Строение атома кремния
• Заряд ядра атома +14
• Состав ядра: 14 протонов и 14 нейтронов,14;
• Электронная оболочка: 2е,8е,4е
Электронная формула: +14 Si 2е; 8е;4е
Важнейшие степени окисления: – 4; 0; +4.
Характер элемента – Кремний неметалл. У кремния слабее чем у углерода выражены неметаллические (окислительные) и сильнее – металлические (восстановительные свойства).
Кремний может находиться в 2 -х аллотропных модификациях: аморфный кремний, кристаллический кремний.
Полупроводниковыми свойствами обладает кристаллический кремний высокой степени очистки. В промышленности кремний получают восстановлением SiО2 коксом в электрических печах:
SiO2 + 2C = Si + 2COПолученный кремний содержит 2 - 5% примесей.
Монокристаллический кремний является основным материалом и для изготовления приборов силовой электроники – это мощные диоды, тиристоры, транзисторы, интегральные схемы. Они применяются при передаче электроэнергии на большие расстояния, в энергоёмких производствах, например, в металлургическом и химическом, в системах электропитания. Кремний широко применяется для производства фоточувствительных приборов, фотодиодов им фототранзисторов, разнообразных сенсорных устройств, прецизионных микромеханических систем. Важную роль кремний играет в быстроразвивающейся солнечной энергетике. Более 90% всех солнечных элементов изготавливаются из кристаллического кремния. Перспективным направлением является кремниевая оптоэлектроника. Здесь прежде всего следует отметить светоизлучающие приборы и фотодетекторы, интегрирование в кремниевую технологию.
Химические свойства кремния.
1. Реагирует с простыми веществами – неметаллами
а) с галогенами:
Si +2F2 = SiF4
Si + 2Cl2 = SiCl4
Si + 2Br2 = SiBr4
б) с кислородом (при t°)
Si + O2 = SiO2
2. Взаимодействует со сложными веществами
а) кислотами:
3Si + 12HF + 4HNO3 = 3SiF4 + 4NO + 8H2O
б) щелочами:
Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2H2
3)Проявляет окислительные свойства:
а) с металлами:
Si + 2Mg = Mg2Si
Прямо не соединяется с водородом, SiH4 получают косвенно, действуя на силициды кислотами или разлагая их водой.
Mg2Si +2H2SO4 =2MgSO4 + SiH4
Получение кремния.
Кремний получают как в промышленности, так и лаборатории.
Промышленный способ:
В электрических печах при высокой температуре происходит восстановление кремния из его оксида коксом (углём):
SiO2 + 2C = Si + 2CO
SiO2+ С=Si +CO2
В духовых печах при t =18000C
Лабораторный способ:
В качестве восстановителей используют магний или алюминий:
SiO2 + 2Mg = Si + 2MgO
3SiO2 + 4Al = 3Si + 2Al2O3
Кремний и его соединение в природе.
Кремний – это один из распространенных в земле элементов (25% массы). Главная часть находится в соединениях кремния с кислородом и др. металлами – силикатных породах.
Соединения, в состав которых входит оксид алюминия, называются алюмосиликатами. Таковы белая глина, слюда, полевой шпат. Значительная часть кремния представлена оксидом кремния (IV) – кремнезема. Окрашивание оксида кремния (IV) различными примесями образует драгоценные и полудрагоценные камни, например, изумруд, топаз, аквамарин.
Оксид кремния (IV) SiO2 необходим для жизни растений и животных. Он придаёт прочность стеблям растений и защитным покровам животным. Кремний придаёт гладкость и прочность костям человека. кремний входит и в состав низших организмов – диатомовых водорослей и радиолярий, нежнейших комочков живой материи, которые создают свои непревзойденные по красоте скелеты из кремнезёма.
Кремний образует два оксида: монооксид SiO и диоксид SiO2.
Монооксид кремния – неустойчивое соединение, на воздухе медленно окисляется до SiO2. Это тугоплавкий темно-коричневый порошок, обладает хорошими диэлектрическими характеристиками и механической прочностью.
Твердый монооксид кремния не растворяется в кислотах, кроме плавиковой, легко растворяется в щелочах с выделением водорода, является хорошим восстановителем.
Оксид кремния (IV)
Диоксид кремния широко распространен в природе. Кристаллический оксид кремния – это кварц, горный хрусталь, халцедон, яшма, основа кварцевого песка. Очень твердое, прочное, тугоплавкое вещество. При обычном давлении и температуре существуют три кристаллические модификации SiO2: кварц, тридимит и кристобалит. Для каждой модификации известны низкотемпературные α- и высокотемпературные β-формы. Все они построены из тетраэдров SiO4, соединенных с другими тетраэдрами всеми четырьмя атомами кислорода в трехмерные решетки.
Химические свойства
Химические свойства различных модификаций сходны между собой.
1. Взаимодействие с металлами
При температуре выше 1000 °С реагирует с активными металлами, при этом образуется кремний:
SiO2 + 2Mg = Si + 2MgO
или при избытке восстановителя – силициды:
SiO2 + 4Mg = Mg2Si + 2MgO.
2. Взаимодействие с неметаллами
Реагирует с водородом:
SiO2 + 2Н2 = Si + 2Н2O.
Взаимодействует с углеродом:
SiO2 + 3С = SiС + 2СO.
3. Свойства кислотного оксида
Диоксид кремния – типичный кислотный оксид, но не растворяется в воде, при сплавлении реагирует со щелочами:
SiO2 + 2KOH = K2SiO3 + H2O,
основными оксидами:
SiO2 + MgО = MgSiO3.
и карбонатами щелочных металлов:
SiO2 + K2CO3 = K2SiO3 + CO2.
С кислотами не реагирует, исключение составляет плавиковая кислота:
SiO2 + 6HF = H2SiF6 + 2H2O.
Кремниевые кислоты и их соли.
Диоксид кремния — кислотный оксид. Ему соответствуют слабые малорастворимые в воде кремниевые кислоты. В свободном состоянии выделены ортокремниевая, метакремниевая (или кремниевая) и несколько других кислот. Метакремниевая кислота довольно легко образует пересыщенные растворы, в которых она постепенно полимеризуется и переходит в коллоидное состояние. С помощью стабилизаторов можно получить стойкие золи кремниевой кислоты высокой концентрации. Эти растворы применяются в некоторых производствах, например, при изготовлении бумаги, для обработки воды.
В отсутствие стабилизаторов золь кремниевой кислоты переходит в гель. При его высушивании образуются пористые продукты (силикагель), применяемые в качестве осушителей и адсорбентов.
Получают кремниевые кислоты косвенным путем, действуя на силикат калия или натрия соляной кислотой:
Na2SiO3 + 2HCl = H2SiO3 + 2NaCl.
Соли кремниевых кислот — силикаты — в большинстве своем нерастворимы в воде; растворимы лишь силикаты натрия и калия. Они получаются при сплавлении диоксида кремния с едкими щелочами или карбонатами калия и натрия, например:
Благодаря внешнему сходству со стеклом и растворимости в воде силикаты натрия и калия получили название растворимого стекла.
Растворимое стекло в виде водных растворов, называемых жидким стеклом, применяется для изготовления кислотоупорного цемента и бетона, для керосинонепроницаемых штукатурок по бетону, для пропитывания тканей, для приготовления огнезащитных красок по дереву, для химического укрепления слабых грунтов. Силикаты чрезвычайно распространены в природе. К природным силикатам принадлежат полевые шпаты, слюда, глины, асбест, тальк и многие другие минералы.