерода к свинцу свойства оксидов изменяются от кислотных (СО,, SiO,) до амфотерных (SnO,, PbO,). PbO и SnO являются основными оксидами. От углерода к свинцу уменьшается прочность водородных соединений. Изменяется и характер гидратов: так, Н,СО,. H,SiO}—слабые кислоты: Pb(OH),, Sn(OH),, Ge(OH),—амфотерные основания. В подгруппе с ростом порядкового номера уменьшается энергия ионизации и увеличивается атомный радиус, т. е. неметаллические свойства ослабевают, а металлические усиливаются.

Кремний

Нахождение в природе. В свободном виде кремний не встречается, бывает только в виде соединений. Наиболее стойким соединением кремния является оксид кремния (IV), или кремнезем. Кристаллический кремнезем находится в природе главным образом в виде минерала кварца. На дне морей имеются отложения тонкого пористого аморфного кремнезема, который называют трепелом, кизельгуром или инфузорной землей. Кремний входит в состав полевого шпата, слюды, глины, асбеста

Физические свойства. Кремний — темно-серое вещество с металлическим блеском. Он хрупок и, как и углерод, тугоплавок. Обладает полупроводниковыми свойствами.

Химические свойства.

Кремний не взаимодействует с кислотами (кроме смеси плавиковой и азотной кислот), в то время как со щелочами реагирует очень энергично: Si + 2NaOH + Н,0 = Na,SiO, + +2Н,Т.

При нагревании кремний соединяется с кислородом: Si + О, = SiO,.

Кремний образует также соединение с водородом — силан: SiH4: Si + 2Н, = SiH4.

С углеродом кремний образует карборунд (карбид кремния) — кристаллическое, построенное по типу алмаза вещество: Si02 + 2С = SiC + С02.

Соединения кремния с металлами называются силицидами: Si + 2Mg = Mg,Si (силицид магния).

Применение. Кремний применяют главным образом для изготовления полупроводниковых приборов, получения сплавов, восстановления металлов из оксидов.

Получение. Получают кремний путем его восстановления из кремнезема: SiO, + 2Mg = 2MgO + Si.

В промышленности кремнезем восстанавливают углем в электрических печах: SiO, + 2С = Si + 2СО.

Соединения кремния

Оксид кремния (IV), и їй кремнезем. Твердое, очень тугоплавкое кристаллическое вещество, нерастворимое в воде и не вступающее с ней во взаимодействие. По химическим свойствам оксид кремния (IV) относится к кислотным оксидам. С оксидом кремния (IV) непосредственно реагирует только плавиковая кислота: SiO, + 4HF = SiF4 + 2Н.О.

При сплавлении оксида кремния (IV) с щелочами, основными оксидами и карбонатами образуются соли кремниевой кислоты — силикаты:

SiO, + 2NaOH = Na,SiO, + Н,0; SiO, + CaO = CaSiO,;

Si02 + K2CO, = K,Si03 + CO,T.

Кремниевая кислота. Относится к слабым кислотам; малорастворима в воде. Молекулы кремниевой кислоты в водных растворах практически не диссоциируют. Формула H,Si03 является условной. В действительности кремниевая кислота существует в виде соединения (H,SiOJn или поликремниевых кислот. При длительном хранении от кремниевой кислоты отщепляются молекулы воды и она превращается в SiO,.

Силикатная промышленность

Силикатная промышленность объединяет в основном керамическое, стекольное и цементное производства.

Производство керамики. Керамика — материалы и изделия, изготовляемые из огнеупорных веществ — глины, карбидов и оксидов некоторых металлов. К керамическим изделиям относят кирпич, черепицу, облицовочные плитки, глиняную посуду, изделия из фарфора и фаянса.

Процесс изготовления керамических изделий состоит из приготовления керамической массы, формования, сушки и обжига. При обжиге происходит спекание, обусловленное химическими реакциями в твердой фазе. Обжиг обычно проводят при температуре 900 °С. Спекание проводится по строго определенному режиму и приводит к получению материала, обладающего заданными свойствами. Производство стекла. Стекло оконное состоит главным образом из силикатов натрия и калия, сплавленных с оксидом кремния (IV). состав приблизительно выражается формулой Na20 • CaO • 6Si02. Сырьем для его получения служат белый песок, сода, известняк или мел. При сплавлении этих веществ происходят следующие реакции:

СаСО, + SiO, = CaSiO, + СО,Т; Na,COi + SiO, = Na,SiO, + CO,1\ •

Силикаты натрия и кальция вместе с кремнеземом сплавляются в массу, которая постепенно охлаждается:

Na,SiO, + CaSiO, + 4SiO, = Nap CaO • CSiOr

Производство цемента. Цемент — один из важнейших материалов, изготавливаемых силикатной промышленностью. Он в огромных количествах используется при строительных работах. Обычный цемент (силикатцемент или портландцемент) получают путем обжига смеси глины с известняком. При обжиге цементной смеси карбонат кальция разлагается на оксид углерода (IV) и оксид кальция: последний вступает во взаимодействие с глиной. При этом образуются силикаты и алюминаты кальция.