Кремній

Кремній – елемент 3-го періоду і IVA-групи Періодичної системи, порядковий номер 14. Електронна формула атома [10Ne] 3s23p2. Характерна ступінь окислення в з’єднаннях + IV.

Шкала ступенів окислення кремнію:

Електронегативність кремнію невисока для неметалів (2,25). Проявляє неметалеві (кислотні) властивості; утворює оксиди, кремнієві кислоти, дуже велике число солей – силікатів у вигляді ланцюгів, стрічок і тривимірних сіток тетраедрів [SiO4], бінарні сполуки. В даний час широко розвивається хімія органічних сполук кремнію зі зв’язками Si – С і кремнійорганічних полімерів – силіконів і силіконових каучуків зі зв’язками Si – Si, Si – О і Si – С.

Найважливіший елемент неживої природи, другий за хімічною поширеності. Зустрічається тільки у зв’язаному вигляді. Життєво важливий елемент для багатьох організмів.

Кремній Si. Проста речовина. Крупнокрісталліческій – темно-сірий, з металевим блиском, вельми твердий, дуже крихкий, непрозорий, тугоплавкий, поширений напівпровідник. Кристалічна решітка – атомна, зв’язку Si – Si дуже міцні. Аморфний – білий або жовто-коричневий (з домішками, в основному Fe), хімічно більш активний. Стійкий на повітрі (покритий оксидною плівкою), не реагує з водою. Реагує з HF (конц.), Лугами. Окислюється киснем, хлором. Відновлюється магнієм. Спікається з графітом. Промислово важливим є сплав із залізом – феросиліцій (12-90% Si). Застосовується як легіруюча добавка в сталі і сплави кольорових металів, компонент напівпровідникових матеріалів для мікроелектроніки, основа силіконів.

Рівняння найважливіших реакцій:
Отримання в промисловості: відновлення SiCl4 або SiO2 при прожаренні:

SiCl4 + 2Zn = Si + 2ZnCl2

SiO2 + 2Mg = Si + 2MgO

(Остання реакція може бути здійснена і в лабораторії, після обробки соляною кислотою залишається аморфний кремній).

Діоксид кремнію SiO2. Кислотний оксид. Білий порошок (кварцовий пісок) і прозорі кристали, природний продукт забарвлений домішками (кремнезем) – у вигляді звичайного піску та каменю (кремінь). Кристалічна решітка атомна, кожен атом кремнію оточений чотирма атомами кисню [Si (O) 4], а кожен атом кисню – двома атомами кремнію [O (Si) 2]. Має кілька кристалічних модифікацій (всі мінерали), найважливіші – кварц, тридимит і кристобаліт, рідко зустрічаються і штучно отримані – кітіт, коесит, стишовит, меланофлогіт, волокнистий кремнезем. Тугоплавкий, при повільному охолодженні розплаву утворюється аморфна форма – кварцове скло (у природі мінерал лешательеіт). Найбільш хімічно активна аморфна форма.

Практично не реагує з водою (з розчину осідає гидрат SiO2 nН2O), поширеними кислотами. Кварцові скло роз’їдається в HF (конц.). Реагує з лугами в розчині (утворює ортосілікати) і при сплаву (продукти – Метасилікати). Легко хлорується в присутності коксу. Відновлюється коксом, магнієм, залізом (в доменному процесі).

Застосовується як промислова сировина у виробництві кремнію, звичайного, термо- і хімічно стійкого скла,

порцеляни, кераміки, абразивів і адсорбентів, наповнювач гуми, мастил, клеїв і фарб, компонент будівельних сполучних розчинів, у вигляді монокристалів кварцу – основа генераторів ультразвуку та точного ходу кварцових годин. Різновиди кварцу (гірський кришталь, рожевий кварц, аметист, димчастий кварц, халцедон, онікс і ін.) – Дорогоцінні, напівкоштовні або вироби камені.

Рівняння найважливіших реакцій:

Полігідрат діоксиду кремнію SiO2 nH2O. Кремнієві кислоти з перемінним вмістом SiO2 і Н2О. Білий, аморфний (склоподібний) полімер з цепочечную, стрічковим, листовим, сітчастим і каркасним будовою. При нагріванні поступово розкладається. Дуже мало розчинний у воді. Над осадом в розчині існує мономерна слабка ортокремнієвої кислота H4SiO4 (тетраедричну будову, sр3-гібридизація), розчинність 0,00673 г / 100 г Н2О при 20 ° C. При стоянні розчину йде поліконденсація і повільно утворюються спочатку кремнієві кислоти H6Si2O7, H2Si2O5, H10Si2O9, потім гидрозолей [H2SiO3] n (золь метакремнієвої кислоти) і, нарешті, гідрогель SiO2 • nН2O (n <2). При висушуванні гідрогель переходить в силикагель SiO2 • nН2O (n <1). Швидкість гелеобразования максимальна в слабокислотні середовищі.

Перекладається в розчин дією концентрованих лугів. По інших хімічних властивостях подібний SiO2. У природі – мінерали опал і халцедон (агат, яшма). Мономерна метакремнієва кислота H2SiO3 не вийде.

Рівняння найважливіших реакцій:

Отримання: витіснення сильною кислотою з розчину силікату, наприклад:

K2SiO3 + 2НCl + (n – 1) Н2О = 2КCl + SiO2 nН2Ov

Метасилікат натрію Na2SiO3. Оксосоль. Білий, при нагріванні плавиться без розкладання. Розчиняється в холодній воді (сильний гідроліз за аніоном). Концентрований розчин – колоїдний («рідке скло», містить гидрозолей SiO2 nН2O). Розкладається в гарячій воді, реагує з кислотами, лугами, вуглекислим газом.

Застосовується як компонент шихти у виробництві скла, спеціальних цементів та бетонів, входить до складу силікатних фарб і клею, холодних глазурі, алюмосилікатних каталізаторів, при виготовленні паперу та картону, силикагеля, синтетичних цеолітів. Рівняння найважливіших реакцій:

Отримання: сплав соди з піском

Na2SiO3 + SiO2 = СO2 + Na2SiO3 (1150 ° C)

Силікати. Кремній в ступені окислення + IV знаходиться, крім SiO2, у вельми численних і часто дуже складних за складом і будовою силікат-іони (так, крім жетасілікат-іона SiO32- і ортосілікат-іона SiO44- відомі іони Si2O76-, Si3O96-, Si2O104- та ін.). Для простоти запису все силікати зображують як містять іон SiO32-.

Насичений розчин силікатів натрію і калію (в’язке «рідке скло») використовується як силікатний клей.

Силікати натрію і кальцію входять до складу скла; його отримують сплавом кварцу SiO2, вапняку СаСO3 і соди Na2CO3:

Часто склад скла виражають через оксиди, наприклад, звичайне скло Na2O СаО • 6SiO2.

Серед силікатних мінералів відзначимо глини (алюмосилікати), дуже чиста глина – каолін Al2O3 2SiO2 • 2Н2O використовується для виготовлення порцеляни.

Силікати і алюмосилікати застосовують в промисловості при виробництві кераміки, цементу, бетону та інших будівельних матеріалів.

Тетрахлорид кремнію SiCl4. Бінарне з’єднання. Безбарвна рідина, володіє широким інтервалом рідкого стану. Молекула має тетраедричну будову (sр3-гібридизація). Термічно стійкий. «Димить» у вологому повітрі. Повністю гідролізується водою. Розкладається лугами. Відновлюється воднем, натрієм, цинком. Хлорують оксид алюмінію.

Застосовується у виробництві особливо чистого кремнію для напівпровідникової техніки.

...
ПОДІЛИТИСЯ: