無機化学「ケイ素の単体と化合物」水ガラス?シリカゲル?

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大学入試無機化学。今日のテーマは14族元素の「ケイ素Si」です。ケイ素は炭素と同じく原子価が4の共有結合結晶をつくる元素です。今日は化合物まで、その性質をしっかりと覚えていきましょう。

ケイ素の単体

ケイ素Siは地殻を構成する元素で酸素Oの次に多い元素です。我々にとって非常な身近な元素と言えます。

ケイ素の単体はダイヤモンドと同じく共有結合の結晶をつくっている、非常に硬く融点が高い物質になります。

色は灰色で、金属光沢をもっており金属と非金属の中間的な電気伝導性を持ちますので、半導体の性質があります。現在、ICや太陽パネルの材料として利用されています。

ケイ素Si単体の性質
  • 地殻を構成する元素で酸素の次に多い
  • 共有結合の結晶をつくる。
  • 硬く、融点が非常に高い。
  • 灰色で金属光沢があり半導体の性質を示す。
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ケイ素Siのつくり方

ケイ素の単体Siは天然に存在しませんので、二酸化ケイ素SiO2を炭素で還元してつくります。還元剤であるCがSiO2から酸素をうばいます。

  • SiO2+2C→Si+2CO

ケイ素の化合物

ケイ素の化合物は「二酸化ケイ素SiO2」と「ケイ酸ナトリウムNa2SiO3」の2つを覚えましょう。どのような物質に含まれているのか、どのような製品に利用されているのかを覚えましょう。ケイ酸ナトリウムからシリカゲルのつくり方も頻出です。

二酸化ケイ素

二酸化ケイ素SiO2は、1つのケイ素原子が4つの酸素原子と正四面体形に結合した、共有結合の結晶をつくっています。硬くて融点は高いです。

二酸化ケイ素は、岩石に含まれる石英水晶、石英が砂状になったけい砂などとして天然に存在しています。

二酸化ケイ素を高温で融解し、冷やして石英ガラスがつくられます。耐熱ガラスとして利用されています。また、二酸化ケイ素を繊維状にしたものが光ファイバーです。

二酸化ケイ素の反応

フッ化水素酸に溶解するので、フッ化水素酸はポリエチレン容器に保存します。

  • SiO2+6HF→H2SiF6+2H2O

二酸化ケイ素は酸性酸化物なので、酸とは反応しにくいですが、塩基と混合し加熱するとケイ酸ナトリウムができます

  • SiO2+2NaOH→Na2SiO3+H2O
  • SiO2+Na2CO3→Na2SiO3+CO2

ケイ酸ナトリウム

ケイ酸ナトリウムNa2SiO3からシリカゲルができる流れを覚えましょう。まず、二酸化ケイ素を水酸化ナトリウムや炭酸ナトリウムと一緒に加熱してケイ酸ナトリウムを得ます。その後は次のような流れになります。

シリカゲルのつくり方
  1. ケイ酸ナトリウムを加え加熱する。
    水ガラスができる。
  2. 水ガラス塩酸を加える。
    Na2SiO3+2HCl→H2SiO3+2NaCl
    ケイ酸H2SiO3ができる。
  3. ケイ酸加熱脱水する。
    シリカゲルができる。

シリカゲルは多孔質で水蒸気や他の物質を吸着するため、乾燥材吸着剤として利用されます。

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