Кремний. Физические и химические свойства кремния

Кремний - элемент главной подгруппы четвёртой группы третьего периода периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, с атомным номером 14. Обозначается символом Si (лат. Silicium), неметалл. Физические свойства: кристаллический кремний обладает металлическим блеском, тугоплавкий, очень твердый, полупроводник. 2. Химические свойства: кремний малоактивен: а) при повышенных температурах (400-600

• б) из сложных веществ кремний реагирует со щелочами
• в) реагирует с металлами с образованием силицидов

Кремнезем, его свойства и применение. Природные и промышленные силикаты. Их применение в строительстве

Oксид кремния (IV) (диоксид кремния, кремнезём SiO2 ) - бесцветные кристаллы, tпл 1713--1728 °C, обладают высокой твёрдостью и прочностью.

Диоксид кремния применяют в производстве стекла, керамики, абразивов, бетонных изделий, для получения кремния, как наполнитель в производстве резин, при производстве кремнезёмистых огнеупоров, в хроматографии и др. Кристаллы кварца обладают пьезоэлектрическими свойствами и поэтому используются в радиотехнике, ультразвуковых установках, в зажигалках. Диоксид кремния - главный компонент почти всех земных горных пород, в частности, кизельгура. Из кремнезёма и силикатов состоит 87 % массы литосферы. Аморфный непористый диоксид кремния применяется в пищевой промышленности в качестве вспомогательного вещества E551, препятствующего слёживанию и комкованию, парафармацевтике (зубные пасты), в фармацевтической промышленности в качестве вспомогательного вещества (внесён в большинство Фармакопей), а также пищевой добавки или лекарственного препарата в качестве энтеросорбента. Искусственно полученные плёнки диоксида кремния используются в качестве изолятора при производстве микросхем и других электронных компонентов. Также используется для производства волоконно-оптических кабелей. Используется чистый плавленый диоксид кремния с добавкой в него некоторых специальных ингредиентов. Кремнезёмная нить также используется в нагревательных элементах электронных сигарет, так как хорошо впитывает жидкость и не разрушается под нагревом спирали. Крупные прозрачные кристаллы кварца используются в качестве полудрагоценных камней; бесцветные кристаллы называют горным хрусталём, фиолетовые - аметистами, жёлтые - цитрином. В микроэлектронике диоксид кремния является одним из основных материалов. Его применяют в качестве изолирующего слоя, а также в качестве защитного покрытия. Получают в виде тонких плёнок термическим окислением кремния, химическим осаждением из газовой фазы, магнетронным распылением. Диоксид кремния SiO2 - кислотный оксид, не реагирующий с водой. Химически стоек к действию кислот, но реагирует с газообразным фтороводородом

и плавиковой кислотой:

Эти две реакции широко используют для травления стекла. При сплавлении SiO2 с щелочами и основными оксидами, а также с карбонатами активных металлов образуются силикаты - соли не имеющих постоянного состава очень слабых, нерастворимых в воде кремниевых кислот общей формулы xH2O·ySiO2 (довольно часто в литературе упоминаются не кремниевые кислоты, а кремниевая кислота, хотя фактически речь при этом идет об одном и том же веществе).

Например, может быть получен ортосиликат натрия:

метасиликат кальция:

или смешанный силикат кальция и натрия:

Из силиката

Na2CaSi6O14 (Na2O·CaO·6SiO2)

изготовляют оконное стекло. Большинство силикатов не имеет постоянного состава. Из всех силикатов растворимы в воде только силикаты натрия и калия. Растворы этих силикатов в воде называют жидким стеклом. Из-за гидролиза эти растворы характеризуются сильно щелочной средой. Для гидролизованных силикатов характерно образование не истинных, а коллоидных растворов. При подкислении растворов силикатов натрия или калия выпадает студенистый белый осадок гидратированных кремниевых кислот. Главным структурным элементом, как твердого диоксида кремния, так и всех силикатов, выступает группа , в которой атом кремния Si окружен тетраэдром из четырёх атомов кислорода О. При этом каждый атом кислорода соединен с двумя атомами кремния. Фрагменты могут быть связаны между собой по-разному. Среди силикатов по характеру связи в них фрагментов выделяют островные, цепочечные, ленточные, слоистые, каркасные и другие. Силикаты - это обширный класс соединений, образованных диоксидом кремния (кремнеземом) и оксидами других элементов. СИЛИКАТЫ В ПРИРОДЕ. Для того чтобы понять роль силикатов в жизни человека, остановимся сначала на строении земного шара . По современным представлениям земной шар состоит из ряда оболочек. Наружная оболочка Земли, земная кора, или литосфера, образована гранитной и базальтовой оболочками и тонким осадочным слоем. Гранитная оболочка в основном состоит из гранита - плотных сростков из полевых шпатов, слюды, амфиболов и пироксенов, а базальтовая - из таких гранитоподобных, но более тяжелых силикатных пород, как габбро, диабазы и базальты. Осадочные горные породы образуются при разрушении других пород под влиянием условий, характерных для поверхности Земли. Составной частью осадочного слоя являются, в частности, глины, основа которых - силикатный минерал каолинит. Литосфера на 95 мас. % образована силикатами. Ее средняя мощность в области материков составляет 30-40 км. Затем располагается симатическая оболочка, или верхняя мантия, среди минералов которой, вероятно, преобладают силикаты железа и магния. Эта оболочка охватывает земной шар сплошь и распространяется до глубины 1200 км. Далее от 1200 до 2900 км располагается промежуточная оболочка. Ее состав спорен, но и в ней предполагается существование силикатов. Под этой оболочкой на глубине от 2900 до 6370 км находится ядро. В последнее время высказано предположение, что ядро имеет также силикатный состав. При движении от поверхности Земли к ее центру возрастают плотность и основность слагающих пород (увеличивается соотношение между содержанием оксидов металлов и кремнезема), давление и температура. Древнейшие орудия труда были изготовлены человеком из кремня - плотного агрегата из халцедона, кварца и опала (800-60 тыс. лет до н.э.). Позднее для этого стали использовать яшмы, горный хрусталь, агаты, обсидиан (вулканическое силикатное стекло), нефрит.ля силикатных минералов нет общепринятой систематики (минералогической номенклатуры), их названия чаще всего происходят от внешнего вида кристаллов, их физических свойств, места нахождения или имени ученого, их открывшего. Плагиоклаз в переводе с греческого означает косо раскалывающийся, а пироксен - тугоплавкий, что отвечает свойствам этих минералов. Минералы кварца в зависимости от природы примесей имеют широкий спектр окраски, которая и определяет их названия: аметист - фиолетовый, цитрин - желтый, горный хрусталь - лед. Модификации кремнезема стишовита и коэсита и минерала биотита произошли от фамилий ученых, их открывших, С.М. Стишова, Л. Коэса и Ж.Б. Био, а минерал каолинит получил свое название от горы Каолинг в Китае, где издавна добывалась глина для производства фарфора. Природные силикаты и сам кремнезем играют важную роль в качестве сырья и конечных продуктов в промышленных процессах. Алюмосиликаты - плагиоклазы, калиевый полевой шпат и кремнезем используются как сырье в керамической, стекольной и цементной промышленности. Для изготовления несгораемых и обладающих электроизоляционными свойствами текстильных изделий (ткани, шнуры, канаты) широко используются асбесты, относящиеся к гидросиликатам - амфиболам. Некоторые виды асбестов обладают высокой кислотостойкостью и применяются в химической промышленности. Биотиты, представители группы слюд, используются как электро- и теплоизоляционные материалы в строительстве и приборостроении. Пироксены применяются в металлургии и каменно-литейном производстве, а пироксен LiAl - для получения металлического лития. Пироксены являются составной частью доменных шлаков и шлаков цветной металлургии, которые, в свою очередь, также используются в народном хозяйстве. Такие горные породы, как граниты, базальты, габбро, диабазы, являются прекрасными строительными материалами. СИЛИКАТЫ ИСКУССТВЕННОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ. Без силикатных материалов - различных видов цемента, бетона, шлакобетона, керамики, стекла, покрытий в виде эмалей и глазурей едва ли можно представить себе нашу повседневную жизнь. Масштабы производства силикатных материалов представляются внушительными цифрами. В статье мы не будем касаться природы и применения стекол. Эти вопросы уже были рассмотрены в .Наиболее древними силикатными материалами являются керамические, получаемые из глин и их смесей с различными минеральными добавками, обожженными до камневидного состояния. В древнем мире керамические изделия были распространены по всей территории Земли. Со второй половины XIX века и до настоящего времени индустриальная керамическая промышленность неизмеримо расширила выпуск и ассортимент керамики. Примером искусственного силикатного материала является портландцемент, один из наиболее распространенных видов минеральных вяжущих веществ. Цемент используется для связывания строительных деталей при получении массивных строительных блоков, плит, труб и кирпича. Цемент является основой таких широко применяемых строительных материалов, как бетон, шлакобетон, железобетон. Строительство любого масштаба не может существовать без цемента. В школьном курсе по химии даны основные представления о химическом составе и технологии цемента, поэтому остановимся лишь на некоторых уточняющих деталях. Прежде всего, цементным клинкером называется продукт обжига смеси глины и известняка, а цементом - мелкоизмельченный клинкер с минеральными добавками, регулирующими его свойства. Цемент применяется в смеси с песком и водой. Его вяжущие свойства обусловлены способностью цементных минералов взаимодействовать с H2O и SiO2 и при этом затвердевать, образуя прочную камневидную структуру. При схватывании цемента происходят сложные процессы: гидратация минералов с образованием гидросиликатов и гидроалюминатов, гидролиз, образование коллоидных растворов и их кристаллизация. Исследования процессов твердения цементного раствора и минералов цементного клинкера сыграли большую роль в становлении науки о силикатах и их технологии. Наши стройки в больших количествах потребляют цемент, кирпич, облицовочные плиты, черепицу, канализационные трубы, стекло и различные природные строительные материалы.

Кремний - химический элемент IV группы Периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Открыт в 1811 г. Ж. Гей-Люсаком и Л. Тернаром. Его порядковый номер 14, атомная масса 28,08, атомный объем 12,04 10 -6 м 3 /моль. Кремний - металлоид, принадлежит к подгруппе углерода. Его валентность по кислороду +2 и +4. По распространенности в природе кремний уступает только кислороду. Его массовая доля в земной коре составляет 27,6 %. Земная кора, по мнению В.И. Вернадского, более чем на 97 % состоит из кремнезема и силикатов. Кислородные и органические соединения кремния входят также в состав растений и животных.

Искусственно полученный кремнии может быть как аморфным, так и кристаллическим. Аморфный кремний - коричневый, тонко дисперсный, сильно гигроскопичный порошок, по рентгеноструктурным данным, состоит из мельчайших кристалликов кремния. Он может быть получен восстановлением при высоких температурах SiCl 4 парами цинка.

Кристаллический кремний имеет серо-стальной цвет и отличается металлическим блеском. Плотность кристаллического кремния при 20°С составляет 2,33 г/см 3 , жидкого кремния при 1723-2,51, а при 1903К — 2,445 г/см 3 . Температура плавления кремния - 1690 К, кипения - 3513 К. В соответствии с данными, давление паров кремния при Т = 2500÷4000 К описывается уравнением lg p Si = -20130/ Т + 7,736, кПа. Теплота возгонки кремния 452610, плавления 49790, испарения 385020 Дж/моль.

Поликристаллы кремния отличаются высокой твердостью (при 20°С HRC = 106). Однако кремний очень хрупок, поэтому имеет высокую прочность при сжатии (σ СЖ В ≈690 МПа) и очень низкое сопротивление разрыву (σ В ≈ 16,7 МПа).

При комнатной температуре кремний инертен, реагирует только со фтором, образуя летучий 81Р4. Из кислот реагирует только с азотной в смеси с плавиковой кислотой. Со щелочами, однако, кремний реагирует довольно легко. Одна из его реакции со щелочами

Si + NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 2H 2

используется для получения водорода. Вместе с этим с неметаллами кремний способен давать большое количество химически прочных соединений. Из подобных соединений необходимо отметить галогениды (от SiX 4 до Si n X 2n+2 , где X - галоген, а n ≤ 25), их смешанные соединения SiCl 3 B, SiFCl 3 и др., оксихлориды Si 2 OCl 3 , Si 3 O 2 Cl 3 и др., нитриды Si 3 N 4 , Si 2 N 3 , SiN и гидриды с общей формулой Si n H 2n+2 , а из соединений, встречающихся при производстве ферросплавов, - летучие сульфиды SiS и SiS 2 и тугоплавкий карбид SiC.

Кремний способен также давать соединения с металлами - силициды, наиболее важными из них являются силициды железа, хрома, марганца, молибдена, циркония, а также РЗМ и ЩЗМ. Это свойство кремния - способность давать химически очень прочные соединения и растворы с металлами - широко используется в технике производства низкоуглеродистых ферросплавов, а также при восстановлении легкокипящих щелочноземельных (Са, Mg, Ва) и трудновосстановимых металлов (Zr, Al и др.).

Сплавы кремния с железом изучены П.В. Гельдом и его школой, особое внимание было обращено на часть системы Fe-Si, относящуюся к сплавам с его высоким содержанием. Это связано с тем, что, как видно из диаграммы Fe-Si (рисунок 1), в сплавах этого состава происходит целый ряд превращений, значительно влияющих на качество ферросилиция различных марок. Так, дисилицид FeSi 2 стабилен только при низких температурах (< 918 или 968 °С, см. рисунок 1). При высоких температурах устойчива его высокотемпературная модификация - лебоит. Содержание кремния в этой фазе колеблется в пределах 53-56 %. В дальнейшем лебоит будем обозначать химической формулой Fe 2 Si 5 , что практически соответствует максимальной концентрации кремния в лебоите.

При охлаждении сплавов с содержанием > 55,5 % Si лебоит при Т < 1213 К разлагается по эвтектоидной реакции

Fe 2 Si 5 → FeSi 2 +Si (2)

а сплавов 33,86-50,07 % Si при Т < 1255 К - по перитектоидной реакции

Fe 2 Si 5 + FeSi = ЗFeSi 2 (3)

Cплавы промежуточного состава (50,15-55,5 % Si) сначала при 1255 К претерпевают перитектоидное (3), а затем при 1213 К - эвтектоидное (2) превращения. Эти превращения Fe 2 Si 5 по реакциям (2) и (3) сопровождаются изменениями объема силицида. Особенно велико подобное изменение в ходе реакции (2) - примерно 14 %, поэтому сплавы, содержащие лебоит, теряют сплошность, растрескиваются и даже рассыпаются. При медленной, равновесной кристаллизации (см. рисунок 1) лебоит может выделяться при кристаллизации как сплава ФС75, так и ФС45.

Однако растрескивание, связанное с эвтектоидным распадом лебоита, лишь одна из причин рассыпания. Второй причиной, по-видимому главной, является то, что образование трещин по границам зерна создает возможность ликватам, выделяющимся по этим границам - фосфору, мышьяку, сульфидам и карбидам алюминия и др., - реагировать с влагой воздуха по реакциям, в результате которых в атмосферу выделяются H 2 , PH 3 , PH 4 , AsH 4 и т.п., а в трещинах — рыхлые оксиды Al 2 O 3 , SiO 2 и другие соединения, распирающие их. Предотвратить рассыпание сплавов можно их модифицированием магнием, легированием добавками элементов, измельчающих зерно (V, Ti, Zг и др.) или делающих его более пластичным. Измельчение зерна уменьшает на его границах концентрацию примесей и их соединений и влияет на свойства сплавов так же, как общее понижение в сплаве концентрации примесей (P, Al, Ca), способствующих рассыпанию. Термодинамические свойства сплавов Fe-Si (теплота смешения, активность, растворимость углерода) изучены подробно, их можно найти в работах. Сведения о растворимости углерода в сплавах Fe-Si приведены на рисунке 2, об активности кремния - в таблице 1.

Рисунок 1. — Диаграмма состояния системы Fe-Si

Физико-химические свойства кислородных соединений кремния изучал П.В. Гельд с сотрудниками. Несмотря на важность системы Si-O, ее диаграмма до сих пор не построена. В настоящее время известны два кислородных соединения кремния - кремнезем SiO 2 и монооксид SiO. В литературе имеются также указания о существовании и других кислородных соединений кремния - Si 2 O 3 и Si 3 O 4 , однако сведения об их химических и физических свойствах отсутствуют.

В природе кремний представлен только кремнеземом SiO 2 . Это соединение кремния отличается:

1) высокой твердостью (по шкале Мооса 7) и тугоплавкостью (T пл = 1996 К);

2) высокой температурой кипения (Т КИП = 3532 К). Давление паров кремнезема может бьггь описано уравнениями (Па):

3) образованием большого количества модификаций:

Особенностью аллотропных превращений SiO 2 является то, что они сопровождаются значительными изменениями плотности и объема вещества, что может вызвать растрескивание и измельчение породы;

4) высокой склонностью к переохлаждению. Поэтому имеется возможность в результате быстрого охлаждения зафиксировать структуру как жидкого расплава (стекло), так и высокотемпературных модификаций в-кристобалита и тридимита. Наоборот, при быстром нагревании можно расплавить кварц, минуя структуры тридимита и кристобалита. Температура плавления SiO 2 при этом понижается примерно на 100 °С;

5) высоким электросопротивлением. Например, при 293 К оно составляет 1 10 12 Ом*м. Однако с повышением температуры электросопротивление SiO 2 понижается, а в жидком состоянии кремнезем — неплохой проводник;

6) высокой вязкостью. Так, при 2073 К вязкость равна 1 10 4 Па с, а при 2273 К - 280 Па с.

Последнее, по мнению Н.В. Соломина, объясняется тем, что SiO 2 , подобно органическим полимерам, способен образовывать цепочки, которые при 2073 К состоят из 700, а при 2273 К — из 590 молекул SiO 2 ;

7) высокой термической устойчивостью. Энергия Гиббса образования SiO 2 из элементов с учетом агрегатного их состояния в соответствии с данными с высокой точностью описывается уравнениями:

Эти данные, как видно из таблицы 2, несколько отличаются от данных авторов. Для термодинамических расчетов могут использоваться и двухчленные уравнения:

Монооксид кремния SiO обнаружен в 1895 г. Поттером в газовой фазе электропечей. В настоящее время надежно установлено, что SiO существует и в конденсированных фазах. По исследованиям П.В. Гельда, оксид отличается невысокой плотностью (2,15 г/см 3), высоким электросопротивлением (10 5 -10 6 Ом*м). Конденсированный оксид хрупок, его твердость по шкале Мооса ∼ 5. Температуру плавления вследствие высокой его летучести экспериментально определить не удалось. По данным О. Кубашевского, она равна 1875 К, по мнению Бережного, - 1883 К. Теплота плавления SiO в несколько раз выше ΔH 0 SiO2 по данным она равна 50242 Дж/моль. По-видимому, вследствие летучести она завышена. Имеет стекловидный излом, его цвет изменяется от белого до шоколадного, что связано, вероятно, с его окислением кислородом воздуха. Свежий излом SiO обычно имеет гороховатый цвет с жирным блеском. Термодинамически стабилен оксид только при высоких температурах в виде SiO (Г) . При охлаждении оксид диспропорционирует по реакции

2SiO (Г) = SiO (Ж) + SiO 2 (6)

Температуру кипения SiO можно ориентировочно оценить из уравнения:

Газообразный оксид кремния термодинамически очень стоек. Энергию Гиббса его образования можно описать уравнениями (см. таблицу 2):

из которых видно, что химическая прочность SiO подобно CO с ростом температуры повышается, что делает его прекрасным восстановителем для многих веществ.

Для термодинамического анализа можно использовать и двухчленные уравнения:

Состав газов над SiO 2 оценивался И.С. Куликовым. В зависимости от температуры содержание SiO над SiO 2 описывается уравнениями:

Карбид кремния, как и SiO, является одним из промежуточных соединений, образующихся в ходе восстановления SiO 2 . Карбид отличается высокой температурой плавления.

В зависимости от давления он стоек вплоть до 3033-3103 К (рисунок 3). При высоких температурах карбид кремния сублимирует. Однако давление паров Si (Г) , Si 2 C (Г) , SiC 2(Г) над карбидом при Т < 2800К невелико, что следует из уравнения

Карбид существует в виде двух модификаций - кубической низкотемпературной β-SiC и гексагональной высокотемпературной α-SiC. В ферросплавных печах обычно встречается лишь β-SiC. Как показали расчеты с использованием данных, энергия Гиббса образования описывается уравнениями:

которые заметно отличаются от данных. Из этих уравнений следует, что карбид термически стоек до 3194 К. По физическим свойствам карбид отличается высокой твердостью (~ 10), высоким электросопротивлением (при 1273К p≈0,13 ⋅ 10 4 мкОм ⋅ м), повышенной плотностью (3,22 г/см 3) и высокой стойкостью как в восстановительной, так и в окислительной атмосфере.

По внешнему виду чистый карбид бесцветен, обладает полупроводниковыми свойствами, которые сохраняются и при высоких температурах. Технический карбид кремния содержит примеси и поэтому окрашен в зеленый или черный цвет. Так, зеленый карбид содержит 0,5-1,3 % примесей (0,1-0,3 % C, 0,2-1,2 % Si + SiO 2 , 0,05-0,20 % Fe 2 O 3 , 0,01- 0,08 % Al 2 O 3 и др.). В черном карбиде содержание примесей более высокое (1-2 %).

В качестве восстановителя при производстве сплавов кремния применяют углерод. Он же является основным веществом, из которого изготавливают электроды и футеровки электропечей, выплавляющих кремний и его сплавы. Углерод довольно распространен в природе, его содержание в земной коре составляет 0,14 %. В природе он встречается как в свободном состоянии, так и в виде органических и неорганических соединений (в основном карбонатов).

Углерод (графит) имеет гексагональную кубическую решетку. Рентгеновская плотность графита 2,666 г/см 3 , пикнометрическая — 2,253 г/см 3 . Он отличается высокими температурами плавления (~ 4000 °С) и кипения (~ 4200 °С), повышающимся с ростом температуры электросопротивлением (при 873 К p≈9,6 мкОм⋅м, при 2273 К p≈ 15,0 мкОм⋅м), довольно прочен. Его временное сопротивление на усах может составить 480-500 МПа. Однако электродный графит имеет σ в = 3,4÷17,2 МПа. Твердость графита по шкале Мооса ~ 1.

Углерод - прекрасный восстановитель. Это связано с тем, что прочность одного из его кислородных соединений (СО) повышается с ростом температуры. Это видно из энергии Гиббса его образования, которая, как показали наши расчеты с использованием данных, хорошо описывается как трехчленным

так и двухчленными уравнениями:

Диоксид углерода СO 2 термодинамически прочен лишь до 1300 К. Энергия Гиббса образования CO 2 описывается уравнениями:

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

Содержание статьи

КРЕМНИЙ, Si (silicium), химический элемент IVA подгруппы (C, Si, Ge, Sn и Pb) периодической системы элементов, неметалл. Кремний в свободном виде был выделен в 1811 Ж.Гей-Люссаком и Л.Тенаром при пропускании паров фторида кремния над металлическим калием, однако он не был описан ими как элемент. Шведский химик Й.Берцелиус в 1823 дал описание кремния, полученного им при обработке калиевой соли K 2 SiF 6 металлическим калием при высокой температуре, однако лишь в 1854 кремний был получен в кристаллической форме А.Девилем. Кремний – второй по распространенности (после кислорода) элемент в земной коре, где он составляет более 25% (масс.). Встречается в природе в основном в виде песка, или кремнезема, который представляет собой диоксид кремния, и в виде силикатов (полевые шпаты M (M = Na, K, Ba), каолинит Al 4 (OH) 8 , слюды). Кремний можно получить прокаливанием измельченного песка с алюминием или магнием; в последнем случае его отделяют от образующегося MgO растворением оксида магния в соляной кислоте. Технический кремний получают в больших количествах в электрических печах путем восстановления кремнезема углем или коксом. Полупроводниковый кремний получают восстановлением SiCl 4 или SiHCl 3 водородом с последующим разложением образующегося SiH 4 при 400–600° С. Высокочистый кремний получают выращиванием монокристалла из расплава полупроводникового кремния по методу Чохральского или методом бестигельной зонной плавки кремниевых стержней . Элементный кремний получают в основном для полупроводниковой техники, в остальных случаях он используется как легирующая добавка в производстве сталей и сплавов цветных металлов (например, для получения ферросилиция FeSi, который образуется при прокаливании смеси песка, кокса и оксида железа в электрической печи и применяется как раскислитель и легирующая добавка в производстве сталей и как восстановитель в производстве ферросплавов).

Применение.

Наибольшее применение кремний находит в производстве сплавов для придания прочности алюминию, меди и магнию и для получения ферросилицидов, имеющих важное значение в производстве сталей и полупроводниковой техники. Кристаллы кремния применяют в солнечных батареях и полупроводниковых устройствах – транзисторах и диодах. Кремний служит также сырьем для производства кремнийорганических соединений, или силоксанов, получаемых в виде масел, смазок, пластмасс и синтетических каучуков. Неорганические соединения кремния используют в технологии керамики и стекла, как изоляционный материал и пьезокристаллы.

СВОЙСТВА КРЕМНИЯ
Атомный номер	14
Атомная масса	28,086
Изотопы
стабильные	28, 29, 30
нестабильные	25, 26, 27, 31, 32, 33
Температура плавления, °С	1410
Температура кипения, °С	2355
Плотность, г/см 3	2,33
Твердость (по Моосу)	7,0
Содержание в земной коре, % (масс.)	27,72
Степени окисления	–4, +2, +4

Свойства.

Кремний – темносерое, блестящее кристаллическое вещество, хрупкое и очень твердое, кристаллизуется в решетке алмаза. Это типичный полупроводник (проводит электричество лучше, чем изолятор типа каучука, и хуже проводника – меди). При высокой температуре кремний весьма реакционноспособен и взаимодействует с большинством элементов, образуя силициды, например силицид магния Mg 2 Si, и другие соединения, например SiO 2 (диоксид кремния), SiF 4 (тетрафторид кремния) и SiC (карбид кремния, карборунд). Кремний растворяется в горячем растворе щелочи с выделением водорода: Si + NaOH ® Na 4 SiO 4 + 2H 2 ­ . 4 (тетрахлорид кремния) получают из SiO 2 и CCl 4 при высокой температуре; это бесцветная жидкость, кипящая при 58° С, легко гидролизуется, образуя хлороводородную (соляную) кислоту HCl и ортокремниевую кислоту H 4 SiO 4 (это свойство используют для создания дымовых надписей: выделяющаяся HCl в присутствии аммиака образует белое облако хлорида аммония NH 4 Cl). Тетрафторид кремния SiF 4 образуется при действии фтороводородной (плавиковой) кислоты на стекло:

Na 2 SiO 3 + 6HF ® 2NaF + SiF 4 ­ + 3H 2 O

SiF 4 гидролизуется, образуя ортокремниевую и гексафторокремниевую (H 2 SiF 6) кислоты. H 2 SiF 6 по силе близка к серной кислоте. Многие фторосиликаты металлов растворимы в воде (соли натрия, бария, калия, рубидия, цезия малорастворимы), поэтому HF используют для перевода минералов в раствор при выполнении анализов. Сама кислота H 2 SiF 6 и ее соли ядовиты.

Кремниевые кислоты.

Две оксокислоты кремния H 4 SiO 4 (ортокремниевая) и H 2 SiO 3 (метакремниевая, или кремниевая) существуют только в растворе и необратимо превращаются в SiO 2 , если выпарить воду. Другие кремниевые кислоты получаются за счет различного количества воды в их составе: H 6 Si 2 O 7 (пирокремниевая кислота из двух молекул ортокремниевой кислоты), H 2 Si 2 O 5 и H 4 Si 3 O 8 (ди- и трикремниевая кислоты из двух и соответственно трех молекул метакремниевой кислоты). Все кислоты кремния слабые. При добавлении в раствор силиката серной кислоты образуется гель (желатинообразное вещество), при нагревании и высушивании которого остается твердый пористый продукт – силикагель, имеющий развитую поверхность и используемый как адсорбент газов, осушитель, катализатор и носитель катализаторов.

Кремний (Si) - это неметалл, стоящий на 2 месте после кислорода по запасам и нахождению на Земле(25,8% в Земной коре). В чистом виде он практически не встречается, в основном присутствует на планете в виде соединений.

Характеристика кремния

Физические свойства

Кремний - это хрупкий светло-серый материал с металлическим оттенком или порошкообразный материал коричневого цвета. Строение кристалла кремния однотипно с алмазом, но из-за различий в длине связи между атомами твердость алмаза значительно выше.

Кремний - неметалл, доступный для электромагнитного излучения. Благодаря некоторым качествам, он находится в середине между неметаллами и металлами:

При увеличении температуры до 800 °C становится гибким и пластичным;

При нагревании до 1417 °С плавится;

Начинает кипеть при температуре свыше 2600 °С;

Меняет плотность при высоком давлении;

Обладает свойством намагничиваться против направления внешнего магнитного поля (диамагнит).

Кремний - полупроводник, и примеси, входящие в его сплавы определяют электрические характеристики будущих соединений.

Химические свойства

При разогревании Si вступает в реакцию с кислородом, бромом, йодом, азотом, хлором и различными металлами. При соединении с углеродом получаются твердые сплавы с термо - и химио - стойкостью.

Кремний никак не воздействует с водородом, поэтому все возможные смеси c ним получают другим путем.

При обычных условиях он слабо реагирует со всеми веществами, кроме газообразного фтора. С ним образуется тетрафторид кремния SiF4. Такая неактивность объясняется тем, что на поверхности неметалла из-за реакции с кислородом, водой, ее парами и воздухом ложится пленка диоксида кремния и окутывает его. Поэтому химическое воздействие замедленно и незначительно.

Для удаления этого слоя используют смесь фтороводородной и азотной кислот или водные растворы щелочей. Некоторые специальные жидкости для этого предусматривают добавление хромового ангидрида и иных веществ.

Нахождение кремния в природе

Кремний для Земли столь же важен как углерод для растений и животных. Ее кора почти наполовину состоит из кислорода, а если добавить к этому кремний, получится 80% массы. Эта связь очень важна для перемещения химических элементов.

75% литосферы содержат различные соли кремневых кислот и минералов (песок, кварциты, кремень, слюды, полевые шпаты и т. д.). Во время образования магмы и разных магматических пород Si накапливается в гранитах и в ультраосновных породах (плутонических и вулканических).

В теле человека 1 г кремния. Большинство содержится в костях, сухожилиях, кожном и волосяном покрове, лимфоузлах, аорте и трахее. Он участвует в процессе роста соединительной и костной тканей, а так же поддерживает эластичность сосудов.

Норма употребления в день для взрослого - 5 - 20 мг. Избыток вызывает силикоз.

Применение кремния в промышленности

С каменного века этот неметалл известен человеку и широко используется до сих пор.

Применение:

Он хороший восстановитель, поэтому его используют в металлургии для получения металлов.

В определенных условиях кремний способен проводить электричество, поэтому его применяют в электронике.

Оксид кремния используется в изготовлении стекол и силикатных материалов.

Специальные сплавы используется для производства полупроводниковых приборов.