Силан. 
Химия в строительстве

С водородом кремний образует различные соединения, простейшим среди которых является силан SiH₄. Это вещество по строению похоже на метан (рис. 6.1). В молекуле силана реализуется з/7^[1]-гибридизация: один 5-электрон и три /7-электрона переходят с разных энергетических подуровней на один (q), общий для всех подуровень, поэтому молекула этого кремневодорода имеет форму тетраэдра.

^силана = 32 Г/МОЛЬ.

Силан — газ без цвета, запаха и вкуса, нерастворим в воде, немного тяжелее воздуха. Это очень активное в химическом отношении вещество, типичный восстановитель.

Силан горит:

Разлагается при нагревании:

Реагирует с водой:

Для силана характерны и другие химические свойства.

Получают силан действием кислоты на силицид металла:

У силана есть гомологи. Из него получают кремнийорганические вещества. В строительстве силан не используют, но знания о нем необходимы для строителей, так как они позволяют понять свойства кремнийорганических веществ, которые получают из силана и его гомологов.

Задания для самостоятельной работы^[2][3]

Диоксид кремния [оксид кремния (IV), кварц, кремнезем, кварцевый песок] — важнейшее соединение кремния, применяемое в строительстве. Это вещество немолекулярной структуры, неорганический полимер, поэтому его свойства (физические и химические) резко отличаются от таковых для диоксида углерода, своего аналога.

Ниже представлены эмпирическая формула (1) (для простоты используют формулу Si0₂) и графическая схема (2) полимера диоксида кремния (кварцевого песка, горного хрусталя и т. д.):

Диоксид кремния образует много кристаллических модификаций. Полимерные звенья могут иметь не только форму тетраэдра (рис. 6.2), но и другие формы. Тетраэдрические элементарные звенья [Si0₄]^4- могут объединяться в сложные пространственные структуры полимеров линейного или трехмерного строения. Взаимная ориентация тетраэдрических (или иных) структур в пространстве может быть разной, поэтому для диоксида кремния характерен полиморфизм (способность твердого вещества существовать в форме различных кристаллических модификаций). Наиболее распространенными модификациями Si0₂ являются кварц, тридимит, кристобалит, которые, в свою очередь, имеют свои модификации. При разных темпера;

Рис. 6.2. Схема строения элементарного звена диоксида кремния (а) и тетраэдра, в котором атом кремния замещен на атом алюминия (б) турах оксид кремния (1У) находится в различных модификациях, которые способны переходить друг в друга при изменении температуры, например при нагревании альфа-кварца возможны переходы (схема упрощена):

Полиморфные превращения сопровождаются изменением объемов, что важно учитывать при реализации процессов получения отдельных форм диоксида кремния. Например, получение альфа-тридимита из альфа-кварца сопровождается изменением объема примерно на 16% от исходного. Кроме кристаллических модификаций, диоксид кремния существует в стеклообразном аморфном состоянии и образует порошкообразное аморфное вещество (диатомит, или трепел).

Главной природной кристаллической модификацией диоксида кремния является кварц, входящий в состав многих горных пород (граниты, пегматиты и др.). Кварц — основа обычного и кварцевого песка. Самая чистая природная разновидность кварца — горный хрусталь, способный образовывать крупные призматические кристаллы. В природе часто встречаются друзы, состоящие из большого числа сросшихся призм горного хрусталя. Горный хрусталь образует бесцветные кристаллы, являющиеся полудрагоценными камнями. Существуют и окрашенные формы горного хрусталя, относящиеся к драгоценным камням: фиолетовый аметист, черный марион и др.

Кроме кристаллического и аморфного минералов, для диоксида кремния характерны скрытокристаллические микроволокнистые минералы: агат, халцедон, яшма, относящиеся к полудрагоценным камням. Оксид кремния (ГУ) образует кремень (скрытокристаллический минерал высокой твердости), с помощью которого древний человек добывал огонь. Кремень используют как абразивный материал.

По физическим свойствам диоксид кремния является как твердым кристаллическим, стеклообразным или аморфным веществом, так и хрупким (или нет ?), плавящимся при 1713 °C, нерастворимым в воде и других растворителях, имеющим разную плотность в зависимости от модификации. Вещества, состоящие из Si0₂, не имеют запаха и вкуса, бесцветны, иногда окрашены (последнее связано с наличием в них различных примесей).

Диоксид кремния — кислотный оксид, и для него характерны все химические свойства этих оксидов. Реагирует с щелочами:

С гидроксидами щелочных металлов эта реакция идет при нагревании, при этом аморфный Si0₂ активнее реагирует, чем кристаллический.

Взаимодействует с основными и амфотерными оксидами (напишите уравнения реакций с оксидом алюминия и кальция).

При сплавлении диоксид кремния реагирует с карбонатами, образуя силикаты:

Аналогично протекает реакция с сульфитами.

Диоксид кремния, в отличие от других кислотных оксидов, взаимодействует с фтороводородной кислотой:

Эту реакцию называют реакцией травления стекла.

Взаимодействуя со смесью различных карбонатов, оксид кремния (1У) образует обыкновенное стекло:

С водой диоксид кремния не взаимодействует, так как кремниевые кислоты нерастворимы.

В промышленности и лаборатории диоксид кремния химическим путем не получают. Практически чистым диоксидом кремния является кварцевый песок, из которого можно выделить оксид кремния (1У) в более чистом виде.

Кварцевый песок используют как заполнитель при изготовлении мелкозернистых и других бетонов (основа строительных конструкций). Большие количества кварцевого песка расходуются для изготовления обыкновенного стекла, силикатного кирпича и др. Кристаллы горного хрусталя и его окрашенные формы (аметист, агат, яшму и другие разновидности) используют в ювелирном деле и изобразительном искусстве, для изготовления хрустальной посуды и т. д. Кремень применяют для добывания огня, когда нет спичек и человек находится в состоянии автономного существования.

Задания для самостоятельной работы^[4][5]

• 3. Напишите уравнение реакции «травления стекла», поясните возможность этих реакций.
• 4. Поясните, реагирует или нет диоксид кремния с водой, объясните почему.
• 5. Приведите два обоснованных примера использования диоксида кремния в строительстве.
• 6. Приведите два обоснованных примера, иллюстрирующих экологическую роль диоксида кремния.

• [1] 2 Поясните, почему силан имеет тетраэдрическое строение.
• [2] Докажите на двух примерах, что силан является восстановителем.
• [3] Напишите уравнение реакции получения силана и охарактеризуйтеего физические свойства.
• [4] Поясните, почему физические свойства диоксида кремния сильноотличаются от таковых для диоксида углерода.
• [5] Напишите уравнения реакций взаимодействия диоксида кремния скарбонатом и сульфитом натрия, поясните возможность этих реакций.