Кремний как химический элемент.

Положение в ПС: №14, 3 период, 4 группа, главная подгруппа, А_r = 28. Состав атома: 14p, 14e^-, 14n. Заряд ядра +14, три электронных слоя 2e^-, 6e^-, 4е^-. Электронная формула 1S² 2S² 2P⁶ 3S² 3P².

На внешнем слое 4 электрона, слой не завершен, но заполнен на половину. Радиус атома кремния больше чем у углерода, эти валентные электроны находятся дальше от ядра, чем в атоме углерода => ЭО невысокая, еще меньше чем у атома углерода; кремний – неметалл, но нетипичный. В невозбужденном состоянии у него два неспаренных электрона, но валентность II кремний в соединениях не проявляет. Наличие свободной р-орбитали делает возможным переход S-электрона на нее и появление четырех неспаренных e^-, и => характерной для него валентности - (IV). Возможна отрицательная с.о. -4, она проявляется в соединениях с металлами – силицидах. Но это формально. В реальности состав многих из них переменный и не отвечает обычным степеням окисления. В школьной программе силициды не изучаются. Во всех соединениях с неметаллами кремний проявляет степень окисления +4. Простейшее ЛВС – силан SiН₄, очень неустойчив. А вот оксид SiO₂ и все соли кремниевой кислоты – наоборот очень прочные соединения.

Распространение в природе: кремний составляет примерно 28% от массы земной коры, т.е. по распространению на Земле уступает только кислороду. Встречается только в виде различных кислородных соединений – оксид и силикаты. Земная кора более чем наполовину состоит именно из этих соединений. Это объясняется способностью атомов кремния образовывать особо прочные связи с кислородом.

8. Простое вещество. Для кремния возможна аллотропия, как и для углерода, но графитоподобная (аморфная) модификация (порошок коричневого цвета) крайне неустойчива при н.у.

Алмазоподобная модификация кремния: кристаллическая решетка – атомная, все четыре связи кремния одинаковы и направлены к вершинам тетраэдра. Твердое вещество, мелкие кристаллы темно-серого цвета с металлическим блеском. В природе не встречается. Кристаллы тугоплавкие (1428^оС), очень твердые, но хрупкие; в воде не растворяются.  Кристаллический кремний — полупроводник, его электропроводность значительно возрастает при освещении или нагревании. Его проводимость очень сильно зависит от наличия определенных примесей (например, примеси Р дают п-Si, а добавление В дают р-Si. Кремний как полупроводник широко используется в микроэлектронике.

Кремний химически малоактивен. С простыми веществами (кроме фтора) взаимодействует только при нагревании. Кремний - неметалл, он может быть и окислителем.

Как окислитель кремний взаимодействует с металлами:

Si + Са → Са₂Si (силицид кальция), при повышенной температуре

Но восстановительные свойства для него более характерны, чем окислительные. Как восстановитель, кремний при нагревании взаимодействует с кислородом и другими активными неметаллами, с оксидами. Эти реакции протекают гораздо легче, чем с металлами. Например:

1) Si + О₂ → SiО₂

2) Si + С→ SiС (карборунд – прозрачные, очень твердые кристаллы, с высоким коэффициентом преломления и химически стойкие, похожи на алмаз или монокристалл оксида алюминия. Из него изготавливают шлифовальную бумагу и круги, плиты для пола, футеровку печей)

3) Fe₂O₃ + Si→ SiО₂ + Fe

Соединения кремния с водородом нельзя получить при непосредственном взаимодействии простых веществ. Их общее название – силаны. Они очень летучи, имеют очень неприятный запах, легко разлагаются и даже самовоспламеняются на воздухе.

Получение. Из кварцевого песка при высокой температуре кремний восстанавливается активными металлами или коксом. Но такой кремний не проводит электрический ток, т.к. он содержит 5-3%примесей. Для нужд радиоэлектроники полученный кремний очищают специальными методами (зонной плавкой).

С + SiО₂ →СО₂ + Si

Применение.

1. Монокристаллы кремния с соответствующими добавками служат для изготовления фотоэлементов (солнечные батареи и прочее…), диодов и триодов (выпрямители и усилители в электрических устройствах).

2. В металлургии кремний используют для «раскисления» сталей и придания им повышенной коррозионной стойкости.

9. Соединения кремния с отрицательной степенью окисления. Силициды (соединения кремния с активными металлами) используются для получения жаростойких и кислотоупорных сплавов, высокотемпературных полупроводниковых материалов.

10. Гораздо чаще и в природе, и на производстве мы имеем дело с кислородными соединениями кремния в которых он имеет устойчивую положительную степень окисления.

SiО₂ - оксид кремния, кремнезем. Атомная кристаллическая решетка. Температура плавления около 1723⁰С. В природе существует в виде крупных прозрачных кристаллов – горный хрусталь. Горный хрусталь, окрашенный примесями в лиловый цвет, называют аметистом, в бурый – дымчатым топазом.

Более мелкие кристаллы оксида кремния встречаются чаще, их называют кварцем, а очень мелкие кристаллы – кварцевым песком Спрессованный при высоком давлении в недрах земли этот песок называют кварцевой галькой. Иногда она окрашена примесями в розовато-желтые тона.

Особой разновидностью оксида кремния является кремень, минеральное образование, состоящее из кристаллического и аморфного кремнезёма (SiO₂) в осадочных горных породах. Часто окрашен окислами железа и марганца в разные цвета. Это непрозрачная, очень твердая горная порода, дающая острые сколы. Древние люди использовали ее для получения огня и изготовления орудий труда.

Кристаллы кварца имеют высокий коэффициент преломления света, пропускают ультрафиолетовые лучи, поэтому их используют в оптических приборах. Из них часто изготавливают ювелирные изделия, имитирующие (довольно успешно) бриллианты. А еще монокристаллы кварца обладают пьезоэлектрическим эффектом (т.е. эффект возникновения поляризации диэлектрика под действием механических напряжений (и наоборот)). Этот эффект используют в акустических приборах, пьезозажигалках и стиральных машинках…

Структура оксида кремния лежит и в основе полудрагоценных камней (агат, яшма), но структурные единицы в них расположены неупорядоченно, это аморфные или поликристаллические соединения. При охлаждении расплава оксида кремния образуется кварцевое стекло, в котором тетраэдрические элементы кремния тоже расположены неупорядоченно. Кварцевое стекло, в отличии от обычного, пропускает ультрафиолетовые лучи. Этот эффект мы используем в так называемых «кварцевых лампах». Кроме того, кварцевое стекло имеет очень маленький коэффициент расширения при нагревании. Т.е. стакан из такого стекла можно раскалить до красна и бросить в воду… Из этого стекла изготавливают химическую посуду. Мелкодисперсный аморфный кремнезем в природе образуется из остатков диатомовых водорослей и называется трепел. В промышленности такой кремнезем получают в виде мелких белых хлопьев и называют силикагелем. А прессованный в гранулы – гидрогелем. Используют его как адсорбент в медицине и не только в ней.

Оксид кремния химически инертен, в воде не растворяется. Но при сплавлении он взаимодействует со щелочами, т.е. оксид кремния является кислотным оксидом.

SiО₂+2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O

При высоких температурах кремний со степенью окисления +4 окисляет активные металлы, т.е. может проявлять окислительные свойства, но слабо:

Mg + SiО₂ →MgО + Si

Особым химическим свойством оксида кремния является его способность растворяться в плавиковой кислоте. Этот процесс используют для травления стекла.

SiО₂+ HF→SiF₄ +H₂O

Применение:

1). песок - в строительстве;

2). песок - в производстве стекла;

3). песок - в производстве керамики (фарфор, фаянс, кирпич);

4). песок - в производстве цемента;

5). монокристаллы - в радиотехнике и радиоэлектроника (выпрямители и усилители, звукозаписывающая и звуковоспроизводящая аппаратура), приборостроении (ультразвуковые приборы: коллоидные мельницы, стиральные машины, УЗИ и т.д.);

6). кварцевое стекло - оптические и химические приборы

7). в аморфном виде – как осушители и адсорбенты.