Силициум как пишется в химии

Silicium

Кремний/Silicium (Si)
Атомный номер	14
Внешний вид простого вещества	В аморфной форме — коричневый порошок, в кристаллической — тёмно-серый, слегка блестящий
Свойства атома
Атомная масса (молярная масса)	28,0855 а. е. м. (г/моль)
Радиус атома	132 пм
Энергия ионизации (первый электрон)	786,0(8,15) кДж/моль (эВ)
Электронная конфигурация	[Ne] 3s 2 3p 2
Химические свойства
Ковалентный радиус	111 пм
Радиус иона	42 (+4e) 271 (-4e) пм
Электроотрицательность (по Полингу)	1,90
Электродный потенциал	0
Степени окисления	+4, −4, +2
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность	2,33 г/см³
Удельная теплоёмкость	19,8 Дж/(K·моль)
Теплопроводность	149 Вт/(м·K)
Температура плавления	1688 K
Теплота плавления	50,6 кДж/моль
Температура кипения	2623 K
Теплота испарения	383 кДж/моль
Молярный объём	12,1 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	алмаз
Период решётки	5,430 Å
Отношение c/a	n/a
Температура Дебая	625,00 K

Содержание

История

В чистом виде кре́мний был выделен в 1811 году французскими учеными Жозефом Луи Гей-Люссаком и Луи Жаком Тенаром.

Происхождение названия

В 1825 году шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус действием металлического калия на фтористый кремний SiF₄ получил чистый элементарный кремний. Новому элементу было дано название «силиций» (от лат. silex — кремень). Русское название «кремний» введено в 1834 году российский химиком Германом Ивановичем Гессом. В переводе c греческого kremnos — «утес, гора».

Нахождение в природе

По распространённости в земной коре кремний среди всех элементов занимает второе место (после кислорода). Масса земной коры на 27,6—29,5 % состоит из кремния. Кремний входит в состав нескольких сотен различных природных силикатов и алюмосиликатов. Больше всего распространен кремнезём — многочисленные формы диоксида кремния (IV) SiO₂ (речной песок, кварц, кремень и др.), составляющий около 12 % земной коры (по массе). В свободном виде кремний в природе не встречается, хотя одна четвертая земли состоит из кремния.

Получение

В промышленности кремний получают, восстанавливая расплав SiO₂ коксом при температуре около 1800 °C в дуговых печах. Чистота полученного таким образом кремния составляет около 99,9 %. Так как для практического использования нужен кремний более высокой чистоты, полученный кремний хлорируют. Образуются соединения состава SiCl₄ и SiCl₃H. Эти хлориды далее очищают различными способами от примесей и на заключительном этапе восстанавливают чистым водородом. Возможна также очистка кремния за счет предварительного получения силицида магния Mg₂Si. Далее из силицида магния с помощью соляной или уксусной кислот получают летучий моносилан SiH₄. Моносилан очищают далее ректификацией, сорбционными и др. методами, а затем разлагают на кремний и водород при температуре около 1000 °C. Содержание примесей в получаемом этими методами кремнии снижается до 10 -8 -10 -6 % по массе.

Способ получения кремния в чистом виде разработан Николаем Николаевичем Бекетовым. Крупнейшим производителем кремния в России является ОК Русал[1] — кремний производится на заводах в г. Каменск-Уральский (Свердловская область) и г. Шелехов (Иркутская область).

Физические свойства

Кристаллическая решетка 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 твердость кремния значительно меньше, чем алмаза. Кремний хрупок, только при нагревании выше 800 °C он становится пластичным веществом. Интересно, что кремний прозрачен к инфракрасному излучению, начиная с длины волны 1.1 микрометр.

Электрофизические свойства

Элементарный кремний — типичный непрямозонный полупроводник. Ширина запрещенной зоны при комнатной температуре 1,12 эВ, а при Т = 0 К составляет 1,21 эВ [2] . Концентрация носителей заряда в кремнии с собственной проводимостью при комнатной температуре 1,5·10 16 м -3 . На электрофизические свойства кристаллического кремния большое влияние оказывают содержащиеся в нем микропримеси. Для получения монокристаллов кремния с дырочной проводимостью в кремний вводят добавки элементов III-й группы — бора, алюминия, галлия и индия, с электронной проводимостью — добавки элементов V-й группы — фосфора, мышьяка или сурьмы. Электрические свойства кремния можно варьировать, изменяя условия обработки монокристаллов, в частности, обрабатывая поверхность кремния различными химическими агентами.

Подвижность электронов 1400 см²/(в*c).

Химические свойства

В соединениях кремний склонен проявлять степень окисления +4 или −4, так как для атома кремния более характерно состояние sp³-гибридизации орбиталей. Поэтому во всех соединениях, кроме оксида кремния (II) SiO, кремний четырёхвалентен.

Химически кремний малоактивен. При комнатной температуре реагирует только с газообразным фтором, при этом образуется летучий тетрафторид кремния SiF₄. При нагревании до температуры 400—500°C кремний реагирует с кислородом с образованием диоксида SiO₂, с хлором, бромом и иодом — с образованием соответствующих легко летучих тетрагалогенидов SiHal₄.

С водородом кремний непосредственно не реагирует, соединения кремния с водородом — силаны с общей формулой Si_nH_2n+2 — получают косвенным путем. Моносилан SiH₄ (его часто называют просто силаном) выделяется при взаимодействии силицидов металлов с растворами кислот, например:

Образующийся в этой реакции силан SiH₄ содержит примесь и других силанов, в частности, дисилана Si₂H₆ и трисилана Si₃H₈, в которых имеется цепочка из атомов кремния, связанных между собой одинарными связями (—Si—Si—Si—).

С азотом кремний при температуре около 1000 °C образует нитрид Si₃N₄, с бором — термически и химически стойкие бориды SiB₃, SiB₆ и SiB₁₂. Соединение кремния и его ближайшего аналога по таблице Менделеева — углерода — карбид кремния SiC (карборунд) характеризуется высокой твердостью и низкой химической активностью. Карборунд широко используется как абразивный материал.

При нагревании кремния с металлами возникают силициды. Силициды можно подразделить на две группы: ионно-ковалентные (силициды щелочных, щелочноземельных металлов и магния типа Ca₂Si, Mg₂Si и др.) и металлоподобные (силициды переходных металлов). Силициды активных металлов разлагаются под действием кислот, силициды переходных металлов химически стойки и под действием кислот не разлагаются. Металлоподобные силициды имеют высокие температуры плавления (до 2000 °C). Наиболее часто образуются металлоподобные силициды составов MeSi, Me₃Si₂, Me₂Si₃, Me₅Si₃ и MeSi₂. Металлоподобные силициды химически инертны, устойчивы к действию кислорода даже при высоких температурах.

При восстановлении SiO₂ кремнием при высоких температурах образуется оксид кремния (II) SiO.

Для кремния характерно образование кремнийорганических соединений, в которых атомы кремния соединены в длинные цепочки за счет мостиковых атомов кислорода —О—, а к каждому атому кремния, кроме двух атомов О, присоединены еще два органических радикала R₁ и R₂ = CH₃, C₂H₅, C₆H₅, CH₂CH₂CF₃ и др.

Применение

В настоящее время кремний — основной материал для электроники и солнечной энергетики.

Иногда кремний (технической чистоты) и его сплав с железом (ферросилиций) используется для производства водорода в полевых условиях.

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

Кремний применяется в металлургии при выплавке чугуна, сталей, бронз, силумина и др. (как раскислитель и модификатор, а также как легирующий компонент).

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, преимущественно применяемый для склеивания бумаги.

Последнее время очень широко применяются полимеры на основе кремния — силиконы.

Биологическая роль

Для некоторых организмов кремний является важным биогеным элементом. Он входит в состав опорных образований у растений и скелетных — у животных. В больших количествах кремний концентрируют морские организмы — диатомовые водоросли, радиолярии, губки. Большие количества кремния концентрируют хвощи и злаки, в первую очередь — подсемейства Бамбуков и Рисовидных, в том числе — рис посевной. Мышечная ткань человека содержит (1-2)·10 -2 % кремния, костная ткань — 17·10 -4 %, кровь — 3,9 мг/л. С пищей в организм человека ежедневно поступает до 1 г кремния.

Соединения кремния относительно нетоксичны. Но очень опасно вдыхание высокодисперсных частиц как силикатов, так и диоксида кремния, образующихся, например, при взрывных работах, при долблении пород в шахтах, при работе пескоструйных аппаратов и т. д. Микрочастицы SiO₂, попавшие в лёгкие, кристаллизуются в них, а возникающие кристаллики разрушают лёгочную ткань и вызывают тяжёлую болезнь — силикоз. Чтобы не допустить попадания в лёгкие опасной пыли, следует использовать для защиты органов дыхания респиратор.

Источник статьи: http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/748170

Кремний

[Ne] 3s 2 3p 2 ; в соед. [Ne] 3s 3p 3 (гибридизация)

Кремний — элемент главной подгруппы четвёртой группы третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 14. Обозначается символом Si (лат. Silicium ).

Содержание

История

В чистом виде кре́мний был выделен в 1811 году французскими учёными Жозефом Луи Гей-Люссаком и Луи Жаком Тенаром.

Происхождение названия

В 1825 году шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус действием металлического калия на фтористый кремний SiF₄ получил чистый элементарный кремний. Новому элементу было дано название «силиций» (от лат. silex — кремень). Русское название «кремний» введено в 1834 году российским химиком Германом Ивановичем Гессом. В переводе c др.-греч. κρημνός — «утёс, гора».

Нахождение в природе

Чаще всего в природе кремний встречается в виде кремнезёма — соединений на основе диоксида кремния (IV) SiO₂ (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 [3] .

Получение

«Свободный кремний можно получить прокаливанием с магнием мелкого белого песка, который представляет собой диоксид кремния:

При этом образуется бурый порошок аморфного кремния.» [4]

Возможна дальнейшая очистка кремния от примесей.

Очистка в лабораторных условиях может быть проведена путём предварительного получения силицида магния Mg₂Si. Далее из силицида магния с помощью соляной или уксусной кислот получают газообразный моносилан SiH₄. Моносилан очищают ректификацией, сорбционными и др. методами, а затем разлагают на кремний и водород при температуре около 1000 °C.

Очистка кремния в промышленных масштабах осуществляется путём непосредственного хлорирования кремния. При этом образуются соединения состава SiCl₄ и SiCl₃H. Эти хлориды различными способами очищают от примесей (как правило перегонкой и диспропорционированием) и на заключительном этапе восстанавливают чистым водородом при температурах от 900 до 1100 °C.

Разрабатываются более дешёвые, чистые и эффективные промышленные технологии очистки кремния. На 2010 г. к таковым можно отнести технологии очистки кремния с использованием фтора (вместо хлора); технологии предусматривающие дистилляцию монооксида кремния; технологии, основанные на вытравливании примесей, концентрирующихся на межкристаллитных границах.

Содержание примесей в доочищенном кремнии может быть снижено до 10 −8 —10 −6 % по массе. Более подробно вопросы получения сверхчистого кремния рассмотрены в статье Поликристаллический кремний

Способ получения кремния в чистом виде разработан Николаем Николаевичем Бекетовым.

В России технический кремний производится «ОК Русал» на заводах в г. Каменск-Уральский (Свердловская область) и г. Шелехов (Иркутская область); доочищенный по хлоридной технологии кремний производит группа «Nitol Solar» на заводе в г. Усолье-Сибирское.

Физические свойства

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. Кремний хрупок, только при нагревании выше 800 °C он становится пластичным веществом. Интересно, что кремний 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).

Электрофизические свойства

Элементарный кремний в монокристаллической форме является непрямозонным полупроводником. Ширина запрещённой зоны при комнатной температуре составляет 1,12 эВ, а при Т = 0 К составляет 1,21 эВ [6] . Концентрация собственных носителей заряда в кремнии при нормальных условиях составляет порядка 1,5·10 10 см −3 [7] .

На электрофизические свойства кристаллического кремния большое влияние оказывают содержащиеся в нём примеси. Для получения кристаллов кремния с дырочной проводимостью в кремний вводят атомы элементов III-й группы, таких, как бор, алюминий, галлий, индий. Для получения кристаллов кремния с электронной проводимостью в кремний вводят атомы элементов V-й группы, таких, как фосфор, мышьяк, сурьма.

При создании электронных приборов на основе кремния задействуется преимущественно приповерхностный слой материала (до десятков микрон), поэтому качество поверхности кристалла может оказывать существенное влияние на электрофизические свойства кремния и, соответственно, на свойства готового прибора. При создании некоторых приборов используются приёмы, связанные с модификацией поверхности, например, обработка поверхности кремния различными химическими агентами.

Диэлектрическая проницаемость: 12 [1]
Подвижность электронов: 1200—1450 см²/(В·c).
Подвижность дырок: 500 см²/(В·c).
Ширина запрещённой зоны 1,205-2,84·10 −4 ·T
Продолжительность жизни электрона: 5 нс — 10 мс
Длина свободного пробега электрона: порядка 0,1 см
Длина свободного пробега дырки: порядка 0,02 — 0,06 см

Все значения приведены для нормальных условий.

Химические свойства

Подобно атомам углерода, для атомов кремния является характерным состояние sp 3 -гибридизации орбиталей. В связи с гибридизацией чистый кристаллический кремний образует алмазоподобную решётку, в которой кремний четырёхвалентен. В соединениях кремний обычно также проявляет себя как четырёхвалентный элемент со степенью окисления +4 или −4. Встречаются двухвалентные соединения кремния, например, оксид кремния (II) SiO.

При нормальных условиях кремний химически малоактивен и активно реагирует только с газообразным фтором, при этом образуется летучий тетрафторид кремния SiF₄. Такая «неактивность» кремния связана с пассивацией поверхности наноразмерным слоем диоксида кремния, немедленно образующегося в присутствии кислорода, воздуха или воды (водяных паров).

При нагревании до температуры свыше 400—500 °C кремний реагирует с кислородом с образованием диоксида SiO₂, процесс сопровождается увеличением толщины слоя диоксида на поверхности, скорость процесса окисления лимитируется диффузией атомарного кислорода сквозь плёнку диоксида.

При нагревании до температуры свыше 400—500 °C кремний реагирует с хлором, бромом и иодом — с образованием соответствующих легко летучих тетрагалогенидов SiHalogen₄ и, возможно, галогенидов более сложного состава.

С азотом кремний при температуре около 1000 °C образует нитрид Si₃N₄, с бором — термически и химически стойкие бориды SiB₃, SiB₆ и SiB₁₂.

При температурах свыше 1000С °C можно получить соединение кремния и его ближайшего аналога по таблице Менделеева — углерода — карбид кремния SiC (карборунд), который характеризуется высокой твёрдостью и низкой химической активностью. Карборунд широко используется как абразивный материал. При этом, что интересно, расплав кремния (1415 °C) может длительное время контактировать с углеродом в виде крупных кусков плотноспечённого мелкозернистого графита изостатического прессования, практически не растворяя и никак не взаимодействуя с последним.

Нижележащие элементы 4-й группы (Ge, Sn, Pb) неограниченно растворимы в кремнии, как и большинство других металлов. При нагревании кремния с металлами могут образовываться силициды. Силициды можно подразделить на две группы: ионно-ковалентные (силициды щелочных, щелочноземельных металлов и магния типа Ca₂Si, Mg₂Si и др.) и металлоподобные (силициды переходных металлов). Силициды активных металлов разлагаются под действием кислот, силициды переходных металлов химически стойки и под действием кислот не разлагаются. Металлоподобные силициды имеют высокие температуры плавления (до 2000 °C). Наиболее часто образуются металлоподобные силициды составов MeSi, Me₃Si₂, Me₂Si₃, Me₅Si₃ и MeSi₂. Металлоподобные силициды химически инертны, устойчивы к действию кислорода даже при высоких температурах.

Особо следует отметить, что с железом кремний образует эвтектическую смесь, что позволяет спекать (сплавлять) эти материалы для образования ферросилициевой керамики при температурах заметно меньших, чем температуры плавления железа и кремния.

При восстановлении SiO₂ кремнием при температурах свыше 1200 °C образуется оксид кремния (II) — SiO. Этот процесс постоянно наблюдается при производстве кристаллов кремния методами Чохральского, направленной кристаллизации, потому что в них используются контейнеры из диоксида кремния, как наименее загрязняющего кремний материала.

Для кремния характерно образование кремнийорганических соединений, в которых атомы кремния соединены в длинные цепочки за счет мостиковых атомов кислорода —О—, а к каждому атому кремния, кроме двух атомов О, присоединены ещё два органических радикала R₁ и R₂ = CH₃, C₂H₅, C₆H₅, CH₂CH₂CF₃ и др.

Для травления кремния наиболее широко используют смесь плавиковой и азотной кислот. Некоторые специальные травители предусматривают добавку хромового ангидрида и иных веществ. При травлении кислотный травильный раствор быстро разогревается до температуры кипения, при этом скорость травления многократно возрастает.

Для травления кремния могут использоваться водные растворы щёлочей. Травление кремния в щелочных растворах начинается при температуре раствора более 60 °C.

Применение

Технический кремний находит следующие применения:

сырьё для металлургических производств: компонент сплава (бронзы, силумин); раскислитель (при выплавке чугуна); 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 кремнийорганических материалов, силанов;
иногда кремний технической чистоты и его сплав с железом (ферросилиций) используется для производства водорода в полевых условиях;
для производства солнечных батарей.

Cверхчистый 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 широкоупотребляемыми 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.

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.

Биологическая роль

Для некоторых организмов кремний является важным биогенным элементом. Он входит в состав опорных образований у растений и скелетных — у животных. В больших количествах кремний концентрируют морские организмы — диатомовые водоросли, радиолярии, губки. Большие количества кремния концентрируют хвощи и злаки, в первую очередь — подсемейства Бамбуков и Рисовидных, в том числе — рис посевной. Мышечная ткань человека содержит (1-2)·10 −2 % кремния, костная ткань — 17·10 −4 %, кровь — 3,9 мг/л. С пищей в организм человека ежедневно поступает до 1 г кремния.

Соединения кремния относительно нетоксичны. Но очень опасно вдыхание высокодисперсных частиц как силикатов, так и диоксида кремния, образующихся, например, при взрывных работах, при долблении пород в шахтах, при работе пескоструйных аппаратов, при обработке кремнийсодержащих материалов угловой шлифовальной машиной («болгаркой») и т. д. Микрочастицы SiO₂, попавшие в лёгкие, кристаллизуются в них, а возникающие кристаллики разрушают лёгочную ткань и вызывают тяжёлую болезнь — силикоз. Чтобы не допустить попадания в лёгкие опасной пыли, следует использовать для защиты органов дыхания респиратор.

Источник статьи: http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/6514

Кремний

Название, символ, номер Кремний/Silicium (Si), 14 Атомная масса
(молярная масса) [28,086] а. е. м. (г/моль) Электронная конфигурация [Ne] 3s 2 3p 2 ; в соед. [Ne] 3s 3p 3 (гибридизация) Радиус атома 132 пм Ковалентный радиус 111 пм Радиус иона 42 (+4e), 271 (−4e) пм Электроотрицательность 1,90 (шкала Полинга) Электродный потенциал 0 Степени окисления −4, 0, +2; +4 Энергия ионизации
(первый электрон) 786,0 (8,15) кДж/моль (эВ) Плотность (при н. у.) 2,33 г/см³ Температура плавления 1414,85 °C (1688 K) Температура кипения 2349,85 °C (2623 K) Уд. теплота плавления 50,6 кДж/моль Уд. теплота испарения 383 кДж/моль Молярная теплоёмкость 20,16 Дж/(K·моль) Молярный объём 12,1 см³/моль Структура решётки кубическая, алмазная Параметры решётки 5,4307 Å Температура Дебая 645 ± 5 K Теплопроводность (300 K) 149 Вт/(м·К) Номер CAS 7440-21-3

Кремний (Si от лат. Silicium ) — элемент четырнадцатой группы (по старой классификации — главной подгруппы четвёртой группы), третьего периода периодической системы химических элементов с атомным номером 14. Атомная масса 28,085. Неметалл, второй по распространённости химический элемент в земной коре (после кислорода). Исключительно важен для современной электроники.

Содержание

1 История
2 Происхождение названия
3 Нахождение в природе
4 Изотопы и их применение
5 Получение
6 Физические свойства
- 6.1 Электрофизические свойства
7 Химические свойства
- 7.1 Гибридизация
- 7.2 Малая активность кремния
- 7.3 Реакция с галогенами
- 7.4 Реакция с кислородом
- 7.5 Получение монооксида кремния
- 7.6 Получение силанов
- 7.7 Реакция с азотом и бором
- 7.8 Получение карборунда
- 7.9 Кремний растворяет многие металлы
- 7.10 Силициды
- 7.11 Некоторые кремнийорганические соединения
- 7.12 Травление кислотами
- 7.13 Травление щелочами
8 Применение
9 Биологическая роль
- 9.1 В организме человека

История

Существование кремния было предсказано Йёнсом Якобом Берцелиусом в 1810 году. Позже, в 1823 году он выделил аморфный кремний путём восстановления фторида SiF₄ калием, подробно описал его химические свойства.

Впервые в чистом виде кремний был выделен в 1811 году французскими учёными Жозефом Луи Гей-Люссаком и Луи Жаком Тенаром.

Происхождение названия

В 1823 году шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус действием металлического калия на фтористый кремний SiF₄ получил чистый элементарный кремний. Новому элементу было дано название «силиций» (от лат. silex — кремень). Русское название «кремний» введено в 1834 году российским химиком Германом Ивановичем Гессом. В переводе c др.-греч. κρημνός — «утёс, гора».

Нахождение в природе

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.

Чаще всего в природе кремний встречается в виде кремнезёма — соединений на основе диоксида кремния (IV) SiO₂ (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.

Изотопы и их применение

Кремний состоит из стабильных изотопов 28 Si (92,23 %), 29 Si (4,67 %) и 30 Si (3,10 %). Остальные изотопы являются радиоактивными.

Ядро 29 Si (как и протон) имеет ядерный спин I = 1/2 и все шире используется в спектроскопии ЯМР. 31 Si, образующийся при действии нейтронов на 30 Si, имеет период полураспада равный 2,62 ч. Его можно определить по характеристическому β-излучению, и он очень удобен для количественного определения кремния методом нейтронно-активационного анализа. Радиоактивный нуклид 32 Si имеет самый большой период полураспада (

170 лет) и является мягким (низкоэнергетическим) β-излучателем.

Получение

Свободный кремний получается при прокаливании мелкого белого песка (диоксида кремния) с магнием:

При этом образуется аморфный кремний, имеющий вид бурого порошка.

В промышленности кремний технической чистоты получают, восстанавливая расплав SiO₂ коксом при температуре около 1800 °C в рудотермических печах шахтного типа. Чистота полученного таким образом кремния может достигать 99,9 % (основные примеси — углерод, металлы).

Возможна дальнейшая очистка кремния от примесей.

Очистка в лабораторных условиях может быть проведена путём предварительного получения силицида магния Mg₂Si. Далее из силицида магния с помощью соляной или уксусной кислот получают газообразный моносилан SiH₄. Моносилан очищают ректификацией, сорбционными и др. методами, а затем разлагают на кремний и водород при температуре около 1000 °C .
Очистка кремния в промышленных масштабах осуществляется путём непосредственного хлорирования кремния. При этом образуются соединения состава SiCl₄, SiHCl₃ и SiH₂Cl₂. Их различными способами очищают от примесей (как правило, перегонкой и диспропорционированием) и на заключительном этапе восстанавливают чистым водородом при температурах от 900 до 1100 °C .
Разрабатываются более дешёвые, чистые и эффективные промышленные технологии очистки кремния. На 2010 г. к таковым можно отнести технологии очистки кремния с использованием фтора (вместо хлора); технологии, предусматривающие дистилляцию монооксида кремния; технологии, основанные на вытравливании примесей, концентрирующихся на межкристаллитных границах.

Способ получения кремния в чистом виде разработан Николаем Николаевичем Бекетовым.

Физические свойства

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. 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).

Электрофизические свойства

Элементарный кремний в монокристаллической форме является непрямозонным полупроводником. Ширина запрещённой зоны при комнатной температуре составляет 1,12 эВ, а при Т = 0 К — 1,21 эВ. Концентрация собственных носителей заряда в кремнии при нормальных условиях составляет около 1,5⋅10 10 см −3 .

На электрофизические свойства кристаллического кремния большое влияние оказывают содержащиеся в нём примеси. Для получения кристаллов кремния с дырочной проводимостью в кремний вводят атомы элементов III группы, таких, как бор, алюминий, галлий, индий. Для получения кристаллов кремния с электронной проводимостью в кремний вводят атомы элементов V группы, таких, как фосфор, мышьяк, сурьма.

При создании электронных приборов на основе кремния используется преимущественно приповерхностный слой монокристалла (толщиной до десятков мкм), поэтому качество поверхности кристалла может оказывать существенное влияние на электрофизические свойства кремния и, соответственно, на свойства созданного электронного прибора. При создании некоторых приборов используется технология, модифицирующая поверхность монокристалла, например, обработка поверхности кремния различными химическими реагентами и её облучение.

Диэлектрическая проницаемость: 12
Подвижность электронов: 1200—1450 см²/(В·c).
Подвижность дырок: 500 см²/(В·c).
Ширина запрещённой зоны 1,21 эВ при 0 К.
Время жизни свободных электронов: 5 нс — 10 мс
Длина свободного пробега электронов: порядка 1 мм.
Длина свободного пробега дырок: порядка 0,2—0,6 мм.

Все значения приведены для нормальных условий.

Химические свойства

Гибридизация

Малая активность кремния

При нормальных условиях кремний химически малоактивен и активно реагирует только с газообразным фтором, при этом образуется летучий тетрафторид кремния SiF₄.

Такая «неактивность» кремния связана с пассивацией поверхности наноразмерным слоем диоксида кремния, немедленно образующегося в присутствии кислорода, воздуха или воды (водяных паров).

Реакция с галогенами

При нагревании до температуры свыше 400—500 °C кремний реагирует с хлором, бромом и иодом — с образованием соответствующих легко летучих тетрагалогенидов SiHal₄ и, возможно, галогенидов более сложного состава.

Реакция с кислородом

При нагревании до температуры свыше 400—500 °C кремний реагирует с кислородом с образованием диоксида SiO₂.

Процесс сопровождается увеличением толщины слоя диоксида на поверхности, скорость процесса окисления лимитируется диффузией атомарного кислорода сквозь плёнку диоксида.

Получение монооксида кремния

При восстановлении SiO₂ кремнием при температурах свыше 1200 °C образуется оксид кремния (II) — SiO.

Этот процесс постоянно наблюдается при производстве кристаллов кремния методами Чохральского, направленной кристаллизации, потому что в них используются контейнеры из диоксида кремния, как наименее загрязняющего кремний материала.

Получение силанов

С водородом кремний непосредственно не реагирует. Cоединения кремния с водородом — силаны с общей формулой Si_nH₂ n+2 — получают косвенным путём. Моносилан SiH₄ (его часто называют просто силаном) выделяется при взаимодействии силицидов металлов с растворами кислот, например:

Образующийся в этой реакции силан SiH₄ содержит примесь и других силанов, в частности, дисилана Si₂H₆ и трисилана Si₃H₈ , в которых имеется цепочка из атомов кремния, связанных между собой одинарными связями ( −Si−Si−Si− ).

Реакция с азотом и бором

С азотом и бором кремний реагирует при температуре около 1000 °C , образуя соответственно нитрид Si₃N₄ и термически и химически стойкие бориды SiB₃, SiB₆ и SiB₁₂.

Получение карборунда

При температурах свыше 1000 °C можно получить соединение кремния и его ближайшего аналога по таблице Менделеева — углерода — карбид кремния SiC (карборунд), который характеризуется высокой твёрдостью и низкой химической активностью.

Карборунд широко используется как абразивный материал. При этом, что интересно, расплав кремния ( 1415 °C ) может длительное время контактировать с углеродом в виде крупных кусков плотноспечённого мелкозернистого графита изостатического прессования, практически не растворяя и никак не взаимодействуя с последним.

Кремний растворяет многие металлы

Нижележащие элементы 4-й группы (Ge, Sn, Pb) неограниченно растворимы в кремнии, как и большинство других металлов.

Силициды

При нагревании кремния с металлами могут образовываться их соединения — силициды.

Силициды можно подразделить на две группы: ионно-ковалентные (силициды щелочных, щелочноземельных металлов и магния типа Ca₂Si, Mg₂Si и др.) и металлоподобные (силициды переходных металлов). Силициды активных металлов разлагаются под действием кислот, силициды переходных металлов химически стойки и под действием кислот не разлагаются. Металлоподобные силициды имеют высокие температуры плавления (до 2000 °C ). Наиболее часто образуются металлоподобные силициды составов MeSi, Me₃Si₂, Me₂Si₃, Me₅Si₃ и MeSi₂. Металлоподобные силициды химически инертны, устойчивы к действию кислорода даже при высоких температурах.

Особо следует отметить, что с железом кремний образует эвтектическую смесь, что позволяет спекать (сплавлять) эти материалы для образования ферросилициевой керамики при температурах, заметно меньших, чем температуры плавления железа и кремния.

Некоторые кремнийорганические соединения

Для кремния характерно образование кремнийорганических соединений, в которых атомы кремния соединены в длинные цепочки за счёт мостиковых атомов кислорода −O− , а к каждому атому кремния, кроме двух атомов O , присоединены ещё два органических радикала R₁ и R₂=CH₃ , C₂H₅ , C₆H₅ , CH₂CH₂CF₃ и др.

Травление кислотами

Травление щелочами

Применение

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 кремнийорганических 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.

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.

Биологическая роль

Он также используется для создания клеточных стенок некоторых организмов и является центром реактивности дюжины или около того ферментов, ответственных за «обработку» диатомового кремнезема y некоторых ракообразных.

Кремний встречается во многих растениях, которые необходимы для правильного развития, но не было доказано, что это необходимо для развития всех видов. Обычно его присутствие повышает устойчивость к вредителям, особенно грибам, препятствует их проникновению в ткани растений, насыщенных кремнеземом. Точно так же в случае животных необходимость в кремнии была продемонстрирована для шестилучевых губок, но, хотя это происходит в телах всех животных, это, как правило, не оказывается необходимым для них. У позвоночных это происходит в больших количествах в волосах и перьях (например, овечья шерсть содержит 0,02—0,08 % SiO₂ ). Мышечная ткань человека содержит (1—2)⋅10 −2 % кремния, костная ткань — 17⋅10 −4 % , кровь — 3,9 мг/л . С пищей в организм человека ежедневно поступает до 1 г кремния.

В организме человека

Доказано, что кремний имеет важное значение для здоровья человека, в частности, для ногтей, волос, костей и кожи. Исследования показывают, что женщины в пременопаузе с более высоким потреблением биодоступного кремния имеют более высокую плотность костной ткани, а также, что добавки кремния может увеличить объем и плотность кости у пациентов с остеопорозом.

Организм человека нуждается в 20—30 мг кремния в день. Беременным женщинам, людям после операций на костях и пожилым людям требуется более высокая доза, так как количество этого элемента в органах уменьшается с возрастом. Это происходит главным образом в соединительной ткани, из которой строятся сухожилия, слизистые оболочки, стенки кровеносных сосудов, клапаны сердца, кожа и костно-суставная система. Кремний удаляет токсичные вещества из клеток, предпочтительно воздействует на капилляры, герметизирует их, повышает прочность костной ткани, укрепляет защитные силы организма от инфекций, предотвращает преждевременное старение. Снимает раздражения и воспаления кожи, улучшая её общий вид и предотвращая вялость, уменьшает выпадение волос, ускоряет их рост, укрепляет ногти. Поскольку кремний участвует в формировании костной ткани, обеспечивая эластичность кровеносных сосудов, участвующих в поглощении кальция из рациона и роста волос и ногтей, его дефицит в организме человека может вызвать костные аномалии, общее замедление роста, бесплодие, отсутствие развития и остеопороз. Диоксид кремния в нормальных условиях всегда является твёрдым биоинертным, неразлагаемым веществом, склонным к образованию пыли, состоящей из частиц с острыми режущими кромками. Вредное действие диоксида кремния и большинства силицидов и силикатов основано на раздражающем и фиброгенном действии, на накоплении вещества в ткани лёгких, вызывающем тяжёлую болезнь — силикоз. Для защиты органов дыхания от пылевых частиц используются противопылевые респираторы. Тем не менее, даже при использовании средств индивидуальной защиты носоглотка, горло у людей, систематически работающих в условиях запыленности соединениями кремния и особенно монооксидом кремния, имеют признаки воспалительных процессов на слизистых оболочках. Нормы предельно допустимых концентраций по кремнию привязаны к содержанию пыли диоксида кремния в воздухе. Это связано с особенностями химии кремния:

Чистый кремний, равно как карбид кремния, в контакте с водой или кислородом воздуха образует на поверхности непроницаемую плёнку диоксида кремния ( SiO₂ ), которая пассивирует поверхность;
Многие кремнийорганические соединения в контакте с кислородом воздуха и водяными парами окисляются или гидролизуются с образованием в конечном итоге диоксида кремния;
Монооксид кремния ( SiO ) на воздухе способен (иногда со взрывом) доокисляться до высокодисперсного диоксида кремния.

Источник статьи: http://chem.ru/kremnij.html

Кремний. Химия кремния и его соединений

Кремний

Положение в периодической системе химических элементов

Кремний расположен в главной подгруппе IV группы (или в 14 группе в современной форме ПСХЭ) и в третьем периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.

Электронное строение кремния

Электронная конфигурация кремния в основном состоянии :

+14Si 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2

Электронная конфигурация кремния в возбужденном состоянии :

+14Si * 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3

Атом кремния содержит на внешнем энергетическом уровне 2 неспаренных электрона и 1 неподеленную электронную пару в основном энергетическом состоянии и 4 неспаренных электрона в возбужденном энергетическом состоянии.

Степени окисления атома кремния — от -4 до +4. Характерные степени окисления -4, 0, +2, +4.

Физические свойства, способы получения и нахождение в природе кремния

Кремний — второй по распространенности элемент на Земле после кислорода. Встречается только в виде соединений. Оксид кремния SiO₂ образует большое количество природных веществ – горный хрусталь, кварц, кремнезем.

Простое вещество кремний – атомный кристалл темно-серого цвета с металлическим блеском, довольно хрупок. Температура плавления 1415 °C, плотность 2,33 г/см 3 . Полупроводник.

Качественные реакции

Качественная реакция на силикат-ионы SiO₃ 2- — взаимодействие солей-силикатов с сильными кислотами . Кремниевая кислота – слабая. Она легко выделяется из растворов солей кремниевой кислоты при действии на них более сильными кислотами.

Например , если к раствору силиката натрия прилить сильно разбавленный раствор соляной кислоты, то кремниевая кислота выделится не в виде осадка, а в виде геля. Раствор помутнеет и «застынет».

Na₂SiO₃ + 2HCl = H₂SiO₃ + 2 NaCl

Видеоопыт взаимодействия силиката натрия с соляной кислоты (получение кремниевой кислоты) можно посмотреть здесь.

Соединения кремния

Основные степени окисления кремния +4, 0 и -4.

Наиболее типичные соединения кремния:

Степень окисления

Типичные соединения

оксид кремния (IV) SiO₂

бинарные соединения с неметаллами (карбид кремния SiC)

-4

силан SiH₄

силициды металлов (силицид натрия Na₄Si)

Способы получения кремния

В свободном состоянии кремний был получен Берцелиусом в 1822 г. Его латинское название «силиций» произошло от латинского слова « sile х», что означает «кремень». Аморфный кремний в лаборатории можно получить при прокаливании смеси металлического магния с диоксидом кремния. Для опыта диоксид кремния следует тщательно измельчить. При нагревании смеси начинается бурная реакция. Одним из продуктов этой реакции является аморфный кремний.

SiO₂ + 2Mg → Si + 2MgO

Видеоопыт взаимодействия оксида кремния (IV) с магнием можно посмотреть здесь.

Еще один способ получения кремния в лаборатории — восстановление из оксида алюминием:

В промышленности использовать дорогие алюминий и магний неэффективно, поэтому используют другие, более дешевые способы:

1. Восстановление из оксида коксом в электрических печах:

SiO₂ + 2C → Si + 2CO

Однако в таком процессе образующийся кремний загрязнен примесями карбидов кремния, и для производства, например, микросхем уже не подходит.

2. Наиболее чистый кремний получают восстановлением тетрахлорида кремния водородом при 1200 °С:

SiCl₄ +2H₂ → Si + 4HCl

или цинком :

SiCl₄ + 2Zn → Si + 2ZnCl₂

3. Также чистый кремний получается при разложении силана :

Химические свойства

При нормальных условиях кремний существует в виде атомного кристалла, поэтому химическая активность кремния крайне невысокая.

1. Кремний проявляет свойства окислителя (при взаимодействии с элементами, которые расположены ниже и левее в Периодической системе) и свойства восстановителя (при взаимодействии с элементами, расположенными выше и правее). Поэтому кремний реагирует и с металлами , и с неметаллами .

1.1. При обычных условиях кремний реагирует с фтором с образованием фторида кремния (IV):

При нагревании кремний реагирует с хлором, бромом, йодом :

1.2. При сильном нагревании (около 2000 о С) кремний реагирует с углеродом с образованием бинарного соединения карбида кремния (карборунда):

При температуре выше 600°С взаимодействует с серой:

Si + 2S → SiS₂

1.3. Кремний не взаимодействует с водородом .

1.4. С азотом кремний реагирует в очень жестких условиях:

1.5. В реакциях с активными металлами кремний проявляет свойства окислителя. При этом образуются силициды:

2Ca + Si → Ca₂Si

Si + 2Mg → Mg₂Si

1.6. При нагревании выше 400°С кремний взаимодействует с кислородом :

2. Кремний взаимодействует со сложными веществами:

2.1. В водных растворах щелочей кремний растворяется с образованием солей кремниевой кислоты. При этом щелочь окисляет кремний.

2.2. Кремний не взаимодействует с водными растворами кислот , но аморфный кремний растворяется в плавиковой кислоте с образованием гексафторкремниевой кислоты :

При обработке кремния безводным фтороводородом комплекс не образуется:

С хлороводородом кремний реагирует при 300 °С, с бромоводородом – при 500 °С.

2.3. Кремний растворяется в смеси концентрированных азотной и плавиковой кислот :

3Si + 4HNO₃ + 12HF → 3SiF₄ + 4NO + 8H₂O

Бинарные соединения кремния

Силициды металлов

Силициды – это бинарные соединения кремния с металлами, в которых кремний имеет степень окисления -4. Химическая связь в силицидах металлов — ионная.

Силициды, как правило, легко гидролизуются в воде или в кислой среде.

Например , силицид магния разлагается водой на гидроксид магния и силан:

Соляная кислота легко разлагает силицид магния:

Получают силициды сплавлением простых веществ или восстановлением смеси оксидов коксом в электропечах:

2Mg + Si → Mg ₂ Si

2MgO + SiO₂ + 4C → Mg₂Si + 4CO

Силан

Силан – это бинарное соединение кремния с водородом SiH₄, ядовитый бесцветный газ.

Если поместить порошок силицида магния в очень слабый раствор соляной кислоты, то на поверхности раствора образуются пузырьки газа. Они лопаются и загораются на воздухе. Это горит силан. Он образуется при взаимодействии кислоты с силицидом магния:

Видеоопыт получения силана из силицида магния можно посмотреть здесь.

На воздухе силан горит с образованием SiO₂ и H₂O:

Видеоопыт сгорания силана можно посмотреть здесь.

Силан разлагается водой разлагается с выделением водорода:

Силан разлагается (окисляется) щелочами :

Силан при нагревании разлагается :

Карбид кремния

В соединениях кремния с неметаллами — ковалентная связь.

Рассмотрим карбид кремния – карборунд Si +4 C -4 . Это вещество с атомной кристаллической решеткой. Он имеет структуру, подобную структуре алмаза и характеризуется высокой твердостью и температурой плавления, а также высокой химической устойчивостью.

Карборунд окисляется кислородом при высокой температуре:

Карборунд окисляется кислородом в расплаве щелочи :

Галогениды кремния

Хлорид и фторид кремния – галогенангидриды кремниевой кислоты.
SiCl₄.

Получают галогениды кремния действием хлора на сплав оксида кремния с углем :

Галогениды кремния разлагаются водой до кремниевой кислоты и хлороводорода:

Хлорид кремния (IV) восстанавливается водородом :

SiCl₄ + 2H₂ → Si + 4HCl

Оксид кремния (IV)

Физические свойства и нахождение в природе

Оксид кремния (IV) – это твердое вещество с атомной кристаллической решеткой. В природе встречается в виде кварца, речного песка, кремнезема и прочих модификаций:

Химические свойства

Оксид кремния (IV) – типичный кислотный оксид . За счет кремния со степенью окисления +4 проявляет слабые окислительные свойства.

1. Как кислотный оксид, диоксид кремния (IV) взаимодействует с растворами и расплавами щелочей и в расплаве с основными оксидами . При этом образуются силикаты.

Например , диоксид кремния взаимодействует с гидроксидом калия:

Еще пример : диоксид кремния взаимодействует с оксидом кальция.

SiO₂ + CaO → CaSiO₃

2. Оксид кремния (IV) не взаимодействует с водой , т.к. кремниевая кислота нерастворима .

3. Оксид кремния (IV) реагирует при сплавлении с карбонатами щелочных металлов . При этом работает правило: менее летучий оксид вытесняет более летучий оксид из солей при сплавлении.

Например , оксид кремния (IV) взаимодействует с карбонатом калия. При этом образуется силикат калия и углекислый газ:

4. Из кислот диоксид кремния реагирует только с плавиковой или с газообразным фтороводородом :

5. При температуре выше 1000 °С оксид кремния реагирует с активными металлами, при этом образуется кремний.

Например , оксид кремния взаимодействует с магнием с образованием кремния и оксида магния:

SiO₂ + 2Mg → Si + 2MgO

Видеоопыт взаимодействия оксида кремния (IV) с магнием можно посмотреть здесь.

При избытке восстановителя образуются силициды:

SiO₂ + 4Mg → Mg₂Si + 2MgO

6. Оксид кремния (IV) взаимодействует с неметаллами.

Например , оксид кремния (IV) реагирует с водородом в жестких условиях. При этом оксид кремния проявляет окислительные свойства:

Еще пример : оксид кремния взаимодействует с углеродом. При этом образуется карборунд и угарный газ:

SiO₂ + 3С → SiС + 2СО

При сплавлении оксид кремния взаимодействует с фосфатом кальция и углем:

Кремниевая кислота

Строение молекулы и физические свойства

Кремниевые кислоты — очень слабые, малорастворимые в воде соединения общей формулы nSiO₂•mH₂O. Образует коллоидный раствор в воде.

Метакремниевая H₂SiO₃ существует в растворе в виде полимера:

Способы получения

Кремниевая кислота образуется при действии сильных кисло т на растворимые силикаты (силикаты щелочных металлов).

Например , при действии соляной кислоты на силикат натрия:

Видеоопыт получения кремниевой кислоты из силиката натрия можно посмотреть здесь.

Даже слабая угольная кислота вытесняет кремниевую кислоту из солей:

Химические свойства

1. Кремниевая кислота — нерастворимая. Кислотные свойства выражены очень слабо, поэтому кислота реагирует только с сильными основаниями и их оксидами :

Например , кремниевая кислота реагирует с концентрированным гидроксидом калия:

2. При нагревании кремниевая кислота разлагается на оксид и воду :

Силикаты

Силикаты — это соли кремниевой кислоты. Большинство силикатов нерастворимо в воде, кроме силикатов натрия и калия, их называют «жидким стеклом».

Способы получения силикатов:

1 . Растворение кремния, кремниевой кислоты или оксида в щелочи:

2. Сплавление с основными оксидами:

СаО + SiO₂ → CaSiO₃

3. Взаимодействие растворимых силикатов с солями:

Оконное стекло (натриевое стекло) — силикат натрия и кальция: Na₂O·CaO·6SiO₂.

Стекло получают при сплавлении в специальных печах смеси соды Na₂CO₃, известняка CaCO₃ и белого песка SiO₂:

Для получения специального стекла вводят различные добавки, так стекло содержащее ионы Pb 2+ – хрусталь; Cr 3+ – имеет зеленую окраску, Fe 3+ – коричневое бутылочное стекло, Co 2+ – дает синий цвет, Mn 2+ – красновато-лиловый.

Источник статьи: http://chemege.ru/silicium/

Кремний в химии – классификация, получение, свойства, формулы и определения с примерами

Кремний — химический элемент и простое вещество

В периодической системе химических элементов кремний Si расположен в третьем периоде в IVА-группе. Чем же он отличается от углерода? Познакомимся со свойствами этого химического элемента и образуемого им простого вещества подробнее.

Кремний в природе

Кремний после кислорода — самый распространенный элемент в земной коре (массовая доля 27,6 %). Земная кора в основном состоит из соединений кремния с кислородом, в состав которых включаются и другие элементы. В природе кремний встречается преимущественно в виде оксида кремния(IV)

Кремний один из самых распространенных элементов во всей Вселенной. Основной компонент марсианской почвы — кремнезем SiO₃, а в лунном грунте на долю этого вещества приходится 41 %. Силикаты металлов обнаружены на Венере и других планетах.

Кремний является важным элементом для нормального существования всех живых организмов. Повышенным содержанием кремния характеризуются морские организмы — диатомовые водоросли, радиолярии, губки (рис. 108). Большое количество кремния накапливают хвощи и злаки, в том числе рис.

Строение атома

В атоме кремния 14 электронов, которые располагаются на трех электронных слоях:

Так же как и у атомов углерода, у атомов кремния на внешнем электронном слое находится по 4 электрона и до его завершения не хватает тоже 4 электрона. Поэтому в своих соединениях кремний проявляет отрицательную степень окисления, равную –4, например в силициде магния и положительную степень окисления +4, например в оксиде .

Строение и физические свойства простого вещества

Кристаллическая решетка кремния аналогична кристаллической решетке алмаза (см. рис. 90). В кристалле кремния каждый его атом соединен с другими атомами четырьмя прочными ковалентными связями. В настоящее время получают кремний 99,9999999 %-й чистоты. Это означает, что среди миллиарда атомов кремния может быть лишь один атом другого элемента.

В отличие от алмаза кремний обладает способностью при определенных условиях проводить электрический ток. Электропроводность кремния возрастает при нагревании или освещении. Именно поэтому он используется в полупроводниковой технике, в том числе для преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию в солнечных батареях.

Химические свойства кремния

Так же как и углерод, кремний реагирует с другими веществами, как правило, при нагревании.

Взаимодействуя с атомами менее электроотрицательных элементов (металлов), атомы кремния принимают электроны (восстанавливаются), приобретая при этом отрицательные степени окисления:

При этом простое вещество кремний проявляет окислительные свойства.

Взаимодействуя с атомами более электроотрицательных элементов, атомы кремния могут отдавать электроны (окисляться), приобретая положительные степени окисления:

При этом простое вещество кремний проявляет восстановительные свойства.

При очень высоких температурах кремний взаимодействует с углеродом, образуя карбид кремния (карборунд):

В этой реакции кремний выступает в качестве восстановителя, а углерод — в качестве окислителя. В качестве восстановителя кремний применяют также при промышленном получении металлов из руд.

Структура простого вещества кремния аналогична структуре алмаза.

При взаимодействии с другими веществами кремний может проявлять как восстановительные, так и окислительные свойства.

Оксид кремния(IV). Кремниевая кислота и ее соли

Среди кислородсодержащих соединений кремния наибольшее значение имеют оксид кремния(IV), кремниевая кислота и ее соли — силикаты.

Оксид кремния(IV)

Оксид кремния(IV) представляет собой твердое тугоплавкое вещество (температура плавления 1713 °С), нерастворимое в воде. Высокая температура плавления этого вещества свидетельствует о том, что оно имеет немолекулярное строение.

В кристаллах оксида кремния(IV) атомы кремния и кислорода связаны между собой ковалентными связями (рис. 109). Для описания состава таких веществ, как вы помните, пользуются формульными единицами. Состав формульной единицы показывает, что в оксиде кремния(IV) на каждый атом кремния приходится по два атома кислорода.

В природе оксид кремния(IV) образует речной песок, горный хрусталь и распространенный на территории Беларуси кремень. Часто в природе минералы на основе SiO₃ содержат примеси оксидов железа, алюминия, хрома и других элементов, придающих им определенную окраску. Они используются в качестве поделочных и драгоценных камней (например, цитрин, аметист, яшма, агат и др.).

Оксид кремния(IV) — химически неактивное вещество. Он не растворяется в воде и не взаимодействует с ней. Но как кислотный оксид SiO₂ реагирует с основными оксидами, щелочами и некоторыми солями, например карбонатами, при нагревании или сплавлении с образованием солей слабой кремниевой кислоты — силикатов:

Чистый кристаллический оксид кремния(IV) прозрачен, бесцветен, как вода, и в связи с этим применяется для изготовления оптических приборов. Из расплавленного SiO₂ получают так называемое кварцевое стекло. Оно выдерживает нагревание до 1000—1200 °С и устойчиво к резкому перепаду температур. У кварцевого стекла есть еще одно важное достоинство: оно пропускает ультрафиолетовые лучи, что позволяет использовать его в производстве медицинской, научно-исследовательской и промышленной аппаратуры.

Кремниевая кислота

Кремниевую кислоту получают, действуя более сильными кислотами на растворы ее солей. Она образует студенистый осадок, содержащий воду (рис. 110). Кремниевая кислота имеет сложный состав, который условно можно выразить простейшей формулой :

Кремниевая кислота мало растворяется в воде. Она является непрочным соединением — при нагревании или длительном хранении постепенно разлагается на воду и оксид кремния(IV):

Кремниевая кислота очень слабая.

При обезвоживании осадка кремниевой кислоты образуется пористый аморфный оксид кремния(IV) — силикагель. Он имеет развитую поверхность, поэтому отлично поглощает влагу. В химических лабораториях силикагель используют для осушения газов.

Соли кремниевой кислоты

Из солей кремниевой кислоты растворимы только силикаты щелочных металлов. Силикаты калия и натрия называют растворимыми стеклами, а их концентрированные водные растворы — жидким стеклом. Раньше жидкое стекло широко использовалось в качестве силикатного клея. Концентрированный раствор силиката натрия применяется для пропитки деревянных изделий и тканей для придания им огнеупорных свойств. Приготовим две одинаковые полоски бумаги. Одну из них покроем тонким слоем жидкого стекла и высушим на воздухе. Затем одновременно внесем полоски в пламя спиртовки (рис. 111). Что при этом наблюдается?

Если в разбавленный раствор силиката натрия поместить несколько кристаллов окрашенных солей, то через некоторое время в растворе появятся длинные цветные нити в виде веточек. Получается силикатный «сад» (рис. 112). С особенностями протекания этого процесса вы можете познакомиться, если прочитаете дополнительную литературу.

Природные кремнеземы, силикаты и глина являются сырьем для силикатной промышленности.

В составе силикатов часто встречается третий по распространенности в земной коре после кислорода и кремния элемент алюминий. В этом случае они называются алюмосиликатами. Их состав часто записывают в виде соединения оксидов. Например, состав калиевого полевого шпата выражается формулой Состав каолинита — главной составной части глин — отвечает формуле а состав гранита можно описать формулой

Оксид кремния(IV) SiO2 является кислотным оксидом. При нагревании или сплавлении SiO₂ реагирует с основными оксидами, щелочами и некоторыми солями.
Кремниевую кислоту H₂SiO₃ можно получить, действуя более сильными кислотами на растворы ее солей.
Соли кремниевой кислоты называются силикатами.
Концентрированные водные растворы силикатов калия и натрия называют жидким стеклом.

Строительные материалы на основе природных оксидов и солей

С древних времен человек старался использовать окружавшие его воду, растительный и животный мир, почву, камни. Именно из камня он сделал первые орудия труда и охоты. На заре возникновения цивилизации появились нехитрые каменные сооружения. Камни надо было скреплять между собой, чтобы сооружение не разваливалось. В связи с этим в обиходе появились вяжущие вещества. Человек научился пользоваться глиной, делать из нее различные изделия. Еще позже возникло производство кирпича и стекла. Так зарождалось строительное ремесло.

Современная строительная индустрия использует неорганические соединения в самом разнообразном виде: материалы из силикатных расплавов (стекло), керамические изделия, вяжущие вещества. Основным источником сырья для производства строительных материалов являются природные соединения: песок, известняк, силикаты, алюмосиликаты, глина.

Керамические материалы

Слово «керамика» происходит от греческого слова керамос — глина, глиняная посуда. Основным сырьем для производства керамики служит глина, которая способна образовывать с водой пластичную массу. Влажной глине можно придать любую форму. При высокой температуре она необратимо твердеет, что и используется в производстве керамических изделий. После обжига керамические изделия получаются пористыми и водопроницаемыми. Поэтому керамику часто покрывают глазурью — легкоплавкими смесями, которые после специальной термической обработки образуют на поверхности изделий стекловидную массу (рис. 113).

Керамика представляет собой один из древнейших искусственных материалов. Керамические изделия были известны человеку с эпохи неолита. Первыми керамическими материалами были кирпич, плитка, посуда и самые разнообразные емкости (см. рис.).

К керамическим изделиям относятся строительный кирпич, черепица, огнеупорные и облицовочные материалы, сантехническое оборудование (ванны, раковины и др.).

Вяжущие строительные материалы

Вяжущие строительные материалы представляют собой вещества или смеси веществ, способные при смешивании с водой образовывать вязкую массу, которая постепенно затвердевает.

Одним из древнейших строительных материалов является известь. Различают негашеную известь CaO и гашеную известь Негашеную известь получают при разложении карбоната кальция:

Оксид кальция CaO (негашеную известь) переводят в гидроксид («гасят» водой) и получают гашеную известь

Эта реакция протекает с выделением большого количества теплоты, что приводит к сильному разогреванию смеси (рис. 114). В результате образуется облако водяного пара, как при гашении костра водой. Поэтому данная реакция и называется «гашение извести». Гашеную известь в смеси с песком используют в качестве вяжущего строительного материала.

Другим примером вяжущих строительных материалов является цемент. Если его смешать с водой, то образуется тестообразная масса, которая через некоторое время затвердевает. Это свойство цемента и используется в строительном деле для скрепления, например, кирпичей при сооружении стен. В Беларуси его производят на нескольких предприятиях, крупнейшими из которых являются ОАО «Красносельскстройматериалы» и ОАО «Кричевцементошифер».

Из смеси цемента, песка и воды с добавлением мелкого щебня или гравия получают бетон. Если в бетон ввести каркас из железных стержней, то получается железобетон. Бетон и железобетон широко применяются в строительстве. Введение в бетон химических веществ определенного состава позволяет получать пенобетон, отличающийся легкостью, высокими тепло- и звукоизоляционными свойствами. Важнейшим отличием бетона от известкового раствора является то, что при его затвердевании происходит поглощение воды.

Недавно ученые на основе фосфата магния разработали биобетон. Внешние панели из биобетона после постройки тут же начинают накапливать дождевую воду, становясь идеальной средой для развития лишайников и мхов. Это позволяет создавать вертикальные сады на стенах жилых зданий, реализуя концепцию экогородов (см. рис. вверху). Кроме того, бетон активно используется как дизайнерский материал для изготовления садовой скульптуры (см. рис. внизу), предметов мебели и интерьера.

В качестве вяжущего материала используют также алебастр, который часто называют полуводным гипсом. Его формулу записывают следующим образом При замешивании с водой полуводный гипс поглощает воду и переходит в гипс который широко используют в строительстве для изготовления сухой штукатурки, плит и панелей для перегородок, архитектурных деталей зданий (рис. 115).

Стекло

Чаще всего мы сталкиваемся со стеклами, полученными на основе различных силикатов, поэтому в быту слово «стекло» употребляется для обозначения именно силикатных стекол.

Кроме красивого внешнего вида, стекло обладает низкой теплопроводностью и высокой прозрачностью, что позволяет использовать его для изготовления оконных стеклопакетов. При нагревании стекло легко вытягивается в тонкие, длинные нити, из которых изготавливают стекловату, стекловолокно и стеклоткани. Стекловата и стекловолокно используются в качестве звуко- и теплоизоляторов. Крупнейшим производителем стеклонитей и стеклотканей различного назначения на территории Беларуси является ОАО «Полоцк-Стекловолокно».

Стекольная промышленность Беларуси имеет давнюю историю. В 1717 г. в деревнях Налибоки и Янковичи (ныне Столбцовский район) по образцу Дрезденской мануфактуры Радзивиллы основали Налибокскую стеклянную мануфактуру, где изготавливались зеркала, подсвечники, художественная и бытовая посуда. В 1737 г. в деревне Уречье (ныне Любанский район) была основана Уречская стеклянная мануфактура, которая выпускала изделия из бесцветного и цветного стекла. Эти мануфактуры существовали до середины XVIII в. В 1883 г. помещик Зенон Ленский построил в поселке Березовка (ныне Лидский район) мануфактуру, которая позже, в 1908 г., стала стеклозаводом «Неман», работающим и по сей день.

Стекло не является индивидуальным соединением, а представляет собой сплав нескольких веществ. Для получения стекла (как говорят на производстве, при «варке» стекла) в качестве исходных материалов используют (песок), (соду) и (мел, или известняк). Исходную смесь веществ нагревают до получения расплава при 800—1400 °С и после охлаждения получают обычное оконное стекло, состав которого можно условно описать формулой

Часто при варке стекла для придания ему специфических свойств и окраски в исходную смесь добавляют разнообразные соли и оксиды.

Стекло является экологически чистым материалом. Оно может подвергаться вторичной переработке, не загрязняя при этом окружающую среду.
Основным источником сырья для производства строительных материалов являются природные соединения: песок, глина, известняк, силикаты и алюмосиликаты.
К строительным материалам относятся стекло, керамика, вяжущие материалы.

Понятие о выходе продукта химической реакции

На практике при проведении химических реакций обычно получается несколько меньшее количество продукта, чем рассчитанное теоретически в соответствии с уравнением реакции. Это может происходить по нескольким причинам.

Многие химические реакции обратимы, т. е. протекают не до конца. Потери веществ могут быть также обусловлены их испарением, частичным растворением (ведь абсолютно нерастворимых веществ нет), потерями при упаривании или фильтровании растворов и т. п. Немаловажное значение имеет оборудование, с помощью которого осуществляется химическая реакция. Негерметичность оборудования, в котором проходят химические процессы, всегда приводит к потерям газообразных веществ. И наконец, часть веществ может не вступить в реакцию или образовать при взаимодействии побочные продукты.

Для оценки полноты протекания процесса пользуются понятием выход продукта химической реакции. Оно подобно понятию «коэффициент полезного действия», которое применяется в физике для характеристики процессов преобразования и использования энергии, работы различных двигателей и механизмов.

Выход продукта химической реакции обозначается буквой греческого алфавита η (эта). Он представляет собой величину, равную отношению реально полученной, т. е. практической массы вещества к массе этого вещества, рассчитанной по уравнению реакции, т. е. к его теоретической массе

Выход продукта химической реакции — безразмерная величина, например: η(СаО) = 0,75, или 75 %.

Поскольку масса вещества пропорциональна его химическому количеству, то выход продукта реакции можно определять и как отношение соответствующих химических количеств вещества или объемов (для газов):

Например, если известно, что в реакции синтеза аммиака

выход продукта составляет 0,75 (η = 0,75, или 75 %), то это означает, что из азота массой 28 г (объемом 22,4 дм 3 , химическим количеством 1 моль) мы получим аммиак массой не 34 г (объемом 44,8 дм 3 , химическим количеством 2 моль), а массой 34 г0,75 = 25,5 г (объемом 33,6 дм 3 , химическим количеством 1,5 моль).

Таким образом, выход продукта реакции — это величина, равная отношению реально полученной массы (химического количества, объема) вещества к массе (химическому количеству, объему) этого вещества, рассчитанной по уравнению реакции.

Величина выхода продукта реакции не может превышать 100 %. Если выход равен 100 %, то говорят, что реакция протекает количественно. В этом случае

Кроме выражения «выход продукта химической реакции», часто используют и более краткие формы этого понятия: «выход продукта», «выход реакции», «реакция протекает с 90 %-м выходом».

На практике часто приходится рассчитывать химическое количество, массу или объем продукта реакции, если его выход отличается от 100 %, или, наоборот, определять выход продукта реакции. Рассмотрим типы расчетов с использованием этого понятия.

Тип 1. Даны массы (объемы, химические количества) исходного вещества и продукта реакции. Требуется определить выход продукта реакции.

При прокаливании гидроксида алюминия массой 93,6 г получен оксид алюминия массой 52,02 г. Определите выход продукта реакции

= 93,6 г

= 52,02 г

= ?

1. Определяем молярные массы гидроксида и оксида алюминия:

= 27 + 316 + 31 = 78 (г/моль).

= 227 + 316 = 102 (г/моль).

2. Находим химические количества гидроксида и оксида алюминия:

3. Записываем уравнение реакции разложения гидроксида алюминия и производим расчет теоретического химического количества (х) и теоретической массы полученного оксида алюминия:

откуда получим: х = 0,6 моль. Это —

Тогда теоретическая масса оксида алюминия составит:

4. Определяем выход продукта реакции (двумя способами):

а)

б)

Ответ: выход продукта реакции равен 85 %.

Тип 2. Даны масса (объем, химическое количество) исходного вещества и выход продукта реакции. Требуется определить массу (объем, химическое количество) продукта реакции.

Рассчитайте массу нитрата аммония который может быть получен из аммиака объемом 4,48 м 3 (н. у.) и необходимого количества азотной кислоты, если выход продукта составляет 90 %?

= ?

Найдем химическое количество аммиака:

2. Составим уравнение реакции и рассчитаем теоретическое химическое количество

3. Находим теоретическую массу

4. Из формулы для определения выхода продукта реакции выражаем и производим расчет:

Ответ: практическая масса нитрата аммония равна 14,4 кг.

Тип 3. Даны масса (объем, химическое количество) продукта и выход продукта. Требуется определить массу (объем, химическое количество) исходного вещества.

Определите объем (н. у.) водорода, который понадобится для получения аммиака объемом 13,44 м 3 (н. у.), если его практический выход равен 20 %.

= 13,44 м3

= 20 % = 0,2

= ?

1. Рассчитаем теоретический объем аммиака:

2. Составим уравнение реакции синтеза аммиака и рассчитаем объем (х) водорода:

Ответ: для синтеза аммиака потребуется водород объемом 100,8 м3

Выход продукта реакции — это величина, равная отношению реально полученной в результате реакции массы (химического количества, объема) вещества к массе (химическому количеству, объему) этого вещества, рассчитанной по уравнению реакции

Рекомендую подробно изучить предметы:

Химия
Неорганическая химия
Органическая химия

Ещё лекции с примерами решения и объяснением:

Классы неорганических соединений
Вещества и их свойства в химии
Чистые вещества и смеси в химии
Состав и строение веществ в химии
Сера в химии
Азот в химии
Фосфор в химии
Углерод в химии

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Telegram и логотип telegram являются товарными знаками корпорации Telegram FZ-LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Источник статьи: http://www.evkova.org/kremnij-v-himii

Происхождение названия

Нахождение в природе

Получение

Физические свойства

Электрофизические свойства

Подвижность электронов 1400 см²/(в*c).

Химические свойства

При восстановлении SiO₂ кремнием при высоких температурах образуется оксид кремния (II) SiO.

Применение

В настоящее время кремний — основной материал для электроники и солнечной энергетики.

Широко известен силикатный клей, преимущественно применяемый для склеивания бумаги.

Последнее время очень широко применяются полимеры на основе кремния — силиконы.

Биологическая роль

Источник статьи: http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/748062

Как читаются элементы в таблице Менделеева?

Например водород(H)-читается как Аш, Азот(N)-читается как Эн,а остальные как?

Есть русское и латинское обозначение каждого химического элемента из таблицы Менделеева. Обычно прооще использовать русское название элемента. Но при названии формулы употребляются латинские названеия. При этом латинские названия соответствуют русским, если в обозначении элемента более одной буквы. Если в обозначении только один символ, то латинскому названию элемента соответствует название этой буквы.

Существует несколько вариантов произношения химических элементов в периодической таблице Д. И. Менделеева.

Большинство из них читаются (произносятся) в соответствие с русским названием.

Литий (Li) читается как Литий.

Неон (Ne) читается как Неон.

Хлор (Cl) читается как Хлор.

Произношение нескольких элементов совпадает с символом, который используется для записи химического элемента в периодической таблице.

Кроме того, есть элементы, которые читаются в соответствие с латинским названием.

Кремний (Si) – Силициум (Silicium).

Серебро (Ag) – Аргентум (Argentum).

Олово (Sn) – Станнум (Stannum).

В таблицах, которые я привёл ниже, представлена подробная информация о 118 химических элементах, которые известны на данный момент.

Помню из химии элементы в таблице Менделеева читались в соответствии со словами латинского языка. Произносятся они, в основном, так как и называются. Например, бериллий, так и будет произносится в формулах. Обращайте внимание на сокращенные буквы латинницы – если одна буква, то и читайте, как одну букву, например, аш – водород. Если две буквы в сокращении, то произносить полностью элемент, как называется, например Al – алюминий и т. д. Вот некоторые названия элементов:

Запомните простое правило: если видите в таблице одну букву, то читайте ее так, как читается сама буква в английском алфавите. Это касается всех одиночных букв, кроме F (фтор), B (бор), I (йод), K (калий). Остальные названия, которые состоят из двух букв нужно читать так, как называется элемент.

Вот полный список названий с переводом на английский и латиниский:

Элементы, обозначаемые одной буквой латинского алфавита, читаются по названию этих букв в латинском алфавите. Элементы, обозначаемые двумя буквами, читаются по латыни, например медный купорос CuSO4 читается: “Купрум Эс О Четыре”.

Таблица Менделеева включает в себя в упорядоченном положении сочетание всех имеющихся химических элементов. Такая таблица имеет вот такой вид:

А вот информация относительно прочтения всех химических элементов:

Многие элементы в таблице Менделеева, как пишуться так и читаются, как правило русского языка, как слышится так и пишется. Нам с вами важно знать как польностью пишеться каждый элемент, ведь в таблиице, лишшь сокращённые названия, такие как предлагает нам автор вопроса – это водород (H), он так же и читается как (Аш). Но есть и такие элементы в таблице Менделеева как например свинец

всего две буквы “Pb” но произноситься он уже как (плюмбум). Давайте же изначально с вами вспомним знаменитую таблицу Менделеева, выпишем из неё все элементы, найдём полное их название, для этого нам придётся обратиться к информационным источникам и сведениям, поискать в учебниках, образовательной литературе, в учебниках по химии; и просто прочитаем полные названия элементов, и добавим наше произношение в отдельную графу к таблицу, которую мы разлинуем и поделим на графы.

Источник статьи: http://www.bolshoyvopros.ru/questions/486364-kak-chitajutsja-elementy-v-tablice-mendeleeva.html

Кремний

Кремний – неметаллический элемент IVa группы периодической таблицы Д.И. Менделеева. Второй после кислорода элемент по распространенности в земной коре.

В чистом виде в природе практически отсутствует. Чаще всего встречается в виде кремнезема – SiO₂ – песок, песчаник, кварц, глина.

Кремниевая (силиконовая) долина

Регион в штате Калифорния (США), отличающийся большой плотностью высоко технологичных компаний, связанных с производством компьютеров и микропроцессоров.

Кремний является природным полупроводником, используется как основной материал для производства микросхем. Кремний ближе, чем вы думаете: внутри гаджета, которым вы пользуетесь

Основное и возбужденное состояние кремния

При возбуждении атома кремния электроны на s-подуровне распариваются и один из них переходит на p-подуровень.

Природные соединения

В природе кремний встречается в виде следующих соединений:

SiO₂ – кварц, кремнезем, гранит, песчаник, песок, глина
SiO₂ с примесью Fe 3+ – цитрин
SiO₂ с примесью Fe 2+ и Fe 3+ – аметист

Получение

В промышленности кремний получают путем восстановления кремнезема в электрических печах, алюминотермией.

В лабораторных условиях мелкий белый песок прокаливают с магнием:

Химические свойства

При обычных условиях без нагревания кремний реагирует только со фтором.

При нагревании кремний вступает в реакции с остальными галогенами (Cl, Br, I), углеродом, кислородом. При очень высоких температурах (1200 °C) кремний с кислородом образует оксид кремния II – несолеобразующий оксид.

В подобных реакциях кремния проявляет свои окислительные способности.

Ca + Si → Ca₂Si (силицид кальция)

С целью травления (удаления поверхностного слоя материала) кремниевые изделия можно погружать в раствор щелочи.

Оксид кремния IV – SiO₂

Оксид кремния IV имеет атомное строение, обладает высокой прочностью и твердостью. Плавится при температуре +1730 °C градусов.

В промышленности оксид кремния IV получают нагреванием кремния в атмосфере кислорода.

В лабораторных условиях проводят реакция силиката натрия с уксусной кислотой. Кремниевая кислота сразу же распадается на SiO₂, который выпадает в осадок, и воду.

Химически SiO₂ устойчив к действию кислот, однако вступает в реакцию с газообразным фтороводородом (газом) и плавиковой кислотой (жидкостью).

Реакции с основными оксидами и щелочами

SiO₂ является кислотным оксидом, соответствует кремниевой кислоте. Вступая в реакции с основными оксидами и щелочами, образует соли данной кислоты – силикаты.

Так как чаще всего кислотные оксиды с солями не реагируют, тем более необычной кажется реакция оксида кремния IV с карбонатами.

Кремниевая кислота

Слабая, малорастворимая в воде кислота. Ее соли носят название – силикаты.

Поскольку кремниевая кислота малорастворима, то банальной реакцией SiO₂ с водой ее не получить. Эту задачу решают в две стадии через ее соли – силикаты.

Кремниевая кислота слабая, нестойкая, легко распадается на воду и оксид кремния IV.

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Источник статьи: http://studarium.ru/article/167

Глоссарий. Химия

Кремний — элемент главной подгруппы четвёртой группы третьего периода периодической системы химических элементов, с атомным номером 14. Обозначается символом Si (лат. Silicium). В чистом виде кре́мний был выделен в 1811 году французскими учёными Жозефом Луи Гей-Люссаком и Луи Жаком Тенаром.

Происхождение названия

В 1825 году шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус действием металлического калия на фтористый кремний SiF₄ получил чистый элементарный кремний. Новому элементу было дано название «силиций» (от лат. silex — кремень). Русское название «кремний» введено в 1834 году российским химиком Германом Ивановичем Гессом. В переводе c др.-греч. κρημνός — «утёс, гора».

Получение

В промышленности кремний технической чистоты получают, восстанавливая расплав SiO₂ коксом при температуре около 1800 °C в руднотермических печах шахтного типа. Чистота полученного таким образом кремния может достигать 99,9 % (основные примеси — углерод, металлы). Возможна дальнейшая очистка кремния от примесей. 1. Очистка в лабораторных условиях может быть проведена путём предварительного получения силицида магния Mg₂Si. Далее из силицида магния с помощью соляной или уксусной кислот получают газообразный моносилан SiH₄. Моносилан очищают ректификацией, сорбционными и др. методами, а затем разлагают на кремний и водород при температуре около 1000 °C. 2. Очистка кремния в промышленных масштабах осуществляется путём непосредственного хлорирования кремния. При этом образуются соединения состава SiCl₄ и SiCl₃H. Эти хлориды различными способами очищают от примесей (как правило перегонкой и диспропорционированием) и на заключительном этапе восстанавливают чистым водородом при температурах от 900 до 1100 °C. 3. Разрабатываются более дешёвые, чистые и эффективные промышленные технологии очистки кремния. На 2010 г. к таковым можно отнести технологии очистки кремния с использованием фтора (вместо хлора); технологии предусматривающие дистилляцию монооксида кремния; технологии, основанные на вытравливании примесей, концентрирующихся на межкристаллитных границах. Содержание примесей в доочищенном кремнии может быть снижено до 10 -8 —10 -6 % по массе.

Физические свойства

Нахождение в природе

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. Чаще всего в природе кремний встречается в виде кремнезёма — соединений на основе диоксида кремния (IV) SiO₂ (около 12 % массы земной коры). Основные минералы, образуемые диоксидом кремния — это песок (речной и кварцевый), кварц и кварциты, кремень. Вторую по распространённости в природе группу соединений кремния составляют силикаты и алюмосиликаты

Источник статьи: http://edu.glavsprav.ru/info/si/

КРЕМНИЙ — он нужен всем

Можно перепутать кремний, химический элемент, и кремень — минерал, которым пользовались наши далекие предки.

История

В истории открытия неметалла много знаменитых имен. Ж. Гей-Люссак и Л. Тенар нашли новый элемент и выделили его в чистом виде. Берцелиус получил новый элемент хорошей чистоты и назвал его «силиций». А русский химик Гесс предложил называть новый элемент кремнием (от древне-греческого кремнос — гора).

Свойства

Кремний (Silicium, силициум, Si — обозначение в химических соединениях и реакциях). Это не металл, хотя по внешним характеристикам (металлический блеск, цвет) его сложно отличить от настоящих металлов. Он относится к полуметаллам (металлоидам). По типу проводимости относится к полупроводникам.

Существует в двух модификациях (видах): аморфной и кристаллической.

Химические свойства элемента:

Химически малоактивен, «оживляется» только в присутствии газообразного фтора.
При нагреве до 400-500°С происходит реакция с кислородом, образуется SiO2, диоксид кремния.
Карборунд (SiC), очень твердый и химически малоактивный материал получают при высокой (более 1000°С) температуре.
При взаимодействии с металлами образует силициды. Общая формула силицидов MenSim.

Свойства атома
Название, символ, номер	Кремний/Silicium (Si), 14
Атомная масса (молярная масса)	[28,086][комм 1][1] а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Ne] 3s2 3p2; в соед. [Ne] 3s 3p3 (гибридизация)
Радиус атома	132 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	111 пм
Радиус иона	42 (+4e), 271 (−4e) пм
Электроотрицательность	1,90 (шкала Полинга)
Электродный потенциал
Степени окисления	−4, 0, +2; +4
Энергия ионизации (первый электрон)	786,0 (8,15) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	2,33 г/см³
Температура плавления	1414,85 °C (1688 K)
Температура кипения	2349,85 °C (2623 K)
Уд. теплота плавления	50,6 кДж/моль
Уд. теплота испарения	383 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	20,16[2] Дж/(K·моль)
Молярный объём	12,1 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	кубическая, алмазная
Параметры решётки	5,4307 Å
Температура Дебая	645 ± 5[3] K
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) 149 Вт/(м·К)
Номер CAS	7440-21-3

Запасы, руды, минералы

Основной минерал кремния — песок. Кроме него, существуют:

Нашего героя в земной коре очень много (до 30% по массе). После углерода это второй элемент (по распространенности на планете).

Многие кремниевые соединения являются драгоценными и полудрагоценными камнями. Это аквамарин, изумруд, топаз, аметист, яшмы и топазы.

Сплавы, получение кремния

Silicium не может образовывать сплавы, это привилегия металлов. Зато он способен растворять многие металлы. Такие соединения, силициды, используют в промышленности.

К ним относят:

силумин;
ферросилиций;
сплав РС-1004;
сплав РС 1714;
сплав РС 4800;
сплав РС 5406.

Способы получения кремния:

В печах шахтного типа восстановлением SiO2 коксом (технически чистый Silicium).
Дальнейшую очистку продукта проводят по реакции SiCl4+2H2 = Si+4HCl (восстановление тетрахлорида водородом при высокой температуре).

Сверхчистый продукт (поликремний) для производства полупроводников и солнечных элементов очищают дополнительно.

Плюсы и минусы

Достоинств у кремния предостаточно. Это:

Доступность в добыче минералов, легкость получения продукта.
Наш герой нетоксичен, это дает возможность использовать его в любой отрасли промышленности.
Электро-и радиотехника не может обойтись без полупроводниковых свойств неметалла.
Кремний способен образовывать множество полезных и разнообразных соединений.

Применение

Области применения кремния трудно перечислить:

В любой зубной пасте есть Е551 — аморфный диоксид кремния.

Большинство наших домов на 20-40%% состоят из кремниевых минералов.

Как сырье технической чистоты Silicium применяют:

В металлургии (как присадки, как раскислители в производстве чугуна и сталей).
В производстве силанов и кремнийорганических материалов.
В производстве солнечных батарей.

Синтетические SiC под названием муассанита с успехом заменяют алмазы в ювелирной промышленности.

Продукцией из песка, соды и извести стеклом — пользуются миллионы людей.

Купить

На металлургическом рынке продают кремний трех видов — технический, кристаллический, механический.

Марка (вид) кремния, цена в руб/кг	Содержание основного элемента
Кр00	Не менее 99%
Кр0; 300	Не менее 98, 8%
Кр1; от 170	Не менее 98%
Кр2; 180	Не меньше 97%

Стоимость товара у разных производителей может быть выше или ниже — ищите, где выгоднее.

Мне 42 года и я специалист в области минералогии. Здесь на сайте я делюсь информацией про камни и их свойства — задавайте вопросы и пишите комментарии!

Источник статьи: http://themineral.ru/metally/kremnij