Кремний и его соединения

Нахождение в природе В природе кремний Si – второй по распространён- ности после кислорода эле- мент ( 28 0 / 0 от массы зем- ной коры ). Земная кора более чем на четверть состоит из его соединений. Наиболее распространён- ным соединением кремния является его диоксид SiO 2, другое его название – кремнезём. Кремний в виде скелета живого организма

Разновидности кварца Диоксид кремния в природе образует минерал кварц и многие его разновидности, такие, как: горный хрусталь и его знаменитая лиловая форма – аметист; агат; опал; яшма; халцедон; сердолик. Минерал кварц Все эти минералы имеют одну и туже химическую формулу – SiO 2.

Аметист Аметистовая жеода Кристалл аметиста

Горный хрусталь Перед вами статуэт- ка бульдога из горно- го хрусталя, создан- ная по замыслу юве- лира. Наиболее чистый кварц – горный хрус- таль – бесцветен и прозрачен.

Агат Агат очень интересный и удивительный камень. Его различные разновидности и оттенки (разводы, круги, пейзажи) вдохновляют мастеров и ювелиров на создание уникальных украшений и предметов. Этот минерал, являясь поделочным и полудраго- ценным камнем, широко используется в создании женских украшений и других предметов.

Яшма Яшма волшебная, ни с одним камнем не схожая, таящая в себе и рисунки явные, и письмена тайные, давно будоражит людское воображение. Изысканность яшмовых узоров ценилась многими народами. Из-под рук искусных мастеров выходили ожерелья, браслеты, печати и камеи, статуэтки.

Топаз Перед вами кристалл топаза, инкрустированный в горной породе.

Минералы на основе SiO 2 Из разновидностей минера- лов на основе диоксида крем- ния – кремня, халцедона и других первобытные люди из- готовляли орудия труда. Именно кремень положил начало каменному веку – веку кремневых орудий труда. Причин этому две: распространённость и доступность кремня; способность его образовы- вать при сколе острые режущие края. Кремневые орудия эпохи палеолита

Природные силикаты Второй тип природных соедине- ний кремния – это силикаты. Они составляют 75 0 / 0 от массы земной коры. Среди них наиболее распространены алюмосиликаты. К ним относятся: гранит; различные виды глин; слюды; нефелин и др. Силикатом, не содержащим алюминий, является асбест. Глобус из нефелина

Оксид кремния – SiO 2 SiO 2 Оксид кремния необходим: для жизни расте- ний и животных; придаёт прочность стеблям растений и защитным покровам животных; Кремний придаёт гладкость и проч- ноть костям чело- века. Чешуя рыб, панцири насекомых, крылья бабочек, перья птиц и шерсть животных прочны, т. к. содержат кремнезём; Диатомовые водо- росли и радиолярии – нежнейшие комочки живой материи, тоже состоят из кремнезёма.

Свойства кремния Структура элементар- ного кремния аналогична алмазу. Графитоподобная модификация неизвестна. Кремний – типичный полупроводник ( при нагревании проводимость возрастает). t (Si) плавления = С t (Si) кипения = С Известно пять модифика- ций кремния: четыре кристаллические: (кубическая гранецентриро- ванная решётка типа алмаза, тетрагональная решётка при давлении 20 ГПа, кубичес- кая решётка при давлении более 20 ГПа, гексагональ- ная решётка); аморфная.

Кубическая гранецентрированная решётка типа алмаза Тетрагональная кристаллическая система

Кристаллические решётки: а) кубическая; б) гексагональная. Упаковка шаров: а) гексагональная; б) кубическая.

Положение в периодической таблице

Проводимость кремния увеличивается при замене некоторых атомов кремния атомами элементов сосед- них групп периодической системы Д. И. Менделеева. При замещении Si эле- ментами V группы (фосфо- ра Р, висмута Bi) усилива- ется электронная проводи- мость, при замещении элементами III группы (алюминия AL, бора В) – дырочная. Электронная конфигура- ция наружного электронного слоя кремния: … 3s 2 3 p 23d Si … 3s23s2 3p 2 3d 0 Электронная конфигурация углерода: 1s 2 2s 2 2p 2 +6 С 1s21s2 2s 2 2p 2

Углерод и кремний – неметаллы IV группы

Степень окисления О+4 SiF 4 -1 SiS 2 -2 SiO -2 Si SiO SiH 4 +1 Si 3 N 4 -3 В соединениях кремний преимущественно четырёхвален- тен и проявляет в большинстве соединений степень окис- ления, равную +4. SiC -4 SiCL 4 +2

Атомы кремния способны образовывать цепочки, что является признаком кремний-органических соединений. В этом отношении он сходен с углеродом. Однако энергия связи Si – Si почти в два раза меньше, чем у связи С – С. Поэтому кремниевые цепочки ограничены максимум восемью атомами (Si 8 H 16 – октасилан). Существенное отличие кремния от углерода состоит в неспособности атомов кремния образовывать двойные и тройные связи. Самая важная и характерная особенность кремния – способность образовывать бесконечные цепочки, слои, пространственные каркасы из фрагментов Si – O – Si. ----О----Si----O----Si----O----Si----O---- O O O ----O----Si----O----Si----O----Si----O---- SiO 2 кварц

Химические свойства Si 1. С простыми веществами: а) кремний горит в кислороде, образуя известный вам уже диоксид кремния, или оксид кремния (IV): Si + O 2 = SiO 2 б) будучи неметаллом, при нагревании он соединяется с металлами с образованием силицидов, например: Si + Mg = Mg 2 Si

в) кремний непосредственно реагирует с водородом при повышенных температурах с образованием кремнийводородов – силанов: Si + 2H 2 = SiH 4 ( моносилан ) г) при комнатной температуре лишь фтор реагирует с кремниевой пылью: Si +2F 2 = SiF 4

2. Со сложными веществами: Кремний взаимодействует с концентрированными водными растворами щелочей, образуя силикаты и водород: Si + 2NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 +2H 2 3. Химические свойства соединений кремния: Силициды легко разлагаются водой или кислотами, при этом выделяется газообразное водородное соедине- ние кремния – силан: Mg 2 Si + 2H 2 SO 4 = 2MgSO 4 + SiH 4

В отличие от углеводородов силан на воздухе самовоспламеняется и сгорает с образованием диоксида кремния и воды: SiH 4 + 2O 2 = SiO 2 + 2H 2 O Повышенная реакционная способность силана по сравнению с метаном CH 4 объясняется тем, что у кремния больше размер атома, чем у углерода, поэтому химические связи Si – H слабее связей C – H.

Химические свойства SiO 2 Оксид кремния (IV) как и оксид углерода (IV) CO 2 является кислотным оксидом. Однако в отличие от CO 2 имеет не молекулярную, а атомную кристаллическую решётку. Поэтому SiO 2 твёрдое и тугоплавкое вещество. Он не растворяется в воде и кислотах, кроме плавиковой кислоты HF, но взаимодействует при высоких температурах со щелочами с образованием солей кремниевой кислоты – силикатов: SiO 2 + 2NaOH = Na 2 SiO 3 + H 2 O t0t0 силикат натрия

Получение силикатов Силикаты можно получить сплавлением диоксида кремния с оксидами металлов или с карбонатами: SiO 2 + CaO = CaSiO 3 SiO 2 + CaCO 3 = CaSiO 3 + CO 2 Силикаты натрия и калия называют растворимым стеклом. Их водные растворы – это хорошо известный силикатный клей.

Получение кремниевой кислоты Из растворов силикатов действием на них более сильных кислот – соляной HCI, серной H 2 SO 4, уксусной CH 3 COOH и даже угольной H 2 CO 3 : K 2 SiO 3 + 2HCI = 2KCI + H 2 SiO 3 Следовательно, кремниевая кислота очень слабая. Она нерастворима в воде и выпадает из реакционной смеси в виде студенистого осадка, похожую на студень, желе. При высыхании этой массы образуется высокопористое вещество – силикагель, применяемый как адсорбент – поглотитель других веществ.

Открытие кремния Хотя уже в глубокой древности люди широко использовали в своём быту соединения кремния, сам кремний в элементарном состоянии был впервые получен в 1825 г. шведским учёным Й. А. Берцелиусом. Однако за 12 лет до него кремний получили Ж. Гей-Люссак и Л. Тенар, но он был очень загрязнён примесями. Латинское название силициум кремний берёт своё начало от лат. силекс – кремень. Русское название «кремний» происходит от греч. кремнос – утёс, скала.

Получение кремния 1. Получение кремния в промышленности: В промышленности кремний получают при нагревании смеси песка и угля: 2C + SiO 2 Si + 2CO е Восстановленный кремний частично реагирует с избытком углерода, и образуется карборунд SiC (карбид кальция). Это очень твёрдое вещество и поэтому приме- няется для изготовления точильных и шлифовальных устройств.

2. Получение кремния в лаборатории: В лаборатории кремний получают при взаимодействии смеси чистого песка с порошком магния: 2Mg + SiO 2 2MgO + Si t0t0 4e Физические свойства кремния: Кристаллический кремний обладает металли- ческим блеском, тугоплавкий, очень твёрдый, с незначительной электрической проводимостью.

Применение кремния Si Производство кислотоупорных сталей Производство полупроводников Получение фотоэлементов Получение карборунда SiC В качестве выпрямителя переменного тока