Химия · Химия элементов · 9 класс

Кремний и силикаты

Как из песка получают оконное стекло, цемент и солнечную панель?

Ситуация

На стекольном заводе в Кувасае в Ферганской долине из обычного песка отливают оконное стекло, на Ахангаранском цементном заводе известняк и глину обжигают в печи и получают цемент, риштанские гончары лепят из глины керамические пиалы. Основа солнечной панели на крыше вашего дома — тоже сверхчистый кремний. Все это — кремний и его соединения, второй по распространённости после кислорода элемент в земной коре. Как из горсти песка получают стекло, цемент и пластину, дающую электрический ток?

Тема

Кремний, силикаты и силикатная промышленность. Кувасайский стекольный завод и солнечная панель: оконное стекло из песка, цемент, кирпич и чистый кремний

Ключевые понятия

Кремний — полупроводник
Силикаты и стекло
Цемент и керамика

Формулы

SiO_{2} + 2 C \overset{}{\to} Si + 2 CO

Получение кремния в промышленности: восстановление кварцевого песка коксом при ≈ 2000 °C (технический кремний ≈ 98–99 %).

Na_{2} SiO_{3} + 2 HCl \overset{}{\to} H_{2} SiO_{3} ↓ + 2 NaCl

Получение кремниевой кислоты: при добавлении кислоты к «жидкому стеклу» образуется гель; ионная форма — $SiO_{3}^{2 -} + 2 H^{+} \overset{}{\to} H_{2} SiO_{3} ↓$ .

6 SiO_{2} + Na_{2} CO_{3} + CaCO_{3} \overset{}{\to} Na_{2} O \cdot CaO \cdot 6 SiO_{2} + 2 CO_{2} ↑

Варка оконного стекла (≈ 1500 °C): песок, сода и известняк.

CaCO_{3} \overset{}{\to} CaO + CO_{2} ↑

Основа цементного клинкера — CaO, получаемый при обжиге известняка; клинкер обжигают при ≈ 1450 °C.

λ_{\max} = \frac{h c}{E_{g}} = \frac{1240 эВ·нм}{1,12 эВ} \approx 1107 нм

Кремниевый солнечный элемент преобразует в электричество свет с длиной волны короче ≈ 1107 нм.

Теория

Кремний: положение в периодической системе, строение и свойства

Кремний (Si) — 3-й период, IV A группа, Z = 14: электронные слои 2 · 8 · 4, внешний слой $3 s^{2} 3 p^{2}$ . В соединениях степень окисления в основном +4 (SiO₂, силикаты) и −4 (в силицидах, например Mg₂Si). Кремния в земной коре ≈ 27,7 % по массе — второе место после кислорода, но в природе в свободном виде он не встречается: только в виде кремнезёма SiO₂ (кварц, песок) и силикатов. Кристаллический кремний — тёмно-серый, с металлическим блеском, твёрдый и хрупкий, плотность 2,33 г/см³, плавится при 1414 °C; кристаллическая решётка похожа на алмазную (каждый атом с 4 соседями, Si–Si 235 пм). Кремний — полупроводник: ширина запрещённой зоны 1,12 эВ; при нагревании или освещении проводимость растёт. В лаборатории $SiO_{2} + 2 Mg \overset{}{\to} Si + 2 MgO$ , в промышленности $SiO_{2} + 2 C \overset{}{\to} Si + 2 CO$ . В обычных условиях кремний инертен, при нагревании горит: $Si + O_{2} \overset{}{\to} SiO_{2}$ ; растворяется в растворе щёлочи с выделением водорода: $Si + 2 NaOH + H_{2} O \overset{}{\to} Na_{2} SiO_{3} + 2 H_{2} ↑$ ; с магнием образует силицид, из которого получают силан: $Mg_{2} Si + 4 HCl \overset{}{\to} 2 MgCl_{2} + SiH_{4} ↑$ (SiH₄ самовоспламеняется на воздухе).

Чистый кремний и солнечная энергетика

Кремний для солнечного элемента должен быть очень чистым: не менее 99,9999 % («6N»), для микросхем — 99,9999999 % и выше. Путь: кварцевый песок → технический кремний в электродуговой печи (≈ 98–99 %) → трихлорсилан с HCl ( $Si + 3 HCl \overset{}{\to} SiHCl_{3} + H_{2}$ , ≈ 300 °C) → очистка перегонкой → восстановление водородом ( $SiHCl_{3} + H_{2} \overset{}{\to} Si + 3 HCl$ , ≈ 1100 °C) — поликремний → монокристаллический слиток, вытягиваемый из расплава на затравочном кристалле → тонкие пластины. Фотон света выбивает электрон из связи, образуя пару «электрон–дырка»; p–n-переход разделяет их — во внешней цепи появляется ток. Энергия фотона должна быть больше 1,12 эВ: работает свет с длиной волны короче ≈ 1107 нм. Мощность панели пропорциональна потоку света: $P = η G S$ (в модели $η$ = 20 %, $S$ = 0,1 м²; для полуденного Солнца $G \approx 1000$ Вт/м²).

Оксид кремния(IV), кремниевая кислота и силикаты (лабораторная работа 2)

SiO₂ — твёрдое, очень тугоплавкое вещество (кварц, песок, опал): каждый атом Si образует тетраэдр с 4 атомами O, тетраэдры соединены вершинами в трёхмерную сетку. SiO₂ не растворяется в воде, не реагирует с кислотами (только с плавиковой: $SiO_{2} + 4 HF \overset{}{\to} SiF_{4} ↑ + 2 H_{2} O$ — так травят узоры на стекле), но он кислотный оксид: при сплавлении со щёлочью и содой даёт силикаты: $SiO_{2} + 2 NaOH \overset{}{\to} Na_{2} SiO_{3} + H_{2} O$ . Раствор Na₂SiO₃ и K₂SiO₃ — жидкое стекло (клей, огнеупорная пропитка). При добавлении к нему кислоты слабая кремниевая кислота выделяется в виде геля: $Na_{2} SiO_{3} + 2 HCl \overset{}{\to} H_{2} SiO_{3} ↓ + 2 NaCl$ ; даже CO₂ вытесняет её: $Na_{2} SiO_{3} + CO_{2} + H_{2} O \overset{}{\to} H_{2} SiO_{3} ↓ + Na_{2} CO_{3}$ . Высушенный гель — силикагель (поглотитель влаги). Природные силикаты (лабораторная работа): кварц SiO₂, полевой шпат $KAlSi_{3} O_{8}$ = K₂O·Al₂O₃·6SiO₂, слюда, каолин $Al_{2} Si_{2} O_{5} (OH)_{4}$ = Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O, тальк, асбест; гранит — смесь кварца, полевого шпата и слюды. Запись формулы силиката в виде оксидов облегчает понимание состава.

Стекло (лабораторная работа 3)

Обычное оконное стекло ≈ Na₂O·CaO·6SiO₂: смесь песка, соды и известняка плавят при ≈ 1500 °C: $Na_{2} CO_{3} + SiO_{2} \overset{}{\to} Na_{2} SiO_{3} + CO_{2} ↑$ , $CaCO_{3} + SiO_{2} \overset{}{\to} CaSiO_{3} + CO_{2} ↑$ . Стекло — аморфное вещество: у него нет определённой температуры плавления, при нагревании оно постепенно размягчается. Флоат-метод (А. Пилкингтон, 50-е годы XX века): расплавленное стекло выливают на ванну с жидким оловом, по её поверхности оно растекается ровным слоем — получается гладкий лист одинаковой толщины, который затем медленно охлаждают в туннельной печи. Стекольный завод «Кварц» в Кувасае (Ферганская область) работает с 1975 года; листовое стекло производит флоат-методом. Виды: натриево-кальциевое (окна, посуда); калиевое (тугоплавкое); свинцовое — хрусталь (блестящее, тяжёлое); боросиликатное (с добавкой B₂O₃ — термостойкая лабораторная посуда); кварцевое (чистый SiO₂); цветное: CoO — синее, Cr₂O₃ — зелёное, оксиды железа — зелёно-коричневое. Ситаллы — стекло с добавкой TiO₂ или ZrO₂, подвергнутое контролируемой кристаллизации: очень прочное и жаростойкое (кухонные плиты).

Цемент, бетон и керамика

Портландцемент: известняк (≈ 3/4) и глину (или глинистую почву) измельчают и обжигают во вращающейся печи при ≈ 1450 °C — образуются гранулы клинкера: $CaCO_{3} \overset{}{\to} CaO + CO_{2} ↑$ , $3 CaO + SiO_{2} \overset{}{\to} Ca_{3} SiO_{5}$ . Клинкер размалывают вместе с ≈ 5 % гипса. При затворении водой силикаты гидратируются: $2 Ca_{3} SiO_{5} + 6 H_{2} O \overset{}{\to} Ca_{3} Si_{2} O_{7} \cdot 3 H_{2} O + 3 Ca (OH)_{2}$ — волокна гидросиликата кальция переплетаются и схватываются, как камень; прочность растёт несколько месяцев (28-суточная — нормативное значение). На каждую тонну клинкера из известняка выделяется ≈ 0,5 т CO₂. Бетон = цемент + песок + щебень + вода. Керамика: глину (в основном каолинит) замешивают с водой, придают форму, сушат и обжигают: кирпич ≈ 900–1000 °C, фарфор ≈ 1300–1400 °C. Гончарное ремесло Риштана (Ферганская область) славится сине-голубыми узорами; в традиционной глазури «ишкор» используют щелочные вещества, получаемые из золы растений.

Вуз: цементный завод, лабораторные работы и модель

Минералы клинкера (краткая запись: C = CaO, S = SiO₂, A = Al₂O₃, F = Fe₂O₃): алит C₃S (50–70 %) — быстро твердеет и даёт раннюю прочность; белит C₂S (15–30 %) — твердеет медленно, но долго; C₃A (5–10 %) — очень быстро реагирует и выделяет много теплоты (гипс его замедляет); C₄AF (5–15 %). По оксидному составу рассчитываются уравнениями Богуэ: $C_{3} S = 4,071 C - 7,600 S - 6,718 A - 1,430 F - 2,852 S O_{3}$ и так далее; коэффициент насыщения известью $LSF = C / (2,8 S + 1,2 A + 0,65 F)$ ≈ 0,92–0,98. Лаборатория: на приборе Вика нормальная густота цементного теста — это водоцементное отношение, при котором пестик не доходит до пластинки на 6 ± 1 мм (обычно 0,24–0,30); время схватывания гипса — момент, когда игла не доходит до дна теста (начало схватывания) и когда почти не погружается в поверхность (конец схватывания); у нормально твердеющего гипса ≈ от 6 до 30 минут. Безопасность: пыль цемента и извести обжигает глаза и кожу — очки, перчатки, респиратор; пыль асбеста канцерогенна. Модель: уравнения Богуэ и теплота гидратации (C₃S 502, C₂S 260, C₃A 867, C₄AF 419 Дж/г) — из справочника; кривая прочности, испытания Вика и гипса — схематичные модели, подогнанные под типичные значения; диорама — уменьшенный макет.

Знаете ли вы?

Кремний составляет около 27,7 % массы земной коры — второе место после кислорода; в природе он встречается только в соединениях — в виде кварца и силикатов.
Патент на портландцемент в 1824 году получил английский каменщик Джозеф Аспдин; название он дал за сходство затвердевшего цемента со строительным камнем с острова Портленд.

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.

Другие эксперименты раздела

Группа кислорода и сера — 8 класс
Серная кислота и контактный способ — 8 класс
Азот, аммиак и азотная кислота — 8 класс
Фосфор и минеральные удобрения — 8 класс
Углерод и его соединения — 9 класс
Выплавка чугуна и стали — 9 класс
Металлы и сплавы — 9 класс
Щелочные металлы и сода — 9 класс
Алюминий и его соединения — 9 класс
Медь, серебро, золото и цинк — 9 класс