Формула кремнієва. Знаєш як

Найвидатніша риса хімії кремнію - це переважання в ній дуже стійких кисневих сполук. Всі інші його з'єднання не тільки нестійкі, а й рідкісні у земних умовах; взагалі вони утворюються і бувають стійкі лише за цілком особливих умов: за відсутності кисню та води. Досі в лабораторіях отримано не більше кількох сотень таких крем'яних з'єднань, набагато менше від кількості природних силікатів. Подібно до вуглецю, кремній з киснем утворює дві сполуки: SiO і. Монооксид SiOу природі не зустрічається. Область термодинамічної стабільності цієї сполуки лежить при високих температурах, коли вона знаходиться в пароподібному стані. Отримати SiO можна відновленням при 1350-1500 ° С:

Швидким охолодженням (загартуванням) парів SiOодержують його у твердому стані. При повільному охолодженні SiOдиспропорціонує.

Твердий оксид SiOє порошок темно-жовтого кольору. Він не проводить електричного струму і є чудовим ізоляційним матеріалом. SiOповільно окислюється киснем повітря і легко розчиняється в лугах:

тобто. виявляє відновлювальні властивості. Діоксид - найбільш характерне та стійке кисневе з'єднання кремнію. Він утворює три кристалічні модифікації: кварц, тридиміт та кристобаліт. Кристал кварцу являє собою гігантську полімерну молекулу, що складається з окремих тетраедрів, в яких кожен атом кремнію оточений чотирма атомами кисню, а кожен атом кисню здійснює містковий трицентровий зв'язок, будучи загальним кутовим атомом для двох тетраедрів. Схематично у площинному зображенні можна представити як:

Поряд із звичайними зв'язками між атомами Siі Oвиникають ще й нелокалізовані зв'язки, які утворюються за донорно-акцепторним механізмом за рахунок вільних 3 d-орбіталей атомів кремнію, 2 p-електронних пар атомів кисню

Нещодавно були отримані нові модифікації – стиховіт та коусит. Останні виходять лише під високим тиском, а за нормальних умов метастабільному стані можуть існувати необмежено довго (як алмаз). Часто зустрічається різновид кварцу в природі - гірський кришталь. Пофарбовані різновиди кварцу: маріон (чорний), топаз (димчастий), аметист (фіолетовий), цитрин (жовтий). Описані також волокнисті модифікації (халцедон та кварцин). Крім того, на дні морів та океанів з водоростей та інфузорій утворюється аморфний. Загалом діоксид кремнію - найпоширеніший оксид у земній корі. Кварц, тридиміт і кристобаліт можуть перетворюватися один на одного, проте ці переходи сильно загальмовані. Внаслідок цього тридиміт і кристобаліт, незважаючи на свою термодинамічну нестабільність, можуть необмежений час зберігатися при кімнатній температурі та існувати у природі у вигляді самостійних мінералів. Кожна з цих кристалічних модифікацій, у свою чергу, може перебувати у вигляді двох або більшого числа форм, що взаємно перетворюються, з яких б-форма стійка при кімнатній, а в-форма - при вищій температурі. Стійка при високій температурі модифікація - кристобаліт - плавиться при 1723°С. При швидкому охолодженні розплавленого кремнезему утворюється скло.

Різні кристалічні модифікації, як і аморфний безводний кремнезем, являють собою неорганічні гетероцепные полімери. У всіх формах (крім стешовіту) структурним мотивом є кремнекисневий тетраедр. Незважаючи на однаковий спосіб зчленування структурних мотивів, їх просторове розташування для різних модифікацій по-різному. Тому, наприклад, в-кристобаліт має кубічні ґрати, а в-тридиміт - гексагональну. Між цими структурами така сама різниця, як між сфалеритом та вюрцитом. Найбільш щільна модифікація (стишовіт) характеризується незвичайною для кисневих сполук кремнію координацією атомів. Тут кожен атом кремнію оточений шістьма атомами кисню. Тому структура стишова утворена поєднанням кремнієвих октаедрів.

Хімічна активність модифікацій зростає від кварцу до кристобаліту і особливо кремнезему, отриманого зневоднення гелю кремнієвої кислоти. Фтор, газоподібний HF та плавикова кислота енергійно взаємодіють з:

У першій реакції фтор витісняє кисень із оксиду кремнію. Обидві реакції протікають тому, що тетрафторид кремнію - міцніше з'єднання, ніж діоксид. Ентальпія освіти останнього -910,9, а Д=-1614,9 кДж/моль.

Крім того, ці процеси супроводжуються зростанням ентропії (ліворуч - тверда речовина та газ, а праворуч - два гази). Тому вільна енергія Гіббса внаслідок цих взаємодій сильно зменшується.

У воді практично нерозчинний. Не діють на нього кислоти та царська горілка. У лужних розчинах, особливо при нагріванні, легко розчиняється:

Зазвичай реакцію одержання силікатів проводять не в розчині, а шляхом спікання з лугами, карбонатами та оксидами металів:

Усі ці реакції доводять кислотну природу діоксиду кремнію. Хімічні властивості кварцового скла практично такі самі, як і кристалічного.

Оскільки нерозчинний у воді, кремнієву кислоту одержують непрямим шляхом:

Кремнієва кислота, що утворюється, виділяється з розчину у вигляді драглистого осаду або залишається в розчині в колоїдному стані. Склад її відповідає зі значеннями та, що змінюються в залежності від умов. Кислота з =1 і =1 називається метакремнієвою, а у ортокремнієвої =2. Усі кислоти, котрим >1, називаються поликремниевыми. У вільному стані ці кислоти виділити не вдається. Їхній склад визначається за солями - силікатами. Усі кремнієві кислоти дуже слабкі. Так, має 10. Тому розчиняються у воді силікати сильно гідролізовані:

Частково зневоднена студнеподібна кремнієва кислота є твердою білою дуже пористою масою, яка називається силікагелем. Він має високу адсорбційну здатність і енергійно поглинає воду, олії, ефіри тощо.

Водневі сполуки кремнію - кремнієві або силани - отримують дією кислот на силіциди активних металів, наприклад

Поруч із моносиланом виділяються водень і полисиланы, до гексасилана. Зміст інших кремневоднів у продуктах розкладання силіциду магнію закономірно збільшується зі зменшенням їх молекулярної маси.

За структурою та фізичними властивостями силани схожі на вуглеводні гомологічного ряду метану. Відомі всі гомологи моносилана, аж до октасилана. Для отримання практично найважливішого моносилана використовують реакції відновлення галогенідів кремнію воднем або алюмогідридом літію:

Всі силани мають характерний неприємний запах та токсичні. Порівняно з вуглеводнями силани характеризуються більшою щільністю та вищими температурами плавлення та кипіння, але термічно менш стійкі. За хімічними властивостями дуже різко відрізняються від представників гомологічного ряду метану і нагадують борани (діагональна схожість із бором).

Вони легко окислюються повітря, тобто. є відновниками:

Силани відновлюють до, похідні Fe(+3) до Fe(+2). Крім того, що для силанів характерний гідроліз. У присутності слідів кислот і особливо лугів силани руйнуються:

Утворення у процесі гідролізу силанів кремнезему або силікатів вказує на кислотну природу силанів.

Для кремнію відомі також деякі представники ненасичених кремневоднів типу полісиленовіполісілінів. Всі вони – тверді речовини, нестійкі до нагрівання та винятково реакційні. Вони самозаймаються на повітрі і повністю розкладаються водою.

Галогеніди кремнію можуть бути отримані з простих речовин. Усі вони енергійно взаємодіють із водою:

Для фториду реакція оборотна (тому розчиняється в HF), а інших галогенідів - майже повністю зміщена вправо. При нагріванні галогенідів з кремнієм вище 1000°С протікає реакція утворення дигалогенідів: які при охолодженні диспропорціонують з виділенням кремнію. Цю реакцію можна використовувати як транспортну для отримання високоякісного кремнію чистоти.

З галогенідів кремнію найбільше значення мають,і. Тетрахлорид кремнію отримують при хлоруванні суміші вугілля та кварцового піску (600-700°С):

Значні кількості як побічний продукт вловлюються на суперфосфатних виробництвах, що працюють на апатитовій сировині. Крім того, він може бути отриманий нагріванням суміші кварцового піску, фториду кальцію та сірчаної кислоти:

Тетрафторид кремнію, приєднуючи дві формулні одиниці HF, перетворюється на кремнефтористоводневу (гексафторкремнієву) кислоту:

В індивідуальному стані не виділена, за силою близька до сірчаної кислоти. Солі її - гексафторосилікати - при нагріванні розкладаються і фториди металів. В октаедричній структурі іонів кремній знаходиться в стані гібридизації та його координаційне число 6. Для інших галогенів сполуки аналогічно складу невідомі.

Трихлорсилан (або силікохлороформ) одержують пропусканням струму сухого хлороводню над кремнієм (400-500°С). На повітрі він не спалахує, але горить при запаленні. Аналогічні трихлорсилану сполуки кремнію відомі і для інших галогенів. При відновленні трихлорсилану отримують кремній високої чистоти.

З'єднання з іншими неметалами

Дисульфід кремнію виходить при безпосередньому взаємодії компонентів. Утворюється дисульфид також витісненням кремнієм водню з відсутність повітря при 1300°С:

Дисульфід кремнію – білі шовковисті кристали. Водою дисульфід кремнію розкладається на і. Відомі також моносульфід кремнію SiS. Він виходить відновленням дисульфіду у вакуумі при 900°С. Моносульфід являє собою полімерні голчасті кристали, що розкладаються водою:

Нітрид кремнію отримують або взаємодією компонентів (при температурі вище 1300°С), або в. В останньому випадку як проміжний продукт утворюється імід кремнію, який в процесі термічного розкладання перетворюється на нітрид:

Безбарвні кристали відрізняються великою хімічною стійкістю. До 1000°С на нього не діють кисень, водень та водяна пара. Він не розчиняється в кислотах та розчинах лугів. Тільки розплави лугів і гаряча концентрована плавикова кислота його повільно розкладають.

З сполук кремнію з фосфором найбільш відомі моно-і дифосфід: SiP і. Вони виходять безпосередньою взаємодією компонентів у необхідних стехіометричних кількостях, відрізняються хімічною стійкістю. Аналогічний склад мають арсеніди кремнію.

Один із найпоширеніших у природі елементів – це silicium, або кремній. Таке широке розселення свідчить про важливість та значущість цієї речовини. Це швидко зрозуміли та засвоїли люди, які навчилися правильно використовувати у своїх цілях кремній. Застосування його ґрунтується на особливих властивостях, про які й поговоримо далі.

Кремній – хімічний елемент

Якщо давати характеристику даного елемента за положенням у періодичній системі, можна позначити такі важливі пункти:

1. Порядковий номер – 14.
2. Період – третій малий.
3. Група – IV.
4. Підгрупа – головна.
5. Будова зовнішньої електронної оболонки виражається формулою 3s 2 3p 2 .
6. Елемент кремній позначається хімічним символом Si, який вимовляється як силіціум.
7. Ступені окиснення, які він виявляє: -4; +2; +4.
8. Валентність атома дорівнює IV.
9. Атомна маса кремнію дорівнює 28086.
10. У природі існує три стійкі ізотопи даного елемента з масовими числами 28, 29 і 30.

Отже, атом кремнію з хімічної погляду - досить вивчений елемент, описано безліч різних його властивостей.

Історія відкриття

Так як у природі дуже популярні і масові за змістом саме різні сполуки аналізованого елемента, з давніх-давен люди використовували і знали про властивості саме багатьох з них. Чистий кремній довгий час залишався за межею знань людини в хімії.

Найбільш популярними сполуками, якими користувалися в побуті та промисловості народи стародавніх культур (єгиптяни, римляни, китайці, русичі, перси та інші), були дорогоцінні та виробні камені на основі оксиду кремнію. До них відносяться:

• опал;
• гірський кришталь;
• топаз;
• хризопраз;
• онікс;
• халцедон та інші.

Також з давніх-давен прийнято використовувати кварц і в будівельній справі. Проте сам елементарний кремній залишався нерозкритим до XIX століття, хоча багато вчених марно намагалися виділити його з різних сполук, використовуючи для цього і каталізатори, і високі температури, і навіть електричний струм. Це такі світлі уми, як:

• Карл Шееле;
• Гей-Люссак;
• Тенар;
• Гемфрі Деві;
• Антуан Лавуазьє.

Здійснити вдало одержання кремнію у чистому вигляді вдалося Йєнсу Якобсу Берцеліусу у 1823 році. Для цього він проводив досвід зі сплавлення парів фтористого кремнію та металевого калію. В результаті отримав аморфну ​​модифікацію аналізованого елемента. Цим самим ученим було запропоновано латинську назву відкритому атому.

Ще трохи пізніше, в 1855 році, інший вчений - Сент Клер-Девіль - зумів синтезувати інший алотропний різновид - кристалічний кремній. З того часу знання про цей елемент та його властивості стали дуже швидко поповнюватися. Люди зрозуміли, що він має унікальні особливості, які можна дуже грамотно використовувати для задоволення власних потреб. Тому сьогодні один із найбільш затребуваних елементів в електроніці та техніці – це кремній. Застосування його лише розширює свої межі з кожним роком.

Російську назву атому дав вчений Гесс у 1831 році. Саме воно і закріпилося до сьогодні.

За поширеністю у природі кремній посідає друге місце після кисню. Його відсоткове співвідношення у порівнянні з іншими атомами у складі земної кори – 29,5%. Крім того, вуглець і кремній – це два особливі елементи, здатні формувати ланцюги, з'єднуючись один з одним. Саме тому для останнього відомо більше 400 різних природних мінералів, у складі яких він міститься в літосфері, гідросфері і біомасі.

Де конкретно міститься кремній?

1. У глибоких шарах ґрунту.
2. У гірських породах, покладах та масивах.
3. На дні водойм, особливо морів та океанів.
4. У рослинах та морських мешканцях царства тварин.
5. В організмі людини та наземних тварин.

Можна позначити кілька найпоширеніших мінералів та гірських порід, у складі яких у великій кількості є кремній. Хімія їхня така, що масовий вміст чистого елемента в них досягає 75%. Проте конкретна цифра залежить від різновиду матеріалу. Отже, гірські породи та мінерали із вмістом кремнію:

• польові шпати;
• слюди;
• амфіболи;
• опали;
• халцедони;
• силікати;
• пісковики;
• алюмосилікати;
• глини та інші.

Нагромаджуючись у панцирах і зовнішніх кістяках морських тварин, кремній згодом формує потужні поклади кремнезему на дні водойм. Це один із природних джерел даного елемента.

Крім того, було встановлено, що силіціум може існувати у чистому самородному вигляді – у вигляді кристалів. Але такі родовища дуже рідкісні.

Фізичні властивості кремнію

Якщо давати характеристику аналізованого елемента з набору фізико-хімічних властивостей, то насамперед слід позначити фізичні параметри. Ось кілька основних:

1. Існує у вигляді двох алотропних модифікацій – аморфний та кристалічний, які відрізняються за всіма властивостями.
2. Кристалічні грати дуже схожі з такою у алмазу, адже вуглець і кремній у цьому відношенні майже однакові. Однак відстань між атомами різна (у кремнію більше), тому алмаз набагато твердіший і міцніший. Тип грат - кубічна гранецентрована.
3. Речовина дуже крихка, при високих температурах стає пластичною.
4. Температура плавлення дорівнює 1415С.
5. Температура кипіння - 3250С.
6. Щільність речовини - 2,33 г/см3.
7. Колір з'єднання – сріблясто-сірий, виражений характерний металевий блиск.
8. Має хороші напівпровідникові властивості, які здатні варіювати при додаванні тих чи інших агентів.
9. Не розчиняється у воді, органічних розчинниках та кислотах.
10. Специфічно розчинний у лугах.

Позначені фізичні властивості кремнію дозволяють людям керувати ним та застосовувати для створення різних виробів. Так, наприклад, на властивостях напівпровідності ґрунтується використання чистого кремнію в електроніці.

Хімічні властивості

Хімічні властивості кремнію дуже залежить від умов проведення реакції. Якщо говорити про стандартні параметри, то потрібно позначити дуже низьку активність. Як кристалічний, і аморфний кремній дуже інертні. Чи не взаємодіють ні з сильними окислювачами (крім фтору), ні з сильними відновниками.

Це пов'язано з тим, що на поверхні речовини миттєво формується оксидна плівка SiO 2 яка перешкоджає подальшим взаємодіям. Вона здатна утворитися під впливом води, повітря, пари.

Якщо змінити стандартні умови і зробити нагрівання кремнію до температури понад 400˚С, його хімічна активність сильно зросте. У цьому випадку він вступатиме в реакції з:

• киснем;
• усіма видами галогенів;
• воднем.

При подальшому підвищенні температури можливе утворення продуктів при взаємодії з бором, азотом та вуглецем. Особливого значення має карборунд - SiC, оскільки він є добрим абразивним матеріалом.

Також хімічні властивості кремнію чітко простежуються під час реакцій з металами. По відношенню до них він окислювач, тому продукти звуться силіцидів. Відомі подібні сполуки для:

• лужних;
• лужноземельних;
• перехідні метали.

Незвичайними властивостями має з'єднання, що отримується при сплавленні заліза та кремнію. Воно носить назву феросиліцієвої кераміки та успішно застосовується в промисловості.

Зі складними речовинами кремній у взаємодію не вступає, тому з усіх їх різновидів здатний розчинятися лише в:

• царській горілці (суміш азотної та соляної кислот);
• їдких лугах.

При цьому температура розчину повинна бути не меншою за 60˚С. Все це ще раз підтверджує фізичну основу речовини - алмазоподібні стійкі кристалічні ґрати, що надає йому міцність та інертність.

Способи отримання

Одержання кремнію в чистому вигляді – процес досить витратний економічно. З іншого боку, з його властивостей будь-який спосіб дає лише з 90-99 % чистий продукт, тоді як домішки як металів і вуглецю залишаються однаково. Тому просто одержати речовину недостатньо. Його слід ще й якісно очистити від сторонніх елементів.

Загалом виробництво кремнію здійснюється двома основними шляхами:

1. З білого піску, який є чистим оксидом кремнію SiO 2 . При прожарюванні його з активними металами (найчастіше з магнієм) відбувається утворення вільного елемента як аморфної модифікації. Чистота такого способу висока, продукт виходить із 99,9-відсотковим виходом.
2. Найбільш поширений спосіб у промислових масштабах - це спікання розплаву піску з коксом у спеціалізованих термічних печах для випалу. Даний метод був розроблений російським вченим Бекетовим Н. М.

Подальша обробка полягає у піддаванні продуктів методам очищення. Для цього використовуються кислоти чи галогени (хлор, фтор).

Аморфний кремній

Характеристика кремнію буде неповною, якщо не розглянути окремо кожну його аллотропну модифікацію. Перша з них – це аморфна. У такому стані розглянута нами речовина є порошок буро-коричневого кольору, дрібнодисперсний. Має високий рівень гігроскопічності, виявляє досить високу хімічну активність при нагріванні. У стандартних умовах здатний взаємодіяти лише з найсильнішим окислювачем – фтором.

Називати аморфний кремній саме різновидом кристалічного не зовсім правильно. Його грати показує, що ця речовина - це лише форма дрібнодисперсного кремнію, що існує у вигляді кристалів. Тому як такі ці модифікації - те саме з'єднання.

Однак властивості їх різняться, тому й заведено говорити про алотропію. Сам по собі аморфний кремній має високу світлопоглинальну здатність. Крім того, за певних умов цей показник у рази перевищує подібний у кристалічній формі. Тому його використовують у технічних цілях. У аналізованому вигляді (порошок) з'єднання легко наноситься на будь-яку поверхню, чи то пластик чи скло. Тому такий зручний для використання саме аморфний кремній. Застосування ґрунтується на різних розмірах.

Хоча зношування батарей подібного типу досить швидке, що пов'язано з стиранням тонкої плівки речовини, проте застосування і затребуваність тільки зростає. Адже навіть за короткий термін служби сонячні батареї на основі аморфного кремнію можуть забезпечити енергією цілі підприємства. До того ж виробництво подібної речовини безвідходне, що робить його дуже економним.

Отримують таку модифікацію шляхом відновлення сполук активними металами, наприклад натрієм або магнієм.

Кристалічний кремній

Сріблясто-сіра блискуча модифікація даного елемента. Саме така форма є найпоширенішою та найбільш затребуваною. Це пояснюється набором якісних властивостей, якими володіє ця речовина.

Характеристика кремнію з кристалічною решіткою включає класифікацію його видів, так як їх кілька:

1. Електронної якості - найчистіший і максимально високоякісний. Саме такий вид використається в електроніці для створення особливо чутливих приладів.
2. Сонячної якості. Сама назва визначає область використання. Це також досить високий по чистоті кремній, застосування якого необхідне створення якісних і довго працюючих сонячних батарей. Фотоелектричні перетворювачі, створені на основі саме кристалічної структури, більш якісні та зносостійкі, ніж ті, що створені з використанням аморфної модифікації шляхом напилення різного типу підкладки.
3. Технічний кремній. Цей різновид включаються ті зразки речовини, в яких міститься близько 98% чистого елемента. Решта йде на різного роду домішки:

• алюміній;
• хлор;
• вуглець;
• фосфор та інші.

Останній різновид цієї речовини використовується з метою отримання полікристалів кремнію. І тому проводяться процеси перекристалізації. Внаслідок цього по чистоті виходять такі продукти, які можна відносити до груп сонячної та електронної якості.

За своєю природою полікремній – це проміжний продукт між аморфною модифікацією та кристалічною. З таким варіантом легше працювати, він краще піддається переробці та очищенню фтором та хлором.

Продукти, що виходять в результаті, можна класифікувати так:

• мультикремній;
• монокристалічний;
• профільовані кристали;
• кремнієвий скрап;
• технічний кремній;
• відходи виробництва у вигляді осколків та обрізків речовини.

Кожен їх знаходить застосування у промисловості і використовується людиною повністю. Тому, що стосуються кремнію, вважаються безвідходними. Це значно знижує його економічну вартість, не впливаючи на якість.

Використання чистого кремнію

Виробництво кремнію в промисловості налагоджено досить добре, яке масштаби досить об'ємні. Це пов'язано з тим, що цей елемент, як чистий, так і у вигляді різних з'єднань, широко поширений та затребуваний у різних галузях науки та техніки.

Де ж використовується кристалічний та аморфний кремній у чистому вигляді?

1. У металургії як легуюча добавка, здатна змінювати властивості металів та його сплавів. Так, він використовується при виплавці сталі та чавуну.
2. Різні види речовини йдуть виготовлення більш чистого варіанту - поликремния.
3. Сполуки кремнію з - це ціла хімічна галузь, яка набула особливої ​​популярності сьогодні. Кремнійорганічні матеріали використовуються в медицині, при виготовленні посуду, інструментів та багато іншого.
4. Виготовлення різноманітних сонячних батарей. Цей спосіб отримання енергії є одним із найперспективніших у майбутньому. Екологічно чисто, економічно вигідно та зносостійко – основні переваги такого отримання електрики.
5. Кремній для запальничок використовується вже давно. Ще в давнину люди використовували кремінь для отримання іскри під час розпалу вогню. Цей принцип закладено основою виробництва запальничок різноманітних. Сьогодні зустрічаються види, в яких кремінь замінений на сплав певного складу, що дає ще швидший результат (іскріння).
6. Електроніка та сонячна енергетика.
7. Виготовлення дзеркалець у газових лазерних пристроях.

Таким чином, чистий кремній має масу переважних та особливих властивостей, що дозволяють використовувати його для створення важливих та потрібних продуктів.

Застосування сполук кремнію

Крім простої речовини, використовуються різні сполуки кремнію, причому дуже широко. Існує ціла галузь промисловості, яка називається силікатною. Саме вона ґрунтується на використанні різних речовин, до складу яких входить цей дивовижний елемент. Які це з'єднання і що їх виробляють?

1. Кварц, або річковий пісок – SiO 2 . Використовується для виготовлення таких будівельних та декоративних матеріалів, як цемент та скло. Де використовуються ці матеріали, всім відомо. Жодне будівництво не обходиться без цих компонентів, що підтверджує важливість сполук кремнію.
2. Силікатна кераміка, в яку входять такі матеріали, як фаянс, фарфор, цегла та продукти на їх основі. Дані компоненти використовуються в медицині, при виготовленні посуду, декоративних прикрас, предметів побуту, у будівництві та інших побутових сферах діяльності людини.
3. - силікони, силікагелі, силіконові олії.
4. Силікатний клей - використовується як канцелярський, у піротехніці та будівництві.

Кремній, ціна на який варіює на світовому ринку, але не перетинає зверху вниз позначку 100 рублів РФ за кілограм (за кристалічний), є затребуваною і цінною речовиною. Природно, що і з'єднання цього елемента так само поширені і застосовні.

Біологічна роль кремнію

З погляду значущості для організму кремній важливий. Його зміст та розподіл за тканинами такий:

• 0,002% - м'язова;
• 0,000017% - кісткова;
• кров – 3,9 мг/л.

Щодня внутрішньо має потрапляти близько одного грама кремнію, інакше почнуть розвиватися захворювання. Смертельно небезпечних у тому числі немає, проте тривале кремнієве голодування призводить до:

• випадання волосся;
• появі вугрової висипки та прищів;
• крихкості та ламкості кісток;
• легкої проникності капілярів;
• втоми та головним болям;
• появі численних синців та синців.

Для рослин кремній – важливий мікроелемент, необхідний для нормального зростання та розвитку. Досліди на тваринах показали, що краще ростуть ті особини, які щодня споживають достатню кількість кремнію.

Другий за поширеністю елемент у земній корі після кисню (27,6% за масою). Зустрічається у з'єднаннях.

Алотропія кремнію

Відомий аморфний та кристалічний кремній.

Кристалічний – темно-сіра речовина з металевим блиском, велика твердість, крихкий, напівпровідник; ρ = 2,33 г/см 3 t°пл. =1415°C; t°кип. = 2680°C.

Має алмазоподібну структуру та утворює міцні ковалентні зв'язки. Інертен.

Аморфний — бурий порошок, гігроскопічний, алмазоподібна структура, ρ = 2 г/см 3 більш реакційноздатний.

Одержання кремнію

1) Промисловість - Нагрівання вугілля з піском:

2C + SiO 2 t ˚ → Si + 2CO

2) Лабораторія - Нагрівання піску з магнієм:

2Mg + SiO 2 t ˚ → Si + 2MgO

Хімічні властивості

Типовий неметал, інертний.

Як відновник:

1) З киснем

Si 0 + O 2 t ˚ → Si +4 O 2

2) З фтором (без нагрівання)

Si 0 + 2F 2 → SiF 4

3) З вуглецем

Si 0 + Ct → Si +4 C

(SiC - карборунд - твердий; використовується для точки та шліфування)

4) З воднем не взаємодіє.

Силан (SiH 4) отримують розкладанням силіцидів металів кислотою:

Mg 2 Si + 2H 2 SO 4 → SiH 4 + 2MgSO 4

5) З кислотами не реагує (Только з плавиковою кислотою Si+4 HF= SiF 4 +2 H 2 )

Розчиняється тільки в суміші азотної та плавикової кислот:

3Si + 4HNO 3 + 18HF → 3H 2 + 4NO + 8H 2 O

6) З лугами (при нагріванні):

Si 0 + 2NaOH + H 2 O t ˚ → Na 2 Si +4 O 3 + 2H 2­

Як окислювач:

7) З металами (утворюються силіциди):

Si 0 + 2Mg t ˚ → Mg 2 Si -4

Застосування кремнію

Кремній широко використовується в електроніці як напівпровідник. Добавки кремнію до сплавів підвищують їхню корозійну стійкість. Силікати, алюмосилікати та кремнезем – основна сировина для виробництва скла та кераміки, а також для будівельної промисловості.

Силан - SiH 4

Фізичні властивості: Безбарвний газ, отруйний, t°пл. = -185 ° C, t ° кип. = -112°C.

Отримання: Mg 2 Si + 4HCl → 2MgCl 2 + SiH 4

Хімічні властивості:

1) Окислення: SiH 4 + 2O 2 t ˚ → SiO 2 + 2H 2 O

2) Розкладання: SiH 4 → Si + 2H 2

Оксид кремнію (IV) - (SiO 2) n

SiO 2 - кварц, гірський кришталь, аметист, агат, яшма, опал, кремнезем (основна частина піску):

Кристалічна решітка оксиду кремнію (IV) – атомна і має таку будову:

Al 2 O 3 2SiO 2 2H 2 O - каолініт (основна частина глини)

K 2 O Al 2 O 3 6SiO 2 - ортоклаз (польовий шпат)

Фізичні властивості: Тверда, кристалічна, тугоплавка речовина, t°пл.= 1728°C, t°кип.= 2590°C

Хімічні властивості:

Кислотний оксид. При сплавленні взаємодіє з основними оксидами, лугами, а також з карбонатами лужних та лужноземельних металів:

1) З основними оксидами:

SiO 2 + CaO t ˚ → CaSiO 3

2) З лугами:

SiO 2 + 2NaOH t ˚ → Na 2 SiO 3 + H 2 O

3) З водою не реагує

4) З солями:

SiO 2 + CaCO 3 t˚ → CaSiO 3 + CO 2­

SiO 2 + K 2 CO 3 t˚ → K 2 SiO 3 + CO 2­

5) З плавиковою кислотою:

SiO 2 + 4HF t ˚ → SiF 4 + 2H 2 O

SiO 2 + 6HF t ˚ → H 2 (гексафторкремнієва кислота)+ 2H 2 O

(Реакції лежать в основі процесу травлення скла).

Застосування:

1. Виготовлення силікатної цегли

2. Виготовлення керамічних виробів

3. Отримання скла

Кремнієві кислоти

x SiO 2 y H 2 O

x = 1, y = 1 H 2 SiO 3 - метакремнієва кислота

x = 1, y = 2 H 4 SiO 4 - ортокремнієва кислота і т.д.

Фізичні властивості: H 2 SiO 3 — дуже слабка (слабша за вугільну), неміцна, у воді малорозчинна (утворює колоїдний розчин), не має кислого смаку.

Отримання:

Дія сильних кислот на силікати - Na 2 SiO 3 + 2HCl → 2NaCl + H 2 SiO 3 ↓

Хімічні властивості:

При нагріванні розкладається: H 2 SiO 3 t ˚ → H 2 O + SiO 2

Солі кремнієвої кислоти силікати.

1) із кислотами

Na 2 SiO 3 +H 2 O+CO 2 =Na 2 CO 3 +H 2 SiO 3

2) із солями

Na 2 SiO 3 +CaCl 2 =2NaCl+CaSiO 3 ↓

3) Силікати, що входять до складу мінералів, у природних умовах руйнуються під дією води та оксиду вуглецю (IV) - вивітрювання гірських порід:

(K 2 O Al 2 O 3 6SiO 2)(польовий шпат) + CO 2 + 2H 2 O → (Al 2 O 3 2SiO 2 2H 2 O)(каолініт (глина)) + 4SiO 2 (кремнезем (пісок)) + K 2 CO 3

Вуглець здатний утворювати кілька алотропних модифікацій. Це алмаз (найбільш інертна алотропна модифікація), графіт, фулерен і карбін.

Деревне вугілля та сажа являють собою аморфний вуглець. Вуглець у такому стані не має впорядкованої структури і фактично складається з найдрібніших фрагментів шарів графіту. Аморфний вуглець, оброблений гарячою водяною парою, називають активованим вугіллям. 1 грам активованого вугілля через наявність у ньому безлічі пір має загальну поверхню більше трьохсот квадратних метрів! Завдяки своїй здатності поглинати різні речовини, активоване вугілля знаходить широке застосування як наповнювач фільтрів, а також як ентеросорбент при різних видах отруєнь.

З хімічної точки зору аморфний вуглець є найактивнішою його формою, графіт виявляє середню активність, а алмаз є вкрай інертною речовиною. З цієї причини хімічні властивості вуглецю, що розглядаються нижче, слід насамперед відносити до аморфного вуглецю.

Відновлювальні властивості вуглецю

Як відновник вуглець реагує з такими неметалами, як, наприклад, кисень, галогени, сірка.

Залежно від надлишку або нестачі кисню при горінні вугілля можливе утворення чадного газу CO або вуглекислого газу CO2:

При взаємодії вуглецю зі фтором утворюється тетрафторид вуглецю:

При нагріванні вуглецю з сіркою утворюється сірковуглець CS 2:

Вуглець здатний відновлювати метали після алюмінію серед активності з їх оксидів. Наприклад:

Також вуглець реагує і з оксидами активних металів, однак у цьому випадку спостерігається, як правило, не відновлення металу, а утворення карбіду:

Взаємодія вуглецю з оксидами неметалів

Вуглець вступає в реакцію співпропорціонування з вуглекислим газом CO2:

Одним з найважливіших з промислового погляду процесів є так звана парова конверсія вугілля. Процес проводять, пропускаючи водяну пару через розпечене вугілля. При цьому протікає наступна реакція:

За високої температури вуглець здатний відновлювати навіть таке інертне з'єднання як діоксид кремнію. При цьому залежно від умови можливе утворення кремнію або карбіду кремнію ( карборунда):

Також вуглець як відновник реагує з кислотами окислювачами, зокрема, концентрованими сірчаною та азотною кислотами:

Окисні властивості вуглецю

Хімічний елемент вуглець не відрізняється високою електронегативністю, тому утворювані ним прості речовини рідко виявляють окисні властивості по відношенню до інших неметал.

Прикладом таких реакцій є взаємодія аморфного вуглецю з воднем при нагріванні у присутності каталізатора:

а також з кремнієм при температурі 1200-1300 про:

Окисні властивості вуглець виявляє по відношенню до металів. Вуглець здатний реагувати з активними металами та деякими металами середньої активності. Реакції протікають при нагріванні:

Карбіди активних металів гідролізуються водою:

а також розчинами кислот-неокислювачів:

При цьому утворюються вуглеводні, що містять вуглець у тій же мірі окиснення, що й у вихідному карбіді.

Хімічні властивості кремнію

Кремній може існувати, як і вуглець у кристалічному та аморфному стані та, також, як і у випадку вуглецю, аморфний кремній істотно більш хімічно активний, ніж кристалічний.

Іноді аморфний і кристалічний кремній називають його алотропними модифікаціями, що, строго кажучи, не зовсім вірно. Аморфний кремній являє собою конгломерат безладно розташованих один щодо одного дрібних частинок кристалічного кремнію.

Взаємодія кремнію з простими речовинами

неметалами

За звичайних умов кремній через свою інертність реагує лише з фтором:

З хлором, бромом та йодом кремній реагує тільки при нагріванні. При цьому характерно, що в залежності від активності галогену, потрібна і різна температура:

Так з хлором реакція протікає при 340-420 про:

З бромом - 620-700 про З:

З йодом – 750-810 про З:

Всі галогеніди кремнію легко гідролізуються водою:

а також розчинами лугів:

Реакція кремнію з киснем протікає, проте вимагає дуже сильного нагрівання (1200-1300 о С) через те, що міцна оксидна плівка ускладнює взаємодію:

При температурі 1200-1500 о С кремній повільно взаємодіє з вуглецем у вигляді графіту з утворенням карборунду SiC – речовини з атомними кристалічними ґратами подібними до алмазу і майже не поступається йому в міцності:

З воднем кремній не реагує.

металами

Через свою низьку електронегативність кремній може проявляти окислювальні властивості лише по відношенню до металів. З металів кремній реагує з активними (лужними та лужноземельними), а також багатьма металами середньої активності. Внаслідок такої взаємодії утворюються силіциди:

Силициди активних металів легко гідролізуються водою або розведеними розчинами кислот-неокислювачів:

У цьому утворюється газ силан SiH 4 – аналог метану CH 4 .

Взаємодія кремнію зі складними речовинами

З водою кремній не реагує навіть при кип'ятінні, проте аморфний кремній взаємодіє з перегрітою водяною парою при температурі близько 400-500 о С. При цьому утворюється водень і діоксид кремнію:

З усіх кислот кремній (в аморфному стані) реагує тільки з концентрованою плавиковою кислотою:

Кремній розчиняється у концентрованих розчинах лугів. Реакція супроводжується виділенням водню.

Як самостійний хімічний елемент кремній став відомий людству лише у 1825 році. Що, звичайно, не заважало застосовувати сполуки кремнію у такій кількості сфер, що простіше перерахувати ті, де елемент не використовується. Ця стаття проллє світло на фізичні, механічні та корисні хімічні властивості кремнію та його сполук, області застосування, також ми розповімо про те, як впливає кремній на властивості сталі та інших металів.

Для початку давайте зупинимося на загальній характеристиці кремнію. Від 27,6 до 29,5 % маси земної кори становить кремній. У морській воді концентрація елемента теж неабияка – до 3 мг/л.

За поширеністю в літосфері кремній посідає друге почесне місце після кисню. Однак найвідоміша його форма – кремнезем, є діоксидом, і саме його властивості та стали основою для такого широкого застосування.

Про те, що таке кремній, розповість цей відеосюжет:

Поняття та особливості

Кремній - неметал, однак за різних умов може виявляти і кислотні, і основні властивості. Є типовим напівпровідником та надзвичайно широко використовується в електротехніці. Фізичні та хімічні його властивості багато в чому визначаються алотропним станом. Найчастіше справу мають із кристалічною формою, оскільки її якості більш затребувані у народному господарстві.

• Кремній – один із базових макроелементів у людському тілі. Його нестача згубно позначається на стані кісткової тканини, волосся, шкіри, нігтів. Крім того, кремній впливає на працездатність імунної системи.
• У медицині елемент, точніше кажучи, його сполуки знайшли своє перше застосування саме в цій якості. Вода з колодязів, викладених кремнієм, відрізнялися як чистотою, а й позитивно позначалася на стійкості до інфекційним хворобам. Сьогодні з'єднання з кремнієм є основою для препаратів проти туберкульозу, атеросклерозу, артриту.
• Загалом неметал малоактивний, проте й у чистому вигляді зустріти його складно. Пов'язано це з тим, що на повітрі швидко пасивується шаром діоксиду і перестає реагувати. Під час нагрівання хімічна активність збільшується. У результаті людство набагато ближче знайоме зі сполуками речовини, а чи не з ним самим.

Так, кремній утворює метали майже з усіма металами – силіциди. Всі вони відрізняються тугоплавкістю та твердістю та застосовуються на відповідних ділянках: газові турбіни, нагрівачі печей.

Розміщується неметал у таблиці Д. І. Менделєєва в 6 групі разом з вуглецем, германієм, що вказує на певну спільність із цими речовинами. Так, з вуглецем його «ріднить» здатність до утворення сполук типу органічних. При цьому кремній, як і германій, може проявити властивості металу в деяких хімічних реакціях, що використовується в синтезі.

Плюси і мінуси

Як і будь-яка інша речовина з точки зору застосування в народному господарстві, кремній має певні корисні або не надто якості. Важливі вони саме визначення області використання.

• Чималою перевагою речовини є його доступність. У природі він, щоправда, знаходиться не у вільному вигляді, але все ж таки, технологія отримання кремнію не така вже й складна, хоча й енерговитратна.
• Друга найважливіша перевага – утворення безлічі з'єднаньз надзвичайно корисними якостями. Це і силани, і силіциди, і діоксид, і, звичайно, різноманітні силікати. Здатність кремнію і його сполук утворювати складні тверді розчини практично нескінченна, що дозволяє нескінченно ж отримувати різні варіації скла, каменю і кераміки.
• Напівпровідникові властивостінеметала забезпечує йому місце базового матеріалу в електро- та радіотехніці.
• Неметал є нетоксичнимщо допускає застосування в будь-якій галузі промисловості, і при цьому не перетворює технологічний процес на потенційно небезпечний.

До недоліків матеріалу можна віднести лише відносну крихкість за хорошої твердості. Кремній не використовується для несучих конструкцій, зате це поєднання дозволяє обробляти належним чином поверхню кристалів, що важливо для приладобудування.

Давайте поговоримо про основні властивості кремнію.

Властивості та характеристики

Оскільки в промисловості найчастіше експлуатується кристалічний кремній, то саме його властивості є важливішими, і саме вони і наводяться в технічних характеристиках. Фізичні властивості речовини такі:

• температура плавлення - 1417;
• температура кипіння – 2600 З;
• густина становить 2,33 г/куб. див, що свідчить про крихкість;
• теплоємність, як і теплопровідність не постійні навіть на найчистіших пробах: 800 Дж/(кг·К), або 0,191 кал/(г·град) та 84-126 вт/(м·К), або 0,20-0, 30 кал/(см·сек·град) відповідно;
• прозорий для довгохвильового ІЧ-випромінювання, що використовується в інфрачервоній оптиці;
• діелектрична проникність – 1,17;
• жорсткість за шкалою Мооса - 7.

Електричні властивості неметалу сильно залежать від домішок. У промисловості цю особливість використовують, модулюючи необхідний тип напівпровідника. При нормальній температурі кремній крихкий, але при нагріванні вище 800 С можлива пластична деформація.

Властивості аморфного кремнію разюче відрізняються: він сильно гігроскопічний, набагато активніше вступає в реакцію навіть за нормальної температури.

Структура та хімічний склад, а також властивості кремнію розглянуті у відеоролику нижче:

Склад та структура

Кремній існує у двох алотропних формах, однаково стійких за нормальної температури.

• Кристалічниймає вигляд темно-сірого порошку. Речовина, хоч і має алмазоподібні кристалічні ґрати, є крихкою – через надто довгий зв'язок між атомами. Інтерес становлять його властивості напівпровідника.
• При дуже високому тиску можна отримати гексагональнумодифікацію із щільністю 2,55 г/куб. див. Однак ця фаза практичного значення поки що не знайшла.
• Аморфний- Буро-коричневий порошок. На відміну від кристалічної форми набагато активніше входить у реакцію. Пов'язано це не так з інертністю першої форми, як з тим, що на повітрі речовина покривається шаром діоксиду.

Крім того, необхідно враховувати ще один тип класифікації, пов'язаний з величиною кристала кремнію, які в сукупності утворюють речовину. Кристалічні грати, як відомо, припускають упорядкованість як атомів, а й структур, які ці атоми утворюють – так званий далекий порядок. Чим він більший, тим одноріднішим за властивостями буде речовина.

• Монокристалічний– зразок є одним кристалом. Структура його максимально впорядкована, властивості однорідні та добре передбачувані. Саме такий матеріал найбільш затребуваний в електротехніці. Однак він відноситься до найдорожчого вигляду, оскільки процес його отримання складний, а швидкість зростання низька.
• Мультикристалічний– зразок становить кілька великих кристалічних зерен. Кордони між ними формують додаткові дефектні рівні, що знижує продуктивність зразка як напівпровідника і призводить до більш швидкого зносу. Технологія вирощування мультикристалу простіше, тому і матеріал дешевший.
• Полікристалічний– складається з великої кількості зерен, розташованих хаотично щодо один одного. Це найбільш чистий різновид промислового кремнію, застосовується в мікроелектроніці та сонячній енергетиці. Досить часто використовується як сировина для вирощування мульти- та монокристалів.
• Аморфний кремній у цій класифікації займає окрему позицію. Тут порядок розташування атомів утримується лише з найкоротших дистанціях. Проте в електротехніці він все ж таки використовується у вигляді тонких плівок.

Виробництво неметалу

Отримати чистий кремній не так і просто, враховуючи інертність його сполук та високу температуру плавлення більшості з них. У промисловості найчастіше вдаються до відновлення вуглецем із діоксиду. Проводять реакцію в дугових печах при температурі 1800 С. Таким чином отримують неметал чистотою 99,9%, що для його застосування недостатньо.

Отриманий матеріал хлорують для того, щоб отримати хлориди і гідрохлориди. Потім з'єднання очищають усіма можливими методами від домішок та відновлюють воднем.

Очистити речовину можна за рахунок отримання силіциду магнію. Силицид піддають дії соляної чи оцтової кислоти. Отримують силан, а останній очищають у різний спосіб – сорбційним, ректифікацією тощо. Потім силан розкладають на водень і кремній при температурі 1000 С. У цьому випадку отримують речовину з часткою домішки 10 -8 -10 -6%.

Застосування речовини

Для промисловості найбільший інтерес становлять електрофізичні характеристики неметалу. Його монокристалічна форма є непрямозонним напівпровідником. Властивості його визначаються домішками, що дозволяє одержувати кристали кремнію із заданими властивостями. Так, добавка бору, індія дає можливість виростити кристал із дірковою провідністю, а введення фосфору або миш'яку – кристал з електронною провідністю.

• Кремній у буквальному значенні слова є основою сучасної електротехніки. З нього виготовляють транзистори, фотоелементи, інтегральні схеми, діоди тощо. Причому функціональність приладу визначає практично завжди лише приповерхневий шар кристала, що обумовлює специфічні вимоги саме до обробки поверхні.
• У металургії технічний кремній застосовують як модифікатор сплавів – надає велику міцність, як і компонент – у , наприклад, як і розкислювач – під час виробництва чавуну.
• Надчистий та очищений металургійний складають основу сонячної енергетики.
• Діоксид неметалу зустрічається в природі в різних формах. Його кристалічні різновиди – опал, агат, сердолік, аметист, гірський кришталь знайшли своє місце в ювелірній справі. Не настільки привабливі зовні модифікації – кремінь, кварц, використовуються і в металургії, і в будівництві, і радіоелектротехніці.
• З'єднання неметалу з вуглецем - карбід, застосовується і в металургії, і в приладобудуванні, і в хімічній промисловості. Він є широкозональним напівпровідником, відрізняється високою твердістю - 7 за шкалою Мооса, і міцністю, що дозволяє застосовувати його як абразивний матеріал.
• Силікати – тобто солі кремнієвої кислоти. Нестійкі, легко розкладаються під дією температури. Цікавість їх у тому, що вони утворюють численні та різноманітні солі. А ось останні є основою при виробництві скла, кераміки, фаянсу, кришталю та . Можна сміливо сказати, що сучасне будівництво ґрунтується на різноманітних силікатах.
• Скло представляє тут найцікавіший випадок. Основою його служать алюмосилікати, але мізерні домішки інших речовин – зазвичай оксидів, надають матеріалу масу різних властивостей, зокрема і колір. - , Фаянс, фарфор, по суті, має ту ж формулу, хоча і з іншим співвідношенням компонентів, і її різноманітність теж разюче.
• Неметал має ще одну здатність: утворює сполуки за типом вуглецевих, у вигляді довгого ланцюжка з атомів кремнію. Такі сполуки звуться кремнійорганічних. Сфера їх застосування не менш відома – це силікони, герметики, мастила тощо.

Кремній – дуже поширений елемент і має надзвичайно велике значення у багатьох сферах народного господарства. Причому активно використовується не тільки сама речовина, але всі його різноманітні та численні сполуки.

Дане відео розповість про властивості та застосування кремнію: