Кремній- дуже рідкісний мінеральний вид із класу самородних елементів. Насправді це дивно, як рідко хімічний елемент кремній, що становить у зв'язаному вигляді не менше 27,6% земної кори, зустрічається в природі в чистому вигляді. Але кремній міцно зв'язується з киснем і майже завжди знаходиться у вигляді кремнезему - діоксиду кремнію, SiO 2 (родина кварцу) або у складі силікатів (SiO 4 4-). Самородний кремній як мінерал був знайдений у продуктах вулканічних випарів та як найдрібніші включення у самородному золоті.
Дивіться також:
СТРУКТУРА
Кристалічна решітка кремнію кубічна гранецентрована типу алмазу, параметр а = 0,54307 нм (при високих тисках отримані інші поліморфні модифікації кремнію), але через більшу довжину зв'язку між атомами Si-Si порівняно з довжиною зв'язку С-С твердість кремнію значно менше, ніж алмазу. Має об'ємну структуру. Ядра атомів разом з електронами на внутрішніх оболонках мають позитивний заряд 4, який врівноважується негативними зарядами чотирьох електронів на зовнішній оболонці. Разом з електронами сусідніх атомів вони утворюють ковалентні зв'язки на кристалічній решітці. Таким чином, на зовнішній оболонці знаходяться чотири свої електрони і чотири електрони, запозичені у чотирьох сусідніх атомів. При температурі абсолютного нуля всі електрони зовнішніх оболонок беруть участь у ковалентних зв'язках. При цьому кремній є ідеальним ізолятором, тому що не має вільних електронів, що створюють провідність. ВЛАСТИВОСТІ
Кремній крихкий, тільки при нагріванні вище 800 ° C він стає пластичною речовиною. Він прозорий для інфрачервоного випромінювання, починаючи з довжини хвилі 1,1 мкм. Власна концентрація носіїв заряду - 5,81·10 15 м -3 (для температури 300 K). Температура плавлення 1415 °C, температура кипіння 2680 °C, щільність 2,33 г/см 3 . Має напівпровідникові властивості, його опір знижується при підвищенні температури.
Аморфний кремній – порошок бурого кольору на основі сильно упорядкованої алмазоподібної структури. Має більшу реакційну здатність, ніж кристалічний кремній.
МОРФОЛОГІЯ
Найчастіше у природі кремній зустрічається як кремнезема - сполук з урахуванням діоксиду кремнію (IV) SiO 2 (близько 12 % маси земної кори). Основні мінерали та гірські породи, що утворюються діоксидом кремнію, - це пісок (річковий та кварцовий), кварц та кварцити, кремінь, польові шпати. Другу за поширеністю в природі групу сполук кремнію складають силікати та алюмосилікати. Відзначено поодинокі факти знаходження чистого кремнію у самородному вигляді.
ПОХОДЖЕННЯ
Зміст кремнію в земній корі становить за різними даними 27,6-29,5% за масою. Таким чином, за поширеністю в земній корі кремній займає друге місце після кисню. Концентрація у морській воді 3 мг/л. Відзначено поодинокі факти знаходження чистого кремнію в самородному вигляді - найдрібніші включення (наноіндивіди) в йолітах Гарячегорського лужно-габброідного масиву (Кузнецький Алатау, Красноярський край); в Карелії та на Кольському півострові (за мат. вивчення Кольської надглибокої свердловини); мікроскопічні кристали у фумаролах вулканів Толбачик та Кучерявий (Камчатка).
ЗАСТОСУВАННЯ
Надчистий кремній переважно використовується для виробництва одиночних електронних приладів (нелінійні пасивні елементи електричних схем) та однокристальних мікросхем. Чистий кремній, відходи надчистого кремнію, очищений металургійний кремній як кристалічного кремнію є основним сировинним матеріалом для сонячної енергетики. Монокристалічний кремній - крім електроніки та сонячної енергетики, використовується для виготовлення дзеркал газових лазерів.
Сполуки металів з кремнієм - силіциди - є широко вживаними в промисловості (наприклад, електронної та атомної) матеріалами з широким спектром корисних хімічних, електричних та ядерних властивостей (стійкість до окислення, нейтронів та ін.). Силициди низки елементів є важливими термоелектричними матеріалами.
З'єднання кремнію є основою для виробництва скла та цементу. Виробництвом скла та цементу займається силікатна промисловість. Вона також випускає силікатну кераміку - цеглу, фарфор, фаянс та вироби з них. Широко відомий силікатний клей, що використовується в будівництві як сикатив, а в піротехніці та в побуті для склеювання паперу. Набули широкого поширення силіконові олії та силікони - матеріали на основі кремнійорганічних сполук.
Технічний кремній знаходить такі застосування:
- сировина для металургійних виробництв: компонент металу (бронзи, силумін);
- розкислювач (при виплавці чавуну та сталей);
- модифікатор властивостей металів або легуючий елемент (наприклад, добавка певної кількості кремнію при виробництві трансформаторних сталей зменшує коерцитивну силу готового продукту) тощо;
- сировину для більш чистого полікристалічного кремнію та очищеного металургійного кремнію (у літературі «umg-Si»);
- сировина для виробництва кремнію органічних матеріалів, силанів;
- іноді кремній технічної чистоти та його сплав із залізом (феросиліцій) використовується для виробництва водню в польових умовах;
- для сонячних батарей;
- антиблок (антиадгезивна добавка) у промисловості пластмас.
Кремній (англ. Silicon) - Si
КЛАСИФІКАЦІЯ
| Strunz (8-е видання) | 1/B.05-10 |
| Nickel-Strunz (десяте видання) | 1.CB.15 |
| Dana (7-е видання) | 1.3.6.1 |
| Dana (8-е видання) | 1.3.7.1 |
| Hey's CIM Ref. | 1.28 |
Характеристика елемента
14 Si 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2
Ізотопи: 28 Si (92.27%); 29 Si (4.68%); 30 Si (3,05%)
Кремній – другий після кисню за поширеністю у земній корі елемент (27,6 % за масою). У вільному стані у природі не зустрічається, знаходиться переважно у вигляді SiO 2 чи силікатів.
Сполуки Si токсичні; вдихання дрібних частинок SiO 2 та інших сполук кремнію (наприклад, азбесту) викликає небезпечну хворобу - силікоз
В основному стан атом кремнію має валентність = II, а в збудженому стані = IV.
Найбільш стійким ступенем окиснення Si є +4. У з'єднаннях із металами (силіцидами) С.О. -4.
Способи одержання кремнію
Найпоширенішим природним з'єднанням кремнію є кремнезем (діоксид кремнію) SiО 2 . Він є основною сировиною для одержання кремнію.
1) Відновлення SiO 2 вуглецем у дугових печах при 1800"С: SiO 2 + 2С = Si + 2СО
2) Високочистий Si з технічного продукту одержують згідно зі схемою:
a) Si → SiCl 2 → Si
б) Si → Mg 2 Si → SiH 4 → Si
Фізичні властивості кремнію. Алотропні модифікації кремнію
1) Кристалічний кремній – речовина сріблясто – сірого кольору з металевим блиском, кристалічні грати типу алмазу; т. пл. 1415"З, т. Кіп. 3249"З, щільність 2,33 г/см3; є напівпровідником.
2) Аморфний кремній – порошок бурого кольору.
Хімічні властивості кремнію
У більшості реакцій Si виступає у ролі відновника:
При низьких температурах кремній хімічно інертний, при нагріванні його реакційна здатність різко зростає.
1. З киснем взаємодіє при Т вище 400°С:
Si + О 2 = SiO 2 оксид кремнію
2. З фтором реагує вже за кімнатної температури:
Si + 2F 2 = SiF 4 тетрафторид кремнію
3. З рештою галогенів реакції йдуть при температурі = 300 - 500°С
Si + 2Hal 2 = SiHal 4
4. З парами сірки при 600°С утворює дисульфід:
5. Реакція з азотом відбувається вище 1000°С:
3Si + 2N 2 = Si 3 N 4 нітрид кремнію
6. При температурі = 1150°С реагує з вуглецем:
SiO 2 + 3С = SiС + 2СО
За твердістю карборунд близький до алмазу.
7. З воднем кремній безпосередньо не реагує.
8. Кремній стійок до дії кислот. Взаємодіє тільки із сумішшю азотної та фтороводородної (плавикової) кислот:
3Si + 12HF + 4HNO 3 = 3SiF 4 + 4NO + 8H 2 O
9. реагує з розчинами лугів з утворенням силікатів та виділенням водню:
Si + 2NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 2H 2
10. Відновлювальні властивості кремнію використовують для виділення металів з їх оксидів:
2MgO = Si = 2Mg + SiO 2
У реакціях з металами Si - окислювач:
Кремній утворює силіциди з s-металами та більшістю d-металів.
Склад силіцидів даного металу може бути різним. (Наприклад, FeSi і FeSi 2 ; Ni 2 Si і NiSi 2 .) Один з найбільш відомих силіцидів - силіцид магнію, який можна отримувати прямою взаємодією простих речовин:
2Mg + Si = Mg 2 Si
Силан (моносилан) SiH 4
Силани (кремневодні) Si n H 2n + 2 (пор. з алканами), де п = 1-8. Силани – аналоги алканів, відрізняються від них нестійкістю ланцюгів -Si-Si-.
Моносилан SiH 4 - безбарвний газ із неприємним запахом; розчиняється в етанолі, бензині.
Способи отримання:
1. Розкладання силіциду магнію соляною кислотою: Mg 2 Si + 4HCI = 2MgCI 2 + SiH 4
2. Відновлення галогенідів Si алюмогідридом літію: SiCl 4 + LiAlH 4 = SiH 4 + LiCl + AlCl 3
Хімічні властивості.
Силан – сильний відновник.
1.SiH 4 окислюється киснем навіть за дуже низьких температур:
SiH 4 + 2O 2 = SiO 2 + 2Н 2 О
2. SiH 4 легко гідролізується, особливо в лужному середовищі:
SiH 4 + 2Н 2 О = SiO 2 + 4Н 2
SiH 4 + 2NaOH + Н 2 О = Na 2 SiO 3 + 4Н 2
Оксид кремнію (IV) (кремнезем) SiO 2
Кремнезем існує у вигляді різних форм: кристалічної, аморфної та склоподібної. Найбільш поширеною кристалічною формою є кварц. При руйнуванні кварцових порід утворюються кварцові піски. Монокристали кварцу - прозорі, безбарвні (гірський кришталь) або пофарбовані домішками в різні кольори (аметист, агат, яшма та ін.).
Аморфний SiO 2 зустрічається у вигляді мінералу опала: штучно отримують силікагель, що складається з колоїдних частинок SiO 2 і дуже хорошим адсорбентом. Склоподібний SiO 2 відомий як кварцове скло.
Фізичні властивості
У воді SiO 2 розчиняється дуже незначно, органічних розчинниках також практично не розчиняється. Кремнезем є діелектриком.
Хімічні властивості
1. SiO 2 - кислотний оксид, тому аморфний кремнезем повільно розчиняється у водних розчинах лугів:
SiO 2 + 2NaOH = Na 2 SiO 3 + Н 2 О
2. SiO 2 взаємодіє також при нагріванні з основними оксидами:
SiO 2 + К 2 О = K 2 SiO 3;
SiO 2 + СаО = CaSiO 3
3. Будучи нелетючим оксидом, SiO 2 витісняє вуглекислий газ Na 2 CO 3 (при сплавленні):
SiO 2 + Na 2 CO 3 = Na 2 SiO 3 + CO 2
4. Кремнезем реагує з фтороводородною кислотою, утворюючи кремнефтористоводневу кислоту H 2 SiF 6:
SiO2+6HF = H2SiF6+2Н2О
5. При 250 - 400°С SiO 2 взаємодіє з газоподібним HF і F 2 утворюючи тетрафторсилан (тетрафторид кремнію):
SiO 2 + 4HF (газ.) = SiF 4 + 2Н 2
SiO 2 + 2F 2 = SiF 4 + O 2
Кремнієві кислоти
Відомі:
Ортокремнієва кислота H 4 SiО 4 ;
Метакремнієва (кремнієва) кислота H 2 SiO 3 ;
Ді- та полікремнієві кислоти.
Усі кремнієві кислоти малорозчинні у воді, легко утворюють колоїдні розчини.
Способи отримання
1. Осадження кислотами із розчинів силікатів лужних металів:
Na 2 SiO 3 + 2HCl = H 2 SiO 3 ↓ + 2NaCl
2. Гідроліз хлорсиланів: SiCl 4 + 4Н 2 О = H 4 SiO 4 + 4HCl
Хімічні властивості
Кремнієві кислоти - дуже слабкі кислоти (слабші за вугільну кислоту).
При нагріванні вони дегідратуються з утворенням як кінцевий продукт кремнезему.
H 4 SiО 4 → H 2 SiO 3 → SiO 2
Силікати - солі кремнієвих кислот
Оскільки кремнієві кислоти надзвичайно слабкі, їх солі у водних розчинах сильно гідролізовані:
Na 2 SiO 3 + Н 2 О = NaHSiO 3 + NaOH
SiO 3 2- + Н 2 О = HSiO 3 - + ВІН - (лужне середовище)
З цієї причини при пропусканні вуглекислого газу через розчини силікатів відбувається витіснення їх кремнієвої кислоти:
K 2 SiO 3 + СО 2 + Н 2 О = H 2 SiO 3 ↓ + K 2 СО 3
SiO 3 + СО 2 + Н 2 О = H 2 SiO 3 ↓ + СО 3
Цю реакцію можна як якісну реакцію на силікат-іони.
Серед силікатів добре розчинними є тільки Na 2 SiO 3 і K 2 SiO 3 які називаються розчинним склом, а їх водні розчини - рідким склом.
Скло
Звичайне шибка має склад Na 2 O СаО 6SiO 2 , тобто є сумішшю силікатів натрію і кальцію. Його отримують сплавленням соди Na 2 CO 3 вапняку СаСO 3 і піску SiO 2 ;
Na 2 CO 3 + CaCO 3 + 6SiO 2 = Na 2 O СаО 6SiO 2 + 2СO 2
Цемент
Порошкоподібний в'яжучий матеріал, що утворює при взаємодії з водою пластичну масу, що згодом перетворюється на тверде каменеподібне тіло; Основний будівельний матеріал.
Хімічний склад найбільш поширеного портландцементу (в % за масою) - 20 - 23% SiO 2 ; 62 - 76% СаО; 4 - 7% Al 2 O 3; 2-5% Fe 2 O 3 ; 1- 5% МgО.
На цьому уроці ви вивчите тему «Кремній». Розгляньте відомості про кремнію: його електронна будова, де в природі знаходиться кремній, вивчіть алотропію кремнію, поясніть його фізичні та хімічні властивості. Дізнаєтеся про те, де в промисловості та інших сферах застосовується кремній, як його одержують. Ви познайомитеся з діоксидами кремнію, кремнієвою кислотою та її солями – силікатами.
Тема: Основні метали та неметали
Урок: Кремній. Шляхетні гази
Кремній - один із найпоширеніших хімічних елементів земної кори. Його вміст становить майже 30%. У природі він переважно зустрічається у вигляді різних форм діоксиду кремнію, силікатів та алюмосилікатів.
Майже у всіх своїх сполуках кремній чотиривалентний. При цьому атоми кремнію знаходяться у збудженому стані. Мал. 1.
Мал. 1
Для переходу в такий стан один із 3s-електронів займає вакантне місце на 3р-орбіталі. При цьому замість 2-х неспарених електронів в основному стані, у атома кремнію у збудженому стані буде 4 неспарені електрони. Він зможе утворювати 4 обмінного механізму.
Мал. 2
Мал. 3
Атоми кремнію не схильні до утворення кратних зв'язків, але утворюють сполуки з одинарними зв'язками Si-O-. Кремнію, на відміну вуглецю, невластива алотропія.
Одною з алотропних модифікацій є кристалічний кремній, В якому кожен атом кремнію знаходиться в sp 3 -гібридизації. Мал. 2, 3. Кристалічний кремній - це тверда, тугоплавка і міцна кристалічна речовина темно-сірого кольору з металевим блиском. За звичайних умов – напівпровідник. Іноді ще однією алотропной модифікації кремнію виділяють аморфний кремній. Це темно-коричневий порошок, хімічно активніший, ніж кристалічний кремній. Чи є він алотропною модифікацією – питання спірне.
Хімічні властивості кремнію
1. Взаємодія з галогенами
Si + 2F 2 → SiF 4
2. При нагріванні кремній згоряє у кисні, утворюється оксид кремнію (IV).
Si + Про 2 → SiО 2
3. При високих температурах кремній взаємодіє з азотом чи вуглецем.
3Si + 2N 2 → Si 3 N 4
4. З водяними розчинами кислот кремній не реагує. Але розчиняється у лугах.
Si + 2NaOH + H 2 O → Na 2 SiO 3 + 2H 2
5. При сплавленні кремнію з металами утворюються силіциди.
Si + 2Mg → Mg 2 Si
6. Кремній безпосередньо з воднем не взаємодіє, але водневі сполуки кремнію можна отримати при взаємодії силіцидів із водою.
Mg 2 Si + 4H 2 O → 2Mg(OH) 2 + SiH 4 (силан)
Силани за будовою подібні до алканів, але значно реакційно здатні. Найстабільніший моносилан спалахує на повітрі.
SiH 4 +2 Про 2 → SiО 2 + 2H 2 Про
Одержання кремнію
Кремній одержують відновленням з оксиду кремнію (IV)
SiО 2 + 2Mg → Si + 2MgO
Одне із завдань - це отримання високочистого кремнію. Для цього технічний кремній переводять у тетрахлорид кремнію. Тетрахлорид, що вийшов, відновлюють до силану, а силан розкладається при нагріванні на кремній і водень.
Кремній здатний утворювати два оксиди: SiО 2 - оксид кремнію (IV) та SiО - оксид кремнію (II).
Мал. 4
SiО - оксид кремнію (II) - це аморфна темно-коричнева речовина, яка утворюється при взаємодії кремнію з оксидом кремнію (IV)
Si + SiO 2 → 2 SiO.
Незважаючи на стабільність, ця речовина майже не використовується.
SiО 2 - оксид кремнію (IV)
Мал. 5
Мал. 6
Перед цієї речовини припадає 12% земної кори. Мал. 4. Він представлений такими мінералами, як гірський кришталь, кварц, аметист, цитрин, яшма, халцедон. Мал. 5.
SiО 2 – оксид кремнію (IV) – речовина немолекулярної будови.
Його кристалічні грати - атомні. Мал. 6. Кристали SiО 2 мають форму тетраедра, які пов'язані між собою атомами кисню. Правильнішою була б формула молекули (SiО 2)n. Так як SiО 2 утворює речовину атомної будови, а 2 - молекулярної будови, то очевидна різниця в їх властивостях. 2 - це газ, а SiО 2 - тверда прозора кристалічна речовина, нерозчинна у воді і тугоплавка.
Хімічні властивостіSiПро 2
1. Оксид кремнію (IV) SiО 2 – це кислотний оксид. Він не реагує із водою. Кремнієву кислоту не можна отримати гідратацією SiO 2. Її солі - силікати - можна отримати при взаємодії SiO 2 з гарячими розчинами лугів.
SiО 2 + 2NaOH Na 2 SiO 3 + H 2 O
2. Реагує з карбонатами лужних та лужноземельних металів.
CaCO 3 + SiO 2 CaSiO 3 + CO 2
3. Взаємодіє із металами.
SiО 2 + 2Mg → Si + 2MgO
4. Реакція з плавиковою кислотою.
SiО 2 + 4HF → SiF 4 + 2H 2 O
Домашнє завдання
1. № №2-4 (с. 138) Рудзітіс Г.Є. Хімія. Основи загальної хімії. 11 клас: підручник для загальноосвітніх установ: базовий рівень/Г.Є. Рудзітіс, Ф.Г. Фельдман. - 14-те вид. - М: Просвітництво, 2012.
2. Назвіть сфери застосування поліорганосилоксанів.
3. Порівняйте властивості алотропних модифікацій кремнію.
Розташовується у головній підгрупі IV групи, у період. Це аналог вуглецю. Електронна конфігурація електронних шарів атома кремнію ls 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 . Будова зовнішнього електронного шару
Структура зовнішнього електронного шару аналогічна до структури атома вуглецю.
Зустрічається у вигляді двох алотропних видозмін - аморфного та кристалічного.
Аморфний - порошок бурого кольору, що має дещо більшу хімічну активність, ніж кристалічний. При звичайній температурі реагує з фтором:
Si + 2F2 = SiF4 при 400 ° - з киснем
Si + O2 = SiO2
у розплавах - з металами:
2Mg + Si = Mg2Si
Кремній це
Кристалічний кремній – тверда крихка речовина з металевим блиском. Він має хорошу тепло- та електропровідність, легко розчиняється в розплавлених металах, утворюючи . Сплав кремнію з алюмінієм називається силуміном, сплав кремнію із залізом – феросиліцієм. Щільність кремнію 2,4. Температура плавлення 1415 °, температура кипіння 2360 °. Кристалічний кремній - речовина досить інертна і в хімічні реакції насилу вступає. З кислотами, незважаючи на добре помітні металеві властивості, кремній не реагує, а зі лугами вступає в реакцію, утворюючи солі кремнієвої кислоти та :
Si + 2КОН + Н2О = K2SiO2 + 2H2
■ 36. У чому подібність і у чому відмінність електронних структур атомів кремнію та вуглецю?
37. Як пояснити з погляду електронної структури атома кремнію, чому металеві властивості більш характерні кремнію, ніж вуглецю?
38. Перелічіть хімічні властивості кремнію.
Кремній у природі. Двоокис кремнію
У природі кремній дуже поширений. Приблизно 25% земної кори посідає кремній. Значна частина природного кремнію представлена двоокисом кремнію SiO2. У дуже чистому кристалічному стані двоокис кремнію зустрічається у вигляді мінералу, що називається гірським кришталем. Двоокис кремнію та двоокис вуглецю за хімічним складом є аналогами, проте двоокис вуглецю - це газ, а двоокис кремнію - тверда речовина. На відміну від молекулярної кристалічної решітки СO2 двоокис кремнію SiO2 кристалізується у вигляді атомної кристалічної решітки, кожна осередок якої є тетраедр з атомом кремнію в центрі і атомами кисню по кутах. Це тим, що атом кремнію має більший радіус, ніж атом вуглецю, і навколо нього можуть розміститися не 2, а 4 кисневих атома. Відмінністю в будові кристалічних ґрат пояснюється відмінність властивостей цих речовин. На рис. 69 показані зовнішній вигляд кристала природного кварцу, що складається з чистого двоокису кремнію, та її структурна формула.
Мал. 60. Структурна формула двоокису кремнію (а) та кристали природного кварцу (б)
Кристалічний двоокис кремнію найчастіше зустрічається у вигляді піску, який має білий колір, якщо не забруднений глинистими домішками жовтого кольору. Крім піску, двоокис кремнію часто зустрічається у вигляді дуже твердого мінералу - кремнію (гідратований двоокис кремнію). Кристалічний двоокис кремнію, забарвлена в різні домішки, утворює дорогоцінне і напівдорогоцінне каміння - агат, аметист, яшму. Майже чистий двоокис кремнію зустрічається також у вигляді кварцу та кварциту. Вільного двоокису кремнію у земній корі 12%, у складі різних гірських порід – близько 43%. Загалом понад 50% земної кори складається з двоокису кремнію.
Кремній входить до складу різних гірських порід і мінералів - глини, гранітів, сієнітів, слюд, польових шпатів та ін.
Тверда двоокис вуглецю, не плавлячись, виганяється при -78,5 °. Температура плавлення двоокису кремнію близько 1713°. Вона дуже тугоплавка. Щільність 2,65. Коефіцієнт розширення двоокису кремнію дуже малий. Це має дуже велике значення при застосуванні посуду із кварцового скла. У воді двоокис кремнію не розчиняється і з нею не реагує, незважаючи на те, що це кислотний оксид і йому відповідає кремнієва кислота H2SiO3. Двоокис вуглецю у воді, як відомо, розчинна. З кислотами, крім плавикової кислоти HF, двоокис кремнію не реагує, з лугами дає солі.
Мал. 69. Структурна формула двоокису кремнію (а) та кристали природного кварцу (б).
При розжарюванні двоокису кремнію з вугіллям відбувається відновлення кремнію, а потім його з'єднання з вуглецем і утворення карборунду за рівнянням:
SiO2 + 2С = SiC + СО2. Карборунд має високу твердість, до кислот стійкий, а лугами руйнується.
■ 39. За якими властивостями двоокису кремнію можна судити про його кристалічні ґрати?
40. Яких мінералів двоокис кремнію зустрічається у природі?
41. Що таке карборунд?
Кремнієва кислота. Силікати
Кремнієва кислота H2SiO3 є кислотою дуже слабкою та малостійкою. При нагріванні вона поступово розкладається на воду і двоокис кремнію:
H2SiO3 = H2O + SiO2
У воді кремнієва кислота практично нерозчинна, але може легко давати.
Кремнієва кислота утворює солі, які називаються силікатами. широко зустрічаються у природі. Природні – це досить складні. Склад їх зазвичай зображується як з'єднання кількох оксидів. Якщо до складу природних силікатів входить оксид алюмінію, вони називаються алюмосилікатами. Такі біла глина, (каолін) Al2O3 · 2SiO2 · 2H2O, польовий шпат К2O · Al2O3 · 6SiO2, слюда
К2O · Al2O3 · 6SiO2 · 2Н2O. Багато природних у чистому вигляді є дорогоцінним камінням, наприклад аквамарин, смарагд та ін.
Зі штучних силікатів слід відзначити силікат натрію Na2SiO3 - один з небагатьох розчинних у воді силікатів. Його називають розчинним склом, а розчин – рідким склом.
Силікати широко застосовують у техніці. Розчинним склом просочують тканини та деревину для запобігання їх від займання. Рідке входить до складу вогнетривких замазок для склеювання скла, порцеляни, каменю. Силікати є основою у виробництві скла, фарфору, фаянсу, цементу, бетону, цегли та різних керамічних виробів. У розчині силікати легко гідролізують.
■ 42. Що таке? Чим вони відрізняються від силікатів?
43. Що таке рідке і для яких цілей воно застосовується?
Скло
Сировиною для виробництва скла є сода Na2CO3, вапняк СаСO3 та пісок SiO2. Усі складові скляної шихти ретельно очищають, змішують і сплавляють при температурі близько 1400°. У процесі сплавлення протікають наступні реакції:
Na2CO3 + SiO2 = Na2SiO3 + CO2
CaCO3 + SiO2 = CaSiO 3+ CO2
Фактично до складу скла входять силікати натрію та кальцію, а також надлишок SO2, тому склад звичайного шибки: Na2O · CaO · 6SiO2. Скляну шихту нагрівають при температурі 1500° доти, доки повністю не видаляється двоокис вуглецю. Потім охолоджують до температури 1200°, коли він стає в'язким. Як будь-яка аморфна речовина, скло розм'якшується і твердне поступово, тому воно є хорошим пластичним матеріалом. В'язку скляну масу пропускають через щілину, внаслідок чого утворюється скляний лист. Гарячий скляний лист витягують валками, доводячи до певних розмірів та поступово охолоджуючи струмом повітря. Потім обрізають по краях і розрізають на аркуші певного формату.
■ 44. Наведіть рівняння реакцій, що протікають при отриманні скла, та склад шибки.
Скло- речовина аморфна, прозора, у воді практично нерозчинна, але якщо подрібнити її в дрібний пил і змішати з невеликою кількістю води, в отриманій суміші за допомогою фенолфталеїну можна виявити луг. При тривалому зберіганні лугів у скляному посуді надлишок SiO2 у склі дуже повільно реагує із лугом і скло поступово втрачає прозорість.
Скло стало відоме людям більш ніж за 3000 років до нашої ери. У давнину отримували шибки майже такого ж складу, як і в даний час, але древні майстри керувалися лише власною інтуїцією. У 1750 р. М. Ст зумів розробити наукові основи отримання скла. За 4 роки М. В. зібрав багато рецептів виготовлення різних шибок, особливо кольорових. На зведеній ним скляній фабриці було виготовлено велику кількість зразків скла, які збереглися до наших днів. В даний час використовуються скла різного складу, що володіють різними властивостями.
Кварцове скло складається з майже чистого двоокису кремнію та виплавляється з гірського кришталю. Його дуже важливою особливістю є те, що коефіцієнт розширення у нього незначний, майже в 15 разів менше, ніж у звичайного скла. Посуд з такого скла можна розжарити до червоного полум'я пальника і після цього опустити в холодну воду; при цьому жодних змін зі склом не станеться. Кварцове скло не затримує ультрафіолетових променів, а якщо пофарбувати його нікелевими солями в чорний колір, воно затримуватиме всі видимі промені спектру, але для ультрафіолетових променів залишиться прозорим.
На кварцове скло не діють кислоти, але луги його помітно роз'їдають. Кварцове скло крихкіше, ніж звичайне. Лабораторне скло містить близько 70% SiО2, 9% Na2О, 5% К2О 8% СаО, 5% Аl2O3, 3% В2O3 (склад скла наводиться не для запам'ятовування).
У промисловості знаходять застосування скла ієнське та пірекс. Ієнське скло містить близько 65% Si02, 15% В2O3, 12% ВаО, 4% ZnO, 4% Аl2O3. Воно міцне, стійке до механічних впливів, має малий коефіцієнт розширення, стійке до лугів.
Скло пірекс містить 81% SiO2, 12% В2O3, 4% Na2O, 2% Аl2O3, 0,5% As2O3, 0,2% К2O, 0,3% СаО. Воно має такі ж властивості, як ієнське скло, але ще більшою мірою, особливо після загартування, зате менш стійке до лугів. Зі скла пірекс виготовляють предмети домашнього вжитку, що піддаються нагріванню, а також деталі деяких промислових установок, що працюють при низьких і високих температурах.
Різні якості склу надають деякі добавки. Наприклад, домішки оксидів ванадію дають скло, що повністю затримує ультрафіолетові промені.
Отримують також скло, пофарбоване в різні кольори. Ще М. Ст виготовив кілька тисяч зразків кольорового скла різного забарвлення та відтінків для своїх мозаїчних картин. В даний час методи фарбування скла детально розроблені. З'єднання марганцю забарвлюють скло у фіолетовий колір, кобальту – у синій. , Розпорошене в масі скла у вигляді колоїдних частинок, надає йому рубінового забарвлення і т. д. Свинцеві з'єднання надають склу блиск, подібний до блиску гірського кришталю, тому воно називається кришталевим. Таке скло легко піддається обробці, ограновуванні. Вироби з нього дуже гарно заломлюють світло. При фарбуванні цього скла різними добавками виходить кольорове кришталеве скло.
Якщо розплавлене скло змішати з речовинами, які при розкладанні утворюють велику кількість газів, то останні, виділяючись, спінюють скло, утворюючи піноскло. Таке скло дуже легке, добре обробляється, є чудовим електро- та теплоізолятором. Воно було вперше отримано проф. І. І. Китайгородським.
Витягуючи зі скла нитки, можна отримати так зване скловолокно. Якщо просочити укладене шарами скловолокно синтетичними смолами, то виходить дуже міцний, не піддається гниттю, будівельний матеріал, що прекрасно обробляється, так званий склотекстоліт. Цікаво, що чим тонше скловолокно, тим вища його міцність. Скловолокно також застосовується для виготовлення спецодягу.
Скляна вата є цінним матеріалом, через який можна фільтрувати сильні кислоти та луги, що не фільтруються через папір. Крім того, скляна вата є гарною теплоізолюючою речовиною.
■ 44. Від чого залежать властивості стекол різних видів?
Кераміка
З алюмосилікатів особливо важлива біла глина - каолін, що є основою для одержання порцеляни та фаянсу. Виробництво порцеляни - надзвичайно давня галузь господарства. Батьківщина порцеляни - Китай. У Росії фарфор було отримано вперше у XVIII ст. Д, І. Виноградовим.
Сировиною для одержання порцеляни та фаянсу, крім каоліну, служать пісок та . Суміш каоліну, піску та води піддають ретельному тонкому розмелу у кульових млинах, потім відфільтровують надлишок води і добре вимішану пластичну масу направляють на формування виробів. Після формування виробу піддають сушінню та випалюванню в тунельних печах безперервної дії, де їх спочатку розігрівають, потім обпалюють і, нарешті, охолоджують. Після цього вироби проходять подальшу обробку – покриття глазур'ю, нанесення малюнка керамічними фарбами. Після кожної стадії виробу випалюють. В результаті фарфор виходить білим, гладким і блискучим. У тонких шарах він просвічує. Фаянс пористий і не просвічує.
З червоної глини формують цеглу, черепицю, глиняний посуд, керамічні кільця для насадки в поглинальних та промивних вежах різних хімічних виробництв, горщики для квітів. Їх також випалюють, щоб вони не розм'якшувалися водою, стали механічно міцними.
Цемент. Бетон
З'єднання кремнію є основою для отримання цементу - в'яжучого матеріалу, незамінного в будівництві. Сировиною для одержання цементу є глина та вапняк. Цю суміш обпалюють у величезній похилій трубчастій печі, що обертається, куди безперервно завантажують сировину. Після випалу при 1200-1300 ° з отвору, розташованого на іншому кінці печі, безперервно виходить спеклася маса - клінкер. Після розмелювання клінкер перетворюється на . До складу цементу входять головним чином силікати. Якщо змішати з водою до утворення густої кашки, а потім залишити на деякий час на повітрі, то вступить в реакцію з речовинами цементу, утворюючи кристалогідрати та інші тверді сполуки, що призводить до затвердіння цементу. Такий
Кремній
КРЕМНІЙ-я; м.[від грец. krēmnos - скеля, скеля] Хімічний елемент (Si), темно-сірі з металевим блиском кристали якого входять до складу більшості гірських порід.
◁ Кремнієвий, -а, -а. К-ті солі.Кремнистий (див. 2.К.; 1 зн.).
кремній(Лат. Silicium), хімічний елемент IV групи періодичної системи. Темно-сірі кристали з металевим блиском; щільність 2,33 г/см 3 , tпл 1415 ºC. Стійок до хімічних дій. Складає 27,6% маси земної кори (2-е місце серед елементів), головні мінерали – кремнезем та силікати. Один із найважливіших напівпровідникових матеріалів (транзистори, термістори, фотоелементи). Складова частина багатьох сталей та інших сплавів (підвищує механічну міцність та стійкість до корозії, покращує ливарні властивості).
КРЕМНІЙКРЕМНІЙ (лат. Silicium від silex - кремінь), Si (читається "силіціум", але в даний час досить часто і як "сі"), хімічний елемент з атомним номером 14, атомна маса 28,0855. Російська назва походить від грецького kremnos - скеля, гора.
Природний кремній складається із суміші трьох стабільних нуклідів. (див.НУКЛІД)з масовими числами 28 (переважає у суміші, його в ній 92,27% за масою), 29 (4,68%) та 30 (3,05%). Конфігурація зовнішнього електронного шару нейтрального збудженого атома кремнію 3 s 2
р 2
. У сполуках зазвичай виявляє ступінь окислення +4 (валентність IV) та дуже рідко +3, +2 та +1 (валентності відповідно III, II та I). У періодичній системі Менделєєва кремній розташований у групі IVA (у групі вуглецю), у третьому періоді.
Радіус нейтрального атома кремнію 0,133 нм. Енергії послідовної іонізації атома кремнію 8,1517, 16,342, 33,46 та 45,13 еВ, спорідненість до електрона 1,22 еВ. Радіус іона Si 4+ при координаційному числі 4 (найпоширенішому у разі кремнію) 0,040 нм, при координаційному числі 6 - 0,054 нм. За шкалою Полінга електронегативність кремнію 1,9. Хоча кремній прийнято відносити до неметал, він по ряду властивостей займає проміжне положення між металами і неметалами.
У вільному вигляді – коричневий порошок або світло-сірий компактний матеріал із металевим блиском.
Історія відкриття
Сполуки кремнію були відомі людині з незапам'ятних часів. Але з простою речовиною кремнієм людина познайомилася лише близько 200 років тому. Фактично першими дослідниками, які отримали кремній, були французи Ж. Л. Гей-Люссак (див.ГЕЙ-ЛЮССАК Жозеф Луї)та Л. Ж. Тенар (див.ТЕНАР (Луї Жак). Вони в 1811 виявили, що нагрівання фториду кремнію з металевим калієм призводить до утворення буро-коричневої речовини:
SiF 4 + 4K = Si + 4KF, однак самі дослідники правильного висновку про отримання нової простої речовини не зробили. Честь відкриття нового елемента належить шведському хіміку Й. Берцеліусу (див.Берцеліус Єнс Якоб), який для одержання кремнію нагрівав також з металевим калієм з'єднання складу K 2 SiF 6 . Він отримав той же аморфний порошок, що і французькі хіміки, і в 1824 році оголосив про нову елементарну речовину, яку назвав «силіцій». Кристалічний кремній був отриманий тільки в 1854 французьким хіміком А. Е. Сент-Клер Девілем (див.СЕНТ-КЛЕР ДЕВІЛЬ Анрі Етьєн) .
Знаходження у природі
За поширеністю у земній корі кремній серед усіх елементів посідає друге місце (після кисню). Перед кремнію припадає 27,7% маси земної кори. Кремній входить до складу кількох сотень різних природних силікатів (див.СИЛІКАТИ)та алюмосилікатів (див.АЛЮМОСИЛІКАТИ). Широко поширений і кремнезем, або кремнію діоксид. (див.КРЕМНІЯ ДІОКСИД) SiO 2 (річковий пісок (див.ПІСОК), кварц (див.КВАРЦ), кремінь (див.КРЕМІНЬ)та ін), що становить близько 12% земної кори (за масою). У вільному вигляді кремній у природі не зустрічається.
Отримання
У промисловості кремній одержують, відновлюючи розплав SiO 2 коксом при температурі близько 1800°C дугових печах. Чистота одержаного таким чином кремнію становить близько 99,9%. Так як для практичного використання потрібен кремній вищої чистоти, отриманий хлорують кремній. Утворюються сполуки складу SiCl 4 і SiCl 3 H. Ці хлориди очищають далі різними способами від домішок і на заключному етапі відновлюють чистим воднем. Можливе також очищення кремнію за рахунок попереднього одержання силіциду магнію Mg 2 Si. Далі із силіциду магнію за допомогою соляної або оцтової кислот отримують леткий моносилан SiH 4 . Моносилан очищають далі ректифікацією, сорбційними та ін методами, а потім розкладають на кремній і водень при температурі близько 1000°C. Вміст домішок в одержуваному цими методами кремнії знижується до 10 -8 -10 -6 % за масою.
Фізичні та хімічні властивості
Кристалічні грати кремнію кубічні гранецентровані типу алмазу, параметр а = 0,54307 нм (при високих тисках отримані й інші поліморфні модифікації кремнію), але через більшу довжину зв'язку між атомами Si-Si порівняно з довжиною зв'язку С-С твердість кремнію значно менше, ніж алмазу.
Щільність кремнію 2,33 кг/дм3. Температура плавлення 1410°C температура кипіння 2355°C. Кремній крихкий, тільки при нагріванні вище 800 ° C він стає пластичною речовиною. Цікаво, що кремній прозорий до інфрачервоного (ІЧ)-випромінювання.
Елементарний кремній – типовий напівпровідник (див.ПІВПРОВІДНИКИ). Ширина забороненої зони за кімнатної температури 1,09 еВ. Концентрація носіїв струму в кремнії з власною провідністю при кімнатній температурі 1,5 10 16 м -3 . На електрофізичні властивості кристалічного кремнію великий вплив мають мікродомішки, що містяться в ньому. Для отримання монокристалів кремнію з дірковою провідністю в кремній вводять добавки елементів III групи - бору (див.БІР (хімічний елемент)), алюмінію (див.АЛЮМІНІЙ), галія (див.ГАЛІЙ)та Індія (див.ІНДІЙ), з електронною провідністю - добавки елементів V групи - фосфору (див.ФОСФОР), миш'яку (див.МИШ'ЯК)або сурми (див.СУРМА). Електричні властивості кремнію можна варіювати, змінюючи умови обробки монокристалів, зокрема обробляючи поверхню кремнію різними хімічними агентами.
Хімічно кремній малоактивний. При кімнатній температурі реагує тільки з газоподібним фтором, утворюється при цьому летючий тетрафторид кремнію SiF 4 . При нагріванні до температури 400-500°C кремній реагує з киснем з утворенням діоксиду SiO 2 з хлором, бромом і йодом - з утворенням відповідних легко летких тетрагалогенідів SiHal 4 .
З воднем кремній безпосередньо не реагує, з'єднання кремнію з воднем - силани (див.СИЛАНИ)із загальною формулою Si n H 2n+2 - одержують непрямим шляхом. Моносилан SiH 4 (його часто називають просто силаном) виділяється при взаємодії силіцидів металів із розчинами кислот, наприклад:
Ca 2 Si + 4HCl = 2CaCl 2 + SiH 4
Силан SiH 4 , що утворюється в цій реакції, містить домішок і інших силанів, зокрема, дисилану Si 2 H 6 і трисилану Si 3 H 8 , в яких є ланцюжок з атомів кремнію, пов'язаних між собою одинарними зв'язками (-Si-Si-Si-) .
З азотом кремній при температурі близько 1000°C утворює нітрид Si 3 N 4 з бором - термічно і хімічно стійкі бориди SiB 3 , SiB 6 і SiB 12 . З'єднання кремнію та його найближчого аналога за таблицею Менделєєва - вуглецю - карбід кремнію SiС (карборунд (див.Карборунд)) характеризується високою твердістю та низькою хімічною активністю. Карборунд широко використовується як абразивний матеріал.
При нагріванні кремнію з металами виникають силіциди (див.СИЛІЦИДИ). Силициди можна поділити на дві групи: іонно-ковалентні (силіциди лужних, лужноземельних металів та магнію типу Ca 2 Si, Mg 2 Si та ін) та металоподібні (силіциди перехідних металів). Силициди активних металів розкладаються під дією кислот, силіциди перехідних металів хімічно стійкі і під дією кислот не розкладаються. Металоподібні силіциди мають високу температуру плавлення (до 2000°C). Найбільш часто утворюються металоподібні силіциди складів MSi, M 3 Si 2 , M 2 Si 3 , M 5 Si 3 і MSi 2 . Металоподібні силіциди хімічно інертні, стійкі до дії кисню навіть за високих температур.
Діоксид кремнію SiO 2 - кислотний оксид, що не реагує з водою. Існує як кілька поліморфних модифікацій (кварц (див.КВАРЦ), тридиміт, кристобаліт, склоподібний SiO 2). З цих модифікацій найбільше практичного значення має кварц. Кварц має властивості п'єзоелектрика (див.П'ЄЗОЕЛЕКТРИЧНІ МАТЕРІАЛИ)він прозорий для ультрафіолетового (УФ) випромінювання. Характеризується дуже низьким коефіцієнтом теплового розширення, тому виготовлений з кварцу посуд не розтріскується при перепадах температури до 1000 градусів.
Кварц хімічно стійкий до дії кислот, але реагує з плавиковою кислотою:
SiO 2 + 6HF = H 2 + 2H 2 O
та газоподібним фтороводнем HF:
SiO 2 + 4HF = SiF 4 + 2H 2 O
Ці дві реакції широко використовують для травлення скла.
При сплавленні SiO 2 з лугами та основними оксидами, а також з карбонатами активних металів утворюються силікати (див.СИЛІКАТИ)- солі, що не мають постійного складу, дуже слабких нерозчинних у воді кремнієвих кислот. (див.КРЕМНІЄВІ КИСЛОТИ)загальної формули xH 2 O·ySiO 2 (досить часто в літературі не дуже точно пишуть не про кремнієві кислоти, а про кремнієву кислоту, хоча фактично йдеться при цьому про те саме). Наприклад, може бути отриманий ортосилікат натрію:
SiO 2 + 4NaOH = (2Na 2 O)·SiO 2 +2H 2 O,
метасилікат кальцію:
SiO 2 + СаО = СаО · SiO 2
або змішаний силікат кальцію та натрію:
Na 2 CO 3 + CaCO 3 + 6SiO 2 = Na 2 O · CaO · 6SiO 2 + 2CO 2
З силікату Na 2 O·CaO·6SiO 2 виготовляють шибку.
Слід зазначити, більшість силікатів немає постійного складу. З усіх силікатів розчиняються у воді тільки силікати натрію та калію. Розчини цих силікатів у воді називають розчинним склом. Через гідроліз ці розчини характеризуються сильно лужним середовищем. Для гідролізованих силікатів характерним є утворення не істинних, а колоїдних розчинів. При підкисленні розчинів силікатів натрію або калію випадає драглистий білий осад гідратованих кремнієвих кислот.
Головним структурним елементом як твердого діоксиду кремнію, і всіх силікатів виступає група , у якій атом кремнію Si оточений тетраедром із чотирьох атомів кисню О. У цьому кожен атом кисню з'єднаний із двома атомами кремнію. Фрагменти можуть бути пов'язані між собою по-різному. Серед силікатів за характером зв'язку в них фрагментів виділяють острівні, ланцюжкові, стрічкові, шаруваті, каркасні та інші.
При відновленні SiO 2 кремнієм за високих температур утворюється монооксид кремнію складу SiO.
Для кремнію характерне утворення кремнійорганічних сполук (див.КРЕМНІЙОРГАНІЧНІ СПОЛУКИ, в яких атоми кремнію з'єднані в довгі ланцюжки за рахунок місткових атомів кисню -О-, а до кожного атома кремнію, крім двох атомів, приєднані ще два органічних радикалу R 1 і R 2 = CH 3 , C 2 H 5 , C 6 H 5 CH 2 CH 2 CF 3 та ін.
Застосування
Кремній використовують як напівпровідниковий матеріал. Кварц знаходить застосування як п'єзоелектрик, як матеріал для виготовлення жароміцного хімічного (кварцового) посуду, ламп УФ-випромінювання. Силікати знаходять широке застосування як будівельні матеріали. Віконні скла є аморфними силікатами. Кремнійорганічні матеріали характеризуються високою зносостійкістю і широко використовуються на практиці як силіконові олії, клеї, каучуки, лаки.
Біологічна роль
Для деяких організмів кремній є важливим біогенним елементом (див.БІОГЕННІ ЕЛЕМЕНТИ). Він входить до складу опорних утворень у рослин та скелетних – у тварин. У великих кількостях кремній концентрують морські організми – діатомові водорості. (див.Діатомові водорослі), радіолярії (див.РАДІОЛЯРІЇ), губки (див.ГУБКИ). М'язова тканина людини містить (1-2) 10 -2 % кремнію, кісткова тканина - 17 10 -4 %, кров - 3,9 мг/л. З їжею в організм людини щодня надходить до 1 г кремнію.
Сполуки кремнію не отруйні. Але дуже небезпечно вдихання високодисперсних частинок як силікатів, так і діоксиду кремнію, що утворюються, наприклад, при вибухових роботах, при довбанні порід у шахтах, при роботі піскоструминних апаратів і т. д. кристаліки, що виникають, руйнують легеневу тканину і викликають тяжку хворобу - силікоз (див.Силікоз). Щоб запобігти потраплянню в легені цього небезпечного пилу, слід використовувати для захисту органів дихання респіратор.
Енциклопедичний словник. 2009 .
Синоніми:Дивитись що таке "кремній" в інших словниках:
- (Символ Si), широко поширений сірий хімічний елемент IV групи періодичної таблиці, неметал. Вперше був виділений Єнсом Берцеліус в 1824 р. Кремній зустрічається тільки в сполуках, таких як КРЕМНЕЗЕМ (діоксид кремнію) або ... Науково-технічний енциклопедичний словник
Кремній- одержують майже виключно карботермальним відновленням діоксиду кремнію з використанням електродугових печей. Є поганим провідником тепла та електрики, твердіше за скло, зазвичай має вигляд порошку або частіше безформних шматків. Офіційна термінологія
КРЕМНІЙ- Хім. елемент, неметал, символ Si (лат. Silicium), ат. н. 14, ат. м. 28,08; відомі аморфний і кристалічний кремній (який побудований із кристалів того ж типу, що й алмаз). Аморфний К. бурий порошок кубічної структури у високодисперсному ... Велика політехнічна енциклопедія
- (Silicium), Si, хімічний елемент IV групи періодичної системи, атомний номер 14, атомна маса 28,0855; неметал, tпл 1415шC. Кремній другий після кисню за поширеністю на Землі елемент, вміст у земній корі 27,6% за масою. Сучасна енциклопедія
Si (лат. Silicium * a. silicium, silicon; н. Silizium; ф. silicium; і. siliseo), хім. елемент IV групи періодич. системи Менделєєва, ат. н. 14, ат. м. 28,086. В природі зустрічаються 3 стабільні ізотопи 28Si (92,27), 29Si (4,68%), 30Si (3 … Геологічна енциклопедія
