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 химтческому 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
¦ ¦ ¦