Как получают кремний. Кремний и его соединения: формулы

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Кремний - четырнадцатый элемент Периодической таблицы. Обозначение - Si от латинского «silicium». Расположен в третьем периоде, IVА группе. Относится к неметаллам. Заряд ядра равен 14.

Кремний - один из самых распространенных в земной коре элементов. Он составляет 27% (мас.) доступной нашему исследованию части земной коры, занимая по распространенности второе место после кислорода. В природе кремний встречается только в соединениях: в виде диоксида кремния SiO 2 , называемого кремниевым ангидридом или кремнеземом, в виде солей кремниевых кислот (силикатов). Наиболее широко в природе распространены алюмосиликаты, т.е. силикаты, в состав которых входит алюминий. К ним относятся полевые шпаты, слюды, каолин и др.

Как углерод, входя в состав всех органических веществ, кремний является важнейшим элементом растительного и животного царства.

В обычных условиях кремний представляет собой вещество темно-серого цвета (рис. 1). По внешнему виду похож на металл. Тугоплавок - температура плавления равна 1415 o С. Характеризуется высокой твердостью.

Рис. 1. Кремний. Внешний вид.

Атомная и молекулярная масса кремния

Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Поскольку в свободном состоянии кремний существует в виде одноатомных молекул Si, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 28,084.

Аллотропия и аллотропные модификации кремния

Кремний может существовать в виде двух аллотропных модификаций: алмазоподобной (кубической) (устойчивая) и графитоподобной (неустойчивая). Алмазоподобный кремний находится в твердом агрегатном состоянии, а графитоподобный - в аморфном. Они также различаются по внешнему виду и химической активности.

Кристаллический кремний представляет собой вещество темно-серого цвета с металлическим блеском, а аморфный - порошок бурого цвета. Вторая модификация обладает большей реакционной способностью, чем первая.

Изотопы кремния

Известно, что в природе кремний может находиться в виде трех стабильных изотопов 28 Si, 29 Si и 30 Si. Их массовые числа равны 28, 29 и 30 соответственно. Ядро атома изотопа кремния 28 Si содержит четырнадцать протонов и четырнадцать нейтронов, а изотопов 29 Si и 30 Si - такое же количество протонов, пятнадцать и шестнадцать нейтронов соответственно.

Существуют искусственные изотопы кремния с массовыми числами от 22- х до 44-х, среди которых наиболее долгоживущим является 32 Si с периодом полураспада равным 170 лет.

Ионы кремния

На внешнем энергетическом уровне атома кремния имеется четыре электрона, которые являются валентными:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3р 2 .

В результате химического взаимодействия кремний может отдавать свои валентные электроны, т.е. являться их донором и превращаться в положительно заряженный ион, или принимать электроны от другого атома, т.е. быть акцептором, и превращается в отрицательно заряженный ион:

Si 0 -4e → Si 4+ ;

Si 0 +4e → Si 4- .

Молекула и атом кремния

В свободном состоянии кремний существует в виде одноатомных молекул Si. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу кремния:

Сплавы кремния

Кремний используется в металлургии. Он служит составной частью многих сплавов. Важнейшие из них - это сплавы на основе железа, меди и алюминия.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Сколько потребуется оксида кремния (IV), содержащего 0,2 массовых примесей, чтобы получить 6,1 г силиката натрия.
Решение	Запишем уравнение реакции получения силиката натрия из оксида кремния (IV): SiO 2 + 2NaOH = Na 2 SiO 3 + H 2 O. Найдем количество вещества силиката натрия: n(Na 2 SiO 3) = m (Na 2 SiO 3) / M(Na 2 SiO 3); n(Na 2 SiO 3) = 6,1 / 122 = 0,05моль. Согласно уравнению реакции n(Na 2 SiO 3) :n(SiO 2) = 1:1, т.е. n(Na 2 SiO 3) = n(SiO 2) = 0,05 моль. Масса оксида кремния (IV) (без примесей) будет равна: M(SiO 2) = Ar(Si) + 2×Ar(O) = 28 + 2×16 = 28 + 32 = 60 г/моль. m pure (SiO 2) = n(SiO 2) ×M(SiO 2) = 0,05×60 = 3г. Тогда масса оксида кремния (IV), необходимая для реакции будет равна: m(SiO 2) =m pure (SiO 2)/w impurity = 3 / 0,2 = 15 г.
Ответ	15 г

ПРИМЕР 2

Задание	Какую массу силиката натрия можно получить при сплавлении оксида кремния (IV) с 64,2 г соды, массовая доля примесей в которой составляет 5%?
Решение	Запишем уравнение реакции получения силиката натрия путем сплавления соды и оксида кремния (IV): SiO 2 + Na 2 CO 3 = Na 2 SiO 3 + CO 2 -. Определим теоретическую массу соды (рассчитывается по уравнению реакции): n(Na 2 CO 3) = 1 моль. M(Na 2 CO 3) = 2×Ar(Na) + Ar(C) + 3×Ar(O) = 2×23 + 12 + 3×16 = 106 г/моль. m(Na 2 CO 3) = n(Na 2 CO 3) ×M(Na 2 CO 3) = 1×106 = 106г. Найдем практическую массу соды: w pure (Na 2 CO 3) = 100% — w impurity = 100% — 5% = 95% = 0,95. m pure (Na 2 CO 3) = m(Na 2 CO 3) ×w pure (Na 2 CO 3); m pure (Na 2 CO 3) = 64,2 × 0,95 = 61 г. Рассчитаем теоретическую массу силиката натрия: n(Na 2 SiO 3) = 1 моль. M(Na 2 SiO 3) = 2×Ar(Na) + Ar(Si) + 3×Ar(O) = 2×23 + 28 + 3×16 = 122 г/моль. m(Na 2 SiO 3) = n(Na 2 SiO 3) ×M(Na 2 SiO 3) = 1×122 = 122г. Пусть практическая масса силиката натрия равна х г. Составим пропорцию: 61 г Na 2 CO 3 - х г Na 2 SiO 3 ; 106 г Na 2 CO 3 - 122 г Na 2 SiO 3 . Отсюда х будет равен: х = 122 × 61 / 106 = 70,2 г. Значит масса выделившегося силиката натрия равна 70,2 г.
Ответ	70,2 г

Физические свойства
Кремний - элемент IV группы, атомный номер его 14, атомная масса 28,06. Число атомов в одном кубическом сантиметре 5*10в22.
Кристаллизуется кремний, подобно германию, в кубической решетке типа алмаза с постоянной а = 5,4198А, в узлах элементарной ячейки которой находится 8 атомов кремния с координационным числом 4. Минимальное расстояние между соседними атомами и постоянная решетки у кремния меньше, чем у германия. Поэтому и тетраэдрическая ковалентная связь в кремнии более прочна, чем обусловлена большая ширина запрещенной зоны кремния и более высокая его температура плавления, чем германия.
Кремний - темно-серое вещество с синеватым отливом. Вследствие высокой твердости, которая по Moocy равна 7, он очень хрупок; при ударе рассыпается, поэтому с трудом поддается обработке не только в холодном, но и в горячем состоянии.
Температура плавления кремния чистотой 99,9% Si определена равной 1413-1420° С. Кремний более высокой степени чистоты имеет температуру плавления 1480-1500° С.
Температура кипения кремния лежит в пределах 2400-2630° С. Плотность кремния при 25° С составляет 2,32-2,49 г/см3. При плавлении плотность кремния увеличивается, что объясняется перестройкой структуры ближнего порядка в направлении повышения координационного числа. Поэтому при охлаждении он увеличивается в объеме, а при плавлении - уменьшается. Уменьшение объема кремния при плавлении составляет 9-10%.
Теплопроводность кристаллического кремния при комнатной температуре равна 0,2-0,26кал/сек*см*град. Теплоемкость в пределах 20-100° C составляет 0,181 кал/г*град. Зависимость теплоемкости твердого кремния от 298° К до температуры плавления описывается уравнением

Ср = 5,70+1,02*10в-3Т-1,06*10в-5Т-2 кал/град*моль.

В жидком состоянии до температуры кипения величина теплоемкости составляет 7,4 кал/град*моль. Теплоемкость кремния чистотой >99,99% при температурах от 1200° С до температуры плавления равна 6,53 кал/град*моль, а от температуры плавления до 1500° С 6,12 кал/град*моль. Теплота плавления чистого кремния составляет 12095± 100 кал/г*атом.
Изменение упругости пара твердого кремния от 1200° К до температуры плавления выражается уравнением

Ig р мм рт. ст. = -18000/Т - 1,022 IgT + 12,83,

а для жидкого кремния

Ig р мм рт. ст. = -17100/Т - 1,022 Ig T + 12,31.

Упругость пара кремния при температуре плавления составляет ~10в-2 мм рт. ст.
Поверхностное натяжение расплавленного кремния, измеренное методом сидячей капли на подложках из ZrO2, TiO2 и MgO в атмосфере гелия при 1450° С, равно 730 дин/см.
Электрические свойства
Кремний по своим электрическим свойствам относится к типичным полупроводникам. С повышением температуры удельное электросопротивление кремния резко снижается. При плавлении он имеет электропроводность, свойственную жидким металлам.
При 300°К удельное электросопротивление кремния (р) зависит от содержания в нем примесей.
Кремний чистотой 98,5% имеет р = 0,8 ом*см, 99,97% -12,6 ом*см, спектрально-чистый кремний 30 ом*см. Наиболее чистые образцы кремния имеют р = 16 000 ом*см.
Ниже приведены некоторые теоретически рассчитанные электрические характеристики кремния, обладающего собственной проводимостью (при 300°С):

Наименьшая концентрация электрически активных примесей, достигнутая в настоящее время в результате глубокой очистки кремния, составляет 10в13 см-3.
Подвижность носителей тока в кремнии при высоких температурах определяется рассеянием на колебаниях решетки, а при низких - на ионах примеси.
Изменение подвижности электронов и дырок в кремнии в зависимости от температуры определяется следующими уравнениями:

μn = 1,2*10в8*Т-2 см2/в*сек;
μр = 2,9*10в9*T-2,7 см2/в*сек.

Заметное снижение подвижности электронов в кремнии при комнатной температуре наступает при концентрации носителей тока, отвечающей величине р = 1,0 ом*см, а подвижность дырок - при р = 10 ом*см.
Время жизни носителей заряда изменяется в кремнии в широких пределах: в среднем т = 200 мксек.
Для полупроводниковой техники большое значение имеют сплавы кремния с другими элементами, главным образом III и V групп. Эти элементы вводят в глубоко-очищенный кремний в небольших количествах для придания ему определенных электрических свойств.
Работа полупроводниковых приборов - диодов, триодов, фотоэлементов, термоэлементов основана на свойствах электронно-дырочных переходов, которые получают легированием кремния теми или иными элементами. Для создания в кремнии n-проводимости его легируют фосфором, мышьяком или сурьмой, а для получения р-проводимости чаще всего легируют бором. К числу наиболее важных донорных элементов принадлежат фосфор и мышьяк.
Кремний хорошо растворяется во многих расплавленных металлах, например в алюминии, олове, свинце, цинке. Растворимость металлов в твердом кремнии, как правило, очень мала.
В настоящее время известно более тридцати диаграмм состояния кремния с другими элементами. Co многими элементами кремний образует химические соединения, в частности с фосфором, мышьяком, бором, литием, марганцем, железом, кобальтом, никелем, кальцием, магнием, серой, селеном и др. С другими же элементами, например с алюминием, бериллием, оловом, галлием, индием, сурьмой и др. образует системы эвтектического типа.
Химические свойства
Кремний устойчив против окисления на воздухе до 900° С, однако при этой температуре водяной пар окисляет кремний, а при более высокой температуре водяной пар полностью разлагается кремнием.
При 1000° C и выше кремний сильно окисляется кислородом воздуха с образованием кремниевого ангидрида или кремнезема SiO2. С водородом кремний реагирует только при температуре дуги, образуя кремнийводородные соединения.
В присутствии азота при 1300° С кремний образует нитрид Si3N4. Это - белый тугоплавкий порошок, возгоняющийся около 2000° С.
С галоидами кремний легко взаимодействует, например с фтором - при комнатной температуре, с хлором - при 200-300° С, с бромом - при 450-500° С, а с йодом - при более высоких температурах, 700-750° С.
С фосфором, мышьяком и сурьмой кремний не реагирует вплоть до температуры их кипения; с углеродом и бором он вступает в соединение лишь при очень высоких температурах (-2000°С).
Кремний характеризуется стойкостью ко всем кислотам любой концентрации, в том числе к серной, соляной, азотной и плавиковой. Растворяется кремний только в смеси плавиковой и азотной кислот (HF+HNO3). Meнее интенсивно кремний растворяется в азотной кислоте, содержащей добавки перекиси водорода и брома.
В противоположность кислотам щелочные растворы хорошо растворяют кремний; при этом выделяется кислород и образуются соли кремниевой кислоты, например

Si + 2KOH + H2O = K2SiO3 + 2H2.

В присутствии перекиси водорода растворение кремния в щелочах ускоряется.
Для травления кремния применяют щелочные и кислые травители. Щелочные травители действуют сильнее, поэтому их применяют для удаления поверхностных загрязнений, слоев с нарушенной структурой в результате механической обработки и для выявления макродефектов. С этой целью кремний травят в кипящем водном растворе KOH или NaOH.
Для выявления дислокаций на монокристаллах кремния применяют кислые травители, например СР-4 с добавкой азотнокислой ртути.
Кремний образует химические соединения с валентностями 2 и 4. Соединения двухвалентного кремния мало устойчивы. С кислородом кремний образует два соединения: SiO - моноокись и SiO2 - двуокись кремния.
Моноокись кремния SiO в природе не встречается, но она легко образуется при восстановлении SiO2 углеродом при 1500° С:

SiO2 + C → SiO + CO,

или же при взаимодействии кремния с кварцем при 1350° С:

Si + SiO2 ⇔ 2SiO.

При высокой температуре равновесие этой реакции смещается вправо, так как моноокись кремния получается в газообразном состоянии. При нагревании до 1700° С моноокись кремния полностью возгоняется, а при более высоких температурах диспропорционирует на Si и SiO2.
Моноокись кремния SiO - порошок темно-желтого цвета с плотностью 2,13; ток не проводит даже при высоких температурах, поэтому применяется как изоляционный материал.
Очень важным химическим соединением кремния является его двуокись (кварц). Это соединение очень устойчиво, образование его сопровождается большим выделением тепла:

Si + O2 = SiO2 + 203 ккал.

Кварц - бесцветное вещество с температурой плавления ~1713°С и температурой кипения 2590° С.
При охлаждении расплавленного кварца образуется прозрачное кварцевое стекло, которое служит одним из важнейших материалов для изготовления аппаратуры, применяемой в технологии производства кремния и других полупроводниковых материалов.
При нагревании SiO2 с углем при 2000-2200° С образуется карбид кремния SiC, обладающий полупроводниковыми свойствами.
Кремний образует довольно прочные соединения с галоидами, физико-химические свойства этих соединений приведены в табл. 57.

Галоидные соединения кремния SiF4, SiCl4, SiBr4 и SiI3 могут быть получены простым синтезом из элементов или при взаимодействии SiO2 с галоидом в присутствии углерода:

Si + 2Cl2 → SiCl4,
SiO2 + 2Cl2 + C → SiCl4 + CO2,
Si + 2I2 → SiI4,
SiO2 + 2Br2 + C → SiBr4 + CO2.

Галоидно-силановые соединения кремния образуются в реакциях гидрохлорирования или гидробромирования кремния:

Si + 3HCl → SiHCl3 + H2,
Si + 3HBr → SiHBr3 + H2,

которые протекают при сравнительно низких температурах, около 300° С.
Тетрахлорид кремния SiCl4 представляет собой бесцветную прозрачную жидкость, сильно дымящую на воздухе вследствие гидролиза и образования хлороводорода. Водой разлагается с образованием силикагеля:

SiCli + 4H2O → 4HCl + Si(OH)4.

Тетрайодид кремния SiI4 - бесцветное кристаллическое вещество. При нагревании на воздухе пары тетрайодида легко воспламеняются.
Трихлорсилан SiHCl3 - это горючая жидкость с очень высокой упругостью пара при комнатной температуре. Поэтому трихлорсилан обычно хранят в герметичных стальных емкостях, способных выдерживать высокое давление.
Кремний может замещать углерод в органических соединениях, образуя при этом кремнийводородные соединения - силаны. По своим свойствам силаны аналогичны углеводородам. Некоторые свойства силанов приведены в табл. 58.

Соединения этого типа в лабораторных условиях могут быть получены, например, растворением силицида магния в крепкой соляной кислоте:

Mg2Si + 4HCl → 2MgCl2 + SiH4.

Эта реакция протекает сложно. Наряду с моносила-ном могут образовываться различные полисиланы и выделяться водород.
Все силаны легко окисляются на воздухе. Реакционная способность их возрастает с увеличением молекулярной массы. Весьма опасно попадание в сосуды с силаном воздуха.
Моносилан SiH4 - это бесцветный газ, достаточно устойчивый при отсутствии воздуха и влаги. С воздухом моносилан образует взрывчатую смесь; может окисляться со вспышкой даже при -180° С.
Моносилан характеризуется большей термической стойкостью по сравнению с полисиланами. При нагревании выше 400° С моносилан разлагается на элементы, выделяя аморфный кремний:

SiH4 → Si + 2H2.

Эта реакция используется при получении кремния си-лановым методом. Силаны быстро и полно разлагаются водой с образованием SiO2:

SiH4 + 2H2O = SiO2 + 4H2,
Si3H8 + 6H2O = 3SiO2 + 10H2.

Также быстро и до конца разлагаются силаны водными растворами щелочей:

SiH4 + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + 4H2.

Устойчивость силанов резко увеличивается при введении в их молекулы галоидов, замещающих атомы водорода. В ряду замещенных силанов наибольший интерес представляет трихлорсилан SiHCl3, при восстановлении которого получают чистый кремний.
Применение кремния
Кремний как полупроводник известен раньше германия. Однако трудность получения кремния в чистейшем виде задерживала использование его в технике.
В последнее время разработаны и освоены эффективные методы очистки кремния до высокой степени чистоты, поэтому кремний находит все более широкое применение в полупроводниковых приборах. Так, из кремния изготавливают выпрямители тока (диоды), усилители радиоволн (триоды). В этом случае для мощных усилителей изготавливают кремниевые электроды с большими поверхностями, разделяющими электронную и дырочную части полупроводника.
Кремний служит хорошим материалом и для фотоэлектрических преобразователей. Поэтому для создания солнечных батарей применяют кремниевые фотоэлементы, предназначенные для непосредственного превращения солнечной энергии в электрическую. Кремниевые фотопреобразователи лучше других подходят по своей спектральной чувствительности для использования солнечного света.
Кремний обладает рядом преимуществ перед германием: имеет большую величину запрещенной зоны, которая обеспечивает наибольшую выходную электрическую мощность; кремниевые приборы могут работать при более высоких температурах (если рабочая температура германиевых приборов не превышает 60-80° С, то кремниевые диоды могут работать при 200° С).
Соединения кремния также находят применение в приборах. Например, карбид кремния применяется для изготовления туннельных диодов (нелинейные сопротивления) и др.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:

Добавить

15.03.2019

Специалисты фирмы Emirates Global Aluminum сделали заявление по поводу того, что их филиал Guinea Alumina Corp надеется в скором времени привлечь от семисот до семисот...

15.03.2019

Демонтаж козлового крана предусматривает разбор металлических конструкций, а также подкрановых путей, удаление оснащения, а также отсоединение разнообразных устройств. В...

14.03.2019

С годами в частных домах и квартирах скапливается металлический лом. Может быть представлен старыми бытовыми устройствами, отходами строительной деятельности и многим...

14.03.2019

Осень – пора, когда можно отдохнуть от надоевшей жары, уехав на пару дней на дачу, где можно не только насладиться дарами природы, но и поностальгировать. Однако чтобы...

Один из самых распространенных в природе элементов - это silicium, или кремний. Такое широкое расселение говорит о важности и значимости данного вещества. Это быстро поняли и усвоили люди, которые научились правильно использовать в своих целях кремний. Применение его основано на особых свойствах, о которых и поговорим дальше.

Кремний - химический элемент

Если давать характеристику данного элемента по положению в периодической системе, то можно обозначить следующие важные пункты:

1. Порядковый номер - 14.
2. Период - третий малый.
3. Группа - IV.
4. Подгруппа - главная.
5. Строение внешней электронной оболочки выражается формулой 3s 2 3p 2 .
6. Элемент кремний обозначается химическим символом Si, который произносится как "силициум".
7. Степени окисления, которые он проявляет: -4; +2; +4.
8. Валентность атома равна IV.
9. Атомная масса кремния равна 28,086.
10. В природе существует три устойчивых изотопа данного элемента с массовыми числами 28, 29 и 30.

Таким образом, атом кремния с химической точки зрения - достаточно изученный элемент, описано множество различных его свойств.

История открытия

Так как в природе очень популярны и массовы по содержанию именно различные соединения рассматриваемого элемента, издревле люди использовали и знали о свойствах именно многих из них. Чистый же кремний долгое время оставался за гранью познаний человека в химии.

Наиболее популярными соединениями, которыми пользовались в быту и промышленности народы древних культур (египтяне, римляне, китайцы, русичи, персы и прочие), были драгоценные и поделочные камни на основе оксида кремния. К ним относятся:

• опал;
• горный хрусталь;
• топаз;
• хризопраз;
• оникс;
• халцедон и другие.

Также издревле принято использовать кварц и в строительном деле. Однако сам элементарный кремний оставался нераскрытым вплоть до XIX века, хотя многие ученые тщетно пытались выделить его из разных соединений, используя для этого и катализаторы, и высокие температуры, и даже электрический ток. Это такие светлые умы, как:

• Карл Шееле;
• Гей-Люссак;
• Тенар;
• Гемфри Дэви;
• Антуан Лавуазье.

Осуществить удачно получение кремния в чистом виде удалось Йенсу Якобсу Берцелиусу в 1823 году. Для этого он проводил опыт по сплавлению паров фтористого кремния и металлического калия. В результате получил аморфную модификацию рассматриваемого элемента. Этим же ученым было предложено латинское название открытому атому.

Еще несколько позже, в 1855 году, другой ученый - Сент Клер-Девилль - сумел синтезировать другую аллотропную разновидность - кристаллический кремний. С тех пор знания о данном элементе и его свойствах стали очень быстро пополняться. Люди поняли, что он обладает уникальными особенностями, которые можно очень грамотно использовать для удовлетворения собственных нужд. Поэтому сегодня один из самых востребованных элементов в электронике и технике - это кремний. Применение его лишь расширяет свои границы с каждым годом.

Русское название атому дал ученый Гесс в 1831 году. Именно оно и закрепилось до сегодняшнего дня.

По распространенности в природе кремний занимает второе место после кислорода. Его процентное соотношение в сравнении с другими атомами в составе земной коры - 29,5%. Кроме того, углерод и кремний - это два особых элемента, способных формировать цепи, соединяясь друг с другом. Именно поэтому для последнего известно более 400 различных природных минералов, в составе которых он и содержится в литосфере, гидросфере и биомассе.

Где конкретно содержится кремний?

1. В глубоких слоях почвы.
2. В горных породах, залежах и массивах.
3. На дне водоемов, особенно морей и океанов.
4. В растениях и морских обитателях царства животных.
5. В организме человека и наземных животных.

Можно обозначить несколько самых распространенных минералов и горных пород, в составе которых в большом количестве присутствует кремний. Химия их такова, что массовое содержание чистого элемента в них достигает 75%. Однако конкретная цифра зависит от разновидности материала. Итак, горные породы и минералы с содержанием кремния:

• полевые шпаты;
• слюды;
• амфиболы;
• опалы;
• халцедоны;
• силикаты;
• песчаники;
• алюмосиликаты;
• глины и прочие.

Накапливаясь в панцирях и наружных скелетах морских животных, кремний со временем формирует мощные залежи кремнезема на дне водоемов. Это один из природных источников данного элемента.

Кроме того, было установлено, что силициум может существовать в чистом самородном виде - в виде кристаллов. Но подобные месторождения очень редки.

Физические свойства кремния

Если давать характеристику рассматриваемого элемента по набору физико-химических свойств, то в первую очередь следует обозначить именно физические параметры. Вот несколько основных:

1. Существует в виде двух аллотропных модификаций - аморфный и кристаллический, которые отличаются по всем свойствам.
2. Кристаллическая решетка очень схожа с таковой у алмаза, ведь углерод и кремний в этом отношении практически одинаковы. Однако расстояние между атомами разное (у кремния больше), поэтому алмаз гораздо тверже и прочнее. Тип решетки - кубическая гранецентрированная.
3. Вещество очень хрупкое, при высоких температурах становится пластичным.
4. Температура плавления равна 1415˚С.
5. Температура кипения - 3250˚С.
6. Плотность вещества - 2,33 г/см 3 .
7. Цвет соединения - серебристо-серый, выражен характерный металлический блеск.
8. Обладает хорошими полупроводниковыми свойствами, которые способны варьировать при добавлении тех или иных агентов.
9. Не растворяется в воде, органических растворителях и кислотах.
10. Специфически растворим в щелочах.

Обозначенные физические свойства кремния позволяют людям управлять им и применять для создания различных изделий. Так, например, на свойствах полупроводимости основано использование чистого кремния в электронике.

Химические свойства

Химические свойства кремния очень сильно зависят от условий проведения реакции. Если говорить о при стандартных параметрах, то нужно обозначить очень низкую активность. Как кристаллический, так и аморфный кремний очень инертны. Не взаимодействуют ни с сильными окислителями (кроме фтора), ни с сильными восстановителями.

Это связано с тем, что на поверхности вещества мгновенно формируется оксидная пленка SiO 2 , которая препятствует дальнейшим взаимодействиям. Она способна образоваться под влиянием воды, воздуха, паров.

Если же изменить стандартные условия и произвести нагревание кремния до температуры свыше 400˚С, то его химическая активность сильно возрастет. В этом случае он будет вступать в реакции с:

• кислородом;
• всеми видами галогенов;
• водородом.

При дальнейшем повышении температуры возможно образование продуктов при взаимодействии с бором, азотом и углеродом. Особое значение имеет карборунд - SiC, так как он является хорошим абразивным материалом.

Также химические свойства кремния четко прослеживаются при реакциях с металлами. По отношению к ним он окислитель, поэтому продукты носят название силицидов. Известны подобные соединения для:

• щелочных;
• щелочноземельных;
• переходных металлов.

Необычными свойствами обладает соединение, получаемое при сплавлении железа и кремния. Оно носит название ферросилициевой керамики и успешно применяется в промышленности.

Со сложными веществами кремний во взаимодействие не вступает, поэтому из всех их разновидностей способен растворяться лишь в:

• царской водке (смесь азотной и соляной кислот);
• едких щелочах.

При этом температура раствора должна быть не меньше 60˚С. Все это еще раз подтверждает физическую основу вещества - алмазоподобную устойчивую кристаллическую решетку, придающую ему прочность и инертность.

Способы получения

Получение кремния в чистом виде - процесс достаточно затратный экономически. Кроме того, в силу его свойств любой способ дает лишь на 90-99 % чистый продукт, в то время как примеси в виде металлов и углерода остаются все равно. Поэтому просто получить вещество недостаточно. Его следует еще и качественно очистить от посторонних элементов.

В целом же производство кремния осуществляется двумя основными путями:

1. Из белого песка, который представляет собой чистый оксид кремния SiO 2 . При прокаливании его с активными металлами (чаще всего с магнием) происходит образование свободного элемента в виде аморфной модификации. Чистота такого способа высока, продукт получается с 99,9-процентным выходом.
2. Более широко распространенный способ в промышленных масштабах - это спекание расплава песка с коксом в специализированных термических печах для обжига. Данный способ был разработан русским ученым Бекетовым Н. Н.

Дальнейшая обработка заключается в подвергании продуктов методам очистки. Для этого используются кислоты или галогены (хлор, фтор).

Аморфный кремний

Характеристика кремния будет неполной, если не рассмотреть отдельно каждую его аллотропную модификацию. Первая из них - это аморфная. В таком состоянии рассматриваемое нами вещество представляет собой порошок буро-коричневого цвета, мелкодисперсный. Обладает высокой степенью гигроскопичности, проявляет достаточно высокую химическую активность при нагревании. В стандартных условиях способен взаимодействовать только с сильнейшим окислителем - фтором.

Называть аморфный кремний именно разновидностью кристаллического не совсем правильно. Его решетка показывает, что данное вещество - это лишь форма мелкодисперсного кремния, существующего в виде кристаллов. Поэтому как таковые эти модификации - одно и то же соединение.

Однако свойства их различаются, поэтому и принято говорить об аллотропии. Сам по себе аморфный кремний обладает высокой светопоглотительной способностью. Кроме того, при определенных условиях данный показатель в разы превышает подобный у кристаллической формы. Поэтому его используют в технических целях. В рассматриваемом виде (порошок) соединение легко наносится на любую поверхность, будь то пластик или стекло. Поэтому так удобен для использования именно аморфный кремний. Применение основано на различных размеров.

Хотя износ батарей подобного типа довольно быстрый, что связано с истиранием тонкой пленки вещества, однако применение и востребованность только растет. Ведь даже за короткий срок службы солнечные батареи на основе аморфного кремния способны обеспечить энергией целые предприятия. К тому же производство подобного вещества безотходное, что делает его очень экономным.

Получают такую модификацию путем восстановления соединений активными металлами, например, натрием или магнием.

Кристаллический кремний

Серебристо-серая блестящая модификация рассматриваемого элемента. Именно такая форма является самой распространенной и наиболее востребованной. Это объясняется набором качественных свойств, которыми обладает данное вещество.

Характеристика кремния с кристаллической решеткой включает в себя классификацию его видов, так как их несколько:

1. Электронного качества - самый чистый и максимально высококачественный. Именно такой вид используется в электронике для создания особо чувствительных приборов.
2. Солнечного качества. Само название определяет область использования. Это также достаточно высокий по чистоте кремний, применение которого необходимо для создания качественных и долго работающих солнечных батарей. Фотоэлектрические преобразователи, созданные на основе именно кристаллической структуры, более качественны и износостойки, нежели те, что созданы с использованием аморфной модификации путем напыления на различного типа подложки.
3. Технический кремний. В данную разновидность включаются те образцы вещества, в которых содержится около 98 % чистого элемента. Все остальное уходит на различного рода примеси:

• алюминий;
• хлор;
• углерод;
• фосфор и прочие.

Последняя разновидность рассматриваемого вещества используется с целью получения поликристаллов кремния. Для этого проводятся процессы перекристаллизации. Вследствие этого по чистоте получаются такие продукты, которые можно относить к группам солнечного и электронного качества.

По своей природе поликремний - это промежуточный продукт между аморфной модификацией и кристаллической. С таким вариантом легче работать, он лучше подвергается переработке и очистке фтором и хлором.

Продукты, которые получаются в результате, можно классифицировать так:

• мультикремний;
• монокристаллический;
• профилированные кристаллы;
• кремниевый скрап;
• технический кремний;
• отходы производства в виде осколков и обрезков вещества.

Каждый из них находит применение в промышленности и используется человеком полностью. Поэтому касающиеся кремния, считаются безотходными. Это значительно снижает его экономическую стоимость, при этом не влияя на качество.

Использование чистого кремния

Производство кремния в промышленности налажено достаточно хорошо, а его масштабы довольно объемны. Это связано с тем, что данный элемент, как чистый, так и в виде различных соединений, широко распространен и востребован в разных отраслях науки и техники.

Где же используется кристаллический и аморфный кремний в чистом виде?

1. В металлургии как легирующая добавка, способная менять свойства металлов и их сплавов. Так, он используется при выплавке стали и чугуна.
2. Разные виды вещества уходят на изготовление более чистого варианта - поликремния.
3. Соединения кремния с - это целая химическая отрасль, которая получила особую популярность сегодня. Кремнийорганические материалы используются в медицине, при изготовлении посуды, инструментов и многого другого.
4. Изготовление различных солнечных батарей. Этот способ получения энергии является одним из самых перспективных в будущем. Экологически чисто, экономически выгодно и износостойко - основные достоинства такого получения электричества.
5. Кремний для зажигалок используется уже очень давно. Еще в древности люди использовали кремень для получения искры при розжиге огня. Этот принцип заложен в основу производства зажигалок различного рода. Сегодня встречаются виды, в которых кремень заменен на сплав определенного состава, дающий еще более быстрый результат (искрение).
6. Электроника и солнечная энергетика.
7. Изготовление зеркалец в газовых лазерных устройствах.

Таким образом, чистый кремний имеет массу преимущественных и особенных свойств, позволяющих использовать его для создания важных и нужных продуктов.

Применение соединений кремния

Помимо простого вещества, используются и различные соединения кремния, причем очень широко. Существует целая отрасль промышленности, которая называется силикатной. Именно она основана на использовании различных веществ, в состав которых входит этот удивительный элемент. Какие это соединения и что из них производят?

1. Кварц, или речной песок - SiO 2 . Используется для изготовления таких строительных и декоративных материалов, как цемент и стекло. Где используются эти материалы, всем известно. Ни одно строительство не обходится без данных компонентов, что подтверждает значимость соединений кремния.
2. Силикатная керамика, в которую входят такие материалы, как фаянс, фарфор, кирпич и продукты на их основе. Данные компоненты используются в медицине, при изготовлении посуды, декоративных украшений, предметов быта, в строительстве и прочих бытовых областях деятельности человека.
3. - силиконы, силикагели, силиконовые масла.
4. Силикатный клей - используется как канцелярский, в пиротехнике и строительстве.

Кремний, цена на который варьирует на мировом рынке, но не пересекает сверху вниз отметку в 100 рублей РФ за килограмм (за кристаллический), является востребованным и ценным веществом. Естественно, что и соединения этого элемента так же широко распространены и применимы.

Биологическая роль кремния

С точки зрения значимости для организма кремний немаловажен. Его содержание и распределение по тканям таково:

• 0,002 % - мышечная;
• 0,000017 % - костная;
• кровь - 3,9 мг/л.

Каждый день внутрь должно попадать около одного грамма кремния, иначе начнут развиваться заболевания. Смертельно опасных среди них нет, однако длительное кремниевое голодание приводит к:

• выпадению волос;
• появлению угревой сыпи и прыщей;
• хрупкости и ломкости костей;
• легкой проницаемости капилляров;
• усталости и головным болям;
• появлению многочисленных синяков и кровоподтеков.

Для растений кремний - важный микроэлемент, необходимый для нормального роста и развития. Опыты на животных показали, что лучше растут те особи, которые ежедневно потребляют достаточное количество кремния.

Углерод способен образовывать несколько аллотропных модификаций. Это алмаз (наиболее инертная аллотропная модификация), графит, фуллерен и карбин.

Древесный уголь и сажа представляют собой аморфный углерод. Углерод в таком состоянии не имеет упорядоченной структуры и фактически состоит из мельчайших фрагментов слоев графита. Аморфный углерод, обработанный горячим водяным паром, называют активированным углем. 1 грамм активированного угля из-за наличия в нем множества пор имеет общую поверхность более трехсот квадратных метров! Благодаря своей способности поглощать различные вещества активированный уголь находит широкое применение как наполнитель фильтров, а также как энтеросорбент при различных видах отравлений.

С химической точки зрения аморфный углерод является наиболее активной его формой, графит проявляет среднюю активность, а алмаз является крайне инертным веществом. По этой причине, рассматриваемые ниже химические свойства углерода следует прежде всего относить к аморфному углероду.

Восстановительные свойства углерода

Как восстановитель углерод реагирует с такими неметаллами как, например, кислород, галогены, сера.

В зависимости от избытка или недостатка кислорода при горении угля возможно образование угарного газа CO или углекислого газа CO 2:

При взаимодействии углерода со фтором образуется тетрафторид углерода:

При нагревании углерода с серой образуется сероуглерод CS 2:

Углерод способен восстанавливать металлы после алюминия в ряду активности из их оксидов. Например:

Также углерод реагирует и с оксидами активных металлов, однако в этом случае наблюдается, как правило, не восстановление металла, а образование его карбида:

Взаимодействие углерода с оксидами неметаллов

Углерод вступает в реакцию сопропорционирования с углекислым газом CO 2:

Одним из наиболее важных с промышленной точки зрения процессов является так называемая паровая конверсия угля . Процесс проводят, пропуская водяной пар через раскаленный уголь. При этом протекает следующая реакция:

При высокой температуре углерод способен восстанавливать даже такое инертное соединение как диоксид кремния. При этом в зависимости от условия возможно образование кремния или карбида кремния (карборунда ):

Также углерод как восстановитель реагирует с кислотами окислителями, в частности, концентрированными серной и азотной кислотами:

Окислительные свойства углерода

Химический элемент углерод не отличается высокой электроотрицательностью, поэтому образуемые им простые вещества редко проявляют окислительные свойства по отношению к другим неметаллам.

Примером таких реакций является взаимодействие аморфного углерода с водородом при нагревании в присутствии катализатора:

а также с кремнием при температуре 1200-1300 о С:

Окислительные свойства углерод проявляет по отношению к металлам. Углерод способен реагировать с активными металлами и некоторыми металлами средней активности. Реакции протекают при нагревании:

Карбиды активных металлов гидролизуются водой: а также растворами кислот-неокислителей: При этом образуются углеводороды, содержащие углерод в той же степени окисления, что и в исходном карбиде.

Химические свойства кремния

Кремний может существовать, как и углерод в кристаллическом и аморфном состоянии и, также, как и в случае углерода, аморфный кремний существенно более химически активен, чем кристаллический.

Иногда аморфный и кристаллический кремний, называют его аллотропными модификациями, что, строго говоря, не совсем верно. Аморфный кремний представляет собой по сути конгломерат беспорядочно расположенных друг относительно друга мельчайших частиц кристаллического кремния.

Взаимодействие кремния с простыми веществами

неметаллами

При обычных условиях кремний ввиду своей инертности реагирует только со фтором:

С хлором, бромом и йодом кремний реагирует только при нагревании. При этом характерно, что в зависимости от активности галогена, требуется и соответственно различная температура:

Так с хлором реакция протекает при 340-420 о С:

С бромом – 620-700 о С:

С йодом – 750-810 о С:

Реакция кремния с кислородом протекает, однако требует очень сильного нагревания (1200-1300 о С) ввиду того, что прочная оксидная пленка затрудняет взаимодействие:

При температуре 1200-1500 о С кремний медленно взаимодействует с углеродом в виде графита с образованием карборунда SiC – вещества с атомной кристаллической решеткой подобной алмазу и почти не уступающего ему в прочности:

С водородом кремний не реагирует.

металлами

Ввиду своей низкой электроотрицательности кремний может проявлять окислительные свойства лишь по отношению к металлам. Из металлов кремний реагирует с активными (щелочными и щелочноземельными), а также многими металлами средней активности. В результате такого взаимодействия образуются силициды:

Взаимодействие кремния со сложными веществами

С водой кремний не реагирует даже при кипячении, однако аморфный кремний взаимодействует с перегретым водяным паром при температуре около 400-500 о С. При этом образуется водород и диоксид кремния:

Из всех кислот кремний (в аморфном состоянии) реагирует только с концентрированной плавиковой кислотой:

Кремний растворяется в концентрированных растворах щелочей. Реакция сопровождается выделением водорода.

Кремний (Si) – стоит в 3 периоде, IV группе главной подгруппы периодической системы. Физические свойства: кремний существует в двух модификациях: аморфной и кристаллической. Аморфный кремний – порошок бурого цвета, плотностью 2,33 г/см3, растворяется в расплавах металлов. Кристаллический кремний – это кристаллы темно-серого цвета, обладающие стальным блеском, твердый и хрупкий, плотностью 2,4 г/см3. Кремний состоит из трех изотопов: Si (28), Si (29), Si (30).

Химические свойства: электронная конфигурация: 1s22s22p6 3 s2 3p2 . Кремний – неметалл. На внешнем энергетическом уровне кремний имеет 4 электрона, что обуславливает его степени окисления: +4, -4, -2. Валентность – 2, 4. Аморфный кремний обладает большей реакционной способностью, чем кристаллический. При обычных условиях он взаимодействует со фтором: Si + 2F2 = SiF4. При 1000 °C Si реагирует с неметаллами: с CL2, N2, C, S.

Из кислот кремний взаимодействует только со смесью азотной и плавиковой кислот:

По отношению к металлам ведет себя по-разному: в расплавленных Zn, Al, Sn, Pb он хорошо растворяется, но не реагирует с ними; с другими расплавами металлов – с Mg, Cu, Fe кремний взаимодействует с образованием силицидов: Si + 2Mg = Mg2Si. Кремний горит в кислороде: Si + O2 = SiO2 (песок).

Диоксид кремния или кремнезем – стойкое соединение Si , широко распространен в природе. Реагирует со сплавлением его с щелочами, основными оксидами, образуя соли кремниевой кислоты – силикаты. Получение: в промышленности кремний в чистом виде получают восстановлением диоксида кремния коксом в электропечах: SiO2 + 2С = Si + 2СO?.

В лаборатории кремний получают прокаливанием с магнием или алюминием белого песка:

SiO2 + 2Mg = 2MgO + Si.

3SiO2 + 4Al = Al2О3 + 3Si.

Кремний образует кислоты: Н2SiO3 – мета-кремниевая кислота; Н2Si2O5 – двуметакремниевая кислота.

Нахождение в природе: минерал кварц – SiO2. Кристаллы кварца имеют форму шестигранной призмы, бесцветные и прозрачные, называются горным хрусталем. Аметист – горный хрусталь, окрашенный примесями в лиловый цвет; дымчатый топаз окрашен в буроватый цвет; агат и яшма – кристаллические разновидности кварца. Аморфный кремнезем менее распространен и существует в виде минерала опала – SiO2 nН2О. Диатомит, трепел или кизельгур (инфузорная земля) – землистые формы аморфного кремния.

42. Понятие коллоидных растворов

Коллоидные растворы – высокодисперсные двухфазные системы, состоящие из дисперсионной среды и дисперсной фазы. По размерам частиц являются промежуточными между истинными растворами, суспензиями и эмульсиями. У коллоидных частиц молекулярный или ионный состав.

Существуют три типа внутренней структуры первичных частиц.

1. Суспензоиды (или необратимые коллоиды) – гетерогенные системы, свойства которых можно определить развитой межфазовой поверхностью. По сравнению с суспензиями более высокодисперсные. Не могут долго существовать без стабилизатора дисперсности. Их называют необратимыми коллоидами из-за того, что их осадки после выпаривания вновь не образуют золей. Их концентрация мала – 0,1 %. От вязкости дисперсной среды отличаются незначительно.

Суспензоиды можно получить:

1) методами диспергирования (измельчение крупных тел);

2) методами конденсации (получение нерастворимых соединений при помощи реакций обмена, гидролиза и т. п.).

Самопроизвольное уменьшение дисперсности у суспензоидов зависит от свободной поверхностной энергии. Чтобы получить длительно сохраняющуюся суспензию, необходимы условия для ее стабилизации.

Устойчивые дисперсные системы:

1) дисперсионная среда;

2) дисперсная фаза;

3) стабилизатор дисперсной системы.

Стабилизатор может быть ионный, молекулярный, но чаще всего – высокомолекулярный.

Защитные коллоиды – высокомолекулярные соединения, которые добавляют для стабилизации (белки, пептиды, поливиниловый спирт и др.).

2. Ассоциативные (или мицеллярные коллоиды) – полуколлоиды, возникающие при достаточной концентрации молекул, состоящих из углеводородных радикалов (дифильные молекулы) низкомолекулярных веществ при ассоциации их в агрегаты молекул (мицеллы). Мицеллы образуются в водных растворах моющих средств (мыл), органических красителей.

3. Молекулярные коллоиды (обратимые или лиофильные коллоиды) – природные и синтетические высокомолекулярные вещества с большим молекулярным весом. Молекулы их имеют размер коллоидных частиц (макромолекулы).

Разбавленные растворы коллоидов высокомолекулярных соединений – гомогенные растворы. При сильном разбавлении эти растворы подчиняются законам разбавленных растворов.

Неполярные макромолекулы растворяются в углеводородах, полярные – в полярных растворителях.

Обратимые коллоиды – вещества, сухой остаток которых при добавлении новой порции растворителя вновь переходит в раствор.