Химическая характеристика кремния. Кремний и его соединения
Кремний получают восстановлением его оксида избытком магния при нагревании:
Из двух аллотропных модификаций кремния - кристаллической и аморфной - химически более активным является аморфный кремний. Он реагирует с кислородом при нагревании, образуя
а также со всеми галогенами, например:
При высокой температуре кремний соединяется с углеродом, образуя карборунд - вещество, по твердости близкое к алмазу:
В реакциях с активными металлами, протекающих с образованием силицидов, кремний выступает в роли окислителя:
При действии на силициды соляной кислоты получают простейшее водородное соединение кремния силан
Оксид кремния и кремниевые кислоты.
Оксид кремния - твердое, очень тугоплавкое вещество (температура плавления , широко распространенное в природе. Он встречается в виде двух модификаций - кристаллического и аморфного кварца. является ангидридом ряда кремниевых кислот, состав которых можно выразить общей формулой где х и у - целые числа:
1) , т.е. - метакремниевая кислота;
2) , т.е. - ортокремаиевая кислота;
3) , т.е. - двуметакремниевая кислота.
Кремниевые кислоты, в молекулах которых содержится больше одной молекулы относятся к поликремниевым. Самой простой кремниевой кислотой является которую часто называют просто кремниевая кислота.
Все кремниевые кислоты очень слабые (слабее угольной). Соли всех кремниевых кислот называют силикатами, хотя, как правило, в учебной литературе под силикатами подразумевают соли метакремниевой кислоты. При стоянии на воздухе растворы силикатов мутнеют, так как находящийся в воздухе оксид углерода (IV) вытесняет кремниевую кислоту из ее солей:
Кремниевая кислота практически нерастворима в воде - это свойство используют как качественную реакцию на ион .
Силикаты получают сплавлением оксида кремния с щелочами или карбонатами:
Наиболее широко используются силикаты натрия и калия. Концентрированные растворы этих солей называют жидким стеклом; они имеют сильнощелочную реакцию вследствие гидролиза. Жидкое стекло используют при изготовлении клея и водонепроницаемых тканей.
- характеристика элемента кремния: электронное строение, возможные степени окисления, основные соединения: оксид, гидроксид. Аморфный и кристаллический кремний.
Кремний – элемент 3-го периода и IVA-группы Периодической системы, порядковый номер 14. Электронная формула атома 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 = [ 10 Ne]3s 2 3p 2 . Характерная степень окисления в соединениях +IV.
Шкала степеней окисления кремния:
Электроотрицательность кремния невысока для неметаллов (2,25). Проявляет неметаллические (кислотные) свойства; образует оксиды, кремниевые кислоты, очень большое число солей – силикатов в виде цепей, лент и трехмерных сеток тетраэдров , бинарные соединения. В настоящее время широко развивается химия органических соединений кремния со связями Si – С и кремнийорганических полимеров – силиконов и силиконовых каучуков со связями Si – Si, Si – О и Si – С.
Важнейший элемент неживой природы, второй по химической распространенности. Встречается только в связанном виде. Жизненно важный элемент для многих организмов.
Кремний Si – Простое вещество. Крупнокристаллический – темно-серый, с металлическим блеском, весьма твердый, очень хрупкий, непрозрачный, тугоплавкий, распространенный полупроводник. Кристаллическая решетка – атомная, связи Si – Si очень прочные. Аморфный – белый или желто-коричневый (с примесями, в основном Fe), химически более активен. Устойчив на воздухе (покрыт прочной оксидной пленкой), не реагирует с водой. Реагирует с HF (конц.), щелочами. Окисляется кислородом, хлором. Восстанавливается магнием. Спекается с графитом. Промышленно важным является сплав с железом – ферросилиций (12–90 % Si). Применяется как легирующая добавка в стали и сплавы цветных металлов, компонент полупроводниковых материалов для микроэлектроники, основа силиконов.
Уравнения важнейших реакций:
Получение в промышленности: восстановление SiCl 4 или SiO 2 при прокаливании:
SiCl 4 + 2Zn = Si + 2ZnCl 2
SiO 2 + 2Mg = Si + 2MgO
(последняя реакция может быть осуществлена и в лаборатории, после обработки соляной кислотой остается аморфный кремний).
Диоксид кремния SiO 2 – Кислотный оксид. Белый порошок (кварцевый песок) и прозрачные кристаллы, природный продукт окрашен примесями (кремнезём) – в виде обычного песка и камня(кремень). Кристаллическая решетка атомная, каждый атом кремния окружен четырьмя атомами кислорода , а каждый атом кислорода – двумя атомами кремния . Имеет несколько кристаллических модификаций (все минералы), важнейшие - кварц, тридимити кристобалит, редко встречающиеся и искусственно полученные - китит, коэсит, стишовит, меланофлогит, волокнистый кремнезём.Тугоплавкий , при медленном охлаждении расплава образуется аморфная форма – кварцевое стекло (в природе минерал лешательеит). Наиболее химически активна аморфная форма.
Практически не реагирует с водой (из раствора осаждается гидрат SiO 2 nН 2 O), распространенными кислотами. Кварцевое стекло разъедается в HF (конц.). Реагирует со щелочами в растворе (образуетортосиликаты) и при сплавлении (продукты - метасиликаты). Легко хлорируется в присутствии кокса. Восстанавливается коксом, магнием, железом (в доменном процессе).
Применяется как промышленное сырье в производстве кремния, обычного, термо– и химически стойкого стекла,
фарфора, керамики, абразивов и адсорбентов, наполнитель резины, смазок, клеев и красок, компонент строительных связующих растворов, в виде монокристаллов кварца – основа генераторов ультразвука и точного хода кварцевых часов. Разновидности кварца (горный хрусталь, розовый кварц, аметист, дымчатый кварц, халцедон, оникси др.) – драгоценные, полудрагоценные или поделочные камни.
Уравнения важнейших реакций:
Полигидрат диоксида кремнияSiO 2 nH 2 O – Кремниевые кислоты с переменным содержанием SiO 2 и Н 2 O. Белый, аморфный (стекловидный) полимер с цепочечным, ленточным, листовым, сетчатым и каркасным строением. При нагревании постепенно разлагается. Очень мало растворим в воде. Над осадком в растворе существует мономерная слабая ортокремниевая кислота H 4 SiO 4 (тетраэдрическое строение, sр 3 -гибридизация), растворимость 0,00673 г/100 г Н 2 O при 20 °C. При стоянии раствора идет поликонденсация и медленно образуются вначале кремниевые кислоты H 6 Si 2 O 7 , H 2 Si 2 O 5 , H 10 Si 2 O 9 , затем гидрозоль n (золь метакремниевой кислоты) и, наконец, гидрогель SiO 2 nН 2 O (n < 2). При высушивании гидрогель переходит в силикагель SiO 2 nН 2 O (n < 1). Скорость гелеобразования максимальна в слабокислотной среде.
Переводится в раствор действием концентрированных щелочей. По остальным химическим свойствам подобен SiO 2 . В природе – минералы опал и халцедон (агат, яшма). Мономерная метакремниевая кислота H 2 SiO 3 не получена.
Уравнения важнейших реакций:
Получение : вытеснение сильной кислотой из раствора силиката, например:
K 2 SiO 3 + 2НCl + (n – 1) Н 2 O = 2КCl + SiO 2 nН 2 O ↓
Метасиликат натрияNa 2 SiO 3 – Оксосоль. Белый, при нагревании плавится без разложения. Растворяется в холодной воде (сильный гидролиз по аниону). Концентрированный раствор – коллоидный («жидкое стекло», содержит гидрозоль SiO 2 nН 2 O). Разлагается в горячей воде, реагирует с кислотами, щелочами, углекислым газом.
Применяется как компонент шихты в производстве стекла, специальных цементов и бетонов, входит в состав силикатных красок и клея, холодных глазурей, алюмосиликатных катализаторов, при изготовлении бумаги и картона, силикагеля, синтетических цеолитов. Уравнения важнейших реакций:
Получение : сплавление соды с песком
Na 2 SiO 3 + SiO 2 = СO 2 + Na 2 SiO 3 (1150 °C)
Силикаты. Кремний в степени окисления +IV находится, помимо SiO 2 , в весьма многочисленных и часто очень сложных по составу и строению силикат-ионах (так, кроме жетасиликат-иона SiO 3 2- иортосиликат-иона SiO 4 4- известны ионы Si 2 O 7 6- , Si 3 O 9 6- , Si 2 O 10 4- и др.). Для простоты записи все силикаты изображают как содержащие ион SiO 3 2- .
Насыщенный раствор силикатов натрия и калия (вязкое «жидкое стекло») используется как силикатный клей.
Силикаты натрия и кальция входят в состав стекла; его получают сплавлением кварца SiO 2 , известняка СаСO 3 и соды Na 2 CO 3:
Часто состав стекла выражают через оксиды, например, обычное стекло Na 2 O СаО 6SiO 2 .
Среди силикатных минералов отметим глины (алюмосиликаты ), очень чистая глина - каолин Al 2 O 3 2SiO 2 2Н 2 O используется для изготовления фарфора.
Силикаты и алюмосиликаты применяют в промышленности при производстве керамики, цемента, бетона и других строительных материалов.
Тетрахлорид кремнияSiCl 4 . Бинарное соединение. Бесцветная жидкость, обладает широким интервалом жидкого состояния. Молекула имеет тетраэдрическое строение (sр 3 -гибридизация). Термически устойчив. «Дымит» во влажном воздухе. Полностью гидролизуется водой. Разлагается щелочами. Восстанавливается водородом, натрием, цинком. Хлорирует оксид алюминия.
Применяется в производстве особо чистого кремния для полупроводниковой техники.
Уравнения важнейших реакций:
Получение в промышленности – хлорирование кремния или кварцевого песка SiO 2 .
Кристаллический кремний - это основная форма, в которой используется кремний при производстве фотоэлектрических преобразователей и твердотельных электронных приборов методами планарной технологии. Активно развивается использование кремния в виде тонких плёнок (эпитаксиальных слоёв) кристаллической и аморфной структуры на различных подложках.