Лекция 5 Кремний и его соединения.
План.
1. Кремний как химический элемент.
2. Простые вещества. Аллотропия кремния.
3. Соединения кремния с отрицательной степенью окисления.
4. Оксид кремния.
5. Кремниевая кислота и ее соли.
6. Силикаты в природе. Силикатная промышленность.
1. Кремний как химический элемент.
П
оложение
в ПС: №14,
3
период, 4 группа, главная подгруппа, Аr
= 28.
Состав атома: 14p,
14e-,
14n.
Заряд ядра +14, три
электронных слоя 2e-,
6e-,
4е-.
Электронная формула 1S2
2S2
2P6
3S2
3P2
.
На внешнем слое 4 электрона, слой не завершен, но заполнен на половину. Радиус атома кремния больше чем у углерода, эти валентные электроны находятся дальше от ядра, чем в атоме углерода => не очень высокая ЭО; кремний – неметалл, но нетипичный. В невозбужденном состоянии у него два неспаренных электрона, но валентность II кремний в соединениях не проявляет. Наличие свободной р-орбитали делает возможным переход S-электрона на нее и появление четырех неспаренных e-, и => характерной для него валентности - (IV). Возможна отрицательная с.о. -4, она проявляется в соединениях с металлами – силицидах. Но это формально. В реальности состав многих из них переменный и не отвечает обычным степеням окисления. В школьной программе силициды не изучаются. Итак, кремний проявляет во всех соединениях с неметаллами степень окисления +4. Простейшее ЛВС – силан SiН4, очень неустойчив. А вот оксид SiO2 и все соли кремниевой кислоты – наоборот очень прочные соединения.
Распространение в природе: кремний имеет 20 ат.% на Земле, т.е. по распространению на Земле уступает только кислороду. Встречается только в виде различных кислородных соединений – оксид и силикаты. Земная кора более чем наполовину состоит именно из этих соединений. Это объясняется способностью его атомов образовывать особо прочные связи с кислородом.
2. Простое вещество. Для кремния возможна аллотропия как и для углерода, но нографитоподобная (аморфная) модификация (порошок коричневого цвета) крайне неустойчива при н.У.
Алмазоподобная модификация кремния: кристаллическая решетка – атомная, все четыре связи одинаковы и направлены к вершинам тетраэдра. Твердое мелкие кристаллы темно-серого цвета с металлическим блеском. В природе не встречаются. Кристаллы тугоплавкие (1428оС), очень твердые, в воде не растворяются. Кристаллический кремний — полупроводник, его электропроводность значительно возрастает при освещении или нагревании. Его проводимость очень сильно зависит от наличия определенных примесей (например примеси Р дают п-Si, а добавление В дают р- Si. Кремний как полупроводник широко используется в микроэлектронике.
Кремний
химически малоактивен.
С простыми веществами (кроме фтора)
взаимодействует только при нагревании.
Кремний
- неметалл, он может быть и окислителем,
и восстановителем.
Как окислитель кремний взаимодействует с металлами:
Si + Са → Са2Si (силицид кальция), при повышенной температуре
Как восстановитель, кремний при нагревании взаимодействует с кислородом и другими активными неметаллами, с оксидами. Эти реакции протекают гораздо легче, т.е. восстановительные свойства для него более характерны, чем окислительные. Например:
1) Si + О2 → SiО2
2) Si + С→ SiС (карборунд – прозрачные, очень твердые кристаллы, с высоким коэффициентом преломления и химически стойкие, похожи на алмаз или монокристалл оксида алюминия. Из него изготавливают шлифовальную бумагу и круги, плиты для пола, футеровку печей)
3) Fe2O3 + Si→ SiО2 + Fe
Соединения кремния с водородом нельзя получить при непосредственном взаимодействии простых веществ. Их общее название – силаны. Они очень неустойчивы, самовоспламеняются на воздухе.
Получение. Из кварцевого песка при высокой температуре кремний восстанавливается активными металлами или коксом. Но такой кремний не проводит электрический ток, т.к. он содержит 5-3%примесей. Для нужд радиоэлектроники полученный кремний очищают специальными методами (зонной плавкой).
С + SiО2 →СО2 + Si