Аллотропные модификации кремния сообщение

Обновлено: 05.07.2024

Главная подгруппа IV группа образованна углеродом (С), кремнием (Si), германием (Ge), оловом (Sn) и свинцом (Pb). Все относятся к p-элементам. Внешний энергетический уровень всех элементов данной подгруппы заполнен 4 электронами. Углерод и кремний типичные неметаллы. Оба элемента очень значимы в природе и быту человека. Их подробно изучим далее.

План урока:

Углерод и кремний

Строение углерода. Углерод представитель четвертой группы, главной подгруппы. Обозначение в периодической системе – С. Находится он, в системе элементов под номером 6, атомный вес равен 12. Заряд ядра +6. Внешний слой представлен 4 электронами, двумя спаренными s-электронами и двумя неспаренным и р-электронам.

группы, главной подгруппы.Но в отличие от углерода он в третьем периоде. Что наделяет его несколько иными свойствами.

Кремний так же образует множество соединений (второй по распространению в земной породе элемент после кислорода). Состав земной породы можно описать так: соединения кремния и кислорода с другими элементами. Химический знак - Si. Порядковый номер – 14, заряд ядра +14. В свободной форме вещество имеет металлический блеск.

Внешний слой атома кремния такой же, как внешний слой атома углерода. Так же 4 атома, но разница в радиусе, расстоянии до ядра. Оно больше, чем у углерода, а значит атомы менее связаны с ядром.

Нахождение кремния в природе в виде минералов Источник

Строение атома кремния Источник

Аллотропия углерода и кремния

Аллотропные формы углерода

Углероду свойственно явление аллотропии. Например, у углерода 4 аллотропные формы: графит, алмаз, карбин, фуллерен. По составу это все тот же углерод, но ввиду особенностей строения молекулы каждого из них, имеются различия в физических и химических свойствах.

Открытие фуллерена произошло относительно недавно, в 1985 г, их особенность в строении молекулы, похожей на футбольный мяч. Наиболее распространены молекулы фуллерена С_60, состоящего из 60 атомов углерода,и фуллерена С₇₀, состоящего из 70 атомов углерода.

Благодаря своему строению, обладает уникальными свойствами, который открывает широкий спектр применений. Начиная применениями в физике, заканчивая медициной. Молекула является мощнейшим антиоксидантом, используемая даже в борьбе с ВИЧ.

Аллотропные модификации углерода Источник

Графит и алмаз нам хорошо знакомы. Первый используется как грифель для простого карандаша, второй является драгоценным камнем, но ввиду своей прочности используется и в строительстве, и в медицине и т.д. Отличны они по своим физическим свойствам, в силу различий строений графических решеток.

Графит вещество темно-серого цвета, не поддается плавлению, обладает металлическим блеском и достаточно мягкий. Его кристаллическая решетка атомная. Это означает, что в узлах таких решеток атомы, связаны ковалентной полярной или неполярной связью. Такая кристаллическая решетка влияет и на свойства вещества, придавая тугоплавкость, нерастворимость в воде.

Изображение графита при нахождении в природе и графит в грифеле карандаша.

Алмазы до и после огранки

Аллотропия кремния

Аллотропия кремния выражена двумя видами кремния: аморфным и кристаллическим. Это два вещества,одинаковых по составу, но различные построению молекул. Эти отличия наделяют их разными физическими и химическими свойствами, а также различиями во внешнем виде.

Цвет кристаллического кремния темный, почти черный. Присутствует металлический блеск. Твердый на ощупь, при этом хрупкий. Обладает свойствами полупроводником. Полупроводники – вещества, способные проводить электричество. Но по своей способности проводить последнее они находятся между проводниками, хорошо проводящими электрический ток, и диэлектриками, веществами, плохо проводящими электрический ток.

Кипит и плавится при больших температурах, реакционно не активен. Структуру имеет подобную алмазу.

Аморфный кремний буро-красный по цвету, порошкообразен. Хорошо впитывает воду, но структура такая же как у кристаллического.

Свойства углерода и кремния

Химические свойства углерода

Для углерода нередко характерны разные степени окисления. Но самые распространённые степени окисления: +4, +2. Мало реакционноспособен углерод при комнатной температуре. Но нагревание увеличивает реакционную способность и углерод взаимодействует с некоторыми металлами и кислотами, а также с кислородом, азотом, галогенами и водородом.

Однако для углерода характерны реакции, в которых он проявляет восстановительные и окислительные свойства.

Химические свойства кремния

Неметалл, мало реакционноспособен. Характерные степени окисления: от -4 до +4. Элемент, очень распространенный в земной коре, уступает первенство лишь кислороду. Значительное распространение получил именно оксид этого элемента, входя состав разных пород, а главное песка, кварца и глины. Большое значение имеет в жизни человека, т.к. из оксида делают стекло, цемент. В чистом виде представляется в виде минерала – горного хрусталя. Так же входит в состав драгоценных и полудрагоценных камней.

Особое внимание уделяется влиянию кремния на свойства стали. Кремний, при добавлении к стали, изменяет атомную решетку железа (сталь состоит из железа, углерода и других элементов). Это влияет на свойства стали: увеличиваются магнитная проницаемость, упругость и сопротивляемость к коррозии, прочность.

Оксид углерода (II) СО

Называемый иначе угарным газом. Вещество бесцветное, не имеющее запаха. В мире часто происходят отравления угарным газом животных и людей.В воде не растворяется, но в органических растворителях, напротив, хорошо растворимо t°_кип = -192°C; t _пл = -205°C.

Известны два вида получения. В промышленности и лабораторных условиях. Первый необходим для получения в больших объёмах, ведь данный газ активно используется в химической промышленности как сырье для синтеза других веществ, на основе углерода.

Свойства оксида. При обычных условиях CO мало активен. При повышении температуры вступает в реакцию. Солей не образует.

Химические свойства:

Оксид углерода (IV) СO₂

Получение

Свойства (углекислого газа) СO₂

Углекислый газ - кислотный оксид,реагирует с основными оксидами и основаниями, образуя соли угольной кислоты. Качественной реакцией (реакция для обнаружения вещества) является помутнение известковой воды.

Так как оксид обладает свойством предотвращать горение,его используют в противопожарных условиях. А также углекислый газ используют при изготовлении газированных напитков.

Химические свойства

Отдельно отметим значение углекислого газа в фотосинтезе. Коротко эту реакции можно описать следующим образом:

Фотосинтез - химический процесс образования органических веществ и кислорода зелеными растениями из углекислого газа, под действием солнечного света.

Рисунок процесса фотосинтез Источник

Угольная кислота

Угольная кислота образуется при растворении оксида углерода (IV) в воде. А если быть еще точнее, то раствор углекислого газа и является угольной кислотой. Очень нестабильная кислота, после получения сразу разлагается на воду и газ.

Реакция разложения угольной кислоты:

Угольная кислота взаимодействуя с щелочами. Образует средние (соли, в состав которых входят металлический химический элемент и кислотный остаток) и кислые соли (в состав которых, кроме металлического химического элемента и кислотного остатка, входят атомы водорода) угольной кислоты. Последние называют гидрокарбонатами, первые – карбонаты.

Такие понятия, встречаемые в природе и в повседневной жизни, как временная жесткость воды и постоянная жесткость объясняется наличием в воде гидрокарбонатов кальция и магния и другими солями этих же элементов. Общая жесткость воды определяется суммой постоянной и временной жесткости.

Устранить жесткость воды можно различными содами. Например, кальцинированной содой (Na₂CO₃), т.е. карбонатом натрия, или же пищевой содой (NaHCO₃).Так же в быту для борьбы с накипью используют лимонную кислоту.

Если, к примеру, мы хотим очистить чайник от накипи, то зальем в него воды, добавим немного соды или лимонной кислоты, на выбор. Прокипятим и тщательно промоем. Не рекомендуется использовать уксус, т.к. он слишком летуч при кипячении и в воздухе окажутся вредные пары.

И чем жесткость выше, тем больше содержания в воде солей кальция и магния, а значит при кипячении такой воды образуется большое количество накипи. Накипь, систематически попадающая в организм, вредна. Она откладывается в организме человека, отрицательно влияя на функциональность органов и здоровье в целом. Так же этот процесс уменьшает срок службы бытовых электроприборов. Например, стиральных машин.

Накипь в чайнике

Оксид кремния (IV)

Данный оксид известен как кремнезём SiO₂. Диоксид кремния является песком, содержание в котором кремния прямо влияет на свойства песка, улучшая их. Вещество твердое, плохо растворяется в воде, тугоплавкое. Отличительной особенностью можно назвать немолекулярное строение.

В естественной природной среде оксид данный встречается в виде песка, кварца и горного хрусталя, а также входит в состав глины и многих других элементов.

Данный оксид является кислотным, и при его взаимодействии с щелочами и амфотерными оксидами образуются силикаты, соли кремневой кислоты. Не реагирует с водой.

Кремневая кислота – это одна из слабых кислот. А слабыми называют кислоты, плохо растворяющиеся в воде.Нагревание разлагает эту кислоту на воду и диоксид кремния (SiO₂).

Силикаты — это соли кремниевой кислоты. Природные силикаты являются сложными соединениями. Среди них растворимы в воде только соли калия и натрия. Соли калия и натрия еще называют растворимыми стеклами, а их раствор – жидким стеклом.

Природные силикаты, это варианты соединения кремния с кислородом и другими элементами, среди которых: натрий, магний, кальций, алюминий, литий, бор, железо, калий, водород и т.д. Кристаллические решетки данной группы соединений составлены из тетраэдров кремния и кислорода, в соотношении 1:4 соответственно. И именно на основе этих комбинаций происходит следующая классификация типов силикатов.

Таблица классификация силикатов

Стекло – материал, активно используемый в быту. По своим свойствам хрупкий и прозрачный. Получают при варке сырьевой смеси (шихты) из песка, соды и известняка в специально приспособленных печах.

Процесс производства стекловолокна Источник

Вывод

Кремний - основа большинства неорганических соединений, а содержание его в земной коре, в виде оксида, составляет 12%. Растениям атомы данного элемента придают особу прочность, входя в состав. Благодаря чему последние растут вверх, а не расползаются по земле.

Соединения этих элементов тоже очень значимы. Например, соединения кремния получили широкое применение в силикатной промышленности. А соединения углерода очень востребованы как топливо.

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 кварцевый песок 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.

Содержание в природе

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 чистом веществе 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 SiO₂, 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 SiO₂. 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 изготовлении солнечных батарей 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:

• бор;
• 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 производственные процессы, 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 органическими веществами - 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 - SiO₂. 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. - силиконы, силикагели, силиконовые масла.
3. 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.

Рисунок 1. Структура кремния и его внешний вид.

Физические свойства кремния. Аллотропные модификации кремния

Кремний имеет две аллотропные модификации:

1. Кристаллический — свойства обусловлены наличием кубической кристаллической решетки. Атомы расположены на вершине и в центре каждой грани, прочно связаны друг с другом ковалентной связью.
2. Аморфный — порошок бурого цвета на основе разупорядоченной кристаллической структуры. Гигроскопичный, активнее вступает в реакции.

Таблица 1. Основные физические параметры кристаллического кремния.

Химические свойства Si

Определяются положением кремния в периодической системе Д.И. Менделеева и строением атома: электронная формула 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2. Проявляет степени окисления: -4, 0, +2, +4. Валентность: II и IV.

Окислительные свойства кремний проявляет в реакциях с активными металлами:

S i + 2 M g → t ° M g 2 S i - 4 силицид магния;

С водородом не реагирует, но при растворении силицидов в кислотах образуется силан:

M g 2 S i + 4 H C l → 2 M g C l 2 + S i H 4 силан.

Восстановительные свойства кремния.

• +галогены (Cl, Br, J) при нагревании, со фтором при комнатной температуре:

S i + 2 F 2 → S i F 4 тетрафторид кремния;

• при избытке кислорода: S i + O 2 → 600 ° С S i O 2 оксид кремния IV;
• при недостатке кислорода: 2 S i + O 2 → 400 ° С 2 S i O монооксид кремния;
• образование бинарных соединений:

• +сера: S i + S → 600 ° С S i S 2 сульфид кремния;
• +азот: 3 S i + 2 N 2 → 1300 ° С S i 3 N 4 нитрид кремния;
• +углерод: S i + C → 2000 ° С S i C карбид кремния (карборунд);
• +щелочи при кипячении:

• S i + 4 N a O H к о н ц → t ° N a 4 S i O 4 + 2 H 2 ↑ ;
• S i + 2 K O H + H 2 O → t ° K 2 S i O 3 + 2 H 2 ↑ ;
• с кислотами не реагирует. Растворяется только в смеси плавиковой и азотной кислот:

3 S i + 4 H N O 3 + 18 H F → 3 H 2 [ S i F 6 ] + 4 N O + 8 H 2 O .

Нахождение в природе

Кремний в чистом виде (как самородный минерал) встречается крайне редко. Но, соединяясь с кислородом, он образует S i O 2 — кремнезем, входящий в состав многих минералов: песок, кварц, полевой шпат, слюда, некоторые поделочные и полудрагоценные камни: яшма, гранат, турмалин и др., что обуславливает высокое (не менее 26%) содержание кремния в земной коре.

Рисунок 2. Оксид кремния IV в природе.

Содержание кремния в морской воде достигает 3 мг/л, поэтому он накапливается в кремниевых губках, диатомовых водорослях, радиоляриях.

Пищевые продукты, содержащие кремний: овес, огурцы, рис, пшеница, лук, семя льна, авокадо и др.

Технология получения

В лабораторных условиях кремний получают:

• прокаливанием белого песка (оксид кремния IV) с металлическим магнием:

2 M g + S i O 2 → t ° S i ↓ + 2 M g O ;

• восстановлением из оксида кремния IV с помощью алюминия:

2 A l + S i O 2 → t ° S i ↓ + A l 2 O 3 .

Промышленные способы получения кремния:

S i O 2 + 2 C к о к с → t ° 2 C O ↑ + S i ↓ .

Однако, такой кремний имеет примеси карбида кремния и не подходит для производства микросхем.

Продукт со степенью чистоты до 99,9% получают:

• восстановлением водородом или цинком из S i C l 4 :

S i C l 4 + 2 H 2 → 1200 ° С S i ↓ + 4 H C l ;

S i H 4 → t ° S i ↓ + 2 H 2 ↑ .

Важные соединения кремния

Оксид кремния (IV) S i O 2 имеет атомное строение, высокий показатель твердости, тугоплавкий (плавится при температуре 1730 °С). Кислотный оксид, соответствует кремниевой кислоте.

• в промышленности — нагреванием кремния в атмосфере кислорода:

S i + O 2 → 600 ° С S i O 2 .

• в лабораториях — взаимодействие силиката натрия с уксусной кислотой. Кремниевая кислота сразу распадается на воду и S i O 2 , который выпадает в осадок:

• N a 2 S i O 3 + C H 3 C O O H → C H 3 C O O N a + H 2 S i O 3 ↓ ;
• H 2 S i O 3 → S i O 2 ↓ + H 2 O .

Химические свойства SiO2:

• не растворяется в кислотах, реагирует только с плавиковой кислотой и газообразным фтороводородом:

• S i O 2 + 6 H F ж и д → Н 2 [ S i F 6 ] + 2 H 2 O ;
• S i O 2 + 4 H F г а з → S i F 4 + 2 H 2 O ;
• при взаимодействии с основными оксидами и щелочами, а также с карбонатами образуются соли кремниевой кислоты — силикаты:

• C a O + S i O 2 → C a S i O 3 силикат кальция;
• 2 К O H + S i O 2 → K 2 S i O 3 силикат калия + H 2 O ;
• N a 2 C O 3 + S i O 2 → N a 2 S i O 3 силикат натрия + C O 2 ↑ .

На реакции с карбонатами основано получение оконного стекла — смесь из соды, известняка и белого песка прокаливают при температуре, равной 1500 °С:

N a 2 C O 3 + C a C O 3 + 6 S i O 2 → t ° N a 2 O · C a O · 6 S i O 2 + 2 C O 2 ↑ .

Кремниевая кислота и ее соли — силикаты.

Кремниевая кислота H 2 S i O 3 — слабая, малорастворимая. Легко распадается на оксид и воду, при подсыхании превращается в студенистое вещество — силикагель. Получают при взаимодействии кислот (в том числе, угольной) с растворимыми силикатами щелочных металлов:

N a 2 S i O 3 + 2 H C l → 2 N a C l + H 2 S i O 3 ↓ .

Кремниевая кислота реагирует только с сильными основаниями и их оксидами, образуя силикаты:

H 2 S i O 3 + L i O H → L i 2 S i O 3 + 2 H 2 O .

Силикаты, кроме N a 2 S i O 3 и K 2 S i O 3 (их называют жидким стеклом), нерастворимы в воде. Получают следующими методами:

• взаимодействие кремния, оксида кремния или кремниевой кислоты с щелочами:

• S i + 2 N a O H + 2 H 2 O → t ° N a 2 S i O 3 силикат натрия + 2 H 2 ↑ ;
• 2 L i O H + S i O 2 → L i 2 S i O 3 силикат лития + H 2 O ;
• 2 K O H + H 2 S i O 3 → K 2 S i O 3 силикат калия + 2 H 2 O ;
• сплавление оксида кремния с основными оксидами:

M g O + S i O 2 → M g S i O 3 с и л и к а т м а г н и я ;

K 2 S i O 3 + C a C l 2 → C a S i O 3 с и л и к а т к а л ь ц и я + 2 K C l .

Силициды — это бинарные соединения кремния с металлами, в которых кремний имеет степень окисления -4. Тип химической связи — ионная.

Получают при сплавлении простых веществ или восстановлением смеси оксидов коксом в электропечах:

• S i + 2 C a → t ° C a 2 S i - 4 силицид кальция;
• 2 M g O + S i O 2 + 4 C → M g 2 S i силицид магния + 4 C O .

Вступают в реакцию:

• с водой (гидролиз): M g 2 S i + 4 H 2 O → 2 M g ( O H ) 2 + S i H 4 ;
• с кислотами: C a 2 S i + 4 H C l → 2 C a C l 2 + S i H 4 .

Силан — это бинарное соединение кремния с водородом S i H 4 , ядовитый бесцветный газ.

Если к порошку силицида магния добавить разбавленную соляную кислоту, то на поверхности раствора образуются пузырьки силана. Они лопаются и загораются на воздухе.

• M g 2 S i + 4 H C l → 2 M g C l 2 + S i H 4 силан;
• S i H 4 + 2 O 2 → S i O 2 + 2 H 2 O — горение силана.

Химические свойства силана:

• + H 2 O : S i H 4 + 2 H 2 O → S i O 2 + 4 H 2 ;
• +щелочи: 2 S i H 4 + 2 N a O H + H 2 O → N a 2 S i O 3 + 4 H ;
• разложение при нагревании: S i H 4 → S i + 2 H 2 .

5. Карборунд SiC имеет атомный тип кристаллической решетки, сходный с алмазной. Твердый, плавится при температуре 2730 °С.

Получают по схеме:

S i + C → 2000 ° С S i C .

• при высокой температуре: S i C + 2 O 2 → t ° S i O 2 + C O 2 ;
• в расплаве щелочи: S i C + 2 O 2 + 4 N a O H → N a 2 S i O 3 + N a 2 C O 3 + 2 H 2 O .

Применение кремния и его соединений — силикатная промышленность.

Кремний используют в металлургии — добавка к стали и другим сплавам; в электронике — изготовление полупроводниковых приборов, радиодеталей и солнечных батарей.

Кремний необходим для поддержания здоровья кожи, волос и ногтей. Кремний участвует в формировании костей, повышает эластичность и прочность кровеносных сосудов, что используется в профилактике сердечно-сосудистых заболеваний.

Диоксид кремния:

• производство стекла, керамики, бетона и кирпича. Из керамики, помимо посуды и декоративных изделий, производят изоляторы для высоковольтных ЛЭП и другие изделия, используемые в технике и строительстве;
• чистый кварц используется в приборостроении;
• производство косметики: как эмульгатор и компонент против слеживания.

Силициды входят в состав жаропрочных и кислотоустойчивых сплавов и высокотемпературных полупроводниковых материалов.

Карбид кремния используют как абразив при затачивании резцов металлорежущих станков и шлифовки драгоценных камней, а также в качестве имитации алмаза в ювелирном деле.

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 SiO₂, 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:

Молекула и атом кремния

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

Энергия ионизации атома, эВ

Радиус атома, нм

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

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):

Найдем количество вещества силиката натрия:

M(Na₂SiO₃) = 2×Ar(Na) + Ar(Si) + 3×Ar(O) = 2×23 + 28 + 3×16 = 122 г/моль.

Масса оксида кремния (IV) (без примесей) будет равна:

M(SiO₂) = Ar(Si) + 2×Ar(O) = 28 + 2×16 = 28 + 32 = 60 г/моль.

Тогда масса оксида кремния (IV), необходимая для реакции будет равна:

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):

Определим теоретическую массу соды (рассчитывается по уравнению реакции):

M(Na₂CO₃) = 2×Ar(Na) + Ar(C) + 3×Ar(O) = 2×23 + 12 + 3×16 = 106 г/моль.

Найдем практическую массу соды:

Рассчитаем теоретическую массу силиката натрия:

M(Na₂SiO₃) = 2×Ar(Na) + Ar(Si) + 3×Ar(O) = 2×23 + 28 + 3×16 = 122 г/моль.

Кремний — очень редкий минеральный вид из класса самородных элементов. На самом деле это удивительно, как редко химический элемент кремний, составляющий в связанном виде не менее 27,6% массы земной коры, встречается в природе в чистом виде. Но кремний прочно связывается с кислородом и почти всегда находится в виде кремнезёма – диоксида кремния, SiO₂ (семейство кварца) или в составе силикатов (SiO₄ 4- ). Самородный кремний как минерал был найден в продуктах вулканических испарений и как мельчайшие включения в самородном золоте.

СТРУКТУРА

Кристаллическая решётка кремния кубическая гранецентрированная типа алмаза, параметр а = 0,54307 нм (при высоких давлениях получены и другие полиморфные модификации кремния), но из-за большей длины связи между атомами Si—Si по сравнению с длиной связи С—С твёрдость кремния значительно меньше, чем алмаза. Имеет объемную структуру. Ядра атомов вместе с электронами на внутренних оболочках обладают положительным зарядом 4, который уравновешивается отрицательными зарядами четырех электронов на внешней оболочке. Вместе с электронами соседних атомов они образуют ковалентные связи на кристаллической решетке. Таким образом, на внешней оболочке находятся четыре своих электрона и четыре электрона, заимствованные у четырех соседних атомов. При температуре абсолютного нуля все электроны внешних оболочек участвуют в ковалентных связях. При этом кремний является идеальными изолятором, так как не имеет свободных электронов, создающих проводимость.

СВОЙСТВА

Кремний хрупок, только при нагревании выше 800 °C он становится пластичным веществом. Он прозрачен для инфракрасного излучения начиная с длины волны 1,1 мкм. Собственная концентрация носителей заряда — 5,81·10 15 м −3 (для температуры 300 K).Температура плавления 1415 °C, температура кипения 2680 °C, плотность 2,33 г/см 3 . Обладает полупроводниковыми свойствами, его сопротивление понижается при повышении температуры.

Аморфный кремний – порошок бурого цвета на основе сильно разупорядоченной алмазоподобной структуры. Обладает большей реакционной способностью, чем кристаллический кремний.

МОРФОЛОГИЯ

Чаще всего в природе кремний встречается в виде кремнезёма — соединений на основе диоксида кремния (IV) SiO₂ (около 12 % массы земной коры). Основные минералы и горные породы, образуемые диоксидом кремния, — это песок (речной и кварцевый), кварц и кварциты, кремень, полевые шпаты. Вторую по распространённости в природе группу соединений кремния составляют силикаты и алюмосиликаты.

Отмечены единичные факты нахождения чистого кремния в самородном виде.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Содержание кремния в земной коре составляет по разным данным 27,6—29,5 % по массе. Таким образом по распространённости в земной коре кремний занимает второе место после кислорода. Концентрация в морской воде 3 мг/л. Отмечены единичные факты нахождения чистого кремния в самородном виде – мельчайшие включения (наноиндивиды) в ийолитах Горячегорского щелочно-габброидного массива (Кузнецкий Алатау, Красноярский край); в Карелии и на Кольском п-ове (по мат. изучения Кольской сверхглубокой скважины); микроскопические кристаллы в фумаролах вулканов Толбачик и Кудрявый (Камчатка).

ПРИМЕНЕНИЕ

Сверхчистый кремний преимущественно используется для производства одиночных электронных приборов (нелинейные пассивные элементы электрических схем) и однокристальных микросхем. Чистый кремний, отходы сверхчистого кремния, очищенный металлургический кремний в виде кристаллического кремния являются основным сырьевым материалом для солнечной энергетики.

Монокристаллический кремний — помимо электроники и солнечной энергетики, используется для изготовления зеркал газовых лазеров.

Соединения металлов с кремнием — силициды — являются широко употребляемыми в промышленности (например, электронной и атомной) материалами с широким спектром полезных химических, электрических и ядерных свойств (устойчивость к окислению, нейтронам и др.). Силициды ряда элементов являются важными термоэлектрическими материалами.

Соединения кремния служат основой для производства стекла и цемента. Производством стекла и цемента занимается силикатная промышленность. Она также выпускает силикатную керамику — кирпич, фарфор, фаянс и изделия из них. Широко известен силикатный клей, применяемый в строительстве как сиккатив, а в пиротехнике и в быту для склеивания бумаги. Получили широкое распространение силиконовые масла и силиконы — материалы на основе кремнийорганических соединений.

Читайте также:

  
• Сообщение о гимне бурятии
  
• Сообщение о планете сатурн презентация
  
• Подготовить сообщение о животном или растении любой природной зоны
  
• Сообщение бортового компьютера вольво
  
• Общественно политическая жизнь в горном алтае сообщение