Какой химический элемент по свойствам подобен силицию
1. Положение кремния в периодической системе химических элементов
2. Электронное строение кремния
3. Физические свойства и нахождение в природе кремния
4. Качественные реакции на силикаты
5. Основные соединения кремния
6. Способы получения кремния
7. Химические свойства кремния
7.1. Взаимодействие с простыми веществами
7.1.1. Взаимодействие с галогенами
7.1.2. Взаимодействие с серой и углеродом
7.1.3. Взаимодействие с водородом
7.1.4. Взаимодействие с азотом
7.1.5. Взаимодействие с активными металлами
7.1.6. Горение
7.2. Взаимодействие со сложными веществами
7.2.1. Взаимодействие с щелочами
7.2.2. Взаимодействие с кислотами
7.2.3. Взаимодействие с азотной кислотой
Бинарные соединения кремния — силициды, силан и др.
Оксид кремния (IV)
1. Физические свойства и нахождение в природе
2. Химические свойства
2.1. Взаимодействие с щелочами и основными оксидами
2.2. Взаимодействие с водой
2.3. Взаимодействие с карбонатами
2.4. Взаимодействие с кислотами
2.5. Взаимодействие с металлами
2.6. Взаимодействие с неметаллами
Кремниевая кислота
1. Строение молекулы и физические свойства
2. Способы получения
3. Химические свойства
Силикаты
Кремний
Положение в периодической системе химических элементов
Кремний расположен в главной подгруппе IV группы (или в 14 группе в современной форме ПСХЭ) и в третьем периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.
Электронное строение кремния
Электронная конфигурация кремния в основном состоянии:
+14Si 1s22s22p63s23p2 
Электронная конфигурация кремния в возбужденном состоянии:
+14Si* 1s22s22p63s13p3 
Атом кремния содержит на внешнем энергетическом уровне 2 неспаренных электрона и 1 неподеленную электронную пару в основном энергетическом состоянии и 4 неспаренных электрона в возбужденном энергетическом состоянии.
Степени окисления атома кремния — от -4 до +4. Характерные степени окисления -4, 0, +2, +4.
Физические свойства, способы получения и нахождение в природе кремния
Кремний — второй по распространенности элемент на Земле после кислорода. Встречается только в виде соединений. Оксид кремния SiO2 образует большое количество природных веществ – горный хрусталь, кварц, кремнезем.
Простое вещество кремний – атомный кристалл темно-серого цвета с металлическим блеском, довольно хрупок. Температура плавления 1415 °C, плотность 2,33 г/см3. Полупроводник.
Качественные реакции
Качественная реакция на силикат-ионы SiO32- — взаимодействие солей-силикатов с сильными кислотами. Кремниевая кислота – слабая. Она легко выделяется из растворов солей кремниевой кислоты при действии на них более сильными кислотами.
Например, если к раствору силиката натрия прилить сильно разбавленный раствор соляной кислоты, то кремниевая кислота выделится не в виде осадка, а в виде геля. Раствор помутнеет и «застынет».
Na2SiO3 + 2HCl = H2SiO3 + 2 NaCl
Видеоопыт взаимодействия силиката натрия с соляной кислоты (получение кремниевой кислоты) можно посмотреть здесь.
Соединения кремния
Основные степени окисления кремния +4, 0 и -4.
Наиболее типичные соединения кремния:
| Степень окисления | Типичные соединения |
| +4 | оксид кремния (IV) SiO2 кремниевая кислота H2SiO3 силикаты MeSiO3 бинарные соединения с неметаллами (карбид кремния SiC) |
| -4 | силан SiH4 силициды металлов (силицид натрия Na4Si) |
Способы получения кремния
В свободном состоянии кремний был получен Берцелиусом в 1822 г. Его латинское название «силиций» произошло от латинского слова «sileх», что означает «кремень». Аморфный кремний в лаборатории можно получить при прокаливании смеси металлического магния с диоксидом кремния. Для опыта диоксид кремния следует тщательно измельчить. При нагревании смеси начинается бурная реакция. Одним из продуктов этой реакции является аморфный кремний.
SiO2 + 2Mg → Si + 2MgO
Видеоопыт взаимодействия оксида кремния (IV) с магнием можно посмотреть здесь.
Еще один способ получения кремния в лаборатории — восстановление из оксида алюминием:
3SiO2 + 4Al → 3Si + 2Al2O3
В промышленности использовать дорогие алюминий и магний неэффективно, поэтому используют другие, более дешевые способы:
1. Восстановление из оксида коксом в электрических печах:
SiO2 + 2C → Si + 2CO
Однако в таком процессе процессе образующийся кремний загрязнен примесями карбидов кремния, и для производства, например, микросхем уже не подходит.
2. Наиболее чистый кремний получают восстановлением тетрахлорида кремния водородом при 1200 °С:
SiCl4 +2H2 → Si + 4HCl
или цинком:
SiCl4 + 2Zn → Si + 2ZnCl2
3. Также чистый кремний получается при разложении силана:
SiH4 → Si + 2H2
Химические свойства
При нормальных условиях кремний существует в виде атомного кристалла, поэтому химическая активность кремния крайне невысокая.
1. Кремний проявляет свойства окислителя (при взаимодействии с элементами, которые расположены ниже и левее в Периодической системе) и свойства восстановителя (при взаимодействии с элементами, расположенными выше и правее). Поэтому кремний реагирует и с металлами, и с неметаллами.
1.1. При обычных условиях кремний реагирует с фтором с образованием фторида кремния (IV):
Si + 2F2 → SiF4
При нагревании кремний реагирует с хлором, бромом, йодом:
Si + 2Cl2 → SiCl4
Si + 2Br2 → SiBr4
1.2. При сильном нагревании (около 2000оС) кремний реагирует с углеродом с образованием бинарного соединения карбида кремния (карборунда):
C + Si → SiC
При температуре выше 600°С взаимодействует с серой:
Si + 2S → SiS2
1.3. Кремний не взаимодействует с водородом.
1.4. С азотом кремний реагирует в очень жестких условиях:
3Si + 2N2 → Si3N4
1.5. В реакциях с активными металлами кремний проявляет свойства окислителя. При этом образуются силициды:
2Ca + Si → Ca2Si
Si + 2Mg → Mg2Si
1.6. При нагревании выше 400°С кремний взаимодействует с кислородом:
Si + O2 → SiO2
2. Кремний взаимодействует со сложными веществами:
2.1. В водных растворах щелочей кремний растворяется с образованием солей кремниевой кислоты. При этом щелочь окисляет кремний.
Si + 2NaOH + H2O → Na2SiO3 + 2H2
2.2. Кремний не взаимодействует с водными растворами кислот, но аморфный кремний растворяется в плавиковой кислоте с образованием гексафторкремниевой кислоты:
Si + 6HF → H2[SiF6] + 2H2
При обработке кремния безводным фтороводородом комплекс не образуется:
Si(тв.) + 4HF(г.) = SiF4 + 2H2
С хлороводородом кремний реагирует при 300 °С, с бромоводородом – при 500 °С.
2.3. Кремний растворяется в смеси концентрированных азотной и плавиковой кислот:
3Si + 4HNO3 + 12HF → 3SiF4 + 4NO + 8H2O
Бинарные соединения кремния
Силициды металлов
Силициды – это бинарные соединения кремния с металлами, в которых кремний имеет степень окисления -4. Химическая связь в силицидах металлов — ионная.
Силициды, как правило, легко гидролизуются в воде или в кислой среде.
Например, силицид магния разлагается водой на гидроксид магния и силан:
Mg2Si + 4H2O → 2Mg(OH)2 + SiH4
Соляная кислота легко разлагает силицид магния:
Mg2Si + 4HCl → 2MgCl2 + SiH4
Получают силициды сплавлением простых веществ или восстановлением смеси оксидов коксом в электропечах:
2Mg + Si → Mg2Si
2MgO + SiO2 + 4C → Mg2Si + 4CO
Силан
Силан – это бинарное соединение кремния с водородом SiH4, ядовитый бесцветный газ.
Если поместить порошок силицида магния в очень слабый раствор соляной кислоты, то на поверхности раствора образуются пузырьки газа. Они лопаются и загораются на воздухе. Это горит силан. Он образуется при взаимодействии кислоты с силицидом магния:
Mg2Si + 4HCl → 2MgCl2 + SiH4
Видеоопыт получения силана из силицида магния можно посмотреть здесь.
На воздухе силан горит с образованием SiO2 и H2O:
SiH4 + 2O2 → SiO2 + 2H2O
Видеоопыт сгорания силана можно посмотреть здесь.
Силан разлагается водой разлагается с выделением водорода:
SiH4 + 2H2O → SiO2 + 4H2
Силан разлагается (окисляется) щелочами:
SiH4 + 2NaOH + H2O → Na2SiO3 + 4H2
Силан при нагревании разлагается:
SiH4 → Si + 2H2
Карбид кремния
В соединениях кремния с неметаллами — ковалентная связь.
Рассмотрим карбид кремния – карборунд Si+4C-4. Это вещество с атомной кристаллической решеткой. Он имеет структуру, подобную структуре алмаза и характеризуется высокой твердостью и температурой плавления, а также высокой химической устойчивостью.
Карборунд окисляется кислородом при высокой температуре:
SiC +2O2 → SiO2 + CO2
Карборунд окисляется кислородом в расплаве щелочи:
SiC + 2O2 + 4NaOH → Na2SiO3 + Na2CO3 + 2H2O
Галогениды кремния
Хлорид и фторид кремния – галогенангидриды кремниевой кислоты.
SiCl4.
Получают галогениды кремния действием хлора на сплав оксида кремния с углем:
SiO2 + C + Cl2 → SiCl4 + CO
Галогениды кремния разлагаются водой до кремниевой кислоты и хлороводорода:
SiCl4 + 3H2O → H2SiO3↓ + 4HCl
Хлорид кремния (IV) восстанавливается водородом:
SiCl4 + 2H2 → Si + 4HCl
Оксид кремния (IV)
Физические свойства и нахождение в природе
Оксид кремния (IV) – это твердое вещество с атомной кристаллической решеткой. В природе встречается в виде кварца, речного песка, кремнезема и прочих модификаций:
Химические свойства
Оксид кремния (IV) – типичный кислотный оксид. За счет кремния со степенью окисления +4 проявляет слабые окислительные свойства.
1. Как кислотный оксид, диоксид кремния (IV) взаимодействует с растворами и расплавами щелочей и в расплаве с основными оксидами. При этом образуются силикаты.
Например, диоксид кремния взаимодействует с гидроксидом калия:
SiO2 + 2KOH → K2SiO3 + H2O
Еще пример: диоксид кремния взаимодействует с оксидом кальция.
SiO2 + CaO → CaSiO3
2. Оксид кремния (IV) не взаимодействует с водой, т.к. кремниевая кислота нерастворима.
3. Оксид кремния (IV) реагирует при сплавлении с карбонатами щелочных металлов. При этом работает правило: менее летучий оксид вытесняет более летучий оксид из солей при сплавлении.
Например, оксид кремния (IV) взаимодействует с карбонатом калия. При этом образуется силикат калия и углекислый газ:
SiO2 + K2CO3 → K2SiO3 + CO2
4. Из кислот диоксид кремния реагирует только с плавиковой или с газообразным фтороводородом:
SiO2 + 6HF(г) = SiF4 + H2O
SiO2 + 6HF(р-р) → H2[SiF6] + 2H2O
5. При температуре выше 1000 °С оксид кремния реагирует с активными металлами, при этом образуется кремний.
Например, оксид кремния взаимодействует с магнием с образованием кремния и оксида магния:
SiO2 + 2Mg → Si + 2MgO
Видеоопыт взаимодействия оксида кремния (IV) с магнием можно посмотреть здесь.
При избытке восстановителя образуются силициды:
SiO2 + 4Mg → Mg2Si + 2MgO
6. Оксид кремния (IV) взаимодействует с неметаллами.
Например, оксид кремния (IV) реагирует с водородом в жестких условиях. При этом оксид кремния проявляет окислительные свойства:
SiO2 + 2Н2 → Si + 2Н2O
Еще пример: оксид кремния взаимодействует с углеродом. При этом образуется карборунд и угарный газ:
SiO2 + 3С → SiС + 2СО
При сплавлении оксид кремния взаимодействует с фосфатом кальция и углем:
3SiO2 + Ca3(PO4)2 + 5C → 3CaSiO3 + 5CO + 2P
Кремниевая кислота
Строение молекулы и физические свойства
Кремниевые кислоты — очень слабые, малорастворимые в воде соединения общей формулы nSiO2•mH2O. Образует коллоидный раствор в воде.
Метакремниевая H2SiO3 существует в растворе в виде полимера:
Способы получения
Кремниевая кислота образуется при действии сильных кислот на растворимые силикаты (силикаты щелочных металлов).
Например, при действии соляной кислоты на силикат натрия:
Na2SiO3 + 2HCl → H2SiO3 + 2 NaCl
Видеоопыт получения кремниевой кислоты из силиката натрия можно посмотреть здесь.
Даже слабая угольная кислота вытесняет кремниевую кислоту из солей:
Na2SiO3 + 2Н2O + 2CO2 → 2NaHCO3 + H2SiO3
Химические свойства
1. Кремниевая кислота — нерастворимая. Кислотные свойства выражены очень слабо, поэтому кислота реагирует только с сильными основаниями и их оксидами:
Например, кремниевая кислота реагирует с концентрированным гидроксидом калия:
H2SiO3 + 4KOH → K2SiO3 + 4H2O
2. При нагревании кремниевая кислота разлагается на оксид и воду:
H2SiO3 → SiO2 + H2O
Силикаты
Силикаты — это соли кремниевой кислоты. Большинство силикатов нерастворимо в воде, кроме силикатов натрия и калия, их называют «жидким стеклом».
Способы получения силикатов:
1. Растворение кремния, кремниевой кислоты или оксида в щелочи:
H2SiO3 + 2KOH → K2SiO3 + 2H2O
Si + 2NaOH + H2O → Na2SiO3 + H2
SiO2 + 2KOH → K2SiO3 + H2O
2. Сплавление с основными оксидами:
СаО + SiO2 → CaSiO3
3. Взаимодействие растворимых силикатов с солями:
K2SiO3 + CaCl2 → CaSiO3 + 2KCl
Оконное стекло (натриевое стекло) — силикат натрия и кальция: Na2O·CaO·6SiO2.
Стекло получают при сплавлении в специальных печах смеси соды Na2CO3, известняка CaCO3 и белого песка SiO2:
6SiO2 + Na2CO3 + CaCO3 → Na2O·CaO·6SiO2 + 2CO2
Для получения специального стекла вводят различные добавки, так стекло содержащее ионы Pb2+ – хрусталь; Cr3+ – имеет зеленую окраску, Fe3+ – коричневое бутылочное стекло, Co2+ – дает синий цвет, Mn2+ – красновато-лиловый.
Источник
(Silicium), Si — хим. элемент IV группы периодической системы элементов; ат. н. 14, ат. м. 28,086. Кристаллический кремний— темно-серое вещество со смолистым блеском. В большинстве соединений проявляет степени окисления — 4, +2 и +4. Природный кремний состоит из стабильных изотопов 28Si (92,28%), 29Si (4,67%) и 30Si (3,05%). Получены радиоактивные изотопы 27Si, 31Si и 32Si с периодами полураспада соответственно 4,5 сек, 2,62 ч и 700 лет. К. впервые выделен в 1811 франц. химиком и физиком Ж. Л. Гей-Люссаком и франц. химиком Л. Ж. Тенаром, но идентифицирован лишь в 1823 швед, химиком и минералогом Й. Я. Берцелиусом.
Нахождение кремния
По распространенности в земной коре (27,6%) Кремний— второй (после кислорода) элемент. Находится преим. в форме кремнезема Si02 и др. кислородсодержащих веществ (силикатов, алюмосиликатов и т. д.). При обычных условиях образуется стабильная полупроводниковая модификация К., отличающаяся гранецентрированной кубической структурой типа алмаза, с периодом а = 5,4307 А. Межатомное расстояние 2,35 А. Плотность 2,328 гсм. При высоком давлении (120—150 кбар)переходит в более плотные полупроводниковые и металлическую модификации. Металлическая модификация-сверхпроводник с т-рой перехода 6,7 К. С ростом давления точка плавления понижается с 1415 ± 3° С при давлении 1 бар до 810° С при давлении 15 • 104 бар (тройная точка сосуществования полупроводникового, металлического и жидкого К.). При плавлении происходят увеличение координационного числа и металлизация межатомных связей. Аморфный кремний по характеру ближнего порядка, отвечающего сильно искаженной объемноцентрированной кубической структуре, близок к жидкому. Дебаевская т-ра близка к 645 К. Коэфф. температурного линейного расширения изменяется с изменением т-ры по экстремальному закону, ниже т-ры 100 К он становится отрицательным, достигая минимума (—0,77 · 10-6) град-1 при т-ре 80 К; при т-ре 310 К он равен 2,33 · 10-6 град-1, а при т-ре 1273 К —4,8 · 10 град-1. Теплота плавления 11,9 ккал/г-атом;tкип.3520 К.
Теплота сублимации и испарения при т-ре плавления соответственно 110 и 98,1 ккал/г-атом. Теплопроводность и электропроводность кремния зависят от чистоты и совершенства кристаллов. С ростом т-ры коэфф. теплопроводности чистого К. вначале увеличивается (до 8,4 кал/см X X сек · град при т-ре 35 К), а затем убывает, достигая 0,36 и 0,06 кал/см · сек · град при т-ре соответственно 300 и 1200 К. Энтальпия, энтропия и теплоемкость К. в стандартных условиях равны соответственно 770 кал/г-атом, 4,51 и 4,83 кал/г-атом — град. Кремний диамагнитен, магнитная восприимчивость твердого (—1,1 · 10-7 э.м.е./г) и жидкого (—0,8 · 10-7 э.м.е./г). Кремний слабо зависит от т-ры. Поверхностная энергия, плотность и кинематическая вязкость жидкого К. при т-ре плавления составляют 737 эрг/см2, 2,55 г/см3 и 3 · 10 м2/сек. Кристаллический кремния типичный полупроводник с шириной запрещенной зоны 1,15 эв при т-ре 0 К и 1,08 эв — при т-ре 300 К. При комнатной т-ре концентрация собственных носителей зарядов близка к 1,4 · 1010 см-3 , эффективная подвижность электронов и дырок — соответственно 1450 и 480 см2/в · сек, а удельное электрическое сопротивление — 2,5 · 105 ом · см. С ростом т-ры они изменяются по экспоненциальному закону.
Электрические свойства кремния
Зависят от природы и концентрации примесей, а также от совершенства кристалла. Обычно для получения полупроводникового К. с проводимостью р- и n-типа его легируют элементами IIIв (бором, алюминием, галлием) и Vв (фосфором, мышьяком, сурьмой, висмутом) подгрупп, создающими совокупность соответственно акцепторных и донорных уровней, расположенных вблизи границ зон. Для легирования используют и др. элементы (напр., золото), формирующие т. и. глубокие уровни, к-рые обусловливают захват и рекомбинацию носителей зарядов. Это позволяет получать материалы с высоким электр. сопротивлением (1010 ом · см при т-ре 80 К) и небольшой продолжительностью существования неосновных носителей зарядов, что важно для увеличения быстродействия различных устройств. Коэфф. термоэдс кремния существенно зависит от т-ры и содержания примесей, увеличиваясь с ростом электросопротивления (при р = 0,6 ом — см, а = 103 мкв/град). Диэлектрическая проницаемость кремния (от 11 до 15) слабо зависит от состава и совершенства монокристаллов. Закономерности оптического поглощения кремния сильно изменяются с изменением его чистоты, концентрации и характера дефектов строения, а также длины волны.
Граница непрямого поглощения электромагнитных колебаний близка к 1,09 эв, прямого поглощения — к 3,3 эв. В видимой области спектра параметры комплексного показателя преломления (n — ik) весьма существенно зависят от состояния поверхности и наличия примесей. Для особо чистого К. (при λ = 5461 А и т-ре 293 К) n = 4,056 и к = 0,028. Работа выхода электронов близка к 4,8 эв. Кремний хрупок. Его твердость (т-ра 300 К) по Моосу — 7; НВ = 240; HV щ = 103; И = 1250 кгс/мм2; модуль норм, упругости (поликристалла) 10 890 кгс/мм2. Предел прочности зависит от совершенства кристалла: на изгиб от 7 до 14, на сжатие от 49 до 56 кгс/мм2; коэфф. сжимаемости 0,325 • 1066 см2/кг.
При комнатной т-ре кремний практически не взаимодействует с газообразными (исключая фтор) и твердыми реагентами, кроме щелочей. При повышенной т-ре активно взаимодействует с металлами и неметаллами. В частности, образует карбид SiC (при т-ре выше 1600 К), нитрид Si3N4 (при т-ре выше 1300 К), фосфид SiP (при т-ре выше 1200 К) и арсениды Si As, SiAS2 (при т-ре выше 1000 К). С кислородом реагирует при т-ре выше 700 К, образуя двуокись Si02, с галогенами — фторид SiF4 (при т-ре выше 300 К), хлорид SiCl4 (при т-ре выше 500 К), бромид SiBr4 (при т-ре 700 К) и нодид SiI4 (при т-ре 1000 К). Интенсивно реагирует со мн. металлами, образуя твердые растворы замещения в них или хим. соединения — силициды. Концентрационные области гомогенности твердых растворов зависят от природы растворителя (напр., в германии от 0 до 100%, в железе до 15%, в альфа-цирконии менее 0,1%).
Растворимость металлов и неметаллов
В твердом кремне значительно меньше и обычно ретроградна. При этом предельные содержания примесей, создающих в К. неглубокие уровни, достигают максимума (кислород 2 · 1018, азот 1019, алюминий 2 · 1019, фосфор 1021, мышьяк 2 · 1021 см ) в области т-р от 1400 до 1600 К. Примеси с глубокими уровнями отличаются заметно меньшей растворимостью (от 1015 для селена и 5 · 1016 для железа до 7 · 10 17 для никеля и 10 18 см-3 для меди). В жидком состоянии кремний неограниченно смешивается со всеми металлами, часто с весьма большим выделением тепла. Чистый кремний готовят из технического продукта 99% Si и по — 0,03% Fe, Аl и Со), получаемого восстановлением кварца углеродом в электро печах. Вначале из него отмывают к-тами (смесью соляной и серной, а затем фтористоводородной и серной) примеси, после чего полученный продукт (99,98%) обрабатывают хлором. Синтезированные хлориды очищают дистилляцией.
Полупроводниковый кремний
Получают восстановлением хлорида SiCl4 (или SiHCl3) водородом или термическим разложением гидрида SiH4. Окончательную очистку и выращивание монокристаллов осуществляют бестигельной зонной плавной или по методу Чохральского, получая особо чистые слитки (содержание примесей до 1010—1013 см-3) ср > 10 3 ом · см. В зависимости от назначения К. в процессе приготовления хлоридов или при выращивании монокристаллов в них вводят дозированные количества необходимых примесей. Так готовят цилиндрические слитки диаметром 2— 4 и длиной 3—10 см. Для спец. целей выпускают и более крупные монокристаллы. Технический кремний и особенно его сплавы с железом используют в качестве раскислателей стали и восстановителей, а также легирующих присадок. Особо чистые образцы монокристаллического К., легированного различными элементами, находят применение в качестве основы разнообразных слаботочных (в частности, термоэлектрических, радио-, свето- и фототехнических) и сильноточных (выпрямители, преобразователи) устройств.
Силиций или кремний
Кремний относится к неметаллам , его атомы на внешнем энергетическом уровне имеют 4 электрона . Он может отдавать их , проявляя степень окисления + 4 , и присоединять электроны , проявляя степень окисления — 4 . Однако способность присоединять электроны у кремния значительно меньше , чем у углерода . Атомы кремния имеют большой радиус , чем атомы углерода .
Нахождение кремния в природе
Кремний очень распространён в природе . на его долю приходится свыше 26% массы земной коры . По распространённости он занимает второе место ( после кислорода ) . В отличие от углерода C в свободном состоянии в природе не встречается . Он входит в состав различных химических соединений , в основном разных модификаций оксида кремния ( IV ) и солей кремниевых кислот ( силикатов ) .
Среди силикатов наиболее важными являются алюмосиликаты : полевые шпаты , слюды , глины и т.д . Основа глин — минерал каолин Al2O3 · 2SiO2 · 2H2O .
Получение кремния
В промышленности кремний технической чистоты ( 95 — 98% ) получают , восстанавливая кварц SiO2 коксом в электрических печах при прокаливании :
SiO2 + 2C = Si + 2CO
В лаборатории как восстановитель используют магний или алюминий:
SiO2 + 2Mg = Si + 2MgO
Таким способом получают аморфный с примесями порошок кремния бурого цвета . Перекристаллизацией из расплавленных металлов ( Zn , Al ) его можно перевести в кристаллическое состояние .
Для полупроводниковой техники кремний очень высокой чистоты получают , восстановлением при 1000°C тетрахлорид кремния SiCl4 парами цинка :
SiCl4 + 2Zn = Si + 2ZnCl2
и очищая его после этого специальными методами .
Физические и химические свойства кремния
Чистый кристаллический кремний — хрупкий и твёрдый , царапает стекло . Подобно алмазу , он имеет кубическую кристаллическую решётку с ковалентным типом связи . Температура плавления его 1423 °C . При обычных условиях кремний малоактивный элемент , соединяется только с фтором , но при нагревании вступает в различные химические реакции .
Его используют как ценный материал в полупроводниковой технике . По сравнению с другими полупроводниками он отличается значительной стойкость против действия кислот и способностью сохранять большое электрическое сопротивление до 300°C . Технический кремний и ферросилиций используют также в металлургии для производства жароустойчивых , кислотоустойчивых и инструментальных сталей , чугунов и многих других сплавов .
С металлами кремний образует химические соединения , называемые силицидами , при нагревании с магнием образуется силицид магния :
Si + 2Mg = Mg2Si
Силициды металлов по структуре и свойствам напоминают карбиды , так металлоподобные силициды , так же как и металлоподобные карбиды , отличаются большой твёрдостью, высокой температурой плавления, хорошей электропроводностью.
При прокаливании смеси песка с коксом в электрических печах образуется соединения кремния с углеродом — карбид кремния , или карборунд :
SiO2 + 3C = SiC + 2CO
Карборунд — тугоплавкое бесцветное твёрдое вещество , ценный абразивными и жароустойчивым материалом . Карборунд , как и алмаз , имеет атомную кристаллическую решётку. В чистом состоянии — это изолятор , но в присутствии примесей становится полупроводником .
Кремний как и углерод , образует два оксида : оксид кремния ( II ) SiO и оксид кремния ( IV ) SiO2 . Оксид кремния ( IV ) — твёрдое тугоплавкое вещество , широко распространённое в природе в свободном состоянии . Это химически устойчивое вещество , взаимодействует только со фтором и газообразным фтористым водородом или плавиковой кислотой :
SiO2 + 2F2 = SiF4 + O2
SiO2 + 4HF = SiF4 + 2H2O
Приведённое направление реакций объясняется тем , что кремний имеет большое сродство к фтору . Кроме того , тетрафторид кремния — летучее вещество .
В технике прозрачный кварц SiO2 используют для изготовления устойчивого тугоплавкого кварцевого стекла , которое хорошо пропускает ультрофиалетовые лучи , имеет большой коэффицент расширения , поэтому выдерживает значительные мгновенные изменения температуры . Аморфная модификация оксида кремния ( II ) трепел — имеет большую пористость . Его используют как тепло и звукоизолятор , для производства динамита ( носитель взрывчатого вещества ) и так далее . Оксид кремния ( IV ) в виде обычного песка — один из основных строительных материалов . Его используют в производстве огнестойких и кислотостойких материалов , стекла , как флюс в металлургии и так далее .
Сравнимая молекулярные формулы , химические и физические свойства оксида углерода ( IV ) и оксида кремния ( IV ) , легко увидеть , что свойства этих сходных по химическому составу соединений различны . Это объясняется тем , что оксид кремния (IV ) состоит не просто из молекул SiO2 , а из их ассоциатов , в которых атомы кремния соединяются между собой атомами кислорода . Оксиду кремния ( IV ) ( SiO2 )n .Изображение её на плоскости такое :
¦ ¦ ¦
O O O
¦ ¦ ¦
— O — Si — O — Si — O — Si — O —
¦ ¦ ¦
O O O
¦ ¦ ¦
— O — Si — O — Si — O — Si — O —
¦ ¦ ¦
O O O
¦ ¦ ¦
Атомы кремния расположены в центре тетраэдра , а атомы кислорода — по углам его . Связи Si — O очень прочные , этим и объясняется большая твёрдость оксида кремния ( IV ) .
По химическим свойствам оксид кремния ( IV ) является кислотным оксидом . Непосредственно с водой он не реагирует , поэтому кремниевую кислоту можно получать только косвенным способом , действуя на соли кремниевой кислоты соляной или серной кислотами .
Na2SiO3 + 2HCl = H2SiO3 + 2NaCl
Сначала кислота образуется в растворе , а затем выподает в осадок .
Кремниевые кислота и её соли .
Кремниевая кислота — очень слабая кислота ( слабее угольной ) . При нагревании она разлогается по уравнению реакции :
H2SiO3 = SiO2 + H2O
Оксид кремния ( IV ) SiO2 отвечают несколько кремниевых кислот , различных по составу . Их состав в общем виде записывается формулой xSiO2 · yH2O .
Соли кремниевых кислот называются силикатами . В воде растворяются метасиликаты натрия и калия — Na2SiO3 и K2SiO3 , известные в технике под названием растворимого стекла ( или жидкое стекло ) . Их получают , прокаливая песок с едким натром или содой .
SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O
SiO2 + Na2CO3 = Na2SiO3 + CO2
Лит.: Красюк Б. А.,Грибов А. И. Полупроводники — германий и кремний.
Вы читаете, статья на тему кремний
Источник