Lý thuyết và bài tập về silic và hợp chất tài liệu bài giảng

Khóa học LTðH môn Hóa học – Thầy Ngọc Lý thuyết và bài tập về silic và hợp chất Hocmai.vn – Ngôi trường chung của học trò Việt Tổng ñài tư vấn: 1900 58-58-12 - Trang | 1 - LÝ THUYẾT VÀ BÀI TẬP VỀ SILIC VÀ HỢP CHẤT TÀI LIỆU BÀI GIẢNG I. Silic 1. Tính chất vật lí Silic có các dạng thù hình: Silic tinh thể và silic vô ñịnh hình. Silic tinh thể có cấu trúc giống kim cương, màu xám, có ánh kim, nóng chảy ở 14200C. Silic tinh thể có tính bán dẫn, ở nhiệt ñộ thường ñộ dẫn ñiện thấp nhưng khi tăng nhiệt ñộ thì ñộ dẫn ñiện tăng lên. Silic vô ñịnh hình là chất bột màu trắng. 2. Tính chất hóa học Cũng giống như cacbon, silic có các số oxi hóa -4,0,+2,+4; số oxi hóa +2 ít ñặc trưng ñối với silic. Silic vô ñịnh hình có khả năng phản ứng cao hơn silic tinh thể. a. Tính khử Tác dụng với phi kim: Silic tác dụng với flo ở nhiệt ñộ thường, còn khi ñun nóng có thể tác dụng với phi kim khác: 0 4 2 4Si + 2F Si F + → (silic tetraflorua). 0 4 0t 2 2Si + 2O SiO + → (silic ñioxit). Tác dụng với hợp chất: Silic tác dụng tương ñối mạnh với dung dịch kiềm, giải phóng hiñro: 0 4 2 2 3 2Si + 2NaOH + H O Na SiO + 2H + → ↑ b. Tính oxi hóa Ở nhiệt ñộ cao, silic tác dụng với các kim loại như Ca, Mg, Fe, tạo thành hợp chất silixua kim loại: 0 4 0t 2Si + 2Mg Mg Si − → (magie silixua). 3. Trạng thái tự nhiên Silic là nguyên tố phổ biến thứ 2 sau oxi, chiếm gần 29,5% khối lượng vỏ trái ñất. Trong tự nhiên chỉ gặp silic dưới dạng các hợp chất, chủ yếu là cát SiO2, các khoáng vật silicat và aluminosilicat như : cao lanh Al2O3.2SiO2.2H2O; xecpentin 3MgO.2SiO2.2H2O; fenspat Na2O.Al2O3.6SiO2, .... Silic còn có trong cơ thể ñộng vật, thực vật với lượng nhỏ và có vai trò ñáng kể trong họat ñộng sống của thế giới hữu sinh. 4. Ứng dụng và ñiều chế Silic siêu tinh khiết là chất bán dẫn ñược dùng trong kỹ thuật vô tuyến và ñiện tử. Pin mặt trời chế tạo từ silic có khả năng chuyển năng lượng ánh sáng mặt trời thành ñiện năng, cung cấp cho các thiết bị trên tàu vũ trụ. Trong luyện kim, hợp kim ferosilic ñược dùng ñể chế tạo thép chịu nhiệt. Trong phòng thí nghiệm, silic ñược ñiều chế bằng cách ñốt cháy một hỗn hợp gồm bột magie và cát nghiền mịn: 0t 2SiO + 2Mg Si + 2MgO→ Trong công nghiệp, silic ñựơc sản xuất bằng cách dùng than cốc khử silic ñioxit trong lò ñiện ở nhiệt ñộ cao: 0t 2SiO + 2C Si + 2CO→ II. Hợp chất của silic 1. Silic ñioxit Silic ñioxit SiO2 là chất ở dạng tinh thể, nóng chảy ở 1713 0C không tan trong nước. Trong tự nhiên, SiO2 tinh thể chủ yếu ở dạng khoáng vật thạch anh. Thạch anh chủ yếu tồn tại ở dạng tinh thể lớn, không màu, trong suốt. Cát là SiO2có chứa nhiều tạp chất. Silic ñioxit là oxit axit, tan chậm trong dung dịch kiềm ñặc nóng, tan dễ trong kiềm nóng chảy hoặc cacbonat kim loại kiềm nóng chảy, tạo thành silicat: 0 0 t 2 2 3 2 t 2 2 3 2 3 2 SiO + 2NaOH Na SiO + H O SiO + 2Na CO Na SiO + CO → → Khóa học LTðH môn Hóa học – Thầy Ngọc Lý thuyết và bài tập về silic và hợp chất Hocmai.vn – Ngôi trường chung của học trò Việt Tổng ñài tư vấn: 1900 58-58-12 - Trang | 2 - Silic ñioxit tan trong axit flohiñric: 2 4 2SiO + 4HF SiF + 2H O→ Dựa vào phản ứng này người ta dùng dung dịch HF ñể khắc chữ và hình trên thủy tinh. 2. Axit silixic và muối silicat a. Axit silixic Axit silixic H2SiO3 là chất ở dạng keo, không tan trong nước, khi ñun nóng dễ mất nước: 0t 2 3 2 2H SiO SiO + H O→ Khi sấy khô, Axit silixic mất một phần nước, tạo thành một vật liệu xốp là silicagen. Silicagen ñươc dùng ñể hút ẩm và hấp thụ nhiều chất. Axit silixic là axit rất yếu, yếu hơn cả axit cacbonic nên dễ bị khí CO2 ñẩy ra khỏi dung dịch muối của nó: 2 3 2 2 2 3 2 3Na SiO + CO + H O H SiO + Na CO→ b. Muối silicat Axit silixic dễ tan trong dung dịch kiềm, tạo thành muối silicat. Chỉ có silicat kim loại kiềm tan ñược trong nước. Dung dịch ñậm ñặc của Na2SiO3 và K2SiO3 ñược gọi là thủy tinh lỏng. Vải hoặc gỗ tẩm thủy tinh lỏng sẽ khó bị cháy. Thủy tinh lỏng còn ñược dùng ñể chế tạo keo dán thủy tinh và sứ. Ở trong dung dịch, silicat kim loại kiềm bị phân hủy mạnh tạo ra môi trường kiềm: 2 3 2 2 3Na SiO + 2H O 2NaOH + H SiO⇌ III. Công nghiệp silicat 1. Thủy tinh a. Thành phần hóa học và tính chất của thủy tinh Thủy tinh thông thường ñược dùng làm cửa kính, chai lọ,...là hỗn hợp của natri silicat, canxi silicat và silic ñioxit, có thành phần gần ñúng viết dưới dạng các oxit là Na2O.CaO.6SiO2. Thủy tinh loại này ñược sản xuất bằng cách nấu chảy một hỗn hợp gồm cát trắng, ñá vôi và soña ở 14000C: 0t 2 3 2 3 2 2 26SiO + CaCO + Na CO Na O.CaO.6SiO + 2CO→ Thủy tinh không có cấu trúc tinh thể mà là chất vô ñịnh hình, nên không có nhiệt ñộ nóng chảy xác ñịnh. Khi ñun nóng nó mềm dần rồi mới chảy, do ñó có thể tạo ra những ñồ vật và dụng cụ có hình dạng như ý muốn. b. Một số loại thủy tinh Ngoài loại thủy tinh thông thường nêu trên còn có một số loại thủy tinh khác với thành phần hóa học và công dụng khác nhau. - Khi nấu thủy tinh, nếu thay Na2CO3 bằng K2CO3 thì ñược thủy tinh kali có nhiệt ñộ hóa mềm và nhiệt ñộ nóng chảy cao hơn. Thủy tinh kali ñược dùng làm dụng cụ thí nghiệm, lăng kính, thấu kính..... - Thủy tinh chứa nhiều chì oxit dễ nóng chảy và trong suốt gọi là thủy tinh pha lê - Thủy tinh thạch anh ñược sản xuất bằng cách nấu chảy silic ñioxit tinh khiết. Loại thủy tinh này có nhiệt ñộ hóa mềm cao, có hệ số nở nhiệt rất nhỏ nên không bị nứt khi nóng lạnh ñột ngột. - Khi cho thêm oxit của một số kim loại, thủy tinh sẽ có màu khác nhau, do tạo nên các silicat có màu. Thí dụ: crom III oxit Cr2O3 cho thủy tinh màu lục, coban oxit CoO cho thủy tinh màu xanh nước biển. 2. ðồ gốm ðồ gồm là vật liệu ñược chế tạo chủ yếu từ ñất sét và cao lanh. Tùy theo công dụng người ta phân biệt gốm xây dựng, vật liệu chịu lửa, gốm kĩ thuật, và gốm dân dụng. a. Gạch và ngói Gạch và ngói thuộc loại gốm xây dựng. Phối liệu ñể sản xuất chúng gồm ñất sét loại thường và một ít cát ñược nhào với nước thành khối dẻo, sau ñó tạo hình sấy khô và nung ở 900 – 10000C sẽ ñược gạch và ngói. Sau khi nung, chúng thương có màu ñỏ gây nên bởi sắt oxit ở trong ñất sét. b. Gạch chịu lửa Gạch chịu lửa thường ñược dùng ñể lót lò cao, lò luyện thép, lò thủy tinh...Có 2 loại là: gạch ñinat và gạch samôt. Phối liệu ñể chế tạo gạch ñinat gồm 93-96% SiO2, 4-7% CaO và ñất sét; nhiệt ñộ nung khoảng 1300 – 14000C. Gạch ñinat chịu ñược nhiệt ñộ khoảng 1690 – 17200C. Phối liệu ñể chế tạo gạch samôt gồm bột samôt chộn với ñất sét và nước. Sau khi ñóng khuôn và sấy khô, vật liệu ñược nung ở 1300 – 14000C. Bột samôt là ñất sét ñược nung ở nhiệt ñộ rất cao rồi nghiền nhỏ. c. Sành, sứ và men Khóa học LTðH môn Hóa học – Thầy Ngọc Lý thuyết và bài tập về silic và hợp chất Hocmai.vn – Ngôi trường chung của học trò Việt Tổng ñài tư vấn: 1900 58-58-12 - Trang | 3 - - ðất sét sau khi ñun nóng ở nhiệt ñộ 1200 – 13000C thì biến thành sành. Sành là vật liệu cứng, gõ kêu, có màu nâu hoặc xám. ðể có ñộ bóng và lớp bảo vệ không thấm nước, người ta tạo một lớp men mỏng ở mặt ngoài của ñồ sành. - Sứ là vật liệu cứng, xốp có màu trắng, gõ kêu. Phối liệu ñể sản xuất sứ gồm cao lanh, fenspat, thạch anh và một số oxit kim loại. ðồ sứ ñược nung hai lần, lần ñầu ở 10000C, sau ñó tráng men và trang trí rồi nung lần 2 ở 1400 – 15000C. Sứ có nhiều loại: sứ dân dụng, sứ kĩ thuật. Sứ kĩ thuật ñược dùng ñể chế tạo các vật liệu cách ñiện, tụ ñiện, buzi ñánh lửa, các dụng cụ thí nghiệm. - Men có thành phần chính giống sứ, nhưng dễ nóng chảy hơn. Men ñược phủ lên bề mặt sản phẩm, sau ñó nung ở nhiệt ñộ thích hợp biến thành một lớp thủy tinh che kín bề mặt sản phẩm. Làng gốm sứ Bát Tràng, các nhà máy sứ Hải Dương, ðồng Nai,.. là những cơ sở sản xuất ñồ gốm sứ nổi tiếng. 3. Xi măng a. Thành phần hóa học và phưong pháp sản xuất - Xi măng thuộc loại vật liệu dính, ñược dùng trong xây dựng. Quan trọng và thông dụng nhất là xi măng Pooclăng. ðó là chất bột min, màu lục xám, thành phần chính gồm canxi silicat và canxi aluminat: Ca3SiO5 hoặc 3CaO.SiO2, Ca2SiO4 hoặc 2CaO.SiO2, Ca3(AlO3)2 hoặc 3CaO.Al2O3. - Xi măng Pooclăng ñược sản xuất bằng cách nghiền nhỏ ñá vôi, trộn với ñất sét có nhiều SiO2 và một ít quặng sắt bằng phương pháp khô hoặc phương pháp ướt, rồi nung hỗn hợp trong lò quay hoặc lò ñứng ở 1400 – 16000C. Sau khi nung, thu ñược một hỗn hợp màu xám gọi là clanhke. ðể nguội rồi nghiền clanhke với một số chất phụ gia thành bột mịn, sẽ ñược xi măng. b. Quá trình ñông cứng xi măng Trong xây dựng, xi măng ñược trộn với nước thành khối nhão, sau vài giờ sẽ bắt ñầu ñông cứng. Quá trình ñông cứng của xi măng chủ yếu dựa vào sự kết hợp của các hợp chất có trong xi măng với nước, tạo nên những tinh thể hiñrat ñan xen vào với nhau thành khối cứng và bền. 2 2 2 4 2 2 2 2 2 4 2 2 3 2 3 3 2 2 3CaO.SiO + 5H O Ca SiO .4H O + Ca(OH) 2CaO.SiO + 4H O Ca SiO .4H O 3CaO.Al O + 6H O Ca (AlO ) .6H O → → → Hiện nay người ta còn sản xuất các loại xi măng có những tính năng khác nhau: xi măng chịu axit, xi măng chịu nước biển... Ở nước ta có nhiều nhà máy xi măng lớn như nhà máy xi măng Hải Phòng, Hoàng Thạch, Bỉm Sơn, Chinfon, Hoàng Mai, Hà Tiên... Giáo viên: Vũ Khắc Ngọc Nguồn: Hocmai.vn