Кремній відкрив та отримав у 1823 році шведський хімік Йєнс Якоб Берцеліус.

Другий за поширеністю елемент у земній корі після кисню (27,6% за масою). Зустрічається у з'єднаннях.

Будова атома кремнію в основному стані 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2

Будова атома кремнію у збудженому стані 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3 Ступені окиснення: +4, -4.

Алотропія кремнію

Відомий аморфний та кристалічний кремній.

Полікристалічний кремній

Кристалічний – темно-сіра речовина з металевим блиском, велика твердість, крихкий, напівпровідник; ρ = 2,33 г/см 3 t°пл. =1415°C; t°кип. = 2680°C.

Має алмазоподібну структуру та утворює міцні ковалентні зв'язки. Інертен.

Аморфний - бурий порошок, гігроскопічний, алмазоподібна структура, ρ = 2 г/см 3 більш реакційноздатний.

Одержання кремнію

1) Промисловість - Нагрівання вугілля з піском:

2C + SiO 2 t ˚ → Si + 2CO

2) Лабораторія - Нагрівання піску з магнієм :

2Mg + SiO 2 t ˚ → Si + 2MgO Досвід

Хімічні властивості

Типовий неметал, інертний.

Як відновник:

1) З киснем

Si 0 + O 2 t ˚ → Si +4 O 2

2) З фтором (без нагрівання)

Si 0 + 2F 2 →SiF 4

3) З вуглецем

Si 0 + Ct → Si +4 C

(SiC - карборунд - твердий; використовується для точки та шліфування)

4) З воднем не взаємодіє.

Силан (SiH 4) отримують розкладанням силіцидів металів кислотою:

Mg 2 Si + 2H 2 SO 4 → SiH 4 + 2MgSO 4

5) З кислотами не реагує (Только з плавиковою кислотою Si+4 HF= SiF 4 +2 H 2 )

Розчиняється тільки в суміші азотної та плавикової кислот:

3Si + 4HNO 3 + 18HF →3H 2 + 4NO + 8H 2 O

6) З лугами (при нагріванні):

Як окислювач:

7) З металами (утворюються силіциди):

Si 0 + 2Mg t ˚ →Mg 2 Si -4

Кремній широко використовується в електроніці як напівпровідник. Добавки кремнію до сплавів підвищують їхню корозійну стійкість. Силікати, алюмосилікати та кремнезем – основна сировина для виробництва скла та кераміки, а також для будівельної промисловості.
Кремній у техніці
Застосування кремнію та його сполук

Силан - SiH 4

Фізичні властивості: Безбарвний газ, отруйний, t°пл. = -185 ° C, t ° кип. = -112°C.

Одержання кремнієвої кислоти

Дія сильних кислот на силікати - Na 2 SiO 3 + 2HCl → 2NaCl + H 2 SiO 3 ↓

Хімічні властивості:

При нагріванні розкладається: H 2 SiO 3 t ˚ → H 2 O + SiO 2

Солі кремнієвої кислоти - силікати.

1) із кислотами

Na 2 SiO 3 +H 2 O+CO 2 =Na 2 CO 3 +H 2 SiO 3

2) із солями

Na 2 SiO 3 +CaCl 2 =2NaCl+CaSiO 3 ↓

3) Силікати, що входять до складу мінералів, у природних умовах руйнуються під дією води та оксиду вуглецю (IV) – вивітрювання гірських порід:

(K 2 O Al 2 O 3 6SiO 2)(польовий шпат) + CO 2 + 2H 2 O → (Al 2 O 3 2SiO 2 2H 2 O)(каолініт (глина)) + 4SiO 2 (кремнезем (пісок)) + K 2 CO 3

Застосування сполук кремнію

Природні сполуки кремнію - пісок (SiO 2) та силікати використовуються для виробництва кераміки, скла та цементу.

Кераміка
Порцеляна= каолін + глина + кварц + польовий шпат. Батьківщина фарфору – Китай, де фарфор відомий вже 220г. У 1746 р – налагоджено виробництво фарфору у Росії	Фаянс -від назви італійського міста Фаенца. Де у 14-15століттях було розвинене керамічне ремісництво. Фаянс – відрізняється від порцеляни великим вмістом глини (85%), нижчою температурою випалення.

КРЕМНІЙ

(Silicium), Si – хім. елемент IV групи періодичної системи елементів; ат. н. 14, ат. м. 28,086. Кристалічний кремній-темно-сіра речовина зі смолистим блиском. У більшості сполук виявляє ступеня окиснення - 4, +2 та +4. Природний кремній складається із стабільних ізотопів 28Si (92,28%), 29Si (4,67%) та 30Si (3,05%). Отримані радіоактивні 27Si, 31Si та 32Si з періодами напіврозпаду відповідно 4,5 сек, 2,62 год та 700 років. вперше виділено в 1811 франц. хіміком та фізиком Ж. Л. Гей-Люссаком та франц. хіміком Л. Ж. Тенаром, але ідентифікований лише у 1823 р. швед, хіміком та мінералогом Й. Я. Берцеліусом.

За поширеністю в земній корі (27,6%) кремній-другий (після кисню) елемент. Знаходиться переважно. у формі кремнезему Si02 та ін кисневмісних речовин (силікатів, алюмосилікатів і т. д.). За звичайних умов утворюється стабільна напівпровідникова модифікація К., що відрізняється гранецентрованою кубічною структурою типу алмазу, з періодом а = 5,4307 А. Міжтомна відстань 2,35 А. Щільність 2,328 г\см. При високому тиску (120-150 кбар) переходить у більш щільні напівпровідникові та металеві модифікації. Металева модифікація-надпровідник з т-рою переходу 6,7 К. Зі зростанням тиску точка плавлення знижується з 1415 ± 3° З при тиску 1 бар до 810° З при тиску 15 104 бар (потрійна точка співіснування напівпровідникового, металевого та рідкого). ). При плавленні відбуваються збільшення координаційного числа та металізація міжатомних зв'язків. Аморфний кремній характером ближнього порядку, що відповідає сильно спотвореної об'ємноцентрованої кубічної структури, близький до рідкого. Дебаївська т-ра близька до 645 К. Коеф. температурного лінійного розширення змінюється зі зміною т-ри за екстремальним законом, нижче т-ри 100 К він стає негативним, досягаючи мінімуму (-0,77 · 10 -6) град -1 при т-рі 80 К; при т-рі 310 К він дорівнює 2,33 · 10 -6 град-1, а при т-рі 1273 К-4,8 · 10 град-1. Теплота плавлення 11,9 ккал/г-атом; tкіп.3520 К.

Теплота сублімації та випаровування при т-рі плавлення відповідно 110 та 98,1 ккал/г-атом. Теплопровідність та електропровідність кремнію залежать від чистоти та досконалості кристалів. Зі зростанням т-ри коеф. теплопровідності чистого К. спочатку збільшується (до 8,4 кал/см XX сек · град при т-рі 35 К), а потім убуває, досягаючи 0,36 і 0,06 кал/см · сек · град при т-рі відповідно 300 і 1200 К. Ентальпія, ентропія та теплоємність К. в стандартних умоврівні відповідно 770 кал/г-атом, 4,51 та 4,83 кал/г-атом - град. Кремній діамагнітний, магнітна сприйнятливість твердого (-1,1 · 10 -7 е.м.е./г) та рідкого (-0,8 · 10 -7 е.м.е./г). Кремній слабо залежить від т-ри. Поверхнева енергія, щільність та кінематична в'язкість рідкого К. при т-рі плавлення становлять 737 ерг/см2, 2,55 г/см3 та 3 · 10 м2/сек. Кристалічний кремнію типовий напівпровідник із шириною забороненої зони 1,15 ев при т-рі 0 К і 1,08 ев - при т-рі 300 К. При кімнатній т-рі концентрація власних носіїв зарядів близька до 1,4 · 10 10 см - 3 , ефективна рухливість електронів і дірок - відповідно 1450 і 480 см 2 /в · сек, а питома електричний опір- 2,5 · 105 ом · див. Зі зростанням т-ри вони змінюються за експонентним законом.

Електро властивості кремнію залежать від природи та концентрації домішок, а також від досконалості кристала. Зазвичай для отримання напівпровідникового К. з провідністю р- і n-типу його легують елементами IIIв (бором, алюмінієм, галієм) і Vв (фосфором, миш'яком, сурмою, вісмутом) підгруп, що створюють сукупність відповідно до акцепторних і донорних рівнів, розташованих поблизу кордонів зон . Для легування використовують та інші елементи (напр., ), формують т. й. глибокі рівні, які обумовлюють захоплення і рекомбінацію носіїв зарядів. Це дозволяє отримувати матеріали з високим електром. опором (1010 ом · см при т-рі 80 К) та невеликою тривалістю існування неосновних носіїв зарядів, що важливо для збільшення швидкодії різних пристроїв. Коеф. термоед кремнію істотно залежить від т-ри і вмісту домішок, збільшуючись зі зростанням електроопору (при р = 0,6 ом - см, а = 103 мкв / град). Діелектрична проникність кремнію (від 11 до 15) слабо залежить від складу та досконалості монокристалів. Закономірності оптичного поглинання кремнію сильно змінюються із зміною його чистоти, концентрації та характеру дефектів будови, а також довжини хвилі.

Кордон непрямого поглинання електромагнітних коливань близький до 1,09 ев, прямого поглинання - до 3,3 ев. У видимій області спектра параметри комплексного показника заломлення (n - ik) дуже істотно залежить від стану поверхні та наявності домішок. Для особливо чистого К. (приλ = 5461 А і т-ре 293 К) n = 4,056 і к = 0,028. Робота виходу електронів близька до 48 ев. Кремній тендітний. Його твердість (т-ра 300 К) за Моосом - 7; НВ = 240; HV щ = 103; І = 1250 кгс/мм2; модуль норм, пружності (полікристалу) 10890 кгс/мм2. Межа міцності залежить від досконалості кристала: на вигин від 7 до 14, на стиск від 49 до 56 кгс/мм2; коеф. стисливості 0,325 1066 см2/кг.

При кімнатній т-рі кремній практично не взаємодіє з газоподібними (виключаючи) і твердими реагентами, крім лугів. При підвищеній т-рі активно взаємодіє з металами та неметалами. Зокрема, утворює карбід SiC (при т-рі вище 1600 К), нітрид Si3N4 (при т-рі вище 1300 К), фосфід SiP (при т-рі вище 1200 К) і арсеніди Si As, SiAS2 (при т-рі вище 1000 К). З киснем реагує при т-рі вище 700 К, утворюючи двоокис Si02, з галогенами - фторид SiF4 (при т-рі вище 300 К), хлорид SiCl4 (при т-рі вище 500 К), бромід SiBr4 (при т-рі 700 К) та нодид SiI4 (при т-рі 1000 К). Інтенсивно реагує зі мн. металами, утворюючи тверді розчини заміщення у них чи хім. з'єднання – силіциди. Концентраційні області гомогенності твердих розчинів залежать від природи розчинника (напр., у германії від 0 до 100%, у залозі до 15%, в альфа-цирконії менше 0,1%).

Металів та неметалів у твердому кремні значно менше і зазвичай ретроградна. При цьому граничні вмісту домішок, що створюють у К. неглибокі рівні, досягають максимуму (2 · 10 18 , 10 19 , 2 · 10 19 , 1021, 2 · 10 21 см) області т-рвід 1400 до 1600 К. Домішки з глибокими рівнями відрізняються помітно меншою розчинністю (від 1015 для селену та 5 · 10 16 для заліза до 7 · 10 17 для нікелю та 10 18 см-3 для міді). У рідкому стані кремній необмежено поєднується з усіма металами, часто з дуже великим виділенням тепла. Чистий кремній готують з технічного продукту 99% Si і - 0,03% Fe, Аl і С), що отримується відновленням кварцу вуглецем в електропечах. Спочатку з нього відмивають к-тами (сумішкою соляної та сірчаної, а потім фтористоводневої та сірчаної) домішки, після чого отриманий продукт (99,98%) обробляють хлором. Синтезовані очищають дистиляцією.

Напівпровідниковий кремній отримують відновленням хлориду SiCl4 (або SiHCl3) воднем або термічним розкладанням SiH4 гідриду. Остаточне очищення та вирощування монокристалів здійснюють безтигельною зонною плавною або за методом Чохральського, отримуючи особливо чисті зливки (вміст домішок до 1010-1013 см-3) ср > 10 3 ом · див. Залежно від призначення К. у процесі приготування хлоридів монокристалів у яких вводять дозовані кількості необхідних домішок. Так готують циліндричні зливки діаметром 2-4 і довжиною 3-10 см. Для спец. цілей випускають і більші монокристали. Технічний кремній і особливо його із залізом використовують як розкислювачі сталі та відновників, а також легуючих присадок. Особливо чисті зразки монокристалічного К., легованого різними елементами, знаходять застосування як основу різноманітних слаботочних (зокрема, термоелектричних, радіо-, світло- та фототехнічних) і сильноточних (випрямлячі, перетворювачі) пристроїв.

Силіцій чи кремній

Кремній відноситься до неметалів, його атоми на зовнішньому енергетичному рівні мають 4 електрони. Він може віддавати їх, виявляючи ступінь окиснення + 4 і приєднувати електрони, виявляючи ступінь окиснення - 4 . Однак здатність приєднувати електрони у кремнію значно менша, ніж у вуглецю. Атоми кремнію мають більший радіус, ніж атоми вуглецю.

Знаходження кремнію у природі

Кремній дуже поширений у природі. на її частку припадає понад 26% маси земної кори. По поширеності він посідає друге місце (після кисню). На відміну від вуглецю C у вільному стані у природі не зустрічається. Він входить до складу різних хімічних сполук, в основному різних модифікацій оксиду кремнію (IV) та солей кремнієвих кислот (силікатів).

Одержання кремнію

У промисловості кремній технічної чистоти (95 - 98%) одержують, відновлюючи SiO 2 коксом в електричних печах при прожарюванні:

SiO 2 + 2C = Si + 2CO

SiO 2 + 2Mg = Si + 2MgO

У такий спосіб отримують аморфний з домішками порошок кремнію бурого кольору. Перекристалізація з розплавлених металів (Zn, Al) його можна перевести в кристалічний стан.

Для напівпровідникової техніки кремній дуже високої чистоти отримують відновленням при 1000°C тетрахлорид кремнію SiCl 4 парами цинку:

SiCl 4 + 2Zn = Si + 2ZnCl 2

та очищаючи його після цього спеціальними методами.

Фізичні та хімічні властивості кремнію

Чистий кристалічний кремній - тендітний і твердий, дряпає. Подібно до алмазу, він має кубічну кристалічну решітку з ковалентним типом зв'язку. Температура його плавлення 1423 °C . За звичайних умов кремній малоактивний елемент, що з'єднується тільки з фтором, але при нагріванні входить у різні хімічні реакції.

Його використовують як цінний матеріал у напівпровідниковій техніці. Порівняно з іншими напівпровідниками він відрізняється значною стійкістю проти дії кислот та здатністю зберігати великий електричний опір до 300°C. Технічний кремній та феросиліцій використовують також у металургії для виробництва жаростійких, кислотостійких та інструментальних сталей, чавунів та багатьох інших сплавів.

З металами кремній утворює хімічні сполуки, які називаються силіцидами, при нагріванні з магнієм утворюється силіцид магнію:

Si + 2Mg = Mg 2 Si

Силициди металів за структурою та властивостями нагадують карбіди, так металоподібні силіциди, так само як і металоподібні карбіди, відрізняються великою твердістю, високою температурою плавлення, гарною електропровідністю.

При прожарюванні суміші піску з коксом в електричних печах утворюється сполуки кремнію з вуглецем - карбід кремнію, або карборунд:

SiO 2 + 3C = SiC + 2CO

Карборунд - тугоплавка безбарвна тверда речовина, цінний абразивним і жаростійким матеріалом. Карборунд, як і , має атомну кристалічну решітку. У чистому стані це ізолятор, але в присутності домішок стає напівпровідником.

Кремній як і , утворює два оксиди: оксид кремнію (II) SiO та оксид кремнію (IV) SiO 2 . Оксид кремнію (IV) - тверда тугоплавка речовина, широко поширена в природі у вільному стані. Це хімічно стійка речовина, що взаємодіє тільки з фтором і газоподібним фтористим воднем або плавиковою кислотою:

SiO 2 + 2F 2 = SiF 4 + O 2

SiO 2 + 4HF = SiF 4 + 2H 2 O

Наведений напрямок реакцій пояснюється тим, що кремній має велику спорідненість до фтору. Крім того, тетрафторид кремнію - летюча речовина.

У техніці прозорий SiO 2 використовують для виготовлення стійкого тугоплавкого кварцового скла, яке добре пропускає ультрофіалетові промені, має великий коефіцієнт розширення, тому витримує значні миттєві зміни температури. Аморфна модифікація оксиду кремнію (II) трепел має велику пористість. Його використовують як тепло та звукоізолятор, для виробництва динаміту (носій вибухового) і так далі. Оксид кремнію (IV) як звичайного піску — одне з основних будівельних матеріалів. Його використовують у виробництві вогнестійких та кислотостійких матеріалів, скла, як флюс у металургії тощо.

Порівнюючи молекулярні формули, хімічні та фізичні властивості оксиду вуглецю (IV) та оксиду кремнію (IV) легко побачити, що властивості цих подібних за хімічним складом сполук різні. Це пояснюється тим, що оксид кремнію (IV) складається не просто з молекул SiO 2 , та якщо з їх асоціатів, у яких атоми кремнію з'єднуються між собою атомами кисню. Оксиду кремнію (IV) (SiO 2 )n. Зображення її на площині таке:

¦ ¦ ¦

O O O

¦ ¦ ¦

¦ ¦ ¦

O O O

¦ ¦ ¦

- O - Si - O - Si - O - Si - O -

¦ ¦ ¦

O O O

¦ ¦ ¦

Атоми кремнію розташовані в центрі тетраедра, а атоми кисню по кутах його. Зв'язки Si - O дуже міцні, цим пояснюється велика твердість оксиду кремнію (IV).

За хімічними властивостями оксид кремнію (ІV) є кислотним оксидом. Безпосередньо з водою він не реагує, тому кремнієву кислоту можна одержувати лише непрямим способом, діючи на солі кремнієвої кислоти соляною чи сірчаною кислотами.

Розташовується у головній підгрупі IV групи, у період. Це аналог вуглецю. Електронна конфігурація електронних шарів атома кремнію ls 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 . Будова зовнішнього електронного шару

Структура зовнішнього електронного шару аналогічна до структури атома вуглецю.

Зустрічається у вигляді двох алотропних видозмін - аморфного та кристалічного.
Аморфний - порошок бурого кольору, що має дещо більшу хімічну активність, ніж кристалічний. При звичайній температурі реагує із фтором:
Si + 2F2 = SiF4 при 400 ° - з киснем
Si + O2 = SiO2
у розплавах - з металами:
2Mg + Si = Mg2Si

Кремній це

Кристалічний кремній - тверда крихка речовина з металевим блиском. Він має хорошу тепло- та електропровідність, легко розчиняється в розплавлених металах, утворюючи . Сплав кремнію з алюмінієм називається силуміном, сплав кремнію із залізом – феросиліцієм. Щільність кремнію 2,4. Температура плавлення 1415 °, температура кипіння 2360 °. Кристалічний кремній - речовина досить інертна і в хімічні реакції насилу вступає. З кислотами, незважаючи на добре помітні металеві властивості, кремній не реагує, а зі лугами вступає в реакцію, утворюючи солі кремнієвої кислоти та :
Si + 2КОН + Н2О = K2SiO2 + 2H2

■ 36. У чому подібність і у чому відмінність електронних структур атомів кремнію та вуглецю?
37. Як пояснити з погляду електронної структури атома кремнію, чому металеві властивості є більш характерними для кремнію, ніж для вуглецю?
38. Перерахуйте Хімічні властивостікремнію.

Кремній у природі. Двоокис кремнію

У природі кремній дуже поширений. Приблизно 25% земної кори посідає кремній. Значна частина природного кремнію представлена ​​двоокисом кремнію SiO2. У дуже чистому кристалічному стані двоокис кремнію зустрічається у вигляді мінералу, що називається гірським кришталем. Двоокис кремнію та двоокис вуглецю за хімічним складом є аналогами, проте двоокис вуглецю - це газ, а двоокис кремнію - тверда речовина. На відміну від молекулярної кристалічної решітки СO2 двоокис кремнію SiO2 кристалізується у вигляді атомної кристалічної решітки, кожна осередок якої є тетраедр з атомом кремнію в центрі і атомами кисню по кутах. Це тим, що атом кремнію має більший радіус, ніж атом вуглецю, і навколо нього можуть розміститися не 2, а 4 кисневих атома. Відмінністю в будові кристалічних ґрат пояснюється відмінність властивостей цих речовин. На рис. 69 показані зовнішній виглядкристала природного кварцу, що складається з чистого двоокису кремнію, та її структурна формула.

Рис. 60. Структурна формула двоокису кремнію (а) та кристали природного кварцу (б)

Кристалічний двоокис кремнію найчастіше зустрічається у вигляді піску, який має білий колір, якщо не забруднений глинистими домішками жовтого кольору. Крім піску, двоокис кремнію часто зустрічається у вигляді дуже твердого мінералу - кремнію (гідратований двоокис кремнію). Кристалічний двоокис кремнію, забарвлена ​​в різні домішки, утворює дорогоцінне і напівдорогоцінне каміння - агат, аметист, яшму. Майже чистий двоокис кремнію зустрічається також у вигляді кварцу та кварциту. Вільного двоокису кремнію у земній корі 12%, у складі різних гірських порід – близько 43%. Загалом понад 50% земної кори складається з двоокису кремнію.
Кремній входить до складу різних гірських порід і мінералів - глини, гранітів, сієнітів, слюд, польових шпатів та ін.

Тверда двоокис вуглецю, не плавлячись, виганяється при -78,5 °. Температура плавлення двоокису кремнію близько 1.713°. Вона дуже тугоплавка. Щільність 2,65. Коефіцієнт розширення двоокису кремнію дуже малий. Це має дуже велике значенняпри застосуванні посуду із кварцового скла. У воді двоокис кремнію не розчиняється і з нею не реагує, незважаючи на те, що це кислотний оксид і йому відповідає кремнієва кислота H2SiO3. Двоокис вуглецю у воді, як відомо, розчинний. З кислотами, крім плавикової кислоти HF, двоокис кремнію не реагує, із лугами дає солі.

Рис. 69. Структурна формула двоокису кремнію (а) та кристали природного кварцу (б).
При розжарюванні двоокису кремнію з вугіллям відбувається відновлення кремнію, а потім його з'єднання з вуглецем і утворення карборунду за рівнянням:
SiO2 + 2С = SiC + СО2. Карборунд має високу твердість, до кислот стійкий, а лугами руйнується.

■ 39. За якими властивостями двоокису кремнію можна судити про його кристалічні грати?
40. Яких мінералів двоокис кремнію зустрічається у природі?
41. Що таке карборунд?

Кремнієва кислота. Силікати

Кремнієва кислота H2SiO3 є кислотою дуже слабкою та малостійкою. При нагріванні вона поступово розкладається на воду і двоокис кремнію:
H2SiO3 = H2O + SiO2

У воді кремнієва кислота практично нерозчинна, але може легко давати.
Кремнієва кислота утворює солі, які називаються силікатами. широко зустрічаються у природі. Природні – це досить складні. Склад їх зазвичай зображується як з'єднання кількох оксидів. Якщо до складу природних силікатів входить оксид алюмінію, вони називаються алюмосилікатами. Такі біла глина, (каолін) Al2O3 · 2SiO2 · 2H2O, польовий шпат К2O · Al2O3 · 6SiO2, слюда
К2O · Al2O3 · 6SiO2 · 2Н2O. Багато природних у чистому вигляді є дорогоцінним камінням, Наприклад аквамарин, смарагд та ін.
Зі штучних силікатів слід відзначити силікат натрію Na2SiO3 - один з небагатьох розчинних у воді силікатів. Його називають розчинним склом, а розчин – рідким склом.

Силікати широко застосовують у техніці. Розчинним склом просочують тканини та деревину для запобігання їх від займання. Рідке входить до складу вогнетривких замазок для склеювання скла, фарфору, каменю. Силікати є основою у виробництві скла, фарфору, фаянсу, цементу, бетону, цегли та різних керамічних виробів. У розчині силікати легко гідролізуються.

■ 42. Що таке? Чим вони відрізняються від силікатів?
43. Що таке рідке і для яких цілей воно застосовується?

Скло

Сировиною для скла є сода Na2CO3, вапняк СаСO3 і пісок SiO2. Всі складові скляної шихти ретельно очищають, змішують і сплавляють при температурі близько 1400°. У процесі сплавлення протікають наступні реакції:
Na2CO3 + SiO2 = Na2SiO3 + CO2

CaCO3 + SiO2 = CaSiO 3+ CO2
Фактично до складу скла входять силікати натрію та кальцію, а також надлишок SO2, тому склад звичайного шибки: Na2O · CaO · 6SiO2. Скляну шихту нагрівають при температурі 1500° доти, доки повністю не вийде двоокис вуглецю. Потім охолоджують до температури 1200°, коли він стає в'язким. Як будь-яка аморфна речовина, скло розм'якшується і твердне поступово, тому воно є хорошим пластичним матеріалом. В'язку скляну масу пропускають через щілину, внаслідок чого утворюється скляний лист. Гарячий скляний лист витягують валками, доводячи до певних розмірів та поступово охолоджуючи струмом повітря. Потім обрізають по краях і розрізають на листи певного формату.

■ 44. Наведіть рівняння реакцій, що протікають при отриманні скла, та склад шибки.

Скло- речовина аморфна, прозора, у воді практично нерозчинна, але якщо подрібнити її в дрібний пил і змішати з невеликою кількістю води, в отриманій суміші за допомогою фенолфталеїну можна виявити луг. При тривалому зберіганні лугів у скляному посуді надлишок SiO2 у склі дуже повільно реагує зі лугом і скло поступово втрачає прозорість.
Скло стало відоме людям більш ніж за 3000 років до нашої ери. У давнину отримували шибки майже такого ж складу, як і в даний час, але древні майстри керувалися лише власною інтуїцією. У 1750 р. М. В. зумів розробити наукові засадиотримання скла. За 4 роки М. В. зібрав багато рецептів виготовлення різних шибок, особливо кольорових. На побудованій ним скляній фабриці було виготовлено велику кількість зразків скла, що збереглися до наших днів. В даний час використовуються стекла різного складу, що володіють різними властивостями.

Кварцове скло складається з майже чистого двоокису кремнію та виплавляється з гірського кришталю. Його дуже важливою особливістю є те, що коефіцієнт розширення у нього незначний, майже в 15 разів менше, ніж у звичайного скла. Посуд з такого скла можна розжарити до червоного полум'я пальника і після цього опустити в холодну воду; при цьому жодних змін зі склом не станеться. Кварцове скло не затримує ультрафіолетових променів, а якщо пофарбувати його нікелевими солями в чорний колір, воно затримуватиме всі видимі промені спектру, але для ультрафіолетових променів залишиться прозорим.
На кварцове скло не діють кислоти, але луги його помітно роз'їдають. Кварцове скло більш тендітне, ніж звичайне. Лабораторне скло містить близько 70% SiО2, 9% Na2О, 5% К2О 8% СаО, 5% Аl2O3, 3% В2O3 (склад скла наводиться не для запам'ятовування).

У промисловості знаходять застосування скла ієнське та пірекс. Ієнське скло містить близько 65% Si02, 15% В2O3, 12% ВаО, 4% ZnO, 4% Аl2O3. Воно міцне, стійке до механічних впливів, має малий коефіцієнт розширення, стійке до лугів.
Скло пірекс містить 81% SiO2, 12% В2O3, 4% Na2O, 2% Аl2O3, 0,5% As2O3, 0,2% К2O, 0,3% СаО. Воно має такі ж властивості, як ієнське скло, але ще більшою мірою, особливо після загартування, зате менш стійке до лугів. Зі скла пірекс виготовляють предмети домашнього побуту, що піддаються нагріванню, а також деталі деяких промислових установок, що працюють при низьких і високих температурах.

Різні якості склу надають деякі добавки. Наприклад, домішки оксидів ванадію дають скло, що повністю затримує ультрафіолетові промені.
Отримують також скло, пофарбоване в різні кольори. Ще М. Ст виготовив кілька тисяч зразків кольорового скла різного забарвлення та відтінків для своїх мозаїчних картин. В даний час методи фарбування скла детально розроблені. З'єднання марганцю забарвлюють скло у фіолетовий колір, кобальту – у синій. , розпорошене в масі скла у вигляді колоїдних частинок, надає йому рубінового забарвлення і т. д. Свинцеві з'єднання надають склу блиск, подібний до блиску гірського кришталю, тому воно називається кришталевим. Таке скло легко піддається обробці, ограновуванні. Вироби з нього дуже гарно заломлюють світло. При фарбуванні цього скла різними добавками утворюється кольорове кришталеве скло.

Якщо розплавлене скло змішати з речовинами, які при розкладанні утворюють велику кількість газів, то останні, виділяючись, спінюють скло, утворюючи піноскло. Таке скло дуже легке, добре обробляється, є чудовим електро- та теплоізолятором. Воно було вперше отримано проф. І. І. Китайгородським.
Витягуючи зі скла нитки, можна отримати так зване скловолокно. Якщо просочити укладене шарами скловолокно синтетичними смолами, то виходить дуже міцний, не піддається гниття, будівельний матеріал, що прекрасно обробляється, так званий склотекстоліт. Цікаво, що чим тонше скловолокно, тим вища його міцність. Скловолокно також застосовується для виготовлення спецодягу.
Скляна вата є цінним матеріалом, через який можна фільтрувати сильні кислоти та луги, що не фільтруються через папір. Крім того, скляна вата є гарною теплоізолюючою речовиною.

■ 44. Від чого залежать властивості стекол різних видів?

Кераміка

З алюмосилікатів особливо важлива біла глина - каолін, що є основою для одержання порцеляни та фаянсу. Виробництво фарфору – надзвичайно давня галузь господарства. Батьківщина фарфору – Китай. У Росії фарфор був отриманий вперше у XVIII ст. Д, І. Виноградовим.
Сировиною для отримання порцеляни та фаянсу, крім каоліну, служать пісок і . Суміш каоліну, піску та води піддають ретельному тонкому розмелу в кульових млинах, потім відфільтровують надлишок води і добре вимішану пластичну масу направляють на формування виробів. Після формування виробу піддають сушінню та випалюванню в тунельних печах безперервної дії, де їх спочатку розігрівають, потім обпалюють і, нарешті, охолоджують. Після цього вироби проходять подальшу обробку – покриття глазур'ю, нанесення малюнка керамічними фарбами. Після кожної стадії виробу випалюють. В результаті фарфор виходить білим, гладким і блискучим. У тонких шарах він просвічує. Фаянс пористий і не просвічує.

З червоної глини формують цеглу, черепицю, глиняний посуд, керамічні кільця для насадки в поглинальних та промивних вежах різних. хімічних виробництв, квіткові горщики. Їх також обпалюють, щоб вони не розм'якшали водою, стали механічно міцними.

Цемент. Бетон

З'єднання кремнію є основою для отримання цементу - в'яжучого матеріалу, незамінного в будівництві. Сировиною для одержання цементу є глина та вапняк. Цю суміш обпалюють у величезній похилій трубчастій печі, що обертається, куди безперервно завантажують сировину. Після випалу при 1200-1300 ° з отвору, розташованого на іншому кінці печі, безперервно виходить спеклася маса - клінкер. Після розмелювання клінкер перетворюється на . До складу цементу входять переважно силікати. Якщо змішати з водою до утворення густої кашки, а потім залишити на деякий час на повітрі, то вступить у реакцію з речовинами цементу, утворюючи кристалогідрати та інші тверді сполуки, що призводить до затвердіння цементу. Такий

Другий за поширеністю елемент у земній корі після кисню (27,6% за масою). Зустрічається у з'єднаннях.

Алотропія кремнію

Відомий аморфний та кристалічний кремній.

Кристалічний – темно-сіра речовина з металевим блиском, велика твердість, крихкий, напівпровідник; ρ = 2,33 г/см 3 t°пл. =1415°C; t°кип. = 2680°C.

Має алмазоподібну структуру та утворює міцні ковалентні зв'язки. Інертен.

Аморфний — бурий порошок, гігроскопічний, алмазоподібна структура, ρ = 2 г/см 3 більш реакційноздатний.

Одержання кремнію

1) Промисловість - Нагрівання вугілля з піском:

2C + SiO 2 t ˚ → Si + 2CO

2) Лабораторія - Нагрівання піску з магнієм:

2Mg + SiO 2 t ˚ → Si + 2MgO

Хімічні властивості

Типовий неметал, інертний.

Як відновник:

1) З киснем

Si 0 + O 2 t ˚ → Si +4 O 2

2) З фтором (без нагрівання)

Si 0 + 2F 2 → SiF 4

3) З вуглецем

Si 0 + Ct → Si +4 C

(SiC - карборунд - твердий; використовується для точки та шліфування)

4) З воднем не взаємодіє.

Силан (SiH 4) отримують розкладанням силіцидів металів кислотою:

Mg 2 Si + 2H 2 SO 4 → SiH 4 + 2MgSO 4

5) З кислотами не реагує (Только з плавиковою кислотою Si+4 HF= SiF 4 +2 H 2 )

Розчиняється тільки в суміші азотної та плавикової кислот:

3Si + 4HNO 3 + 18HF → 3H 2 + 4NO + 8H 2 O

6) З лугами (при нагріванні):

Si 0 + 2NaOH + H 2 O t ˚ → Na 2 Si +4 O 3 + 2H 2­

Як окислювач:

7) З металами (утворюються силіциди):

Si 0 + 2Mg t ˚ → Mg 2 Si -4

Застосування кремнію

Кремній широко використовується в електроніці як напівпровідник. Добавки кремнію до сплавів підвищують їхню корозійну стійкість. Силікати, алюмосилікати та кремнезем – основна сировина для виробництва скла та кераміки, а також для будівельної промисловості.

Силан - SiH 4

Фізичні властивості: Безбарвний газ, отруйний, t°пл. = -185 ° C, t ° кип. = -112°C.

Отримання: Mg 2 Si + 4HCl → 2MgCl 2 + SiH 4

Хімічні властивості:

1) Окислення: SiH 4 + 2O 2 t ˚ → SiO 2 + 2H 2 O

2) Розкладання: SiH 4 → Si + 2H 2

Оксид кремнію (IV) - (SiO 2) n

SiO 2 - кварц, гірський кришталь, аметист, агат, яшма, опал, кремнезем (основна частина піску):

Кристалічна решітка оксиду кремнію (IV) – атомна і має таку будову:

Al 2 O 3 2SiO 2 2H 2 O - каолініт (основна частина глини)

K 2 O Al 2 O 3 6SiO 2 - ортоклаз (польовий шпат)

Фізичні властивості: Тверда, кристалічна, тугоплавка речовина, t°пл.= 1728°C, t°кип.= 2590°C

Хімічні властивості:

Кислотний оксид. При сплавленні взаємодіє з основними оксидами, лугами, а також з карбонатами лужних та лужноземельних металів:

1) З основними оксидами:

SiO 2 + CaO t ˚ → CaSiO 3

2) З лугами:

SiO 2 + 2NaOH t ˚ → Na 2 SiO 3 + H 2 O

3) З водою не реагує

4) З солями:

SiO 2 + CaCO 3 t˚ → CaSiO 3 + CO 2­

SiO 2 + K 2 CO 3 t˚ → K 2 SiO 3 + CO 2­

5) З плавиковою кислотою:

SiO 2 + 4HF t ˚ → SiF 4 + 2H 2 O

SiO 2 + 6HF t ˚ → H 2 (гексафторкремнієва кислота)+ 2H 2 O

(Реакції лежать в основі процесу травлення скла).

Застосування:

1. Виготовлення силікатної цегли

2. Виготовлення керамічних виробів

3. Отримання скла

Кремнієві кислоти

x SiO 2 y H 2 O

x = 1, y = 1 H 2 SiO 3 - метакремнієва кислота

x = 1, y = 2 H 4 SiO 4 - ортокремнієва кислота і т.д.

Фізичні властивості: H 2 SiO 3 — дуже слабка (слабша за вугільну), неміцна, у воді малорозчинна (утворює колоїдний розчин), не має кислого смаку.

Отримання:

Дія сильних кислот на силікати - Na 2 SiO 3 + 2HCl → 2NaCl + H 2 SiO 3 ↓

Хімічні властивості:

При нагріванні розкладається: H 2 SiO 3 t ˚ → H 2 O + SiO 2

Солі кремнієвої кислоти силікати.

1) із кислотами

Na 2 SiO 3 +H 2 O+CO 2 =Na 2 CO 3 +H 2 SiO 3

2) із солями

Na 2 SiO 3 +CaCl 2 =2NaCl+CaSiO 3 ↓

3) Силікати, що входять до складу мінералів, у природних умовах руйнуються під дією води та оксиду вуглецю (IV) - вивітрювання гірських порід:

(K 2 O Al 2 O 3 6SiO 2)(польовий шпат) + CO 2 + 2H 2 O → (Al 2 O 3 2SiO 2 2H 2 O)(каолініт (глина)) + 4SiO 2 (кремнезем (пісок)) + K 2 CO 3

Процесор? Пісок? А які у вас із цим словом асоціації? А може Кремнієва долина?
Як би там не було, з кремнієм ми стикаємося кожен день і якщо вам цікаво дізнатися, що таке Si і з чим його їдять, прошу під кат.

Вступ

Будучи студентом одного з московських вузів, зі спеціальністю «Наноматеріали», я хотів познайомити тебе, дорогий читачу, з найважливішими хімічними елементами нашої планети. Я довго вибирав з чого почати, вуглець або кремній, і все-таки вирішив зупинитися саме на Si, тому що серце будь-якого сучасного гаджета засноване саме на ньому, якщо можна так сказати звичайно. Викладати думки постараюсь гранично просто і доступно, написавши цей матеріал я розраховував, в основному на новачків, але і більш просунуті люди зможуть почерпнути щось цікаве, так само хотілося б сказати, що стаття написана виключно для розширення інтересів, що зацікавилися. І так приступимо.

Silicium

Кремній (лат. Silicium), Si, хімічний елемент IV групи періодичної системи Менделєєва; атомний номер 14 атомна маса 28,086.
У природі елемент представлений трьома стабільними ізотопами: 28Si (92,27%), 29Si (4,68%) та 30Si (3,05%).
Щільність (при н.у.) 2,33 г/см?
Температура плавлення 1688 К


Порошковий Si

Історична довідка

Сполуки Кремнія, поширені землі, були відомі людині з кам'яного віку. Використання кам'яних знарядь праці та полювання тривало кілька тисячоліть. Застосування сполук Кремнію, пов'язане з їх переробкою, – виготовлення скла – почалося близько 3000 років до н. е. (у Стародавньому Єгипті). Раніше відоме з'єднання Кремнію - оксид SiO2 (кремнезем). У 18 столітті кремнезем вважали простим тілом і відносили до «землям» (що й відбито у його назві). Складність складу кремнезему встановив І. Я. Берцеліус. Він же вперше, в 1825, отримав елементарний кремній із фтористого кремнію SiF4, відновлюючи останній металевим калієм. Новому елементу було названо «силіцій» (від лат. silex - кремінь). Російську назву ввів Г. І. Гесс у 1834 році.

Кремній дуже поширений у природі у складі звичайного піску

Поширення Кремнію у природі

За поширеністю в земній корі Кремній – другий (після кисню) елемент, його середній вміст у літосфері 29,5% (за масою). У земній корі Кремній грає таку ж першорядну роль, як вуглець у тварині та рослинному світі. Для геохімії Кремнію важливий виключно міцний зв'язок його з киснем. Близько 12% літосфери становить кремнезем SiO2 у вигляді мінералу кварцу та її різновидів. 75% літосфери складають різні силікати та алюмосилікати (польові шпати, слюди, амфіболи тощо). Загальне числомінералів, що містять кремнезем, перевищує 400.

Фізичні властивості Кремнію

Думаю тут зупинятися особливо не варто, всі фізичні властивості є у вільному доступі, а я перелічу найголовніші.
Температура кипіння 2600 °С
Кремній прозорий для довгохвильових ІЧ-променів
Діелектрична проникність 11,7
Твердість Кремнію за Моосом 7,0
Хотілося б сказати, що кремній крихкий матеріал, помітна пластична деформація починається за температури вище 800°С.
Кремній – напівпровідник, саме тому він знаходитиме велике застосування. Електричні властивості кремнію дуже залежать від домішок.

Хімічні властивості Кремнію

Тут багато, звичайно, можна сказати, але зупинюся на найцікавішому. У сполуках Si (аналогічно вуглецю) 4-валентний.
На повітрі кремній завдяки утворенню оксидної захисної плівки стійкий навіть при підвищених температурах. У кисні окислюється починаючи з 400 °С, утворюючи оксид кремнію (IV) SiO2.
Кремній стійкий до кислот і розчиняється лише у суміші азотної та фтористоводневої кислот, легко розчиняється у гарячих розчинах лугів із виділенням водню.
Кремній утворює 2 групи кисневмісних силанів - силоксани та силоксени. З азотом Кремній реагує при температурі вище 1000 °С. його цінним матеріалом для хімічної промисловості, а також для виробництва вогнетривів. Високою твердістю, а також термічною та хімічною стійкістю відрізняються сполуки Кремнію з вуглецем (карбід кремнію SiC) та з бором (SiB3, SiB6, SiB12).

Отримання Кремнію

Я думаю це найцікавіша частина, тут зупинимося докладніше.
Залежно від призначення розрізняють:
1. Кремній електронної якості(т. н. «електронний кремній») - найбільш якісний кремній із вмістом кремнію понад 99,999 % за вагою, питомий електричний опір кремнію електронної якості може перебувати в інтервалі приблизно від 0,001 до 150 Ом см, але при цьому величина опору має бути забезпечена виключно заданою домішкою тобто попадання в кристал інших домішок, хоча б і забезпечують заданий питомий електричний опір, як правило, неприпустимо.
2. Кремній сонячної якості(т.з. «сонячний кремній») - кремній із вмістом кремнію понад 99,99% за вагою, що використовується для виробництва фотоелектричних перетворювачів (сонячних батарей).


3. Технічний кремній- блоки кремнію полікристалічної структури, одержаного методом карботермічного відновлення із чистого кварцового піску; містить 98% кремнію, основна домішка - вуглець, відрізняється високим вмістом легуючих елементів - бору, фосфору, алюмінію; в основному використовується для одержання полікристалічного кремнію.

Кремній технічної чистоти (95-98%) одержують у електричній дузі відновленням кремнезему SiO2 між графітовими електродами. У зв'язку з розвитком напівпровідникової техніки розроблено методи одержання чистого та особливо чистого кремнію. Це вимагає попереднього синтезу чистих вихідних сполук кремнію, з яких витягають кремній шляхом відновлення або термічного розкладання.
Полікристалічний кремній («полікремний») - найбільш чиста форма кремнію, що виробляється промислово, - напівфабрикат, що отримується очищенням технічного кремнію хлоридними і фторидними методами і використовується для виробництва моно- і мультикристалічного кремнію.
Традиційно полікристалічний кремній отримують з технічного кремнію шляхом переведення його в леткі силани (моносилан, хлорсилани, фторсилани) з подальшим поділом силанів, що утворюються, ректифікаційним очищенням обраного силану і відновленням силану до металевого кремнію.
Чистий напівпровідниковий кремній одержують у двох видах: полікристалічний(відновленням SiCl4 або SiHCl3 цинком або воднем, термічним розкладанням SiI4 та SiH4) та монокристалічний(Бестигельною зонною плавкою та «витягуванням» монокристалу з розплавленого кремнію - метод Чохральського).

Тут можна побачити процес вирощування кремнію методом Чохральського.

Метод Чохральського- метод вирощування кристалів шляхом витягування їх вгору від вільної поверхні великого обсягу розплаву з ініціацією початку кристалізації шляхом приведення затравочного кристала (або кількох кристалів) заданої структури та кристалографічної орієнтації в контакт із вільною поверхнею розплаву.

Застосування Кремнію

Спеціально легований кремній широко застосовується як матеріал для виготовлення напівпровідникових приладів (транзистори, термістори, силові випрямлячі струму, тиристори; сонячні фотоелементи, що використовуються в космічних кораблях, а також багато всякої всячини).
Оскільки кремній прозорий для променів із довжиною хвилі від 1 до 9 мкм, його застосовують в інфрачервоній оптиці.
Кремній має різноманітні і всі області застосування, що розширюються. У металургії Si
використовується видалення розчиненого в розплавлених металах кисню (розкислення).
Кремній є складовоювеликої кількості сплавів заліза та кольорових металів.
Зазвичай Кремній надає сплавам підвищеної стійкості до корозії, покращує їх ливарні властивості та підвищує механічну міцність; проте при більшому його змісті Кремній може викликати крихкість.
Найбільше значення мають залізні, мідні та алюмінієві сплави, що містять ремінний.
Кремнезем переробляються скляною, цементною, керамічною, електротехнічною та іншими галузями промисловості.
Надчистий кремній переважно використовується для виробництва одиночних електронних приладів (наприклад, процесор твого комп'ютера) та однокристальних мікросхем.
Чистий кремній, відходи надчистого кремнію, очищений металургійний кремній як кристалічного кремнію є основним сировинним матеріалом для сонячної енергетики.
Монокристалічний кремній - крім електроніки та сонячної енергетики використовується для виготовлення дзеркал газових лазерів.

Надчистий кремній та продукт його виробництва

Кремній в організмі

Кремній в організмі знаходиться у вигляді різних з'єднань, що беруть участь головним чином у освіті твердих скелетних частин і тканин. Особливо багато кремнію можуть накопичувати деякі морські рослини (наприклад, діатомові водорості) та тварини (наприклад, кремнерогові губки, радіолярії), що утворюють при відмиранні на дні океану потужні відкладення оксиду кремнію (IV). У холодних морях і озерах переважають біогенні мули, збагачені кремнієм, у тропічних морях - вапняні мули низьким змістомкремнію. Серед наземних рослин багато кремнію накопичують злаки, осоки, пальми, хвощі. У хребетних тварин вміст оксиду кремнію (IV) у зольних речовин 0,1-0,5%. У найбільших кількостях кремній виявлений у щільній сполучній тканині, нирках, підшлунковій залозі. У добовому раціоні людини міститься до 1 г кремнію. При високому вмісті в повітрі пилу оксиду кремнію (IV) вона потрапляє у легені людини та викликає захворювання – силікоз.

Висновок

Ну от і все, якщо ви дочитали до кінця і трохи вникли, то ви на крок ближче до успіху. Сподіваюся, писав я не дарма і піст сподобався хоч комусь. Спасибі за увагу.