Tlenek krzemu($\text{IV}$), zwany krzemionkąkrzemionkakrzemionką, jest związkiem bardzo rozpowszechnionym w przyrodzie. Stanowi $12\%$ skorupy ziemskiej, a jeśli uwzględnimy jego obecność w minerałach, gdzie występuje w postaci związanej (krzemiany, glinokrzemiany), to jego zawartość osiągnie $52\%$ skorupy ziemskiej. Krzemionka jest zatem głównym składnikiem piasku, skał i gleb.

Wzór empiryczny tlenku krzemu($\text{IV}$) nie oddaje jego rzeczywistej struktury w stanie stałym – tworzy on bowiem rozbudowane struktury przestrzenne.

Polecenie 1

Przyjrzyj się strukturze krzemionki i określ, z iloma atomami tlenu połączony jest atom krzemu oraz z iloma atomami krzemu połączony jest atom tlenu.

R8KLlZfKt5092

Ilustracja przedstawia strukturę tlenku krzemu(<math aria‑label="cztery">IV), każdy atom krzemu wiąże się z czterema atomami tlenu, a jeden atom tlenu z dwoma atomami krzemu. Struktura stanowi siatkę, zakończoną pofalowanymi liniami świadczącymi o dalszym fragmencie struktury.

REpWM9NkbCNts

Odpowiedź: (Uzupełnij).

Pokaż odpowiedź

Atom krzemu połączony jest z czterema atomami tlenu, natomiast atom tlenu połączony jest z dwoma atomami krzemu.

Każdy atom krzemu jest otoczony przez atomy tlenu, znajdujące się w narożach tetraedru względem tego atomu krzemu.

REY9e2SBfYsgI

Ilustracja przedstawia jednostkę elementarną ${\left[{\text{SiO}}_4\right]}^{4-}$. Atomy są rozmieszczone w czworościanie foremnym w następujący sposób. Atom krzemu S i, reprezentowany przez czarną kulkę, znajduje się w środku tetraedru i łączy się za pomocą wiązań pojedynczych z czterema atomami tlenu symbolizowanymi przez niebieskie kulki, które są rozmieszczone w czterech narożach czworościanu. Krawędzie w czworościanie zaznaczono przerywanymi liniami.

Tlenek krzemu($\text{IV}$) występuje w różnych odmianach krystalograficznych, co oznacza, że jest polimorficzny. Odmiany te różnią się względem siebie budową wewnętrzną oraz właściwościami fizycznymi. Krzemionka, w zależności od ciśnienia i temperatury, tworzy odmiany, takie jak: $\alpha$-kwarc i $\beta$-kwarc, $\alpha$-trydymit, $\beta$-trydymit itd.

Tlenek krzemu($\text{IV}$) jest podstawowym składnikiem piasku. Badając więc właściwości piasku, możemy jednocześnie określić właściwości tlenku krzemu($\text{IV}$).

• Tlenek krzemu($\text{IV}$) jest tlenkiem o charakterze kwasowym, ponieważ reaguje z wodorotlenkami, a nie reaguje z kwasami. W reakcji tlenku krzemu($\text{IV}$) z wodnym roztworem wodorotlenku sodu powstaje metakrzemian sodu i woda:

  $${\text{SiO}}_2+2 \text{NaOH}\to {\text{Na}}_2{\text{SiO}}_3+{\text{H}}_2\text{O}$$

  lub, przy nadmiarze wodorotlenku sodu, powstaje ortokrzemian sodu i woda:

  $${\text{SiO}}_2+4 \text{NaOH}\to {\text{Na}}_4{\text{SiO}}_4+2 {\text{H}}_2\text{O}$$

  Tlenek krzemu($\text{IV}$) ulega także analogicznej reakcji podczas stapiania z wodorotlenkiem sodu.

• Tlenek krzemu($\text{IV}$) nie reaguje z wodą, zatem nie zachodzi reakcja tworzenia kwasu ${\text{H}}_2{\text{SiO}}_3$ ani ${\text{H}}_4{\text{SiO}}_4$. Aby uzyskać te kwasy, należy ${\text{SiO}}_2$ najpierw poddać działaniu NaOH, a dopiero z otrzymanej soli uzyskać kwasy krzemowe. Zazwyczaj oprócz prostych kwasów otrzymuje się kwasy polikrzemowe, co obserwuje się za sprawą powstałego galaretowatego osadu.

• Tlenek krzemu($\text{IV}$) ulega reakcji stapiania z węglanami litowców, co prowadzi do otrzymania metakrzemianów litowców. Przykładowo, reakcja tlenku krzemu($\text{IV}$) z węglanem sodu prowadzi do otrzymania metakrzemianu sodu i tlenku węgla($\text{IV}$):

  $${\text{SiO}}_2+2 {\text{Na}}_2{\text{CO}}_3\to {\text{Na}}_2{\text{SiO}}_3+{\text{CO}}_2$$

  lub ortokrzemianu sodu:

  $${\text{SiO}}_2+2 {\text{Na}}_2{\text{CO}}_3\to {\text{Na}}_4{\text{SiO}}_4+2 {\text{CO}}_2$$

• Jedynym kwasem, z którym wyjątkowo reaguje tlenek krzemu($\text{IV}$) już w temperaturze pokojowej, jest kwas fluorowodorowy:

  $${\text{SiO}}_2+4 \text{HF}\to {\text{SiF}}_4+2 {\text{H}}_2\text{O}$$

  Warto dodać, że ${\text{SiF}}_4$ jest gazem oraz że wskazany proces jest jednym z procesów. Inny to:

  $$6 \text{HF}+{\text{SiO}}_2\to {\text{H}}_2{\text{SiF}}_6+{\text{H}}_2\text{O}$$

  Proces ten zachodzi stosunkowo powoli, stąd nie przechowuje się kwasu fluorowodorowego w szklanych naczyniach.

• W wysokiej temperaturze tlenek krzemu($\text{IV}$) reaguje z węglem:

  $${\text{SiO}}_2+2 \text{C}\to \text{Si}+2 \text{CO} \mathit{∆}H=\mathrm{690,36} \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$$

• Ogrzany tlenek krzemu($\text{IV}$) i magnez samorzutnie reagują ze sobą:

  $${\text{SiO}}_2+2\text{ Mg}\to \text{Si}+2 \text{MgO} \mathit{∆}H=-\mathrm{292,7} \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$$

Słownik

Bibliografia

Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej 2, Warszawa 2013.

Słownik PWN