Điều chế Silic trong công nghiệp

Điều chế Silic công nghiệp

Silicon được điều chế trong công nghiệp bằng cách sử dụng chất khử mạnh như cacbon để khử SiO.₂ ở nhiệt độ cao.

SiO₂ + 2C → Si + CO₂

A. SILIC

Tính chất vật lý

Silic có các dạng dị hướng: silic tinh thể và silic vô định hình.

Silic vô định hình: là chất bột màu nâu, không tan trong nước nhưng tan trong kim loại nóng chảy.

Silic kết tinh: có màu xám, ánh kim loại, có cấu trúc giống kim cương nên có tính bán dẫn.

Tinh thể silic có cấu trúc giống kim cương, màu xám, ánh kim loại, nóng chảy ở 1420˚C. Tinh thể silic có tính bán dẫn: ở nhiệt độ bình thường nó dẫn điện thấp, nhưng khi nhiệt độ tăng thì độ dẫn điện tăng lên.

Silicon vô định hình là một loại bột màu nâu.

Tính chất hóa học Silic 

– Các mức oxi hóa có thể có của Si: -4; 0; +2; +4 (số oxi hóa +2 kém đặc trưng hơn) nên Si vừa có tính khử vừa có tính oxi hóa.

Silic vô định hình dễ phản ứng hơn silic tinh thể.

Tính khử 

Tác dụng với phi kim:

Si + 2F₂ → SiF₄ (phản ứng xảy ra ở nhiệt độ thường)

Si + 2O₂ → SiO₂ (400 – 600⁰C)

Tác dụng với các hợp chất:

+ Si dễ tan trong dung dịch kiềm → H₂

Si + 2NaOH + H₂O → Na₂SiO₃ + 2H₂

+ Si phản ứng với axit

4HNO₃ + 18HF + 3Si → 3H₂SiF₆ + 4NO + 8H₂O

Trong hồ quang điện, Silicon phản ứng với H.₂ tạo thành một hỗn hợp các silan:

Si + H₂ → SiH₄ + Si₂H₆ + Si₃H₆ +…

Tính oxy hóa

Si có thể phản ứng với nhiều kim loại ở nhiệt độ cao → kim loại silicat.

2Mg + Si → Mg₂Si

 Điều chế và ứng dụng

 Điều chế

SiO₂ + C Coke → 2CO + Si (1800⁰C)

SiO₂ + 2Mg → 2MgO + Si (có thể thay Mg bằng Al)

SiCl₄ + 2Zn → Si + 2ZnCl₂

SiH₄ → Si + 2H₂ (t⁰)

 Ứng dụng

Silicon là một nguyên tố rất hữu ích cần thiết trong nhiều ngành công nghiệp. SiO₂ ở dạng cát và đất sét là thành phần quan trọng trong sản xuất bê tông và gạch cũng như trong sản xuất xi măng. Silicon là một nguyên tố rất quan trọng đối với thực vật và động vật. Silica diatomic được phân lập từ nước để tạo thành màng tế bào bảo vệ. Các ứng dụng khác bao gồm:

– Gốm sứ / men – Nó là một vật liệu chịu lửa được sử dụng trong sản xuất vật liệu chịu lửa và các silicat của nó được sử dụng trong sản xuất men và gốm sứ.

– Thép – Silicon là thành phần quan trọng trong một số loại thép.

– Đồng thau – Hầu hết đồng thau được sản xuất có chứa hợp kim của đồng với silic.

– Thủy tinh – Silica từ cát là thành phần cơ bản của thủy tinh. Thủy tinh có thể được sản xuất thành nhiều loại vật thể với các tính chất vật lý khác nhau. Silica được sử dụng làm vật liệu cơ bản trong sản xuất kính cửa sổ, hộp đựng (chai lọ), sứ cách nhiệt cũng như nhiều đồ vật hữu ích khác.

B. SILIC DIOOXIDE (SiO₂)

Tính chất vật lý và trạng thái tự nhiên

Silicon Dioxide (SiO₂) là một chất kết tinh nóng chảy vào năm 1713⁰C, không tan trong nước. Trong tự nhiên, SiO₂ tinh thể chủ yếu ở dạng khoáng thạch anh. Thạch anh tồn tại ở dạng tinh thể lớn, không màu, trong suốt. Cát SiO₂ chứa nhiều chất tạm thời.

Nếu ở trong tự nhiên, Silic đioxit tồn tại chủ yếu dưới dạng tinh thể hoặc vi tinh thể như cát (thạch anh), tridimit, cristobalit, cancedoan, đá mã não, phổ biến nhất là dạng cát. Đây chính là một khoáng vật của vỏ Trái Đất.

Tính chất hóa học

– SiO₂có tính chất của oxit axit, tan chậm trong dung dịch kiềm và dễ tan trong kiềm nóng chảy hoặc muối cacbonat kim loại kiềm nóng chảy → silicat:

SiO2 + 2NaOH → Na2SiO3 + H2O

SiO2 + Na2CO3 → Na2SiO3 + CO2

– SiO₂ hòa tan dễ dàng trong axit HF:

SiO2 + 4HF → SiF4 + 2H2O

Phản ứng này dùng để khắc chữ lên thủy tinh → không dùng lọ thủy tinh để đựng axit HF.

C. AXIT SILICIC VÀ MUỐI SILICATE

Axit HO₂SiO₃

– Dạng keo, không tan trong nước, dễ mất nước khi đun nóng:

H₂SiO₃ → H₂O + SiO₂ (t⁰)

– Khi sấy khô, H₂SiO₃ mất một ít nước để tạo thành một vật liệu xốp gọi là silica gel, được sử dụng làm chất hút ẩm và chất hấp phụ cho nhiều chất.

– H₂SiO₃ Chỉ tác dụng với dung dịch kiềm mạnh.

H₂SiO₃ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + 2H₂O

– Là một axit yếu, yếu hơn axit cacbonic, nên được điều chế bằng cách dùng axit mạnh để đẩy muối ra hoặc thủy phân một số hợp chất của Si.

Na₂SiO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂SiO₃

Na₂SiO₃ + CO₂ + H₂O → H₂SiO3 + Na₂CO₃

SiCl₄ + 3H₂O → H₂SiO₃ + 4HCl

Muối silicat

Axit silicic hòa tan dễ dàng trong dung dịch kiềm, tạo thành muối silicat. Chỉ có các silicat kim loại kiềm mới tan trong nước. Dung dịch Na đậm Na₂SiO₃ và K₂SiO₃ gọi là thủy tinh lỏng. Vải hoặc gỗ tẩm thủy tinh lỏng sẽ khó cháy. Thủy tinh lỏng cũng được sử dụng để làm chất kết dính thủy tinh và sứ.
Trong dung dịch, các silicat kim loại kiềm bị thủy phân mạnh tạo môi trường kiềm.
Thí dụ: