Лекция № 14

Кремний Si физические свойства кремния

Кремний – самый важный элемент в земной коре (87 % всей литосферы состоит из SiO₂ и силикатов)

1) Аморфный кремний – бурый порошок;

2) Кристаллический кремний – серое кристаллическое вещество с металлическим блеском. По структуре напоминает алмаз.

t_пл = 1410 °С, t_кип = 2620 °С.

Весьма твердый, очень хрупкий. Плавится с уменьшением объема. Полупроводник при обычной температуре.

Химические свойства кремния

При обычных условиях кремний химически инертен из-за тончайшей пленки SiO₂, образующегося на воздухе. Все реакции с ним протекают при повышенных температурах: 600–1200°С.

1) При обычных условиях реагирует только со фтором

Si + F₂ Combin SiF₄ горит в атмосфере фтора

2) Взаимодействует с кислородом

Si + О₂ Combin SiО₂ измельченный кремний воспламеняется

3) С водородом НЕ реагирует

Соединения кремния с водородом – силаны – можно получить косвенным путем

Силаны обычно получают, разлагая кислотами силициды активных металлов:

Mg₂Si + HCl→ MgCl₂ + SiH₄↑

4) Взаимодействует с галогенами

Si + Сl₂ Combin SiCl₄ реагирует в токе аргона

5) Взаимодействует с серой

Si + S Combin SiS₂

6) Взаимодействует с азотом

Si + N₂ Combin Si₃N₄ нитрид кремния

7) Взаимодействует с углеродом

Si + С Combin SiС карборунд (по твердости близок к алмазу, широко применяется как абразивный материал)

8) Взаимодействует с металлами с образованием силицидов

Mg + Si Combin Mg₂Si силицид магния

9) Восстанавливает металлы из их оксидов

MgO + Si Combin SiO₂ + Mg

10) Растворяется в горячих концентрированных щелочах

Si + NaOH(к) + H₂OCombin Na₂SiO₃ + H₂↑

11) Аморфный кремний растворяется в плавиковой кислоте (другие кислоты на кремний не действуют)

Si + HF Combin SiF₄ + H₂

ПОЛУЧЕНИЕ КРЕМНИЯ

1) Восстановлением SiO₂

SiО₂ + C Combin Si + CО кристаллический кремний

SiO₂ + Mg Combin MgO + Si аморфный кремний

2) Особо чистый кремний получают восстановлением хлорида кремния

SiCl₄ + H₂ Combin Si + HCl

SiCl₄ + Zn Combin Si + ZnCl₂

3) Термическим разложением силана

SiH ₄ Combin Si + H₂

ДИОКСИД КРЕМНИЯ SiО₂

(кремнезём, кварц)

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА SiO₂

SiO₂ – бесцветное твердое кристаллическое вещество, t_пл = 1713 °С. Нерастворим в воде, кислотах. Один из лучших диэлектриков (не проводит электрический ток).

В природе образует минералы – горный хрусталь, аметист, агат, яшма, песок, кремень, опал и др.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА SiO₂

SiO₂ – кислотный оксид, нерастворимый в воде

1) Растворяется в плавиковой кислоте. Другие кислоты на него не действуют

SiO₂ + HF Combin SiF₄ + H₂O эта реакция широко применяется для травления стекла

2)Разрушается под действием фтора

SiO₂ + F₂ Combin SiF₄ + O₂

3) Сплавление с основными оксидами и щелочами

CaO + SiО₂ Combin CaSiO₃

NaOH + SiO₂ Combin Na₂SiO₃ + H₂O

4) Сплавление с карбонатами

Na₂CO₃ + SiO₂ → Na₂SiO₃ + CO₂↑

При сплавлении соды, известняка и песка при 1400 °С получается смесь оксидов, из которой делают оконное стекло

Na₂CO₃ + CaCO₃ + 6SiO₂ → Na₂O·CaO·6SiO₂ + 2CO₂↑

Если заменить Na₂O → K₂O, получается тугоплавкое стекло; CaO → PbO, получается хрусталь

Na₂O → K₂O, CaO → PbO, получаются стразы

Введение в сплав небольшого количества оксидов придает стеклу различную окраску:

Cr₂O₃ – зеленая, CoO – синяя, MnO₂ – лиловая, Au – красная, UO₃ – желто-зеленая с зеленой флуоресценцией и др.

Кварцевое стекло – чистый SiO₂ – выдерживает нагревание до белого каления, пропускает УФ лучи.

Цемент, получаемый обжигом глины Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O и известняка CaCO₃ при 1400–1500 °С, состоит из оксидов Al₂O₃, SiO₂, CaO, Fe₂O₃.

Керамику получают обжигом каолина Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O, кварца SiO₂, полевого шпата и пластичной глины при 1000‑1500 °С (кирпич, черепица, фаянс, фарфор).

КРЕМНИЕВАЯ КИСЛОТА H₂SiО₃

Существует только в растворе. Является очень слабой кислотой. Обладает полимерной структурой и в воде образует коллоидный раствор.

Разлагается при нагревании:

H₂SiO₃ Combin SiО₂↓ + H₂O

При ее высушивании образуется силикагель – хороший осушитель газов и жидкостей.

ПОЛУЧЕНИЕ H₂SiО₃

Действием кислот на силикаты

Na₂SiО₃ + HCl→ NaCl + H₂SiO₃↓ выпадает в осадок в виде геля

Соли H₂SiО₃ – СИЛИКАТЫ

Это белые кристаллические вещества. Растворимы только Na₂SiО₃ и K₂SiО₃ – "жидкое стекло". Остальные силикаты не растворяются в воде.

Их можно представить как смесь оксидов металла и кремния:

Al₂(SiO₃)₃ = Al₂O₃·3SiO₂; CaSiO₃ = CaO·SiO₂

Все силикаты подвергаются гидролизу по аниону, создавая в своих растворах щелочную среду:

Na₂SiО₃ + H₂O→ NaHSiО₃ + NaOH

ПРИМЕНЕНИЕ КРЕМНИЯ и его СОЕДИНЕНИЙ

1. Si – как полупроводник (в солнечных батареях, выпрямителях тока, фотоэлементах);

– получение кремнистых сталей и ферросилиция;

2. SiO₂ – кварц – в производстве стекла, керамики, абразивов, бетонных изделий, для получения кремния, как наполнитель в производстве резин, при производстве кремнезёмистых огнеупоров, в хроматографии и др.;

– кристаллы кварца обладают пьезоэлектрическими свойствами и поэтому используются в радиотехнике, ультразвуковых установках, в зажигалках;

– главный компонент почти всех земных горных пород, в частности, кизельгура;

– аморфный непористый SiO₂ применяется в пищевой промышленности в качестве вспомогательного вещества E551, препятствующего слеживанию и комкованию, парафармацевтике (зубные пасты), а также пищевой добавки или лекарственного препарата в качестве энтеросорбента;

– искусственно полученные пленки диоксида кремния используются в качестве изолятора при производстве микросхем и других электронных компонентов;

– для производства волоконно-оптических кабелей;

– кремнезёмная нить также используется в нагревательных элементах электронных сигарет, так как хорошо впитывает жидкость и не разрушается под нагревом спирали;

– в ювелирном деле;

3. H₂SiO₃ – высушенный гель кремниевой кислоты – силикагель. Применяется как влагопоглотитель.

4. Na₂SiO₃ – раствор в воде – силикатный клей.