Кремний

Кремний

Историческая справка

Кремний был открыт гораздо позже, чем стали известны его соединения(песок, кремень – твердая горная порода). Как самостоятельный элемент кремний был открыт в 19 веке. В 1811 году во Франции Гей-Люссак и Тенар, проводя опыты получили буро-коричневое вещество – это был кремний. Однако, тогда исследователи не поняли, что был открыт новый химический элемент. Лишь 12 лет спустя знаменитый шведский ученый Ян Берцелиус получил тот же продукт и показал, что открыт новый элемент, назвав его «силиций» от латинского слова «silex» - кремень. В русском языке первоначальное название было «кремнезёмий». Затем академик Гесс ввел более короткое название «кремний». Применение кремния и его сплавов началось сравнительно недавно. Но природные соединения кремния служили людям еще в каменном веке. Первые ножи и топоры, наконечники стрел и копий делались из острых осколков кремня. Это твердый камень, от которого легко откалываются куски с острыми краями. Позднее когда на смену кремню пришли медь, бронза, железо, кремень нашел применение в виде огнива. При ударе твердого кремня о железо от него откалываются мелкие осколки, нагретые до высокой температуры, которые воспламеняют трут. До изобретения спичек, этот способ добывания огня был широко распространен. По этому же принципу устроено старинное оружие – кремнёвый пистолет, только в нем вместо трута воспламеняется порох.

Характеристика кремния

Находится в III периоде, вIV группе, главной подгруппе. На внешнем энергетическом уровне 4 электрона:3s23p2. СО: -4, +2, +4. Типичный неметалл, может быть окислителем и восстановителем.

Распространенность в природе

Кремний – второй по распространенности элемент на Земле после кислорода. Его содержание в земной коре составляет 27,6 % (мас.). Встречается только в виде соединений. Оксид кремния образует большое количество природных веществ – горный хрусталь, кварц, кремнезем. Составляет основу многих полудрагоценных камней – агат, аметист, яшма и др. Также кремний входит в состав породообразующих минералов – силикатов и алюмосиликатов – полевых шпатов, глин, слюд и др.

Физические свойства кремния

Кремний образует две аллотропные модификации – аморфный и кристаллический кремний.

Кристаллический кремний – кристаллическое вещество темно-серого цвета с металлическим блеском, довольно хрупок. Полупроводник. Тугоплавкий, tплавл=1415 °C, tкипения=2680 °C.

Аморфный кремний – порошок бурого цвета. Обладает большей реакционной способностью, чем кристаллический кремний.

Химические свойства кремния

Взаимодействие с галогенами  При обычных условиях взаимодействует только с фтором, при этом проявляет восстановительные свойства:  Si + 2F2 = SiF4.

С хлором реагирует при нагревании до 400–600 °С:  Si + 2Cl2 = SiCl4.

Взаимодействие с кислородом

Измельченный кремний при нагревании до 400–600 °С реагирует с кислородом: Si + O2 = SiO2.

Взаимодействие с другими неметаллами

При температуре около 2000 °С реагирует с углеродом:  Si + C = SiC(карборунд)

  и бором: Si + 3B = B3Si.

При 1000 °С реагирует с азотом:  3Si + 2N2 = Si3N4.

С водородом не взаимодействует.

Взаимодействие с галогеноводородами

С фтороводородом реагирует при обычных условиях:  Si + 4HF = SiF4 + 2H2,

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

Взаимодействие с металлами

Окислительные свойства для кремния менее характерны, но они проявляются в реакциях с металлами, при этом образует силициды:  2Ca + Si Ca2Si.

Взаимодействие с кислотами

Кремний устойчив к действию кислот, в кислой среде он покрывается нерастворимой пленкой оксида и пассивируется. Кремний взаимодействует только со смесью плавиковой и азотной кислот:

  3Si + 4HNO3 + 18HF = 3H2[SiF6] + 4NO + 8H2O.

Взаимодействие со щелочами

Растворяется в щелочах, образуя силикат и водород:  Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + H2.

Получение

В лаборатории

Восстановлением из оксида магнием или алюминием:  SiO2 + 2Mg = Si + 2MgO;

  3SiO2 + 4Al = 3Si + 2Al2O3.

В промышленности

Восстановлением из оксида коксом в электрических печах:  SiO2 + 2C = Si + 2CO. Восстановлением тетрахлорида кремния водородом при 1200 °С:  SiCl4 + 2H2 = Si + 4HCl,

  или цинком:  SiCl4 + 2Zn = Si + 2ZnCl2.

При термическом разложении силана:  SiH4 = Si + 2H2.

Применение.

Кремний используется в металлургии в качестве добавки к стали, в производстве сплавов; в электронике для изготовления полупроводниковых приборов.

Карборунд SiC – очень твердое вещество, сходное с алмазом, имеет АКР. Используется для изготовления точильных дисков для шлифовки твердых материалов, порошков, шкурок. Жаростоек  - изготовление нагревательных элементов в электропечах, используется в ракетной технике.

Силан – SiH4.

SiH4 – газ, очень ядовит, имеет неприятный запах, самовозгорается на воздухе.

Получение.

Действием на силицид магния соляной кислотой:  Mg2Si + 4HCl = 2MgCl2 + SiH4^

Химические свойства.

На воздухе воспламеняется и сгорает с большим выделением тепла:  SiH4 + 2O2 = SiO2 + 2H2O. SiH4 – сильный восстановитель:  SiH4 + 2H2O > SiO2 + 4H2^

  SiH4 + 2AgCl = SiH3Cl + HCl + 2Ag.

Силан – кислотный гидрид, активно взаимодействует со щелочами:

  SiH4 + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + 4H2.

В нейтральной и кислой среде силан устойчив.

При нагревании разлагается:  SiH4 = Si + 2H2.

Силициды

При замещении водорода на металл в силане образуются силициды. Их состав не подчиняется простым правилам валентности, а химическая связь изменяется от практически ионной до металлической.

1. Силициды щелочных и щелочно-земельных металлов имеют ионный тип связи, химически активны. Они легко разлагаются водой с выделением водорода:  Na2Si + 3H2O = Na2SiO3 + 3H2

  или разбавленными кислотами с выделением силана:  Ca2Si + 2H2SO4 = 2CaSO4 + SiH4.

2. Многие силициды переходных металлов обладают металлической проводимостью.

3. В силицидах неметаллов чаще всего ковалентная связь.

Получение.

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

  2Mg + Si = Mg2Si,

  2MgO + SiO2 + 4C = Mg2Si + 4CO.

Оксиды кремния

Кремний образует два оксида: монооксид SiO и диоксид SiO2.

Монооксид кремния SiO – неустойчивое соединение, на воздухе медленно окисляется до SiO2. Это тугоплавкий темно-коричневый порошок, диэлектрик и механической прочностью.

Твердый монооксид кремния не растворяется в кислотах, кроме плавиковой, легко растворяется в щелочах с выделением водорода, является хорошим восстановителем.

Диоксид кремния SiO2 - широко распространен в природе. Кристаллический оксид кремния – это кварц, горный хрусталь, халцедон, яшма, основа кварцевого песка. Очень твердое, прочное, тугоплавкое вещество, АКР.

Химические свойства

Взаимодействие с металлами

а) При температуре выше 1000 °С реагирует с активными металлами, при этом образуется кремний:  SiO2 + 2Mg = Si + 2MgO

б)  при избытке восстановителя – силициды:  SiO2 + 4Mg = Mg2Si + 2MgO.

Взаимодействие с неметаллами  а) Реагирует с водородом:  SiO2 + 2Н2 = Si + 2Н2O.

  б) с углеродом:  SiO2 + 3С = SiС + 2СO.

Свойства кислотного оксида – типичный кислотный оксид, но не растворяется в воде, при сплавлении реагирует:  а) со щелочами:  SiO2 + 2KOH = K2SiO3 + H2O,

б) основными оксидами:  SiO2 + MgО = MgSiO3.

в) карбонатами щелочных металлов:  SiO2 + K2CO3 = K2SiO3 + CO2.

С кислотами не реагирует, исключение - плавиковая кислота:  SiO2 + 6HF = H2SiF6 + 2H2O.

Применение:

Монооксид кремния применяется для создания изолирующих и защитных слоев в полупроводниковых устройствах.

Диоксид кремния применяется для производства стекла, керамики, бетонных изделий и кирпича. Чистый кварц используется в приборостроении.

Кремниевая кислота и её соли

H2SiO3 – слабая, слабее угольной, непрочная, нерастворимая в воде(образует коллоидные системы)

Химические свойства.

1.  На ионы не диссоциирует на индикаторы не действует.

2.  При нагревании разлагается:  H2SiO3 SiO2 + H2O

3.  Bзаимодействует со щелочами: H2SiO3 + 2NaOH > Na2SiO3 + 2H2O

Получение:

1. Действием сильных кислот на силикаты натрия или калия: Na2SiO3 + 2HCl = H2SiO3v + 2NaCl.

  студенистый осадок

Силикаты– соли кремниевой кислоты. Обычно они нерастворимы в воде, исключения составляют силикаты натрия Na2SiO3 и калия К2SiO3, их называют «жидким стеклом». Широко распростране - ны в природе. Свойства силикатов различны в зависимости от их состава и строения, часто они имеют красивую окраску, некоторые используются в ювелирном деле (гранат, топаз, изумруд).

1. Взаимодействуют с кислотами – качественная реакция на ион , образуется студенистый 

  осадок:  Na2SiO3 + 2HCl = H2SiO3v + 2NaCl.

2. Растворимые силикаты реагируют с другими солями: Na2SiO3 + СаCl2 = СаSiO3v + 2NaCl.

3. Растворимые силикаты подвергаются гидролизу и дают щелочную среду: 

  Na2SiO3 + H2O  NaНSiO3 + NaOH

Стекло – тоже силикат. Состав обычного оконного стекла: Na2O·CaO·6SiO2. Стекло получают при сплавлении в специальных печах смеси соды Na2CO3, известняка CaCO3 и белого песка SiO2:

  6SiO2 + Na2CO3 + CaCO3 = Na2O·CaO·6SiO2 + 2CO2.

Для получения специального стекла вводят различные добавки, так стекло содержащее ионы Pb2+ – хрусталь; Cr3+ – имеет зеленую окраску, Fe3+ – коричневое бутылочное стекло, Co2+ – дает синий цвет, Mn2+ – красновато–лиловый.