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, SiO 2 (семейство кварца) или в составе силикатов (SiO 4 4-). Самородный кремний как минерал был найден в продуктах вулканических испарений и как мельчайшие включения в самородном золоте.
Смотрите так же:
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) SiO 2 (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.
Технический кремний находит следующие применения:
- сырьё для металлургических производств: компонент сплава (бронзы, силумин);
- раскислитель (при выплавке чугуна и сталей);
- модификатор свойств металлов или легирующий элемент (например, добавка определённого количества кремния при производстве трансформаторных сталей уменьшает коэрцитивную силу готового продукта) и т. п.;
- сырьё для производства более чистого поликристаллического кремния и очищенного металлургического кремния (в литературе «umg-Si»);
- сырьё для производства кремний органических материалов, силанов;
- иногда кремний технической чистоты и его сплав с железом (ферросилиций) используется для производства водорода в полевых условиях;
- для производства солнечных батарей;
- антиблок (антиадгезивная добавка) в промышленности пластмасс.
Кремний (англ. Silicon) — Si
КЛАССИФИКАЦИЯ
| Strunz (8-ое издание) | 1/B.05-10 |
| Nickel-Strunz (10-ое издание) | 1.CB.15 |
| Dana (7-ое издание) | 1.3.6.1 |
| Dana (8-ое издание) | 1.3.7.1 |
| Hey’s CIM Ref. | 1.28 |
Характеристика элемента
14 Si 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2
Изотопы: 28 Si (92.27 %); 29 Si (4.68 %); 30 Si (3,05 %)
Кремний - второй после кислорода по распространенности в земной коре элемент (27,6 % по массе). В свободном состоянии в природе не встречается, находится преимущественно в виде SiO 2 или силикатов.
Соединения Si токсичны; вдыхание мельчайших частиц SiO 2 и др. соединений кремния (например, асбеста) вызывает опасную болезнь - силикоз
В основном состоянии атом кремния имеет валентность = II, а в возбужденом состоянии = IV.
Наиболее устойчивой степенью окисления Si является +4. В соединениях с металлами (силицидах) С.О. -4.
Способы получения кремния
Самым распространенным природным соединением кремния является кремнезем (диоксид кремния) SiО 2 . Он является основным сырьем для получения кремния.
1) Восстановление SiO 2 углеродом в дуговых печах при 1800"С: SiO 2 + 2С = Si + 2СО
2) Высокочистый Si из технического продукта получают согласно схеме:
a) Si → SiCl 2 → Si
б) Si → Mg 2 Si → SiH 4 → Si
Физические свойства кремния. Аллотропные модификации кремния
1) Кристаллический кремний - вещество серебристо - серого цвета с металлическим блеском, кристаллическая решетка типа алмаза; т. пл. 1415"С, т. кип. 3249"С, плотность 2,33 г/см3; является полупроводником.
2) Аморфный кремний - порошок бурого цвета.
Химические свойства кремния
В большинстве реакций Si выступает в роли восстановителя:
При низких температурах кремний химически инертен, при нагревании его реакционная способность резко возрастает.
1. С кислородом взаимодействует при Т выше 400°С:
Si + О 2 = SiO 2 оксид кремния
2. С фтором реагирует уже при комнатной температуре:
Si + 2F 2 = SiF 4 тетрафторид кремня
3. С остальными галогенами реакции идут при температуре = 300 - 500°С
Si + 2Hal 2 = SiHal 4
4. С парами серы при 600°С образует дисульфид:
5. Реакция с азотом происходит выше 1000°С:
3Si + 2N 2 = Si 3 N 4 нитрид кремния
6. При температуре = 1150°С реагирует с углеродом:
SiO 2 + 3С = SiС + 2СО
По твердости карборунд близок к алмазу.
7. С водородом кремний непосредственно не реагирует.
8. Кремний стоек к действию кислот. Взаимодействует только со смесью азотной и фтороводородной (плавиковой) кислот:
3Si + 12HF + 4HNO 3 = 3SiF 4 + 4NO + 8H 2 O
9. реагирует с растворами щелочей с образованием силикатов и выделением водорода:
Si + 2NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 2H 2
10. Восстановительные свойства кремния используют для выделения металлов из их оксидов:
2MgO = Si = 2Mg + SiO 2
В реакциях с металлами Si - окислитель:
Кремний образует силициды с s-металлами и большинством d-металлов.
Состав силицидов данного металла может быть различен. (Например, FeSi и FeSi 2 ; Ni 2 Si и NiSi 2 .) Один из наиболее известных силицидов - силицид магния, который можно получать прямым взаимодействием простых веществ:
2Mg + Si = Mg 2 Si
Силан (моносилан) SiH 4
Силаны (кремневодороды) Si n H 2n + 2 , (ср. с алканами), где п = 1-8. Силаны - аналоги алканов, отличаются от них неустойчивостью цепей -Si-Si-.
Моносилан SiH 4 - бесцветный газ с неприятным запахом; растворяется в этаноле, бензине.
Способы получения:
1. Разложение силицида магния соляной кислотой: Mg 2 Si + 4HCI = 2MgCI 2 + SiH 4
2. Восстановление галогенидов Si алюмогидридом лития: SiCl 4 + LiAlH 4 = SiH 4 + LiCl + AlCl 3
Химические свойства.
Силан - сильный восстановитель.
1.SiH 4 окисляется кислородом даже при очень низких температурах:
SiH 4 + 2O 2 = SiO 2 + 2Н 2 О
2. SiH 4 легко гидролизуется, особенно в щелочной среде:
SiH 4 + 2Н 2 О = SiO 2 + 4Н 2
SiH 4 + 2NaOH + Н 2 О = Na 2 SiO 3 + 4Н 2
Оксид кремния (IV) (кремнезем) SiO 2
Кремнезем существует в виде различных форм: кристаллической, аморфной и стеклообразной. Наиболее распространенной кристаллической формой является кварц. При разрушении кварцевых горных пород образуются кварцевые пески. Монокристаллы кварца - прозрачны, бесцветны (горный хрусталь) или окрашены примесями в различные цвета (аметист, агат, яшма и др.).
Аморфный SiO 2 встречается в виде минерала опала: искусственно получают силикагель, состоящий из коллоидных частиц SiO 2 и являющийся очень хорошим адсорбентом. Стеклообразный SiO 2 известен как кварцевое стекло.
Физические свойства
В воде SiO 2 растворяется очень незначительно, в органических растворителях также практически не растворяется. Кремнезем является диэлектриком.
Химические свойства
1. SiO 2 - кислотный оксид, поэтому аморфный кремнезем медленно растворяется в водных растворах щелочей:
SiO 2 + 2NaOH = Na 2 SiO 3 + Н 2 О
2. SiO 2 взаимодействует также при нагревании с основными оксидами:
SiO 2 + К 2 О = K 2 SiO 3 ;
SiO 2 + СаО = CaSiO 3
3. Будучи нелетучим оксидом, SiO 2 вытесняет углекислый газ из Na 2 CO 3 (при сплавлении):
SiO 2 + Na 2 CO 3 = Na 2 SiO 3 + CO 2
4. Кремнезем реагирует с фтороводородной кислотой, образуя кремнефтористоводородную кислоту H 2 SiF 6:
SiO 2 + 6HF = H 2 SiF 6 + 2Н 2 О
5. При 250 - 400°С SiO 2 взаимодействует с газообразным HF и F 2 , образуя тетрафторсилан (тетрафторид кремния):
SiO 2 + 4HF (газ.) = SiF 4 + 2Н 2 О
SiO 2 + 2F 2 = SiF 4 + O 2
Кремниевые кислоты
Известны:
Ортокремниевая кислота H 4 SiО 4 ;
Метакремниевая (кремниевая) кислота H 2 SiO 3 ;
Ди- и поликремниевые кислоты.
Все кремниевые кислоты малорастворимы в воде, легко образуют коллоидные растворы.
Способы по-лучения
1. Осаждение кислотами из растворов силикатов щелочных металлов:
Na 2 SiO 3 + 2HCl = H 2 SiO 3 ↓ + 2NaCl
2. Гидролиз хлорсиланов: SiCl 4 + 4Н 2 О = H 4 SiO 4 + 4HCl
Химические свойства
Кремниевые кислоты - очень слабые кислоты (слабее угольной кислоты).
При нагревании они дегидратируются с образованием в качестве конечного продукта кремнезема
H 4 SiО 4 → H 2 SiO 3 → SiO 2
Силикаты - соли кремниевых кислот
Поскольку кремниевые кислоты чрезвычайно слабые, их соли в водных растворах сильно гидро лизованы:
Na 2 SiO 3 + Н 2 О = NaHSiO 3 + NaOH
SiO 3 2- + Н 2 О = HSiO 3 - + ОН - (щелочная среда)
По этой же причине при пропускании углекислого газа через растворы силикатов происходит вытеснение из них кремниевой кислоты:
K 2 SiO 3 + СO 2 + Н 2 О = H 2 SiO 3 ↓ + K 2 СO 3
SiO 3 + СO 2 + Н 2 О = H 2 SiO 3 ↓ + СO 3
Данную реакцию можно рассматривать как качественную реакцию на силикат-ионы.
Среди силикатов хорошо растворимыми являются только Na 2 SiO 3 и K 2 SiO 3 , которые называются растворимым стеклом, а их водные растворы - жидким стеклом.
Стекло
Обычное оконное стекло имеет состав Na 2 O СаО 6SiO 2 , т. е. является смесью силикатов натрия и кальция. Его получают сплавлением соды Na 2 CO 3 , известняка СаСO 3 и песка SiO 2 ;
Na 2 CO 3 + CaCO 3 + 6SiO 2 = Na 2 O СаО 6SiO 2 + 2СO 2
Цемент
Порошкообразный вяжущий материал, образующий при взаимодействии с водой пластичную массу, превращающуюся со временем в твердое камневидное тело; основной строительный материал.
Химический состав наиболее распространенного портланд-цемента (в % по массе) - 20 - 23% SiO 2 ; 62 - 76 % СаО; 4 - 7 % Al 2 O 3 ; 2-5% Fe 2 O 3 ; 1- 5% МgО.
На этом уроке вы изучите тему «Кремний». Рассмотрите сведения о кремнии: его электронное строение, где в природе находится кремний, изучите аллотропию кремния, объясните его физические и химические свойства. Узнаете о том, где в промышленности и других сферах применяется кремний, как его получают. Вы познакомитесь с диоксидами кремния, кремниевой кислотой и ее солями - силикатами.
Тема: Основные металлы и неметаллы
Урок: Кремний. Благородные газы
Кремний - один из самых распространённых химических элементов земной коры. Его содержание составляет почти 30%. В природе он в основном встречается в виде различных форм диоксида кремния, силикатов и алюмосиликатов.
Почти во всех своих соединениях кремний четырехвалентен. При этом атомы кремния находятся в возбужденном состоянии. Рис. 1.
Рис. 1
Для перехода в такое состояние один из 3s-электронов занимает вакантное место на 3р-орбитали. При этом вместо 2-х неспаренных электронов в основном состоянии, у атома кремния в возбуждённом состоянии будет 4 неспаренных электрона. Он сможет образовывать 4 по обменному механизму.
Рис. 2
Рис. 3
Атомы кремния не склонны к образованию кратных связей, но образуют соединения с одинарными связями -Si-O-. Кремнию, в отличие от углерода, несвойственна аллотропия.
Одной из аллотропных модификаций является кристаллический кремний , в котором каждый атом кремния находится в sp 3 -гибридизации. Рис. 2, 3. Кристаллический кремний - это твердое, тугоплавкое и прочное кристаллическое вещество темно-серого цвета с металлическим блеском. При обычных условиях - полупроводник. Иногда в качестве еще одной аллотропной модификации кремния выделяют аморфный кремний. Это темно-коричневый порошок, химически более активный, чем кристаллический кремний. Является ли он аллотропной модификацией - вопрос спорный.
Химические свойства кремния
1. Взаимодействие с галогенами
Si + 2F 2 → SiF 4
2. При нагревании кремний сгорает в кислороде, образуется оксид кремния (IV).
Si + О 2 → SiО 2
3. При высоких температурах кремний взаимодействует с азотом или углеродом.
3Si + 2N 2 → Si 3 N 4
4. С водными растворами кислот кремний не реагирует. Но растворяется в щелочах.
Si + 2NaOH + H 2 O → Na 2 SiO 3 + 2H 2
5. При сплавлении кремния с металлами, образуются силициды.
Si + 2Mg → Mg 2 Si
6. Кремний непосредственно с водородом не взаимодействует, но водородные соединения кремния можно получить при взаимодействии силицидов с водой.
Mg 2 Si + 4H 2 O → 2Mg(OH) 2 + SiH 4 (силан)
Силаны по строению подобны алканам, но значительно реакционно способны. Самый стабильный моносилан воспламеняется на воздухе.
SiH 4 +2 О 2 → SiО 2 + 2H 2 О
Получение кремния
Кремний получают восстановлением из оксида кремния (IV)
SiО 2 + 2Mg → Si + 2MgO
Одна из задач - это получение высокочистого кремния. Для этого технический кремний переводят в тетрахлорид кремния. Получившийся тетрахлорид восстанавливают до силана, а силан разлагается при нагревании на кремний и водород.
Кремний способен образовывать два оксида: SiО 2 - оксид кремния (IV) и SiО - оксид кремния (II).
Рис. 4
Si О - оксид кремния (II ) - это аморфное темно-коричневое вещество, которое образуется при взаимодействии кремния с оксидом кремния (IV)
Si + SiO 2 → 2 SiO .
Несмотря на стабильность, это вещество почти не используется.
Si О 2 - оксид кремния (IV )
Рис. 5
Рис. 6
На долю этого вещества приходится 12% земной коры. Рис. 4. Он представлен такими минералами, как горный хрусталь, кварц, аметист, цитрин, яшма, халцедон. Рис. 5.
SiО 2 - оксид кремния (IV) - вещество немолекулярного строения.
Его кристаллическая решетка - атомная. Рис. 6. Кристаллы SiО 2 имеют форму тетраэдра, которые связаны между собой атомами кислорода. Более правильной была бы формула молекулы (SiО 2)n. Так как SiО 2 образует вещество атомного строения, а СО 2 - молекулярного строения, то очевидна разница в их свойствах. СО 2 - это газ, а SiО 2 - твердое прозрачное кристаллическое вещество, нерастворимое в воде и тугоплавкое.
Химические свойства Si О 2
1. Оксид кремния (IV) SiО 2 - это кислотный оксид. Он не реагирует с водой. Кремниевую кислоту нельзя получить гидратацией SiО 2. Её соли - силикаты - можно получить при взаимодействии SiО 2 с горячими растворами щелочей.
SiО 2 + 2NaOH Na 2 SiO 3 + H 2 O
2. Реагирует с карбонатами щелочных и щелочноземельных металлов.
CaCO 3 + SiО 2 CaSiO 3 + CO 2
3. Взаимодействует с металлами.
SiО 2 + 2Mg → Si + 2MgO
4. Реакция с плавиковой кислотой.
SiО 2 + 4HF → SiF 4 + 2H 2 O
Домашнее задание
1. №№2-4 (с. 138) Рудзитис Г.Е. Химия. Основы общей химии. 11 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. - 14-е изд. - М.: Просвещение, 2012.
2. Назовите области применения полиорганосилоксанов.
3. Сравните свойства аллотропных модификаций кремния.
Располагается в главной подгруппе IV группы, в третьем периоде. Это аналог углерода. Электронная конфигурация электронных слоев атома кремния ls 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 . Строение внешнего электронного слоя
Структура внешнего электронного слоя аналогична структуре атома углерода.
Встречается в виде двух аллотропных видоизменений - аморфного и кристаллического.
Аморфный - порошок буроватого цвета, обладающий несколько большей химической активностью, чем кристаллический. При обычной температуре реагирует с фтором:
Si + 2F2 = SiF4 при 400° - с кислородом
Si + O2 = SiO2
в расплавах - с металлами:
2Mg + Si = Mg2Si
Кремний это
Кристаллический кремний - твердое хрупкое вещество с металлическим блеском. Он обладает хорошей тепло- и электропроводностью, легко растворяется в расплавленных металлах, образуя . Сплав кремния с алюминием называется силумином, сплав кремния с железом - ферросилицием. Плотность кремния 2,4. Температура плавления 1415°, температура кипения 2360°. Кристаллический кремний - вещество довольно инертное и в химические реакции вступает с трудом. С кислотами, несмотря на хорошо заметные металлические свойства, кремний не реагирует, а со щелочами вступает в реакцию, образуя соли кремниевой кислоты и :
Si + 2КОН + Н2О = K2SiO2 + 2H2
■ 36. В чем сходство и в чем различие электронных структур атомов кремния и углерода?
37. Как объяснить с точки зрения электронной структуры атома кремния, почему металлические свойства более характерны для кремния, чем для углерода?
38. Перечислите химические свойства кремния.
Кремний в природе. Двуокись кремния
В природе кремний распространен очень широко. Примерно 25% земной коры приходится на кремний. Значительная часть природного кремния представлена двуокисью кремния SiO2. В очень чистом кристаллическом состоянии двуокись кремния встречается в виде минерала, называемого горным хрусталем. Двуокись кремния и двуокись углерода по химическому составу являются аналогами, однако двуокись углерода - это газ, а двуокись кремния - твердое вещество. В отличие от молекулярной кристаллической решетки СO2 двуокись кремния SiO2 кристаллизуется в виде атомной кристаллической решетки, каждая ячейка которой представляет собой тетраэдр с атомом кремния в центре и атомами кислорода по углам. Это объясняется тем, что атом кремния имеет больший радиус, чем атом углерода, и вокруг него могут разместиться не 2, а 4 кислородных атома. Различием в строении кристаллической решетки объясняется различие свойств этих веществ. На рис. 69 показаны внешний вид кристалла природного кварца, состоящего из чистой двуокиси кремния, и ее структурная формула.
Рис. 60. Структурная формула двуокиси кремния (а) и кристаллы природного кварца (б)
Кристаллическая двуокись кремния наиболее часто встречается в виде песка, который имеет белый цвет, если не загрязнен глинистыми примесями желтого цвета. Помимо песка, двуокись кремния часто встречается в виде очень твердого минерала - кремния (гидратированная двуокись кремния). Кристаллическая двуокись кремния, окрашенная в различные примеси, образует драгоценные и полудрагоценные камни - агат, аметист, яшму. Почти чистая двуокись кремния встречается также в виде кварца и кварцита. Свободной двуокиси кремния в земной коре 12%, в составе различных горных пород - около 43%. В общей сложности более 50% земной коры состоит из двуокиси кремния.
Кремний входит в состав самых различных горных пород и минералов - глины, гранитов, сиенитов, слюд, полевых шпатов и пр.
Твердая двуокись углерода, не плавясь, возгоняется при -78,5°. Температура плавления двуокиси кремния около 1.713°. Она весьма тугоплавка. Плотность 2,65. Коэффициент расширения двуокиси кремния очень мал. Это имеет очень большое значение при применении посуды из кварцевого стекла. В воде двуокись кремния не растворяется и с ней не реагирует, несмотря на , что это кислотный окисел и ему соответствует кремниевая кислота H2SiO3. Двуокись углерода в воде, как известно, растворима. С кислотами, кроме плавиковой кислоты HF, двуокись кремния не реагирует, со щелочами дает соли.
Рис. 69. Структурная формула двуокиси кремния (а) и кристаллы природного кварца (б).
При накаливании двуокиси кремния с углем происходит восстановление кремния, а затем его соединение с углеродом и образование карборунда по уравнению:
SiO2 + 2С = SiC + СО2. Карборунд обладает высокой твердостью, к кислотам устойчив, а щелочами разрушается.
■ 39. По каким свойствам двуокиси кремния можно судить о ее кристаллической решетке?
40. В виде каких минералов двуокись кремния встречается в природе?
41. Что такое карборунд?
Кремниевая кислота. Силикаты
Кремниевая кислота H2SiO3 является кислотой очень слабой и малоустойчивой. При нагревании она постепенно разлагается на воду и двуокись кремния:
H2SiO3 = H2O + SiO2
В воде кремниевая кислота практически нерастворима, но может легко давать .
Кремниевая кислота образует соли, которые называются силикатами. широко встречаются в природе. Природные - это довольно сложные . Состав их обычно изображается как соединение нескольких окислов. Если в состав природных силикатов входит окись алюминия, они называются алюмосиликатами. Таковы белая глина, (каолин) Al2O3 · 2SiO2 · 2H2O, полевой шпат К2O · Al2O3 · 6SiO2, слюда
К2O · Al2O3 · 6SiO2 · 2Н2O. Многие природные в чистом виде являются драгоценными камнями, например аквамарин, изумруд и др.
Из искусственных силикатов следует отметить силикат натрия Na2SiO3 - один из немногих растворимых в воде силикатов. Его называют растворимым стеклом, а раствор - жидким стеклом.
Силикаты широко применяются в технике. Растворимым стеклом пропитывают ткани и древесину для предохранения их от воспламенения. Жидкое входит в состав огнеупорных замазок для склеивания стекла, фарфора, камня. Силикаты и являются основой в производстве стекла, фарфора, фаянса, цемента, бетона, кирпича и различных керамических изделий. В растворе силикаты легко гидролизуются.
■ 42. Что такое ? Чем они отличаются от силикатов?
43. Что такое жидкое и для каких целей оно применяется?
Стекло
Сырьем для производства стекла являются сода Na2CO3, известняк СаСO3 и песок SiO2. Все составные части стеклянной шихты тщательно очищают, смешивают и сплавляют при температуре около 1400°. В процессе сплавления протекают следующие реакции:
Na2CO3 + SiO2= Na2SiO3 + CO2
CaCO3 + SiO2 = CaSiO 3+ CO2
Фактически в состав стекла входят силикаты натрия и кальция, а также избыток SO2, поэтому состав обычного оконного стекла: Na2O · CaO · 6SiO2. Стеклянную шихту нагревают при температуре 1500° до тех пор, пока полностью не удалится двуокись углерода. Затем охлаждают до температуры 1200°, при которой оно становится вязким. Как всякое аморфное вещество, стекло размягчается и затвердевает постепенно, поэтому оно является хорошим пластическим материалом. Вязкую стеклянную массу пропускают через щель, в результате чего образуется стеклянный лист. Горячий стеклянный лист вытягивают валками, доводя до определенных размеров и постепенно охлаждая током воздуха. Затем его обрезают по краям и разрезают на листы определенного формата.
■ 44. Приведите уравнения реакций, протекающих при получении стекла, и состав оконного стекла.
Стекло
- вещество аморфное, прозрачное, в воде практически нерастворимо, но если измельчить его в мелкую пыль и смешать с небольшим количеством воды, в полученной смеси с помощью фенолфталеина можно обнаружить щелочь. При длительном хранении щелочей в стеклянной посуде избыток SiO2 в стекле очень медленно реагирует со щелочью и стекло постепенно утрачивает прозрачность.
Стекло стало известно людям более чем за 3000 лет до нашей эры. В древности получали стекла почти такого же состава, как и в настоящее время, но древние мастера руководствовались лишь собственной интуицией. В 1750 г. М. В. сумел разработать научные основы получения стекла. За 4 года М. В. собрал много рецептов изготовления разных стекол, особенно цветных. На построенной им стекольной фабрике было изготовлено большое количество образцов стекла, которые сохранились до наших дней. В настоящее время используются стекла разного состава, обладающие различными свойствами.
Кварцевое стекло состоит из почти чистой двуокиси кремния и выплавляется из горного хрусталя. Его очень важной особенностью является , что коэффициент расширения у него незначительный, почти в 15 раз меньше, чем у обычного стекла. Посуду из такого стекла можно раскалить докрасна в пламени горелки и после этого опустить в холодную воду; при этом никаких изменений со стеклом не произойдет. Кварцевое стекло не задерживает ультрафиолетовых лучей, а если окрасить его никелевыми солями в черный цвет, то оно будет задерживать все видимые лучи спектра, но для ультрафиолетовых лучей останется прозрачным.
На кварцевое стекло не действуют кислоты и , но щелочи его заметно разъедают. Кварцевое стекло более хрупко, чем обычное. Лабораторное стекло содержит около 70% SiО2, 9% Na2О, 5% К2О 8% СаО, 5% Аl2O3, 3% В2O3 (состав стекол приводится не для запоминания).
В промышленности находят применение стекла иен-ское и пирекс. Иенское стекло содержит около 65% Si02, 15% В2O3, 12% ВаО, 4% ZnO, 4% Аl2O3. Оно прочно, устойчиво к механическим воздействиям, имеет малый коэффициент расширения, устойчиво к щелочам.
Стекло пирекс содержит 81% SiO2, 12% В2O3, 4% Na2O, 2% Аl2O3, 0,5% As2O3, 0,2% К2O, 0,3% СаО. Оно обладает такими же свойствами, как иенское стекло, но в еще большей степени, особенно после закалки, зато менее устойчиво к щелочам. Из стекла пирекс изготовляют предметы домашнего обихода, подвергающиеся нагреванию, а также детали некоторых промышленных установок, работающие при низких и высоких температурах.
Разные качества стеклу придают некоторые добавки. Например, примеси окислов ванадия дают стекло, полностью задерживающее ультрафиолетовые лучи.
Получают также и стекло, окрашенное в различные цвета. Еще М. В. изготовил несколько тысяч образцов цветного стекла разной окраски и оттенков для своих мозаичных картин. В настоящее время методы окраски стекла детально разработаны. Соединения марганца окрашивают стекло в фиолетовый цвет, кобальта - в синий. , распыленное в массе стекла в виде коллоидных частиц, придает ему рубиновую окраску и т. д. Свинцовые соединения придают стеклу блеск, подобный блеску горного хрусталя, поэтому оно называется хрустальным. Такое стекло легко поддается обработке, огранке. Изделия из него очень красиво преломляют свет. При окраске этого стекла различными добавками получается цветное хрустальное стекло.
Если расплавленное стекло смешать с веществами, которые при разложении образуют большое количество газов, то последние, выделяясь, вспенивают стекло, образуя пеностекло. Такое стекло очень легкое, хорошо обрабатывается, является прекрасным электро- и тепло-изолятором. Оно было впервые получено проф. И. И. Китайгородским.
Вытягивая из стекла нити, можно получить так называемое стекловолокно. Если пропитать уложенное слоями стекловолокно синтетическими смолами, то получается очень прочный, не поддающийся гниению, прекрасно обрабатывающийся строительный материал, так называемый стеклотекстолит. Интересно, что чем тоньше стекловолокно, тем выше его прочность. Стекловолокно также применяется для изготовления спецодежды.
Стеклянная вата является ценным материалом, через который можно фильтровать сильные кислоты и щелочи, не фильтрующиеся через бумагу. Кроме того, стеклянная вата является хорошим теплоизолирующим веществом.
■ 44. От чего зависят свойства стекол разных видов?
Керамика
Из алюмосиликатов особенно важна белая глина - каолин, являющаяся основой для получения фарфора и фаянса. Производство фарфора - чрезвычайно древняя отрасль хозяйства. Родина фарфора - Китай. В России фарфор был получен впервые в XVIIIв. Д, И. Виноградовым.
Сырьем для получения фарфора и фаянса, помимо каолина, служат песок и . Смесь каолина, песка и воды подвергают тщательному тонкому размолу в шаровых мельницах, затем отфильтровывают избыток воды и хорошо вымешанную пластичную массу направляют на формовку изделий. После формовки изделия подвергают сушке и обжигу в туннельных печах непрерывного действия, где их сначала разогревают, затем обжигают и, наконец, охлаждают. После этого изделия проходят дальнейшую обработку - покрытие глазурью, нанесение рисунка керамическими красками. После каждой стадии изделия обжигают. В результате фарфор получается белым, гладким и блестящим. В тонких слоях он просвечивает. Фаянс порист и не просвечивает.
Из красной глины формуют кирпичи, черепицу, глиняную посуду, керамические кольца для насадки в поглотительных и промывных башнях разных химических производств, цветочные горшки. Их также обжигают, чтобы они не размягчались водой, стали механически прочными.
Цемент. Бетон
Соединения кремния служат основой для получения цемента - вяжущего материала, незаменимого в строительстве. Сырьем для получения цемента являются глина и известняк. Эту смесь обжигают в огромной наклонной трубчатой вращающейся печи, куда непрерывно загружают сырье. После обжига при 1200-1300° из отверстия, расположенного на другом конце печи, непрерывно выходит спекшаяся масса - клинкер. После размола клинкер превращается в . В состав цемента входят главным образом силикаты. Если смешать с водой до образования густой кашицы, а затем оставить на некоторое время на воздухе, то вступит в реакцию с веществами цемента, образуя кристаллогидраты и другие твердые соединения, что приводит к затвердеванию («схватыванию») цемента. Такой
Кремний
КРЕ́МНИЙ -я; м. [от греч. krēmnos - утёс, скала] Химический элемент (Si), тёмно-серые с металлическим блеском кристаллы которого входят в состав большинства горных пород.
◁ Кре́мниевый, -ая, -ое. К-ые соли. Кре́мни́стый (см. 2.К.; 1 зн.).
кре́мний(лат. Silicium), химический элемент IV группы периодической системы. Тёмно-серые кристаллы с металлическим блеском; плотность 2,33 г/см 3 , t пл 1415ºC. Стоек к химическим воздействиям. Составляет 27,6% массы земной коры (2-е место среди элементов), главные минералы - кремнезём и силикаты. Один из важнейших полупроводниковых материалов (транзисторы, термисторы, фотоэлементы). Составная часть многих сталей и других сплавов (повышает механическую прочность и устойчивость к коррозии, улучшает литейные свойства).
КРЕМНИЙКРЕ́МНИЙ (лат. Silicium от silex - кремень), Si (читается «силициум», но в настоящее время довольно часто и как «си»), химический элемент с атомным номером 14, атомная масса 28,0855. Русское название происходит от греческого kremnos - утес, гора.
Природный кремний состоит из смеси трех стабильных нуклидов (см.
НУКЛИД)
с массовыми числами 28 (преобладает в смеси, его в ней 92,27% по массе), 29 (4,68%) и 30 (3,05%). Конфигурация внешнего электронного слоя нейтрального невозбужденного атома кремния 3s
2
р
2
. В соединениях обычно проявляет степень окисления +4 (валентность IV) и очень редко +3, +2 и +1 (валентности соответственно III, II и I). В периодической системе Менделеева кремний расположен в группе IVA (в группе углерода), в третьем периоде.
Радиус нейтрального атома кремния 0,133 нм.
Энергии последовательной ионизации атома кремния 8,1517, 16,342, 33,46 и 45,13 эВ, сродство к электрону 1,22 эВ. Радиус иона Si 4+ при координационном числе 4 (наиболее распространенном в случае кремния) 0,040 нм, при координационном числе 6 - 0,054 нм. По шкале Полинга электроотрицательность кремния 1,9. Хотя кремний принято относить к неметаллам, он по ряду свойств занимает промежуточное положение между металлами и неметаллами.
В свободном виде - коричневый порошок или светло-серый компактный материал с металлическим блеском.
История открытия
Соединения кремния были известны человеку с незапамятных времен. Но с простым веществом кремнием человек познакомился всего около 200 лет тому назад. Фактически первыми исследователями, получившими кремний, были французы Ж. Л. Гей-Люссак (см.
ГЕЙ-ЛЮССАК Жозеф Луи)
и Л. Ж. Тенар (см.
ТЕНАР Луи Жак)
. Они в 1811 обнаружили, что нагревание фторида кремния с металлическим калием приводит к образованию буро-коричневого вещества:
SiF 4 + 4K = Si + 4KF, однако сами исследователи правильного вывода о получении нового простого вещества не сделали. Честь открытия нового элемента принадлежит шведскому химику Й. Берцелиусу (см.
БЕРЦЕЛИУС Йенс Якоб)
, который для получения кремния нагревал также с металлическим калием соединение состава K 2 SiF 6 . Он получил тот же аморфный порошок, что и французские химики, и в 1824 объявил о новом элементарном веществе, которое назвал «силиций». Кристаллический кремний был получен только в 1854 году французским химиком А. Э. Сент-Клер Девилем (см.
СЕНТ-КЛЕР ДЕВИЛЬ Анри Этьен)
.
Нахождение в природе
По распространенности в земной коре кремний среди всех элементов занимает второе место (после кислорода). На долю кремния приходится 27,7% массы земной коры. Кремний входит в состав нескольких сотен различных природных силикатов (см.
СИЛИКАТЫ)
и алюмосиликатов (см.
АЛЮМОСИЛИКАТЫ)
. Широко распространен и кремнезем, или кремния диоксид (см.
КРЕМНИЯ ДИОКСИД)
SiO 2 (речной песок (см.
ПЕСОК)
, кварц (см.
КВАРЦ)
, кремень (см.
КРЕМЕНЬ)
и др.), составляющий около 12% земной коры (по массе). В свободном виде кремний в природе не встречается.
Получение
В промышленности кремний получают, восстанавливая расплав SiO 2 коксом при температуре около 1800°C в дуговых печах. Чистота полученного таким образом кремния составляет около 99,9%. Так как для практического использования нужен кремний более высокой чистоты, полученный кремний хлорируют. Образуются соединения состава SiCl 4 и SiCl 3 H. Эти хлориды далее очищают различными способами от примесей и на заключительном этапе восстанавливают чистым водородом. Возможна также очистка кремния за счет предварительного получения силицида магния Mg 2 Si. Далее из силицида магния с помощью соляной или уксусной кислот получают летучий моносилан SiH 4 . Моносилан очищают далее ректификацией, сорбционными и др. методами, а затем разлагают на кремний и водород при температуре около 1000°C. Содержание примесей в получаемом этими методами кремнии снижается до 10 -8 -10 -6 % по массе.
Физические и химические свойства
Кристаллическая решетка 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 твердость кремния значительно меньше, чем алмаза.
Плотность кремния 2,33 кг/дм 3 . Температура плавления 1410°C, температура кипения 2355°C. Кремний хрупок, только при нагревании выше 800°C он становится пластичным веществом. Интересно, что кремний прозрачен к инфракрасному (ИК)-излучению.
Элементарный кремний - типичный полупроводник (см.
ПОЛУПРОВОДНИКИ)
. Ширина запрещенной зоны при комнатной температуре 1,09 эВ. Концентрация носителей тока в кремнии с собственной проводимостью при комнатной температуре 1,5·10 16 м -3 . На электрофизические свойства кристаллического кремния большое влияние оказывают содержащиеся в нем микропримеси. Для получения монокристаллов кремния с дырочной проводимостью в кремний вводят добавки элементов III-й группы - бора (см.
БОР (химический элемент))
, алюминия (см.
АЛЮМИНИЙ)
, галлия (см.
ГАЛЛИЙ)
и индия (см.
ИНДИЙ)
, с электронной проводимостью - добавки элементов V-й группы - фосфора (см.
ФОСФОР)
, мышьяка (см.
МЫШЬЯК)
или сурьмы (см.
СУРЬМА)
. Электрические свойства кремния можно варьировать, изменяя условия обработки монокристаллов, в частности, обрабатывая поверхность кремния различными химическими агентами.
Химически кремний малоактивен. При комнатной температуре реагирует только с газообразным фтором, при этом образуется летучий тетрафторид кремния SiF 4 . При нагревании до температуры 400-500°C кремний реагирует с кислородом с образованием диоксида SiO 2 , с хлором, бромом и иодом - с образованием соответствующих легко летучих тетрагалогенидов SiHal 4 .
С водородом кремний непосредственно не реагирует, соединения кремния с водородом - силаны (см.
СИЛАНЫ)
с общей формулой Si n H 2n+2 - получают косвенным путем. Моносилан SiH 4 (его часто называют просто силаном) выделяется при взаимодействии силицидов металлов с растворами кислот, например:
Ca 2 Si + 4HCl = 2CaCl 2 + SiH 4
Образующийся в этой реакции силан SiH 4 содержит примесь и других силанов, в частности, дисилана Si 2 H 6 и трисилана Si 3 H 8 , в которых имеется цепочка из атомов кремния, связанных между собой одинарными связями (-Si-Si-Si-).
С азотом кремний при температуре около 1000°C образует нитрид Si 3 N 4 , с бором - термически и химически стойкие бориды SiB 3 , SiB 6 и SiB 12 . Соединение кремния и его ближайшего аналога по таблице Менделеева - углерода - карбид кремния SiС (карборунд (см.
КАРБОРУНД)
) характеризуется высокой твердостью и низкой химической активностью. Карборунд широко используется как абразивный материал.
При нагревании кремния с металлами возникают силициды (см.
СИЛИЦИДЫ)
. Силициды можно подразделить на две группы: ионно-ковалентные (силициды щелочных, щелочноземельных металлов и магния типа Ca 2 Si, Mg 2 Si и др.) и металлоподобные (силициды переходных металлов). Силициды активных металлов разлагаются под действием кислот, силициды переходных металлов химически стойки и под действием кислот не разлагаются. Металлоподобные силициды имеют высокие температуры плавления (до 2000°C). Наиболее часто образуются металлоподобные силициды составов MSi, M 3 Si 2 , M 2 Si 3 , M 5 Si 3 и MSi 2 . Металлоподобные силициды химически инертны, устойчивы к действию кислорода даже при высоких температурах.
Диоксид кремния SiO 2 - кислотный оксид, не реагирующий с водой. Существует в виде нескольких полиморфных модификаций (кварц (см.
КВАРЦ)
, тридимит, кристобалит, cтеклообразный SiO 2). Из этих модификаций наибольшее практическое значение имеет кварц. Кварц обладает свойствами пьезоэлектрика (см.
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ)
, он прозрачен для ультрафиолетового (УФ) излучения. Характеризуется очень низким коэффициентом теплового расширения, поэтому изготовленная из кварца посуда не растрескивается при перепадах температуры до 1000 градусов.
Кварц химически стоек к действию кислот, но реагирует с плавиковой кислотой:
SiO 2 + 6HF =H 2 + 2H 2 O
и газообразным фтороводородом HF:
SiO 2 + 4HF =SiF 4 + 2H 2 O
Эти две реакции широко используют для травления стекла.
При сплавлении SiO 2 с щелочами и основными оксидами, а также с карбонатами активных металлов образуются силикаты (см.
СИЛИКАТЫ)
- соли не имеющих постоянного состава очень слабых нерастворимых в воде кремниевых кислот (см.
КРЕМНИЕВЫЕ КИСЛОТЫ)
общей формулы xH 2 O·ySiO 2 (довольно часто в литературе не очень точно пишут не о кремниевых кислотах, а о кремниевой кислоте, хотя фактически речь при этом идет об одном и том же). Например, может быть получен ортосиликат натрия:
SiO 2 + 4NaOH = (2Na 2 O)·SiO 2 +2H 2 O,
метасиликат кальция:
SiO 2 + СаО = СаО·SiO 2
или смешанный силикат кальция и натрия:
Na 2 CO 3 + CaCO 3 + 6SiO 2 = Na 2 O·CaO·6SiO 2 + 2CO 2
Из силиката Na 2 O·CaO·6SiO 2 изготовляют оконное стекло.
Следует отметить, что большинство силикатов не имеет постоянного состава. Из всех силикатов растворимы в воде только силикаты натрия и калия. Растворы этих силикатов в воде называют растворимым 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 четырех 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.
При восстановлении SiO 2 кремнием при высоких температурах образуется монооксид кремния состава SiO.
Для кремния характерно образование кремнийорганических соединений (см.
КРЕМНИЙОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ)
, в которых атомы кремния соединены в длинные цепочки за счет мостиковых атомов кислорода -О-, а к каждому атому кремния, кроме двух атомов О, присоединены еще два органических радикала R 1 и R 2 = CH 3 , C 2 H 5 , C 6 H 5 , CH 2 CH 2 CF 3 и др.
Применение
Кремний используют как полупроводниковый материал. Кварц находит применение как пьезоэлектрик, как материал для изготовления жаропрочной химической (кварцевой) посуды, ламп УФ-излучения. Силикаты находят широкое применение как строительные материалы. Оконные стекла представляют собой аморфные силикаты. Кремнийорганические материалы характеризуются высокой износостойкостью и широко используются на практике в качестве силиконовых масел, клеев, каучуков, лаков.
Биологическая роль
Для некоторых организмов кремний является важным биогенным элементом (см.
БИОГЕННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ)
. Он входит в состав опорных образований у растений и скелетных - у животных. В больших количествах кремний концентрируют морские организмы - диатомовые водоросли (см.
ДИАТОМОВЫЕ ВОДОРОСЛИ)
, радиолярии (см.
РАДИОЛЯРИИ)
, губки (см.
ГУБКИ)
. Мышечная ткань человека содержит (1-2)·10 -2 % кремния, костная ткань - 17·10 -4 %, кровь - 3,9 мг/л. С пищей в организм человека ежедневно поступает до 1 г кремния.
Соединения кремния не ядовиты. Но очень опасно вдыхание высокодисперсных частиц как силикатов, так и диоксида кремния, образующихся, например, при взрывных работах, при долблении пород в шахтах, при работе пескоструйных аппаратов и т. д. Микрочастицы SiO 2 , попавшие в легкие, в них кристаллизуются, а возникающие кристаллики разрушают легочную ткань и вызывают тяжелую болезнь - силикоз (см.
СИЛИКОЗ)
. Чтобы не допустить попадания в легкие этой опасной пыли, следует использовать для защиты органов дыхания респиратор.
Энциклопедический словарь . 2009 .
Синонимы :Смотреть что такое "кремний" в других словарях:
- (символ Si), широко распространенный серый химический элемент IV группы периодической таблицы, неметалл. Впервые был выделен Иенсом БЕРЦЕЛИУСОМ в 1824 г. Кремний встречается только в соединениях, таких как КРЕМНЕЗЕМ (диоксид кремния) или в… … Научно-технический энциклопедический словарь
Кремний - получают почти исключительно карботермальным восстановлением диоксида кремния с использованием электродуговых печей. Является плохим проводником тепла и электричества, тверже стекла, обычно имеет вид порошка или чаще бесформенных кусков… … Официальная терминология
КРЕМНИЙ - хим. элемент, неметалл, символ Si (лат. Silicium), ат. н. 14, ат. м. 28,08; известны аморфный и кристаллический кремний (который построен из кристаллов того же типа, что и алмаз). Аморфный К. бурый порошок кубической структуры в высокодисперсном… … Большая политехническая энциклопедия
- (Silicium), Si, химический элемент IV группы периодической системы, атомный номер 14, атомная масса 28,0855; неметалл, tпл 1415шC. Кремний второй после кислорода по распространенности на Земле элемент, содержание в земной коре 27,6% по массе.… … Современная энциклопедия
Si (лат. Silicium * a. silicium, silicon; н. Silizium; ф. silicium; и. siliseo), хим. элемент IV группы периодич. системы Менделеева, ат. н. 14, ат. м. 28,086. B природе встречаются 3 стабильных изотопа 28Si (92,27), 29Si (4,68%), 30Si (3 … Геологическая энциклопедия
