Кремний и его соединения

Кремний и его соединения. Кремний в природе. Применение кремния

Одним из самых востребованных в технике и промышленности элементов является кремний. Этому он обязан своими необычными свойствами.

Сегодня существует масса различных соединений данного элемента, которые играют важную роль в синтезе и создании технических продуктов, посуды, стекла, оборудования, строительных и отделочных материалов, ювелирных украшений и в прочих отраслях промышленности.

Общая характеристика кремния

Если рассматривать положение кремния в периодической системе, то можно сказать так:

1. Располагается в IV группе главной подгруппы.
2. Порядковый номер 14.
3. Атомная масса 28,086.
4. Химический символ Si.
5. Название – кремний, или на латыни – silicium.
6. Электронная конфигурация внешнего слоя 4е:2е:8е.

Кристаллическая решетка кремния подобна решетке алмаза. В узлах расположены атомы, тип ее – кубическая гранецентрированная. Однако вследствие большей длины связи физические свойства кремния сильно отличаются от свойств аллотропной модификации углерода.

Физические и химические свойства

Существует две аллотропные модификации данного элемента: аморфная и кристаллическая. Они очень схожи. Однако, как и в случае с другими веществами, главное различие между ними – кристаллическая решетка кремния.

При этом обе модификации – это порошки разного цвета.

1. Кристаллический кремний представляет собой темно-серый блестящий порошок, похожий на металл. Структура его соответствует алмазу, однако свойства отличны. Он обладает:

• хрупкостью;
• невысокой твердостью;
• полупроводниковыми свойствами;
• температурой плавления 14150С;
• плотностью 2,33 г/см3;
• температурой кипения 27000С.

Его химическая активность невысока по сравнению с другой аллотропной формой.

2. Аморфный кремний – буро-коричневый порошок, обладает структурой сильноразупорядоченного алмаза. Химическая активность достаточно высока.

В целом следует заметить, что вступать в реакции кремний не любит. Чтобы заставить его реагировать, нужна температура не меньше 400-5000С. При этих условиях образуются различные химические соединения кремния. Такие как:

• оксиды;
• галогениды;
• силициды;
• нитриды;
• бориды;
• карбиды.

Возможно взаимодействие кремния с азотной кислотой или щелочью, что имеет название процесса травления. Широко распространены кремнийорганические соединения, которые сегодня получают все большее распространение.

Нахождение в природе

Кремний в природе содержится в достаточно весомом количестве. Стоит на втором месте после кислорода по распространенности. Его массовая доля составляет около 30%. Морская вода также содержит данный элемент в примерной концентрации 3 мг/л. Поэтому нельзя сказать, что кремний в природе – это редкий элемент.

Напротив, существует масса различных пород и минералов, в составе которых он встречается и из которых его можно добывать. Самые распространенные природные соединения кремния следующие:

1. Кремнезем. Химическая формула SiO2. Существует достаточно большое разнообразие форм минералов и горных пород на его основе: песок, кремень, полевые шпаты, кварц, горный хрусталь, аметист, халцедон, сердолик, опал, яшма и другие.
2. Силикаты и алюмосиликаты. Каолин, шпаты, слюда, соли кремниевой кислоты, асбест, тальк.

Таким образом, распространение в природе кремния широко, а его соединения пользуются популярностью и спросом у людей для применения в технических целях.

Кремний и его соединения

Так как в чистом виде рассматриваемый элемент существовать не может, поэтому важное значение имеют разные его соединения. С химической точки зрения он может проявлять три степени окисления: +2, +4, -4. Исходя из этого, а также из своей инертности, но особенной по строению кристаллической решетки, он формирует следующие основные виды веществ:

• бинарные соединения с неметаллами (силан, карбид, нитрид, фосфид и так далее;
• оксиды;
• кремниевую кислоту;
• силикаты металлов.

Рассмотрим подробнее, какое значение имеет кремний и его соединения, являющиеся самыми распространенными и востребованными для людей.

Оксиды кремния

Существует две разновидности данного вещества, выражаемые формулами:

Однако наибольшее распространение имеет диоксид. Он существует в природе в виде очень красивых полудрагоценных камней:

• агат;
• халцедон;
• опал;
• сердолик;
• яшма;
• аметист;
• горный хрусталь.

Применение кремния в такой форме нашло свое применение в производстве ювелирных изделий. Невероятно красивые золотые и серебряные украшения изготавливаются с этими полудрагоценными и поделочными камнями.

Еще несколько вариаций диоксида кремния:

• кварц;
• речной и кварцевый песок;
• кремень;
• полевые шпаты.

Применение кремния в таких видах реализуется в строительных работах, технике, радиоэлектронике, химической отрасли, металлургии. Все вместе перечисленные оксиды относятся к единому веществу – кремнезему.

Карбид кремния и его применение

Кремний и его соединения – это материалы будущего и настоящего. Одним из таких материалов является карборунд или карбид данного элемента. Химическая формула SiC. Встречается в природе в виде минерала муассанита.

В чистом виде соединение углерода и кремния – это красивые прозрачные кристаллы, напоминающие алмазные структуры. Однако в технических целях используются окрашенные в зеленый и черный цвета вещества.

Основные характеристики данного вещества, позволяющие использовать его в металлургии, технике, химической промышленности, следующие:

• полупроводник широкозонный;
• очень высокая степень прочности (7 по шкале Мооса);
• устойчив к действию высоких температур;
• отличная электроустойчивость и теплопроводность.

Все это позволяет использовать карборунд в качестве абразивного материала в металлургии и химических синтезах. А также на его основе изготавливать светодиоды широкого спектра действия, детали для стекловарочных печей, сопла, факелы, ювелирные украшения (муассанит ценится выше фианита).

Силан и его значение

Водородное соединение кремния имеет название силан и не может быть получено прямым синтезом из исходных веществ. Для его получения используют силициды различных металлов, которые подвергаются обработке кислотами. В результате выделяется газообразный силан и формируется соль металла.

Интересно то, что рассматриваемое соединение никогда не образуется в одиночестве. Всегда в результате реакции получается смесь моно-, ди- и трисилана, в которых атомы кремния соединены между собой в цепочки.

По своим свойствам эти соединения – сильные восстановители. Сами при этом легко окисляются кислородом, иногда со взрывом. С галогенами реакции бурные всегда, с большим выбросом энергии.

Области применения силанов следующие:

1. Реакции органических синтезов, в результате которых образуются важные кремнийорганические соединения – силиконы, резины, герметики, смазки, эмульсии и прочие.
2. Микроэлектроника (жидкокристаллические мониторы, интегральные технические схемы и прочее).
3. Получение сверхчистого поликремния.
4. Стоматология при протезировании.

Таким образом, значение силанов в современном мире высоко.

Кремниевая кислота и силикаты

Гидроксид рассматриваемого элемента – это разные кремниевые кислоты. Выделяют:

• мета;
• орто;
• поликремниевые и другие кислоты.

Все их объединяют общие свойства – крайняя неустойчивость в свободном состоянии. Они легко разлагаются под действием температуры. При обычных условиях существуют недолго, превращаясь сначала в золь, а потом в гель. После высыхания такие структуры называют силикагелями. Они используются в качестве адсорбентов в фильтрах.

Важными, с точки зрения промышленности, являются соли кремниевых кислот – силикаты. Они лежат в основе получения таких веществ, как:

• стекло;
• бетон;
• цемент;
• цеолит;
• каолин;
• фарфор;
• фаянс;
• хрусталь;
• керамика.

Силикаты щелочных металлов – растворимы, всех остальных – нет. Поэтому силикат натрия и калия называют жидким стеклом. Обычный канцелярский клей – это и есть натриевая соль кремниевой кислоты.

Но самыми интересными соединениями являются все же стекла. Каких только вариантов этого вещества ни придумали! Сегодня получают цветные, оптические, матовые варианты. Стеклянная посуда поражает своим великолепием и разнообразием.

При добавлении определенных оксидов металлов и неметаллов в смесь можно получать самые разные типы стекла. Иногда даже одинаковый состав, но различное процентное содержание компонентов приводит к различию в свойствах вещества.

Кварцевое стекло – это форма особо чистого продукта, состав которого описывается как диоксид кремния.

Открытия в области соединений кремния

За последние несколько лет исследований было доказано, что кремний и его соединения – важнейшие участники нормального состояния живых организмов. С недостатком или избытком данного элемента связаны такие заболевания, как:

• рак;
• туберкулез;
• артриты;
• катаракта;
• проказа;
• дизентерия;
• ревматизм;
• гепатит и другие.

Сами процессы старения организма также связаны с количественным содержанием кремния. Многочисленные опыты на млекопитающих животных доказали, что при недостатке элемента возникают инфаркты, инсульты, рак и активизируется вирус гепатита.

Источник: https://FB.ru/article/180365/kremniy-i-ego-soedineniya-kremniy-v-prirode-primenenie-kremniya

Кремний: характеристики, особенности и области применения

Как самостоятельный химический элемент кремний стал известен человечеству всего лишь в 1825 году.

Что, конечно, не мешало применять соединения кремния в таком количестве сфер, что проще перечислить те, где элемент не используется.

Данная статья прольет свет на физические, механические и полезные химические свойства кремния и его соединений, области применения, также мы расскажем о том, как влияет кремний на свойства стали и иных металлов.

Для начала давайте остановимся на общей характеристике кремния. От 27,6 до 29,5% массы земной коры составляет кремний. В морской воде концентрация элемента тоже изрядная – до 3 мг/л.

По распространенности в литосфере кремний занимает второе почетное место после кислорода. Однако наиболее известная его форма – кремнезем, является диоксидом, и именно его свойства и стали основой для столь широкого применения.

О том, что такое кремний, расскажет этот видеосюжет:

Кремний – неметалл, однако при разных условиях может проявлять и кислотные, и основные свойства. Является типичным полупроводником и чрезвычайно широко используется в электротехнике. Физические и химические его свойства во многом определяются аллотропным состоянием. Чаще всего дело имеют с кристаллической формой, поскольку ее качества более востребованы в народном хозяйстве.

• Кремний – один из базовых макроэлементов в человеческом теле. Его нехватка губительно сказывается на состоянии костной ткани, волос, кожи, ногтей. Кроме того, кремний оказывает влияние на работоспособность иммунной системы.
• В медицине элемент, вернее говоря, его соединения нашли свое первое применение именно в этом качестве. Вода из колодцев, выложенных кремнием, отличались не только чистотой, но и положительно сказывалась на стойкости к инфекционным болезням. Сегодня соединение с кремнием служат основой для препаратов против туберкулеза, атеросклероза, артрита.
• В целом неметалл малоактивен, однако и в чистом виде встретить его сложно. Связано это с тем, что на воздухе он быстро пассивируется слоем диоксида и перестает реагировать. При нагревании химическая активность увеличивается. В результате человечество гораздо ближе знакомо с соединениями вещества, а не с ним самим.

Так, кремний образует сплавы практически со всеми металлами – силициды. Все они отличаются тугоплавкостью и твердостью и применяются на соответствующих участках: газовые турбины, нагреватели печей.

Размещается неметалл в таблице Д. И. Менделеева в 6 группе вместе с углеродом, германием, оловом, что указывает на определенную общность с этими веществами. Так, с углеродом его «роднит» способность к образованию соединений по типу органических. При этом кремний, как и германий может проявить свойства металла в некоторых химических реакциях, что используется в синтезе.

Плюсы и минусы

Как и всякое другое вещество с точки зрения применения в народном хозяйстве, кремний обладает определенными полезными или не слишком качествами. Важны они именно для определения области использования.

• Немалым достоинством вещества является его доступность. В природе он, правда, находится не в свободном виде, но все же, технология получения кремния не так уж и сложна, хотя и энергозатратна.
• Второе важнейшее достоинство – образование множества соединений с необыкновенно полезными свойствами. Это и силаны, и силициды, и диоксид, и, конечно, разнообразнейшие силикаты. Способность кремния и его соединений образовывать сложные твердые растворы практически бесконечна, что позволяет бесконечно же получать самые разные вариации стекла, камня и керамики.
• Полупроводниковые свойства неметалла обеспечивает ему место базового материала в электро- и радиотехнике.
• Неметалл является нетоксичным, что допускает применение в любой отрасли промышленности, и при этом не превращает технологический процесс в потенциально опасный.

К недостаткам материала можно отнести лишь относительную хрупкость при хорошей твердости. Кремний не используется для несущих конструкций, но зато это сочетание позволяет обрабатывать должным образом поверхность кристаллов, что важно для приборостроения.

Давайте теперь поговорим про основные свойства кремния.

Свойства и характеристики

Поскольку в промышленности чаще всего эксплуатируется кристаллический кремний, то именно его свойства и являются более важными, и именно они и приводятся в технических характеристиках. Физические свойства вещества таковы:

• температура плавления – 1417 С;
• температура кипения – 2600 С;
• плотность составляет 2,33 г/куб. см, что свидетельствует о хрупкости;
• теплоемкость, как и теплопроводность не постоянны даже на самых чистых пробах: 800 Дж/(кг·К), или 0,191 кал/(г·град) и 84-126 вт/(м·К), или 0,20-0,30 кал/(см·сек·град) соответственно;
• прозрачен для длинноволнового ИК-излучения, что используется в инфракрасной оптике;
• диэлектрическая проницаемость – 1,17;
• твердость по шкале Мооса – 7.

Электрические свойства неметалла сильно зависят от примесей. В промышленности эту особенность используют, модулируя нужный тип полупроводника. При нормальной температуре кремний хрупок, но при нагревании выше 800 С возможна пластическая деформация.

Свойства аморфного кремния разительно отличаются: он сильно гигроскопичен, намного активнее вступает в реакцию даже при нормальной температуре.

Структура и химический состав, а также свойства кремния рассмотрены в видеоролике ниже:

Кремний существует в двух аллотропных формах, одинаково устойчивых при нормальной температуре.

• Кристаллический имеет вид темно-серого порошка. Вещество, хотя и имеет алмазоподобную кристаллическую решетку, является хрупким – из-за чересчур длинной связи между атомами. Интерес представляют его свойства полупроводника.
• При очень высоких давлениях можно получить гексагональную модификацию с плотностью 2,55 г/куб. см. Однако эта фаза практического значения пока не нашла.
• Аморфный – буро-коричневый порошок. В отличие от кристаллической формы намного активнее вступает в реакцию. Связано это не столько с инертностью первой формы, сколько с тем, что на воздухе вещество покрывается слоем диоксида.

Кроме того, необходимо учитывать и еще один тип классификации, связанный с величиной кристалла кремния, которые в совокупности образуют вещество. Кристаллическая решетка, как известно, предполагают упорядоченность не только атомов, но и структур, которые эти атомы образуют – так называемый дальний порядок. Чем он больше, тем более однородным по свойствам будет вещество.

• Монокристаллический – образец представляет собой один кристалл. Структура его максимально упорядочена, свойства однородны и хорошо предсказуемы. Именно такой материал наиболее востребован в электротехнике. Однако он же относится к самому дорогому виду, поскольку процесс его получения сложен, а скорость роста низка.
• Мультикристаллический – образец составляет некоторое количество крупных кристаллических зерен. Границы между ними формируют дополнительные дефектные уровни, что снижает производительность образца, как полупроводника и приводит к более быстрому износу. Технология выращивания мультикристалла проще, потому и материал дешевле.
• Поликристаллический – состоит из большого количества зерен, расположенных хаотически относительно друг друга. Это наиболее чистая разновидность промышленного кремния, применяется в микроэлектронике и солнечной энергетике. Довольно часто используется в качестве сырья для выращивания мульти- и монокристаллов.
• Аморфный кремний и в этой классификации занимает отдельную позицию. Здесь порядок расположения атомов удерживается только на самых коротких дистанциях. Однако в электротехнике он все же используется в виде тонких пленок.

Далее мы расскажем вам про сырье для производства кремния, вредность добычи, технологию его изготовления в мировых масштабах и в России.

Производство неметалла

Получить чистый кремний не так уж и просто, учитывая инертность его соединений и высокую температуру плавления большинства из них. В промышленности чаще всего прибегают к восстановлению углеродом из диоксида. Проводят реакцию в дуговых печах при температуре 1800 С. Таким образом получают неметалл чистотой в 99,9%, что для его применения недостаточно.

https://www.youtube.com/watch?v=kzeYlGrz71g

Полученный материал хлорируют с тем, чтобы получить хлориды и гидрохлориды. Затем соединения очищают всеми возможными методами от примесей и восстанавливают водородом.

Очистить вещество можно и за счет получения силицида магния. Силицид подвергают действию соляной или уксусной кислоты. Получают силан, а последний очищают различными способами – сорбционным, ректификацией и так далее. Затем силан разлагают на водород и кремний при температуре в 1000 С. В этом случае получают вещество с долей примеси 10-8–10-6%.

Для промышленности наибольший интерес представляют электрофизические характеристики неметалла. Его монокристаллическая форма является непрямозонным полупроводником.

Так, добавка бора, алюминия, индия дает возможность вырастить кристалл с дырочной проводимостью, а введение фосфора или мышьяка – кристалл с электронной проводимостью.

• Кремний в буквальном смысле слова служит основой современной электротехники. Из него изготавливают транзисторы, фотоэлементы, интегральные схемы, диоды и так далее. Причем функциональность прибора определяет практически всегда только приповерхностный слой кристалла, что обуславливает весьма специфические требования именно к обработке поверхности.
• В металлургии технический кремний применяют и как модификатор сплавов – придает большую прочность, и как компонент – в бронзах, например, и как раскислитель – при производстве чугуна.
• Сверхчистый и очищенный металлургический составляют основу солнечной энергетики.
• Диоксид неметалла встречается в природе в очень разных формах. Его кристаллические разновидности – опал, агат, сердолик, аметист, горный хрусталь, нашли свое место в ювелирном деле. Не столь привлекательные внешне модификации – кремень, песок, кварц, используются и в металлургии, и в строительстве, и в радиоэлектротехнике.
• Соединение неметалла с углеродом – карбид, применяется и в металлургии, и в приборостроении, и в химической промышленности. Он является широкозональным полупроводником, отличается высокой твердостью – 7 по шкале Мооса, и прочностью, что и позволяет применять его в качестве абразивного материала.
• Силикаты – то есть, соли кремниевой кислоты. Неустойчивы, легко разлагаются под действием температуры. Примечательность их в том, что они образуют многочисленные и разнообразные соли. А вот последние являются основой при производстве стекла, керамики, фаянса, хрусталя, цемента и бетона. Можно смело сказать, что современное строительство зиждется на разнообразных силикатах.
• Стекло представляет здесь наиболее интересный случай. Основой его служат алюмосиликаты, но ничтожные примеси других веществ – обычно оксидов, придают материалу массу разных свойств, в том числе и цвет. Керамика – клинкер, фаянс, фарфор, по сути, имеет ту же формулу, хотя и с другим соотношением компонентов, и ее разнообразие тоже поразительно.
• Неметалл обладает еще одной способностью: образует соединения по типу углеродных, в виде длинной цепочки из атомов кремния. Такие соединения носят название кремнийорганических. Сфера их применения не менее известна – это силиконы, герметики, смазки и так далее.

Кремний – очень распространенный элемент и имеет необыкновенно большое значение в очень многих сферах народного хозяйства. Причем активно используется не только само вещество, но все его разнообразные и многочисленные соединения.

Данное видео расскажет о свойствах и применении кремния:

Источник: http://stroyres.net/metallicheskie/vidyi/vspomogatelnyie-veshhestva/kremniy.html

Соединения кремния и их свойства

< Предыдущая СОДЕРЖАНИЕ Следующая > Перейти к загрузке файла

Самая выдающаяся черта химии кремния – это преобладание в ней очень стойких кислородных соединений. [18] Все другие его соединения не только нестойки, но и редки в земных условиях; вообще они образуются и бывают устойчивы лишь при совершенно особых условиях: при отсутствии кислорода и воды. До сих пор в лабораториях получено не больше нескольких сотен таких кремневых соединений [19], много меньше числа природных силикатов. [12] Подобно углероду, кремний с кислородом образует два соединения: SiO и . Монооксид SiO в природе не встречается. Область термодинамической стабильности этого соединения лежит при высоких температурах, когда он находится в парообразном состоянии. Получить SiO можно восстановлением при 1350-1500°С:Быстрым охлаждением (закалкой) паров SiO получают его в твердом состоянии. При медленном охлаждении SiO диспропорционирует.Твердый оксид SiO представляет собой порошок темно-желтого цвета. Он не проводит электрического тока и является прекрасным изоляционным материалом. SiO медленно окисляется кислородом воздуха и легко растворяется в щелочах:т.е. проявляет восстановительные свойства. Диоксид – наиболее характерное и устойчивое кислородное соединение кремния. Он образует три кристаллические модификации: кварц, тридимит и кристобалит. [4] Кристалл кварца представляет собой гигантскую полимерную молекулу, состоящую из отдельных тетраэдров, в которых каждый атом кремния окружен четырьмя атомами кислорода, а каждый атом кислорода осуществляет мостиковую трехцентровую связь, являясь общим угловым атомом для двух тетраэдров. Схематически в плоскостном изображении можно представить как:Наряду с обычными -связями между атомами Si и O возникают еще и нелокализованные -связи, которые образуются по донорно-акцепторному механизму за счет свободных 3d-орбиталей атомов кремния, неподеленных 2p-электронных пар атомов кислорода. [20]Недавно были получены новые модификации – стишовит и коусит. Последние получаются только под высоким давлением, а при нормальных условиях в метастабильном состоянии могут существовать неограниченно долго (как алмаз). Часто встречающаяся разновидность кварца в природе – горный хрусталь. Окрашенные разновидности кварца: марион (черный), топаз (дымчатый), аметист (фиолетовый), цитрин (желтый). Описаны также волокнистые модификации (халцедон и кварцин). Кроме того, на дне морей и океанов из водорослей и инфузорий образуется аморфный . В целом диоксид кремния – самый распространенный оксид в земной коре. Кварц, тридимит и кристобалит могут превращаться друг в друга, однако эти переходы сильно заторможены. Вследствие этого тридимит и кристобалит, несмотря на свою термодинамическую нестабильность, могут неограниченное время сохраняться при комнатной температуре и существовать в природе в виде самостоятельных минералов. Каждая из этих кристаллических модификаций, в свою очередь, может находиться в виде двух или большего числа взаимно превращающихся форм, из которых б-форма устойчива при комнатной, а в-форма – при более высокой температуре. Устойчивая при высокой температуре модификация – в-кристобалит – плавится при 1723°С. При быстром охлаждении расплавленного кремнезема образуется стекло.

Различные кристаллические модификации , как и безводный аморфный кремнезем, представляют собой неорганические гетероцепные полимеры. Во всех формах (кроме стешовита) структурным мотивом является кремнекислородный тетраэдр. Несмотря на одинаковый способ сочленения структурных мотивов [], их пространственное расположение для различных модификаций различно.

Поэтому, например, в-кристобалит имеет кубическую решетку, а в-тридимит – гексагональную. Между этими структурами такая же разница, как между сфалеритом и вюрцитом. Наиболее плотная модификация (стишовит) характеризуется необычной для кислородных соединений кремния координацией атомов. Здесь каждый атом кремния окружен шестью атомами кислорода.

Поэтому структура стишовита образована сочетанием кремнекислородных октаэдров [].

Химическая активность модификаций возрастает от кварца к кристобалиту и особенно кремнезему, полученному обезвоживанием геля кремниевой кислоты. Фтор, газообразный HF и плавиковая кислота энергично взаимодействуют с :

В первой реакции фтор вытесняет кислород из оксида кремния. Обе реакции протекают потому, что тетрафторид кремния – более прочное соединение, чем диоксид. Энтальпия образования последнего -910,9, а для Д=-1614,9 кДж/моль.

Кроме того, эти процессы сопровождаются возрастанием энтропии (слева – твердое вещество и газ, а справа – два газа). Поэтому свободная энергия Гиббса в результате этих взаимодействий сильно уменьшается.

В воде практически нерастворим. Не действуют на него кислоты и царская водка. В щелочных растворах, особенно при нагревании, легко растворяется:

Обычно реакцию получения силикатов проводят не в растворе, а путем спекания со щелочами, карбонатами и оксидами металлов:

Все эти реакции доказывают кислотную природу диоксида кремния. Химические свойства кварцевого стекла практически такие же, как и кристаллического .

Поскольку нерастворим в воде, кремниевую кислоту получают косвенным путем:

Кислота с =1 и =1 называется метакремниевой , а у ортокремниевой =2. Все кислоты, для которых >1, называются поликремниевыми. В свободном состоянии эти кислоты выделить не удается. Их состав определяется по солям – силикатам. Все кремниевые кислоты очень слабые.

Так, имеет 10. Поэтому растворимые в воде силикаты сильно гидролизованы:

Частично обезвоженная студнеобразная кремниевая кислота представляет собой твердую белую очень пористую массу, называемую силикагелем. Он обладает высокой адсорбционной способностью и энергично поглощает воду, масла, эфиры и т.д.

Водородные соединения кремния – кремневодороды или силаны – получают действием кислот на силициды активных металлов, например

Наряду с моносиланом выделяются водород и полисиланы, вплоть до гексасилана. других кремневодородов в продуктах разложения силицида магния закономерно увеличивается по мере уменьшения их молекулярной массы.

По структуре и физическим свойствам силаны похожи на углеводороды гомологического ряда метана. Известны все гомологи моносилана, вплоть до октасилана . Для получения практически наиболее важного моносилана используют реакции восстановления галогенидов кремния водородом или алюмогидридом лития:

Все силаны имеют характерный неприятный запах и токсичны. По сравнению с углеводородами силаны характеризуются большей плотностью и более высокими температурами плавления и кипения, но термически менее стойки. По химическим свойствам сильно резко отличаются от представителей гомологического ряда метана и напоминают бораны (диагональное сходство с бором).

Они легко окисляются на воздухе, т.е. являются восстановителями:

Силаны восстанавливают до , производные Fe(+3) до Fe(+2). Кроме того, что для силанов характерен гидролиз. В присутствии следов кислот и особенно щелочей силаны разрушаются:

Для кремния известны также немногие представители непредельных кремневодородов типа полисиленовиполисилинов. Все они – твердые вещества, неустойчивые к нагреванию и исключительно реакционноспособные. Они самовоспламеняются на воздухе и нацело разлагаются водой.

Галогениды кремния могут быть получены синтезом из простых веществ. Все они энергично взаимодействуют с водой:

Для фторида реакция обратима (поэтому растворяется в HF), а для остальных галогенидов – практически полностью смещена вправо. При нагревании галогенидов с кремнием выше 1000°С протекает реакция образования дигалогенидов: , которые при охлаждении диспропорционируют с выделением кремния. Эту реакцию можно использовать как транспортную для получения кремния высокой чистоты.

Из галогенидов кремния наибольшее значение имеют ,и . Тетрахлорид кремния получают при хлорировании смеси угля и кварцевого песка (600-700°С):

Значительные количества в качестве побочного продукта улавливаются на суперфосфатных производствах, работающих на апатитовом сырье. Кроме того, он может быть получен нагреванием смеси кварцевого песка, фторида кальция и серной кислоты:

Тетрафторид кремния, присоединяя две формульные единицы HF, переходит в кремнефтористоводородную (гексафторкремниевую) кислоту:

В индивидуальном состоянии не выделена, по силе близка к серной кислоте. Соли ее – гексафторосиликаты – при нагревании разлагаются на и фториды металлов. В октаэдрической структуре ионов кремний находится в состоянии -гибридизации и его координационное число 6. Для других галогенов соединения аналогично состава неизвестны.

Трихлорсилан (или силикохлороформ) получают пропусканием тока сухого хлороводорода над кремнием (400-500°С). На воздухе он не воспламеняется, но горит при поджигании. Аналогичные трихлорсилану соединения кремния известны и для других галогенов. При восстановлении трихлорсилана получают кремний высокой чистоты. [4]

Соединения с другими неметаллами

Дисульфид кремния получается при непосредственном взаимодействии компонентов. Образуется дисульфид также вытеснением кремнием водорода из в отсутствие воздуха при 1300°С:

Дисульфид кремния – белые шелковистые кристаллы. Водой дисульфид кремния разлагается на и . Известны также моносульфид кремния SiS. Он получается восстановлением дисульфида в вакууме при 900°С. Моносульфид представляет собой полимерные игольчатые кристаллы, разлагающиеся водой:

Бесцветные кристаллы отличаются большой химической стойкостью. До 1000°С на него не действуют кислород, водород и водяной пар. Он не растворяется в кислотах и растворах щелочей. Только расплавы щелочей и горячая концентрированная плавиковая кислота медленно его разлагают.

Из соединений кремния с фосфором наиболее известны моно- и дифосфид: SiP и . Они получаются непосредственным взаимодействием компонентов в нужных стехиометрических количествах, отличаются химической стойкостью. Аналогичный состав имеют и арсениды кремния. [4]

Кремний – это один из наиболее распространенных элементов на нашей планете. Благодаря этому, он и его соединения получили широкое применение: изготовление полупроводниковых устройств, производство волокнистой оптики и устройств для глубокой очистки веществ, солнечных батарей.

Кварцевый песок используют для изготовления стекольных изделий, строительных растворов, формовочной земли в металлургии. Горный хрусталь применяют при изготовлении ювелирных изделий. Кристаллы кварца используют в кварцевых резонаторах, в электронных часах.

Кремнийорганические соединения используются в медицине в качестве протезов и различных наполнителей, при производстве эластичных материалов и изделий, в том числе и бытового назначения.

В промышленности для получения особо чистого кремния технический кремний переводят в летучие производные, которые легко очищаются перегонкой, ректификацией, глубоким охлаждением. Такими соединениями кремния являются тетрахлорид , трихлорсилан и моносилан. На втором этапе очищенные соединения кремния восстанавливают водородом или используют термический распад.

Таким образом, путь от первого порошкообразного кремния до современного особо чистого монокристалла с ничтожной концентрацией дефектов – это революция в химии гомоатомных соединений кремния, стимулированная развитием техники.

Page 3

Перейти к загрузке файла

1. Гринвуд Н. Химия элементов: в 2 томах – М.: БИНОМ, 2008.c.310 2. Реми Г. Курс неорганической химии. – М., 1963. с.512,513-514 3. Рохов Е.Д. Мир кремния. – М.: Химия,1990. с.31 4. Угай Я.А. Общая и неорганическая химия. – М.: Высшая школа, 2000. с.369-377 5. Химический энциклопедический словарь. Под ред. Кнунянц И.Л. – М.: Советская энциклопедия, 1983. с.283 6. F.Clarke a. H.Washington. The composition of the Earth's crust, W., 1924 (“U.S.Geol. Surv. Prof. Paper”, 127) 7. A.Lacroix. Les tektites, “Archives du Museum d'Hist.Nat.”, P., 1932 8. Вернадский В. Биосфера. – Л., 1926. с. 13 9. C.Payne. “Proc. Nat. Acad. Washington”, XI, p. 192, W., 1922. 10. Ферсман А. Химические элементы Земли и космоса. – Л., 1924. с.146 11. Вернадский В.И. Труды по геохимии. – М.: Наука, 1994.с.237 12. Карапетьянц М.Х., Дракин С.И. Общая и неорганическая химия. – М.: Химия, 2000. с.375,382-384 13. Спицын В.И., Мартыненко Л.И. Неорганическая химия. Часть I. – М.: МГУ, 1991. с.177,173 14. Лидин Р.А., Молочко В.А., Андреева Л.Л. Химические свойства неорганических веществ. – М.: Химия, 2000. с.110 15. Некрасов Б.В. Основы общей химии. – М.: Химия, 1973. с.583 16. Суворов А.В., Никольский А.Б. Общая химия. – С.-Петербург: Химия, 1995. с.385 17. Руководство к лабораторным работам по общей и неорганической химии. Под ред. проф. Ф.Я.Кульба. – Л.: Химия, 1976. с.200 18. A.Stock. “Zeitschr. f. Electroch.”, 32, S. 347, B., 1926. 19. J.Mellor. A compr. treatise on inorgan. Chemistry, VI, 1, 19. 20. Коровин Н.В. Общая химия. – М.: Высшая школа, 2000. с.401 21. Lyon D. W., Olson С. М., Lewis Е. D. J. Electrochem.?Soc., 1949, v. 96, p. 359–363.

  Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter

Источник: https://studwood.ru/1118534/matematika_himiya_fizika/soedineniya_kremniya_svoystva

Кремний и его соединения

Кремний 14Si является аналогом углерода, находится в главной подгруппе IV группы, в 3-м периоде. Как и углерод, кремний является неметаллом и проявляет в своих соединениях и положительные и отрицательные степени окисления, наиболее характерными из которых являются +4 и -4.

14Si 1s22s22p63s23p2

Аr = 28,0855

Изотопы: 28Si (92.27 %); 29Si (4.68 %); 30Si (3,05 %)

ЭО = 1,8

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 SiO2 или силикатов.

Соединения Si токсичны; вдыхание мельчайших частиц SiO2 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) SiО2. Он является основным сырьем для получения кремния.

1) Восстановление SiO2 углеродом в дуговых печах при 1800'С: SiO2 + 2С = Si + 2СО

2) Высокочистый Si из технического продукта получают согласно схеме:

a) Si → SiCl2 → Si

б) Si → Mg2Si → SiH4 → 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

При низких температурах кремний химически инертен, при нагревании его реакционная способность резко возрастает.

1. С кислородом взаимодействует при Т выше 400°С:

Si + О2 = SiO2 оксид кремния

2. С фтором реагирует уже при комнатной температуре:

Si + 2F2 = SiF4 тетрафторид кремня

3. С остальными галогенами реакции идут при температуре = 300 – 500°С

Si + 2Hal2 = SiHal4

4. С парами серы при 600°С образует дисульфид:

Si + 2S = SiS2

5. Реакция с азотом происходит выше 1000°С:

3Si + 2N2 = Si3N4 нитрид кремния

6. При температуре = 1150°С реагирует с углеродом:

SiO2 + 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 + 4HNO3 = 3SiF4 + 4NO + 8H2O

9. реагирует с растворами щелочей с образованием силикатов и выделением водорода:

Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2H2↑

10. Восстановительные свойства кремния используют для выделения металлов из их оксидов:

2MgO = Si = 2Mg + SiO2

Кремний образует силициды с s-металлами и большинством d-металлов.

Состав силицидов данного металла может быть различен. (Например, FeSi и FeSi2; Ni2Si и NiSi2.) Один из наиболее известных силицидов – силицид магния, который можно получать прямым взаимодействием простых веществ:

2Mg + Si = Mg2Si

Силан (моносилан) SiH4

Силаны (кремневодороды) SinH2n + 2, (ср. с алканами), где п = 1-8. Силаны – аналоги алканов, отличаются от них неустойчивостью цепей -Si-Si-.

Моносилан SiH4 – бесцветный газ с неприятным запахом; растворяется в этаноле, бензине.

Способы получения:

1. Разложение силицида магния соляной кислотой: Mg2Si + 4HCI = 2MgCI2 + SiH4

2. Восстановление галогенидов Si алюмогидридом лития:SiCl4 + LiAlH4 = SiH4↑ + LiCl + AlCl3

Химические свойства.

Силан – сильный восстановитель.

1.SiH4 окисляется кислородом даже при очень низких температурах:

SiH4 + 2O2 = SiO2 + 2Н2О

2. SiH4 легко гидролизуется, особенно в щелочной среде:

SiH4 + 2Н2О = SiO2 + 4Н2

SiH4 + 2NaOH + Н2О = Na2SiO3 + 4Н2

Оксид кремния (IV) (кремнезем) SiO2

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 SiO2 встречается в виде минерала опала: искусственно получают силикагель, состоящий из коллоидных частиц SiO2 и являющийся очень хорошим адсорбентом. Стеклообразный SiO2 известен как кварцевое стекло.

Физические свойства

В воде SiO2 растворяется очень незначительно, в органических растворителях также практически не растворяется. Кремнезем является диэлектриком.

Химические свойства

1. SiO2 – кислотный оксид, поэтому аморфный кремнезем медленно растворяется в водных растворах щелочей:

SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + Н2О

2. SiO2 взаимодействует также при нагревании с основными оксидами:

SiO2 + К2О = K2SiO3;

SiO2 + СаО = CaSiO3

3. Будучи нелетучим оксидом, SiO2 вытесняет углекислый газ из Na2CO3 (при сплавлении):

SiO2 + Na2CO3 = Na2SiO3 + CO2↑

4. Кремнезем реагирует с фтороводородной кислотой, образуя кремнефтористоводородную кислоту H2SiF6:

SiO2 + 6HF = H2SiF6 + 2Н2О

SiO2 + 4HF (газ.) = SiF4 + 2Н2О

SiO2 + 2F2 = SiF4 + O2

Кремниевые кислоты

Известны:

– ортокремниевая кислота H4SiО4;

– метакремниевая (кремниевая) кислота H2SiO3;

– 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:

Na2SiO3 + 2HCl = H2SiO3↓ + 2NaCl

2. Гидролиз хлорсиланов: SiCl4 + 4Н2О = H4SiO4 + 4HCl

Силикаты – соли кремниевых кислот

Поскольку кремниевые кислоты чрезвычайно слабые, их соли в водных растворах сильно гидро лизованы:

Na2SiO3 + Н2О = NaHSiO3 + NaOH

SiO32- + Н2О = HSiO3- + ОН- (щелочная среда)

По этой же причине при пропускании углекислого газа через растворы силикатов происходит вытеснение из них кремниевой кислоты:

K2SiO3 + СO2 + Н2О = H2SiO3↓ + K2СO3

SiO3 + СO2 + Н2О = H2SiO3↓ + СO3

Данную реакцию можно рассматривать как качественную реакцию на силикат-ионы.

Среди силикатов хорошо растворимыми являются только Na2SiO3 и K2SiO3, которые называются растворимым стеклом, а их водные растворы – жидким стеклом.

Стекло

Обычное оконное стекло имеет состав Na2O • СаО • 6SiO2, т. е. является смесью силикатов натрия и кальция. Его получают сплавлением соды Na2CO3, известняка СаСO3 и песка SiO2;

Na2CO3 + CaCO3 + 6SiO2 = Na2O • СаО • 6SiO2 + 2СO2↑

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% SiO2; 62 – 76 % СаО; 4 – 7 % Al2O3; 2-5% Fe2O3; 1- 5% МgО.

Источник: http://examchemistry.com/content/lesson/neorgveshestva/kremnyi.html

Кремний и его соединения: формулы

Кремний (Si) – второй элемент основной (А) подгруппы 4 группы Периодической системы, учрежденной Дмитрием Ивановичем Менделеевым. Кремний очень распространен в природе, поэтому он занимает второе (после кислорода) место по распространенности.

Так, без кремния и его соединений не существовало бы Земной коры, которая более чем на четверть состоит из соединений этого химического элемента.

В чем же особенности кремния? Каковы формулы его соединений и их применение? Какие важнейшие вещества имеют в своем составе кремний? Попробуем разобраться.

Элемент кремний и его свойства

Кремний существует в природе в нескольких аллотропных модификациях – наиболее распространенными являются кремний в кристаллическом виде и аморфный кремний. Рассмотрим каждую из данных модификаций в отдельности.

Кристаллический кремний

Кремний в данной модификации является темно-серым достаточно твердым и хрупким веществом со стальным блеском.

Такой кремний является полупроводником; его полезное свойство заключается в том, что, в отличие от металлов, его электропроводность увеличивается при повышении температуры.

Температура плавления такого кремния составляет 1415 °С. К тому же, кристаллический кремний не способен растворяться в воде и различных кислотах.

Применение кремния и его соединений в кристаллической модификации невероятно многообразно. Например, кристаллический кремний входит в состав солнечных батарей, устанавливаемых на космических кораблях и крышах домов. Кремний является полупроводником и способен преобразовывать солнечную энергию в электрическую.

Помимо солнечных батарей, кристаллический кремний используется для создания многих электронных приборов и кремнистых сталей.

Аморфный кремний

Аморфный кремний – бурый/темно-коричневый порошок алмазоподобной структуры. В отличие от кристаллического кремния, данная аллотропная модификация элемента не имеет строго упорядоченной кристаллической решетки.

Несмотря на то, что аморфный кремний плавится при температуре, приблизительно равной 1400 °С, он является гораздо более активным по сравнению с кристаллическим.

Аморфный кремний не проводит ток и имеет плотность около 2 г/см³.

Такой кремний чаще всего применяется в пищевой промышленности и при изготовлении лекарственных препаратов.

Соединения кремния

Ранее мы выяснили, каким элементом является кремний и какими свойствами он обладает. Теперь рассмотрим формулы соединений кремния.

При участии кремния образуется огромное количество различных соединений. Первое место по распространенности занимают кислородные соединения кремния. К данному разряду относится SiO2 и нерастворимая кремниевая кислота.

Кислотный остаток кремниевой кислоты образует различные силикаты (например, CaSiO3 или Al2O3•SiO2). В таких солях и представленных выше соединениях кремния с кислородом элемент имеет типичную для него степень окисления +4.

Также достаточно распространены соли кремния – силициды (Mg2Si, NaSi, CoSi) и соединения кремния с водородом (например, газ силан). Силан, как известно, самовоспламеняется на воздухе с возникновением ослепительной вспышки, а силициды легко разлагаются как при помощи воды, так и различных кислот.

Рассмотрим поподробнее кремний и его соединения, считающиеся самыми распространенными.

Диоксид кремния

Другое название данного оксида – кремнезем. Это твердое и тугоплавкое вещество, которое не растворяется в воде и кислотах и имеет атомную кристаллическую решетку. В природе оксид кремния образует такие минералы и драгоценные камни, как кварц, аметист, опал, агат, халцедон, яшма, кремень и некоторые другие.

Стоит отметить, что именно из кремния первобытные люди изготавливали свои орудия труда и охоты. Кремень положил начало так называемому каменному веку благодаря его повсеместной доступности и способности образовывать острые режущие края при сколе.

К тому же, он лежит в основе силикатного клея, благодаря которому создается силиконовый герметик и силиконовый каучук.

Химические свойства оксида кремния

Диоксид кремния взаимодействует с огромным количеством химических элементов – как металлов, так и неметаллов. Например:

При высоких температурах кремнезем взаимодействует со щелочами, образуя при этом соли:

SiO2 + 2KOH → K2SiO3 + H2O (при температуре).

Как типичный кислотный оксид, данное соединение дает силикаты в результате взаимодействия с оксидами различных металлов:

SiO2 + CaO → CaSiO3 (при температуре).

Или с карбонатными солями:

SiO2 + K2CO3 → K2SiO3 + CO2↑ (при температуре).

Одно из важнейших химических свойств диоксида кремния – это возможность получения из него чистого кремния. Это можно осуществить двумя способами – при взаимодействии диоксида с магнием или углеродом:

SiO2 + 2Mg → 2MgO + Si (при температуре).

SiO2 + 2C → Si + 2CO↑ (при температуре)

Кремниевая кислота

Кремниевая кислота является очень слабой. Она нерастворима в воде и при реакциях образует студенистый осадок, который иногда способен заполнить весь объем раствора. Когда данная смесь высыхает, можно увидеть образовавшийся силикагель, который применяется как адсорбент (поглотитель других веществ).

Наиболее доступный и распространенный способ получения кремниевой кислоты можно выразить при помощи формулы:

K2SiO3 + 2HCl → 2KCl + H2SiO3↓.

Силициды

Рассматривая кремний и его соединения, очень важно сказать о таких его солях, как силициды. Такие соединения кремний образует с металлами, приобретая, как правило, при этом степень окисления -4. Однако такие металлы, как ртуть, цинк, бериллий, золото и серебро не способны взаимодействовать с кремнием и образовывать силициды.

Наиболее распространенными силицидами являются Mg2Si, Ca2Si, NaSi и некоторые другие.

Силикаты

Такие соединения, как силикаты занимают второе место по распространенности после диоксида кремния. Соли-силикаты считаются достаточно сложными веществами, так как имеют непростую структуру строения, а также они входят в состав большинства минералов и горных пород.

К наиболее распространенным в природе силикатам – алюмосиликатам – относят гранит, слюды, различные виды глин. Также известным силикатом является асбест, из которого изготавливаются огнестойкие ткани.

Применение кремния

В первую очередь, кремний применяется для получения материалов-полупроводников и кислотоупорных сплавов. Карбид кремния (SiC) часто используют для затачивания резцов станков и шлифовки ценных камней.

Из расплавленного кварца изготавливается устойчивую и крепкую кварцевую посуду.

Соединения кремния лежат в основе производства стекла и цемента.

Стекла отличаются друг от друга по составу, в котором обязательно присутствует кремний. Например, помимо оконных, существуют тугоплавкие, хрустальные, кварцевые, цветные, фотохромные, оптические, зеркальные и другие стекла.

При смешивании цемента с водой образуется особое вещество – цементный раствор, из которого впоследствии получают такой строительный материал, как бетон.

Производством этих веществ занимается силикатная промышленность. Помимо стекла и цемента, в силикатной промышленности получают кирпич, фарфор, фаянс и различные изделия из них.

Заключение

Итак, мы выяснили, что кремний является важнейшим химическим элементом, широко распространенным в природе. Кремний применяется при строительстве и художественной деятельности, а также незаменим для живых организмов. Многие вещества, начиная от простого стекла и заканчивая ценнейшим фарфором, имеют в своем составе кремний и его соединения.

Изучение химии позволяет познать окружающий наш мир и понять, что не все вокруг, даже самое великолепное и дорогое, настолько таинственно и загадочно, как могло показаться. Желаем успехов в научном познании и изучении такой прекрасной науки, как химия!

Источник: http://www.nastroy.info/post/kremniy-i-ego-soedineniya-formulyi