Кремний химические свойства. Кремний в природе (25,8% в Земной коре)

Многие современные технологические устройства и аппараты были созданы за счет уникальных свойств веществ, находящихся в природе. Человечество экспериментальным путем и тщательным изучением окружающих нас элементов постоянно модернизирует собственные изобретения - данный процесс называется техническим прогрессом. Он основан на элементарных, доступных каждому вещах, которые окружают нас в повседневной жизни. Например, песок: что может быть в нем удивительного и необычного? Ученые смогли выделить из него кремний - химический элемент, без которого не существовало бы компьютерной техники. Область его применения отличается разнообразием и постоянно расширяется. Это достигается за счет уникального свойства атома кремния, его структуры и возможности соединений с другими простыми веществами.

Характеристика

В разработанной Д. И. Менделеевым, кремний обозначен символом Si. Относится к неметаллам, располагается в главной четвертой группе третьего периода, имеет атомный номер 14. Его соседство с углеродом не является случайным: во многом их свойства сопоставимы. В природе не встречается в чистом виде, так как является активным элементом и имеет достаточно прочные связи с кислородом. Основное вещество - кремнезем, который является оксидом, и силикаты (песок). При этом кремний (его природные соединения) является одним из наиболее распространенных химических элементов на Земле. По массовой доле содержания он занимает второе место после кислорода (более 28 %). Верхний слой земной коры содержит кремний в виде диоксида (это кварц), различные типы глин и песка. Вторую по распространенности группу составляют его силикаты. На глубине около 35 км от поверхности расположены слои гранита и базальтовые отложения, в состав которых входят кремневые соединения. Процент содержания в земном ядре пока не просчитан, но ближайшие к поверхности слои мантии (до 900 км) содержат силикаты. В составе морской воды концентрация кремния составляет 3 мг/л, на 40 % состоит из его соединений. Просторы космоса, которые человечество на сегодняшний день изучило, содержат этот химический элемент в больших количествах. Например, метеоритов, которые приближались к Земле на расстояние, доступное исследователям, показал, что они состоят на 20 % из кремния. Существует вероятность формирования жизни на основе этого элемента в нашей галактике.

Исследовательский процесс

История открытия химического элемента кремния имеет несколько этапов. Многие вещества, систематизированные Менделеевым, использовались человечеством на протяжении веков. При этом элементы находились в природном виде, т.е. в соединениях, которые не подвергались химической обработке, и все их свойства не были известны людям. В процессе изучения всех особенностей вещества у него появлялись новые направления использования. Свойства кремния на сегодняшний день не изучены до конца - этот элемент при достаточно широком и разнообразном спектре применения оставляет простор для новых открытий будущим поколениям ученых. Современные технологии значительно ускорят данный процесс. В XIX веке многие знаменитые химики пытались получить кремний в чистом виде. Впервые это удалось сделать Л. Тенару и Ж. Гей-Люссаку в 1811 году, но открытие элемента принадлежит Й. Берцелиусу, который смог не только выделить вещество, но и описать его. Химик из Швеции получил кремний в 1823 году, для этого он использовал металлический калий и калиевую соль. Реакция происходила при катализаторе в виде высокой температуры. Полученное простое вещество серо-бурого цвета являло собой аморфный кремний. Кристаллический чистый элемент был получен в 1855 году Сент-Клер Девилем. Сложность выделения напрямую связана с высокой прочностью атомных связей. В обоих случаях химическая реакция направлена на процесс очищения от примесей, при этом аморфная и кристаллическая модели имеют разные свойства.

Кремний: произношение химического элемента

Первое название полученного порошка - кизель - было предложено Берцелиусом. В Великобритании и США кремний и по сей день называют не иначе, как силиций (Silicium) или силикон (Silicon). Термин происходит от латинского «кремень» (или «камень»), и в большинстве случаев его привязывают к понятию «земля» за счет широкого распространения в природе. Русское произношение данного химического вещества бывает разное, все зависит от источника. Его называли кремнеземом (Захаров применял такой термин в 1810 г.), сицилием (1824 год, Двигубский, Соловьев), кремнеземнием (1825 год, Страхов), и только в 1834 году российский химик Герман Иванович Гесс вводит наименование, которое до сегодняшнего момента используется в большинстве источников - кремний. В он обозначен символом Si. Как читается химический элемент кремний? Многие ученые англоязычных стран произносят его наименование как «си» или употребляют слово «силикон». Отсюда происходит известное на весь мир название долины, которая является научно-исследовательской и производственной площадкой компьютерной техники. Русскоязычное население называет элемент кремнием (от древнегреческого слова «утес, гора»).

Нахождение в природе: месторождения

Целые горные системы сложены из соединений кремния, который в чистом виде не встречается, ведь все известные минералы являются диоксидами или силикатами (алюмосиликатами). Удивительные по красоте камни используются людьми в качестве поделочного материала - это опалы, аметисты, кварцы различных типов, яшма, халцедон, агат, горный хрусталь, сердолик и многие другие. Образовались они благодаря вхождению в состав кремния различных веществ, которые определили их плотность, структуру, цвет и направление использования. Весь неорганический мир можно связать с этим химическим элементом, который в природной среде образует прочные связи с металлами и не металлами (цинк, магний, кальций, марганец, титан и т. д.). По сравнению с другими веществами, кремний достаточно легкодоступен для добычи в производственных масштабах: он содержится в большинстве видов руды и минералов. Поэтому активно разрабатываемые месторождения привязываются скорее к доступным источникам энергии, чем к территориальным скоплениям вещества. Кварциты и кварцевые пески есть во всех странах мира. Наиболее крупными производителями и поставщиками кремния являются: Китай, Норвегия, Франция, США (Западная Вирджиния, Огайо, Алабама, Нью-Йорк), Австралия, ЮАР, Канада, Бразилия. Все изготовители используют различные способы, которые зависят от вида выпускаемой продукции (технический, полупроводниковый, высокочастотный кремний). Химический элемент, дополнительно обогащенный или, наоборот, очищенный от всех видов примесей, имеет индивидуальные свойства, от которых зависит его дальнейшее использование. Это относится и к данному веществу. Строение кремния определяет сферу его применения.

История использования

Очень часто из-за схожести наименований люди путают кремний и кремень, однако понятия эти не тождественны. Внесем ясность. Как уже упоминалось, в природе кремний в чистом виде не встречается, чего нельзя сказать о его соединениях (тот же кремнезем). Основные минералы и горные породы, образуемые диоксидом рассматриваемого нами вещества — это песок (речной и кварцевый), кварц и кварциты, и кремень. О последнем слышали, должно быть, все, ведь ему придается большое значение в истории развития человечества. С данным камнем связывают первые орудия труда, созданные людьми в период каменного века. Его острые грани, образующиеся при откалывании от основной породы, значительно облегчали труд древних домохозяек, а возможность заострения - охотников и рыболовов. Кремень не обладал прочностью металлических изделий, но вышедшие из строя инструменты было легко заменить новыми. Его использование в качестве огнива продолжалось многие века - вплоть до изобретения альтернативных источников.

Что касается современных реалий, свойства кремния позволяют эксплуатировать вещество для отделки помещений или создания керамической посуды, при этом, помимо прекрасного эстетичного вида, он имеет множество отличных функциональных качеств. Отдельное направление его применения связано с изобретением стекла около 3000 лет назад. Это событие дало возможность создавать зеркала, посуду, мозаичные витражи из соединений, содержащих кремний. Формула начального вещества дополнялась необходимыми составляющими, что позволяло придавать изделию требуемый цвет и влияло на прочность стекла. Удивительные по красоте и разнообразию произведения искусства были сделаны человеком из минералов и камней, содержащих кремний. Целебные свойства этого элемента были описаны учеными древности и применялись на протяжении всей истории человечества. Им выкладывали колодцы для питьевой воды, кладовые для хранения продуктов, использовали как в быту, так и в медицине. Порошок, полученный в результате измельчения, прикладывали к ранам. Особое внимание уделялось воде, которая настаивалась в посуде, сделанной из соединений, содержащих кремний. Химический элемент взаимодействовал с ее составом, что позволяло уничтожать ряд болезнетворных бактерий и микроорганизмов. И это еще далеко не все отрасли, где рассматриваемое нами вещество весьма и весьма востребовано. Строение кремния обуславливает его многофункциональность.

Свойства

Для более подробного ознакомления с особенностями вещества его необходимо рассмотреть с учетом всех возможных свойств. План характеристики химического элемента кремния включает в себя физические свойства, электрофизические показатели, изучение соединений, реакции и условия их прохождения и т. д. Кремний в кристаллической форме имеет темно-серый с металлическим отливом цвет. Решетка гранецентрированная кубическая имеет сходство с углеродной (алмаз), но за счет большей длины связей не настолько прочная. Пластичным её делает нагревание до 800 о С, в остальных случаях она остается хрупкой. Физические свойства кремния делают это вещество поистине уникальным: он является прозрачным для инфракрасного излучения. Температура плавления - 1410 0 С, кипения - 2600 0 С, плотность при нормальных условиях - 2330 кг/м 3 . Теплопроводность непостоянна, для различных образцов она принимается в приблизительном значении 25 0 С. Свойства атома кремния позволяют использовать его в качестве полупроводника. Это направление применения наиболее востребовано в современном мире. На величину электропроводности оказывает влияние состав кремния и элементы, находящиеся в соединении с ним. Так, для повышенной электронной проводимости используются сурьма, мышьяк, фосфор, для дырчатой - алюминий, галлий, бор, индий. При создании приборов с кремнием в качестве проводника применяется поверхностная обработка определенным агентом, который и оказывает влияние на работу аппарата.

Свойства кремния как отличного проводника используются достаточно широко в современном приборостроении. Особенно актуально его применение при производстве сложной техники (например, современные вычислительные устройства, компьютеры).

Кремний: характеристика химического элемента

В большинстве случаев кремний четырехвалентен, также встречаются связи, в которых он может иметь значение +2. При нормальных условиях он малоактивен, имеет прочные соединения, при комнатной температуре может вступить в реакцию только со фтором, находящимся в газообразном агрегатном состоянии. Это объясняется эффектом блокирования поверхности диоксидной пленкой, который наблюдается при взаимодействии с окружающим кислородом или водой. Для стимуляции реакций необходимо применять катализатор: повышение температуры идеально подходит для такого вещества, как кремний. Химический элемент взаимодействует с кислородом при 400-500 0 С, в результате диоксидная пленка увеличивается, идет процесс окисления. При повышении температуры до 50 0 С наблюдается реакция с бромом, хлором, йодом, в результате чего образуются летучие тетрагалогениды. С кислотами кремний не взаимодействует, исключение составляет смесь фтористоводородной и азотной, при этом любая щелочь в нагретом состоянии является растворителем. Кремневодороды образуются только путем разложения силицидов, в реакцию с водородом он не вступает. Наибольшей прочностью и химической пассивностью отличаются соединения с бором и углеродом. Высокую стойкость по отношению к щелочам и кислотам имеет соединение с азотом, которое происходит при температуре свыше 1000 0 С. Силициды получаются при реакции с металлами, и в этом случае от дополнительного элемента зависит валентность, которую показывает кремний. Формула вещества, образованного при участии переходного металла, является стойкой к воздействию кислот. Строение атома кремния напрямую влияет на его свойства и способность взаимодействовать с другими элементами. Процесс образования связей в природе и при воздействиях на вещество (в лабораторных, промышленных условиях) различается значительно. Строение кремния предполагает его химическую активность.

Строение

Кремния имеет свои особенности. Заряд ядра +14, что соответствует порядковому номеру в периодической системе. Количество заряженных частиц: протонов - 14; электронов - 14; нейтронов - 14. Схема строения атома кремния имеет следующий вид: Si +14) 2) 8) 4. На последнем (внешнем) уровне расположено 4 электрона, что определяет степень окисления со знаком «+» или «-». Оксид кремния имеет формулу SiO 2 (валентность 4+), летучее водородное соединение - SiH 4 (валентность -4). Большой объем атома кремния позволяет в некоторых соединениях иметь координационное число 6, например, при соединении со фтором. Молярная масса - 28, радиус атома - 132 пм, конфигурация электронной оболочки: 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 2 .

Применение

Поверхностно или полностью легированный кремний используется в качестве полупроводника при создании многих, в том числе высокоточных, приборов (например, солнечные фотоэлементы, транзисторы, выпрямители тока и т. д.). Сверхчистый кремний применяется для создания солнечных батарей (энергетика). Монокристаллический вид используется для изготовления зеркал и газового лазера. Из соединений кремния получают стекло, керамическую плитку, посуду, фарфор, фаянс. Многообразие получаемых видов товаров описать сложно, их эксплуатация происходит на бытовом уровне, в искусстве и науке, на производстве. Получаемый цемент служит сырьем для создания строительных смесей и кирпича, отделочных материалов. Распространение масел, смазки на основе позволяет значительно уменьшить силу трения в подвижных частях многих механизмов. Силициды за счет уникальных свойств в области противодействия агрессивным средам (кислотам, температурам) широко применяются в промышленности. Их электрические, ядерные и химические показатели принимают во внимание специалисты на сложных производствах, не последнюю роль играет и строение атома кремния.

Мы перечислили самые наукоемкие и передовые на сегодняшний день сферы применения. Наиболее распространенный, изготавливаемый в больших объемах технический кремний используется по целому ряду направлений:

1. В качестве сырья для производства более чистого вещества.
2. Для легирования сплавов в металлургической промышленности: наличие кремния увеличивает тугоплавкость, повышает устойчивость к коррозии и механическую прочность (при избытке данного элемента сплав может оказаться слишком хрупким).
3. В качестве раскислителя для удаления лишнего кислорода из металла.
4. Сырье для производства силанов (соединений кремния с органическими веществами).
5. Для производства водорода из сплава кремния с железом.
6. Изготовление солнечных батарей.

Велико значение данного вещества и для нормального функционирования организма человека. Строение кремния, его свойства являются в данном случае определяющими. При этом переизбыток или недостаток его ведет к серьезным заболеваниям.

В организме человека

Медицина достаточно давно использует кремний в качестве бактерицидного и антисептического средства. Но при всей пользе наружного применения данный элемент должен постоянно возобновляться в организме человека. Нормальный уровень его содержания позволит улучшить жизнедеятельность в целом. В случае его недостатка более 70 микроэлементов и витаминов не будут усвоены организмом, что значительно понизит сопротивляемость к целому ряду заболеваний. Наибольшее процентное соотношение кремния наблюдается в костях, коже, сухожилиях. Он играет роль структурного элемента, который поддерживает прочность и придает упругость. Все скелетные твердые ткани формируются за счет его соединений. В результате последних исследований обнаружено содержание кремния в почках, поджелудочной железе и соединительных тканях. Роль данных органов в функционировании организма достаточно велика, поэтому снижение его содержания губительно отразится на многих основных показателях жизнеобеспечения. В сутки с пищей и водой организм должен получать 1 грамм кремния - это поможет избежать возможных болезней, таких как воспалительные процессы кожного покрова, размягчение костей, образование камней в печени, почках, ухудшение зрения, состояния волос и ногтей, атеросклероз. При достаточном уровне содержания данного элемента повышается иммунитет, нормализуются обменные процессы, улучшается усвоение многих элементов, необходимых для здоровья человека. Наибольшее количество кремния - в злаковых культурах, редисе, гречневой крупе. Значительную пользу принесет кремниевая вода. Для определения количества и частоты ее использования лучше проконсультироваться со специалистом.

Кремний - очень редкий минеральный вид из класса самородных элементов. На самом деле это удивительно, как редко химический элемент кремний, составляющий в связанном виде не менее 27,6% массы земной коры, встречается в природе в чистом виде. Но кремний прочно связывается с кислородом и почти всегда находится в виде кремнезёма — диоксида кремния, SiO 2 (семейство кварца) или в составе силикатов (SiO 4 4-). Самородный кремний как минерал был найден в продуктах вулканических испарений и как мельчайшие включения в самородном золоте.

Смотрите так же:

СТРУКТУРА

Кристаллическая решётка кремния кубическая гранецентрированная типа алмаза, параметр а = 0,54307 нм (при высоких давлениях получены и другие полиморфные модификации кремния), но из-за большей длины связи между атомами Si-Si по сравнению с длиной связи С-С твёрдость кремния значительно меньше, чем алмаза. Имеет объемную структуру. Ядра атомов вместе с электронами на внутренних оболочках обладают положительным зарядом 4, который уравновешивается отрицательными зарядами четырех электронов на внешней оболочке. Вместе с электронами соседних атомов они образуют ковалентные связи на кристаллической решетке. Таким образом, на внешней оболочке находятся четыре своих электрона и четыре электрона, заимствованные у четырех соседних атомов. При температуре абсолютного нуля все электроны внешних оболочек участвуют в ковалентных связях. При этом кремний является идеальными изолятором, так как не имеет свободных электронов, создающих проводимость.

СВОЙСТВА

Кремний хрупок, только при нагревании выше 800 °C он становится пластичным веществом. Он прозрачен для инфракрасного излучения начиная с длины волны 1,1 мкм. Собственная концентрация носителей заряда - 5,81·10 15 м −3 (для температуры 300 K).Температура плавления 1415 °C, температура кипения 2680 °C, плотность 2,33 г/см 3 . Обладает полупроводниковыми свойствами, его сопротивление понижается при повышении температуры.

Аморфный кремний – порошок бурого цвета на основе сильно разупорядоченной алмазоподобной структуры. Обладает большей реакционной способностью, чем кристаллический кремний.

МОРФОЛОГИЯ

Чаще всего в природе кремний встречается в виде кремнезёма - соединений на основе диоксида кремния (IV) SiO 2 (около 12 % массы земной коры). Основные минералы и горные породы, образуемые диоксидом кремния, - это песок (речной и кварцевый), кварц и кварциты, кремень, полевые шпаты. Вторую по распространённости в природе группу соединений кремния составляют силикаты и алюмосиликаты.

Отмечены единичные факты нахождения чистого кремния в самородном виде.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Содержание кремния в земной коре составляет по разным данным 27,6-29,5 % по массе. Таким образом по распространённости в земной коре кремний занимает второе место после кислорода. Концентрация в морской воде 3 мг/л. Отмечены единичные факты нахождения чистого кремния в самородном виде — мельчайшие включения (наноиндивиды) в ийолитах Горячегорского щелочно-габброидного массива (Кузнецкий Алатау, Красноярский край); в Карелии и на Кольском п-ове (по мат. изучения Кольской сверхглубокой скважины); микроскопические кристаллы в фумаролах вулканов Толбачик и Кудрявый (Камчатка).

ПРИМЕНЕНИЕ

Сверхчистый кремний преимущественно используется для производства одиночных электронных приборов (нелинейные пассивные элементы электрических схем) и однокристальных микросхем. Чистый кремний, отходы сверхчистого кремния, очищенный металлургический кремний в виде кристаллического кремния являются основным сырьевым материалом для солнечной энергетики.

Монокристаллический кремний - помимо электроники и солнечной энергетики, используется для изготовления зеркал газовых лазеров.

Соединения металлов с кремнием - силициды - являются широко употребляемыми в промышленности (например, электронной и атомной) материалами с широким спектром полезных химических, электрических и ядерных свойств (устойчивость к окислению, нейтронам и др.). Силициды ряда элементов являются важными термоэлектрическими материалами.

Соединения кремния служат основой для производства стекла и цемента. Производством стекла и цемента занимается силикатная промышленность. Она также выпускает силикатную керамику - кирпич, фарфор, фаянс и изделия из них. Широко известен силикатный клей, применяемый в строительстве как сиккатив, а в пиротехнике и в быту для склеивания бумаги. Получили широкое распространение силиконовые масла и силиконы - материалы на основе кремнийорганических соединений.

Технический кремний находит следующие применения:

• сырьё для металлургических производств: компонент сплава (бронзы, силумин);
• раскислитель (при выплавке чугуна и сталей);
• модификатор свойств металлов или легирующий элемент (например, добавка определённого количества кремния при производстве трансформаторных сталей уменьшает коэрцитивную силу готового продукта) и т. п.;
• сырьё для производства более чистого поликристаллического кремния и очищенного металлургического кремния (в литературе «umg-Si»);
• сырьё для производства кремний органических материалов, силанов;
• иногда кремний технической чистоты и его сплав с железом (ферросилиций) используется для производства водорода в полевых условиях;
• для производства солнечных батарей;
• антиблок (антиадгезивная добавка) в промышленности пластмасс.

Кремний (англ. Silicon) — Si

КЛАССИФИКАЦИЯ

Strunz (8-ое издание)	1/B.05-10
Nickel-Strunz (10-ое издание)	1.CB.15
Dana (7-ое издание)	1.3.6.1
Dana (8-ое издание)	1.3.7.1
Hey’s CIM Ref.	1.28

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.

Химические свойства кремния

Основное химическое свойство кремния – горение в кислороде, в результате которого образуется крайне распространенное соединение – оксид кремния:

Si + O2 → SiO2 (при температуре).

При нагревании кремний как неметалл образует соединения с различными металлами. Такие соединения называются силицидами. Например:

2Ca + Si → Ca2Si (при температуре).

Силициды, в свою очередь, без затруднений разлагаются при помощи воды или некоторых кислот. В результате данной реакции образуется особое водородное соединение кремния – газ силан (SiH4):

Mg2Si + 4HCl → 2MgCl2 + SiH4.

Кремний также способен взаимодействовать с фтором (при нормальных условиях):

Si + 2F2 → SiF4.

А при нагревании кремний взаимодействует с другими неметаллами:

Si + 2Cl2 → SiCl4 (400–600°).

3Si + 2N2 → Si3N4 (1000°).

Si + C → SiC (2000°).

Также кремний, взаимодействуя со щелочами и водой, образует соли, называемые силикатами, и газ водород:

Si + 2KOH + H2O → K2SiO3 + H2.

Однако большинство химических свойств данного элемента мы разберем, рассматривая кремний и его соединения, так как именно они являются основными веществами, на которых основано применение и взаимодействие кремния с другими химическими элементами. Итак, какие же соединения кремния являются наиболее распространенными?

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.

Именно оксид кремния делает прочными стебли таких растений, как камыши, тростники и хвощи, листья осоки и стебли злаков. В защитных наружных покровах некоторых животных также содержится кремнезем.

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!

Кремний (Si) – стоит в 3 периоде, IV группе главной подгруппы периодической системы. Физические свойства: кремний существует в двух модификациях: аморфной и кристаллической. Аморфный кремний – порошок бурого цвета, плотностью 2,33 г/см3, растворяется в расплавах металлов. Кристаллический кремний – это кристаллы темно-серого цвета, обладающие стальным блеском, твердый и хрупкий, плотностью 2,4 г/см3. Кремний состоит из трех изотопов: Si (28), Si (29), Si (30).

Химические свойства: электронная конфигурация: 1s22s22p6 3 s2 3p2 . Кремний – неметалл. На внешнем энергетическом уровне кремний имеет 4 электрона, что обуславливает его степени окисления: +4, -4, -2. Валентность – 2, 4. Аморфный кремний обладает большей реакционной способностью, чем кристаллический. При обычных условиях он взаимодействует со фтором: Si + 2F2 = SiF4. При 1000 °C Si реагирует с неметаллами: с CL2, N2, C, S.

Из кислот кремний взаимодействует только со смесью азотной и плавиковой кислот:

По отношению к металлам ведет себя по-разному: в расплавленных Zn, Al, Sn, Pb он хорошо растворяется, но не реагирует с ними; с другими расплавами металлов – с Mg, Cu, Fe кремний взаимодействует с образованием силицидов: Si + 2Mg = Mg2Si. Кремний горит в кислороде: Si + O2 = SiO2 (песок).

Диоксид кремния или кремнезем – стойкое соединение Si , широко распространен в природе. Реагирует со сплавлением его с щелочами, основными оксидами, образуя соли кремниевой кислоты – силикаты. Получение: в промышленности кремний в чистом виде получают восстановлением диоксида кремния коксом в электропечах: SiO2 + 2С = Si + 2СO?.

В лаборатории кремний получают прокаливанием с магнием или алюминием белого песка:

SiO2 + 2Mg = 2MgO + Si.

3SiO2 + 4Al = Al2О3 + 3Si.

Кремний образует кислоты: Н2SiO3 – мета-кремниевая кислота; Н2Si2O5 – двуметакремниевая кислота.

Нахождение в природе: минерал кварц – SiO2. Кристаллы кварца имеют форму шестигранной призмы, бесцветные и прозрачные, называются горным хрусталем. Аметист – горный хрусталь, окрашенный примесями в лиловый цвет; дымчатый топаз окрашен в буроватый цвет; агат и яшма – кристаллические разновидности кварца. Аморфный кремнезем менее распространен и существует в виде минерала опала – SiO2 nН2О. Диатомит, трепел или кизельгур (инфузорная земля) – землистые формы аморфного кремния.

42. Понятие коллоидных растворов

Коллоидные растворы – высокодисперсные двухфазные системы, состоящие из дисперсионной среды и дисперсной фазы. По размерам частиц являются промежуточными между истинными растворами, суспензиями и эмульсиями. У коллоидных частиц молекулярный или ионный состав.

Существуют три типа внутренней структуры первичных частиц.

1. Суспензоиды (или необратимые коллоиды) – гетерогенные системы, свойства которых можно определить развитой межфазовой поверхностью. По сравнению с суспензиями более высокодисперсные. Не могут долго существовать без стабилизатора дисперсности. Их называют необратимыми коллоидами из-за того, что их осадки после выпаривания вновь не образуют золей. Их концентрация мала – 0,1 %. От вязкости дисперсной среды отличаются незначительно.

Суспензоиды можно получить:

1) методами диспергирования (измельчение крупных тел);

2) методами конденсации (получение нерастворимых соединений при помощи реакций обмена, гидролиза и т. п.).

Самопроизвольное уменьшение дисперсности у суспензоидов зависит от свободной поверхностной энергии. Чтобы получить длительно сохраняющуюся суспензию, необходимы условия для ее стабилизации.

Устойчивые дисперсные системы:

1) дисперсионная среда;

2) дисперсная фаза;

3) стабилизатор дисперсной системы.

Стабилизатор может быть ионный, молекулярный, но чаще всего – высокомолекулярный.

Защитные коллоиды – высокомолекулярные соединения, которые добавляют для стабилизации (белки, пептиды, поливиниловый спирт и др.).

2. Ассоциативные (или мицеллярные коллоиды) – полуколлоиды, возникающие при достаточной концентрации молекул, состоящих из углеводородных радикалов (дифильные молекулы) низкомолекулярных веществ при ассоциации их в агрегаты молекул (мицеллы). Мицеллы образуются в водных растворах моющих средств (мыл), органических красителей.

3. Молекулярные коллоиды (обратимые или лиофильные коллоиды) – природные и синтетические высокомолекулярные вещества с большим молекулярным весом. Молекулы их имеют размер коллоидных частиц (макромолекулы).

Разбавленные растворы коллоидов высокомолекулярных соединений – гомогенные растворы. При сильном разбавлении эти растворы подчиняются законам разбавленных растворов.

Неполярные макромолекулы растворяются в углеводородах, полярные – в полярных растворителях.

Обратимые коллоиды – вещества, сухой остаток которых при добавлении новой порции растворителя вновь переходит в раствор.

Химический знак кремния Si, атомный вес 28,086, заряд ядра +14. , как и , располагается в главной подгруппе IV группы, в третьем периоде. Это аналог углерода. Электронная конфигурация электронных слоев атома кремния ls 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 . Строение внешнего электронного слоя

Структура внешнего электронного слоя аналогична структуре атома углерода.
встречается в виде двух аллотропных видоизменений - аморфного и кристаллического.
Аморфный - порошок буроватого цвета, обладающий несколько большей химической активностью, чем кристаллический. При обычной температуре реагирует с фтором:
Si + 2F2 = SiF4 при 400° - с кислородом
Si + O2 = SiO2
в расплавах - с металлами:
2Mg + Si = Mg2Si
Кристаллический кремний - твердое хрупкое вещество с металлическим блеском. Он обладает хорошей тепло- и электропроводностью, легко растворяется в расплавленных металлах, образуя . Сплав кремния с алюминием называется силумином, сплав кремния с железом - ферросилицием. Плотность кремния 2,4. Температура плавления 1415°, температура кипения 2360°. Кристаллический кремний - вещество довольно инертное и в химические реакции вступает с трудом. С кислотами, несмотря на хорошо заметные металлические свойства, кремний не реагирует, а со щелочами вступает в реакцию, образуя соли кремниевой кислоты и :
Si + 2КОН + Н2О = K2SiO2 + 2H2

■ 36. В чем сходство и в чем различие электронных структур атомов кремния и углерода?
37. Как объяснить с точки зрения электронной структуры атома кремния, почему металлические свойства более характерны для кремния, чем для углерода?
38. Перечислите химические свойства кремния.

Кремний в природе. Двуокись кремния

В природе кремний распространен очень широко. Примерно 25% земной коры приходится на кремний. Значительная часть природного кремния представлена двуокисью кремния SiO2. В очень чистом кристаллическом состоянии двуокись кремния встречается в виде минерала, называемого горным хрусталем. Двуокись кремния и двуокись углерода по химическому составу являются аналогами, однако двуокись углерода - это газ, а двуокись кремния - твердое вещество. В отличие от молекулярной кристаллической решетки СO2 двуокись кремния SiO2 кристаллизуется в виде атомной кристаллической решетки, каждая ячейка которой представляет собой тетраэдр с атомом кремния в центре и атомами кислорода по углам. Это объясняется тем, что атом кремния имеет больший радиус, чем атом углерода, и вокруг него могут разместиться не 2, а 4 кислородных атома. Различием в строении кристаллической решетки объясняется различие свойств этих веществ. На рис. 69 показаны внешний вид кристалла природного кварца, состоящего из чистой двуокиси кремния, и ее структурная формула.

Рис. 60. Структурная формула двуокиси кремния (а) и кристаллы природного кварца (б)

Кристаллическая двуокись кремния наиболее часто встречается в виде песка, который имеет белый цвет, если не загрязнен глинистыми примесями желтого цвета. Помимо песка, двуокись кремния часто встречается в виде очень твердого минерала - кремния (гидратированная двуокись кремния). Кристаллическая двуокись кремния, окрашенная в различные примеси, образует драгоценные и полудрагоценные камни - агат, аметист, яшму. Почти чистая двуокись кремния встречается также в виде кварца и кварцита. Свободной двуокиси кремния в земной коре 12%, в составе различных горных пород - около 43%. В общей сложности более 50% земной коры состоит из двуокиси кремния.
Кремний входит в состав самых различных горных пород и минералов - глины, гранитов, сиенитов, слюд, полевых шпатов и пр.

Твердая двуокись углерода, не плавясь, возгоняется при -78,5°. Температура плавления двуокиси кремния около 1.713°. Она весьма тугоплавка. Плотность 2,65. Коэффициент расширения двуокиси кремния очень мал. Это имеет очень большое значение при применении посуды из кварцевого стекла. В воде двуокись кремния не растворяется и с ней не реагирует, несмотря на , что это кислотный окисел и ему соответствует кремниевая кислота H2SiO3. Двуокись углерода в воде, как известно, растворима. С кислотами, кроме плавиковой кислоты HF, двуокись кремния не реагирует, со щелочами дает соли.

Рис. 69. Структурная формула двуокиси кремния (а) и кристаллы природного кварца (б).
При накаливании двуокиси кремния с углем происходит восстановление кремния, а затем его соединение с углеродом и образование карборунда по уравнению:
SiO2 + 2С = SiC + СО2. Карборунд обладает высокой твердостью, к кислотам устойчив, а щелочами разрушается.

■ 39. По каким свойствам двуокиси кремния можно судить о ее кристаллической решетке?
40. В виде каких минералов двуокись кремния встречается в природе?
41. Что такое карборунд?

Кремниевая кислота. Силикаты

Кремниевая кислота H2SiO3 является кислотой очень слабой и малоустойчивой. При нагревании она постепенно разлагается на воду и двуокись кремния:
H2SiO3 = H2O + SiO2

В воде кремниевая кислота практически нерастворима, но может легко давать .
Кремниевая кислота образует соли, которые называются силикатами. широко встречаются в природе. Природные - это довольно сложные . Состав их обычно изображается как соединение нескольких окислов. Если в состав природных силикатов входит окись алюминия, они называются алюмосиликатами. Таковы белая глина, (каолин) Al2O3 · 2SiO2 · 2H2O, полевой шпат К2O · Al2O3 · 6SiO2, слюда
К2O · Al2O3 · 6SiO2 · 2Н2O. Многие природные в чистом виде являются драгоценными камнями, например аквамарин, изумруд и др.
Из искусственных силикатов следует отметить силикат натрия Na2SiO3 - один из немногих растворимых в воде силикатов. Его называют растворимым стеклом, а раствор - жидким стеклом.

Силикаты широко применяются в технике. Растворимым стеклом пропитывают ткани и древесину для предохранения их от воспламенения. Жидкое входит в состав огнеупорных замазок для склеивания стекла, фарфора, камня. Силикаты и являются основой в производстве стекла, фарфора, фаянса, цемента, бетона, кирпича и различных керамических изделий. В растворе силикаты легко гидролизуются.

■ 42. Что такое ? Чем они отличаются от силикатов?
43. Что такое жидкое и для каких целей оно применяется?

Стекло

Сырьем для производства стекла являются сода Na2CO3, известняк СаСO3 и песок SiO2. Все составные части стеклянной шихты тщательно очищают, смешивают и сплавляют при температуре около 1400°. В процессе сплавления протекают следующие реакции:
Na2CO3 + SiO2= Na2SiO3 + CO2

CaCO3 + SiO2 = CaSiO 3+ CO2
Фактически в состав стекла входят силикаты натрия и кальция, а также избыток SO2, поэтому состав обычного оконного стекла: Na2O · CaO · 6SiO2. Стеклянную шихту нагревают при температуре 1500° до тех пор, пока полностью не удалится двуокись углерода. Затем охлаждают до температуры 1200°, при которой оно становится вязким. Как всякое аморфное вещество, стекло размягчается и затвердевает постепенно, поэтому оно является хорошим пластическим материалом. Вязкую стеклянную массу пропускают через щель, в результате чего образуется стеклянный лист. Горячий стеклянный лист вытягивают валками, доводя до определенных размеров и постепенно охлаждая током воздуха. Затем его обрезают по краям и разрезают на листы определенного формата.

■ 44. Приведите уравнения реакций, протекающих при получении стекла, и состав оконного стекла.

Стекло - вещество аморфное, прозрачное, в воде практически нерастворимо, но если измельчить его в мелкую пыль и смешать с небольшим количеством воды, в полученной смеси с помощью фенолфталеина можно обнаружить щелочь. При длительном хранении щелочей в стеклянной посуде избыток SiO2 в стекле очень медленно реагирует со щелочью и стекло постепенно утрачивает прозрачность.
Стекло стало известно людям более чем за 3000 лет до нашей эры. В древности получали стекла почти такого же состава, как и в настоящее время, но древние мастера руководствовались лишь собственной интуицией. В 1750 г. М. В. сумел разработать научные основы получения стекла. За 4 года М. В. собрал много рецептов изготовления разных стекол, особенно цветных. На построенной им стекольной фабрике было изготовлено большое количество образцов стекла, которые сохранились до наших дней. В настоящее время используются стекла разного состава, обладающие различными свойствами.

Кварцевое стекло состоит из почти чистой двуокиси кремния и выплавляется из горного хрусталя. Его очень важной особенностью является , что коэффициент расширения у него незначительный, почти в 15 раз меньше, чем у обычного стекла. Посуду из такого стекла можно раскалить докрасна в пламени горелки и после этого опустить в холодную воду; при этом никаких изменений со стеклом не произойдет. Кварцевое стекло не задерживает ультрафиолетовых лучей, а если окрасить его никелевыми солями в черный цвет, то оно будет задерживать все видимые лучи спектра, но для ультрафиолетовых лучей останется прозрачным.
На кварцевое стекло не действуют кислоты и , но щелочи его заметно разъедают. Кварцевое стекло более хрупко, чем обычное. Лабораторное стекло содержит около 70% SiО2, 9% Na2О, 5% К2О 8% СаО, 5% Аl2O3, 3% В2O3 (состав стекол приводится не для запоминания).

В промышленности находят применение стекла иен-ское и пирекс. Иенское стекло содержит около 65% Si02, 15% В2O3, 12% ВаО, 4% ZnO, 4% Аl2O3. Оно прочно, устойчиво к механическим воздействиям, имеет малый коэффициент расширения, устойчиво к щелочам.
Стекло пирекс содержит 81% SiO2, 12% В2O3, 4% Na2O, 2% Аl2O3, 0,5% As2O3, 0,2% К2O, 0,3% СаО. Оно обладает такими же свойствами, как иенское стекло, но в еще большей степени, особенно после закалки, зато менее устойчиво к щелочам. Из стекла пирекс изготовляют предметы домашнего обихода, подвергающиеся нагреванию, а также детали некоторых промышленных установок, работающие при низких и высоких температурах.

Разные качества стеклу придают некоторые добавки. Например, примеси окислов ванадия дают стекло, полностью задерживающее ультрафиолетовые лучи.
Получают также и стекло, окрашенное в различные цвета. Еще М. В. изготовил несколько тысяч образцов цветного стекла разной окраски и оттенков для своих мозаичных картин. В настоящее время методы окраски стекла детально разработаны. Соединения марганца окрашивают стекло в фиолетовый цвет, кобальта - в синий. , распыленное в массе стекла в виде коллоидных частиц, придает ему рубиновую окраску и т. д. Свинцовые соединения придают стеклу блеск, подобный блеску горного хрусталя, поэтому оно называется хрустальным. Такое стекло легко поддается обработке, огранке. Изделия из него очень красиво преломляют свет. При окраске этого стекла различными добавками получается цветное хрустальное стекло.

Если расплавленное стекло смешать с веществами, которые при разложении образуют большое количество газов, то последние, выделяясь, вспенивают стекло, образуя пеностекло. Такое стекло очень легкое, хорошо обрабатывается, является прекрасным электро- и тепло-изолятором. Оно было впервые получено проф. И. И. Китайгородским.
Вытягивая из стекла нити, можно получить так называемое стекловолокно. Если пропитать уложенное слоями стекловолокно синтетическими смолами, то получается очень прочный, не поддающийся гниению, прекрасно обрабатывающийся строительный материал, так называемый стеклотекстолит. Интересно, что чем тоньше стекловолокно, тем выше его прочность. Стекловолокно также применяется для изготовления спецодежды.
Стеклянная вата является ценным материалом, через который можно фильтровать сильные кислоты и щелочи, не фильтрующиеся через бумагу. Кроме того, стеклянная вата является хорошим теплоизолирующим веществом.

■ 44. От чего зависят свойства стекол разных видов?

Керамика

Из алюмосиликатов особенно важна белая глина - каолин, являющаяся основой для получения фарфора и фаянса. Производство фарфора - чрезвычайно древняя отрасль хозяйства. Родина фарфора - Китай. В России фарфор был получен впервые в XVIIIв. Д, И. Виноградовым.
Сырьем для получения фарфора и фаянса, помимо каолина, служат песок и . Смесь каолина, песка и воды подвергают тщательному тонкому размолу в шаровых мельницах, затем отфильтровывают избыток воды и хорошо вымешанную пластичную массу направляют на формовку изделий. После формовки изделия подвергают сушке и обжигу в туннельных печах непрерывного действия, где их сначала разогревают, затем обжигают и, наконец, охлаждают. После этого изделия проходят дальнейшую обработку - покрытие глазурью, нанесение рисунка керамическими красками. После каждой стадии изделия обжигают. В результате фарфор получается белым, гладким и блестящим. В тонких слоях он просвечивает. Фаянс порист и не просвечивает.

Из красной глины формуют кирпичи, черепицу, глиняную посуду, керамические кольца для насадки в поглотительных и промывных башнях разных химических производств, цветочные горшки. Их также обжигают, чтобы они не размягчались водой, стали механически прочными.

Цемент. Бетон

Соединения кремния служат основой для получения цемента - вяжущего материала, незаменимого в строительстве. Сырьем для получения цемента являются глина и известняк. Эту смесь обжигают в огромной наклонной трубчатой вращающейся печи, куда непрерывно загружают сырье. После обжига при 1200-1300° из отверстия, расположенного на другом конце печи, непрерывно выходит спекшаяся масса - клинкер. После размола клинкер превращается в . В состав цемента входят главным образом силикаты. Если смешать с водой до образования густой кашицы, а затем оставить на некоторое время на воздухе, то вступит в реакцию с веществами цемента, образуя кристаллогидраты и другие твердые соединения, что приводит к затвердеванию («схватыванию») цемента. Такой уже не переводится в прежнее состояние, поэтому до употребления цемент стараются беречь от воды. Процесс твердения цемента является длительным, и настоящую прочность он приобретает лишь через месяц. Правда, существуют разные сорта цемента. Рассмотренный нами обычный цемент называется силикатным, или портландцементом. Из глинозема, известняка и двуокиси кремния изготовляют быстро твердеющий глиноземистый цемент.

Если смешать цемент со щебнем или гравием, то получается бетон, являющийся уже самостоятельным строительным материалом. Щебень и гравий называются наполнителями. Бетон обладает высокой прочностью и выдерживает большие нагрузки. Он водостоек, огнестоек. При нагревании почти не теряет прочности, так как теплопроводность его очень мала. Бетон морозостоек, ослабляет радиоактивные излучения, поэтому его используют как строительный материал для гидротехнических сооружений, для защитных оболочек ядерных реакторов. Бетоном обмуровывают котлы. Если смешать цемент с пенообразователем, то образуется пронизанный множеством ячеек пенобетон. Такой бетон является хорошим звукоизолятором и еще меньше, чем обычный бетон, проводит тепло.