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; 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 одинаковы и направлены к вершинам тетраэдра. Твердое мелкие кристаллы темно-серого цвета с металлическим блеском. В природе не встречаются. 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, и восстановителем.

Как окислитель кремний взаимодействует с металлами:

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

Как восстановитель, кремний при нагревании взаимодействует с кислородом и другими активными неметаллами, с оксидами. Эти реакции протекают гораздо легче, т.е. восстановительные свойства для него более характерны, чем окислительные. 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, 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 встречаются чаще, их называют кварцем, а очень мелкие кристаллы – кварцевым песком или кварцевой галькой. Скопления таких мелких кристаллов кварца встречаются в виде белой гальки, иногда она окрашена примесями в розовато-желтые тона.

Особой разновидностью кварца 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 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.