Кремний (химический элемент): свойства, характеристика, формула. История открытия кремния. Кремний и его соединения. Кремний в природе. Применение кремния Формулы соединения кремния

Как самостоятельный химический элемент кремний стал известен человечеству всего лишь в 1825 году. Что, конечно, не мешало применять соединения кремния в таком количестве сфер, что проще перечислить те, где элемент не используется. Данная статья прольет свет на физические, механические и полезные химические свойства кремния и его соединений, области применения, также мы расскажем о том, как влияет кремний на свойства стали и иных металлов.

Для начала давайте остановимся на общей характеристике кремния. От 27,6 до 29,5% массы земной коры составляет кремний. В морской воде концентрация элемента тоже изрядная – до 3 мг/л.

По распространенности в литосфере кремний занимает второе почетное место после кислорода. Однако наиболее известная его форма – кремнезем, является диоксидом, и именно его свойства и стали основой для столь широкого применения.

О том, что такое кремний, расскажет этот видеосюжет:

Понятие и особенности

Кремний – неметалл, однако при разных условиях может проявлять и кислотные, и основные свойства. Является типичным полупроводником и чрезвычайно широко используется в электротехнике. Физические и химические его свойства во многом определяются аллотропным состоянием. Чаще всего дело имеют с кристаллической формой, поскольку ее качества более востребованы в народном хозяйстве.

• Кремний – один из базовых макроэлементов в человеческом теле. Его нехватка губительно сказывается на состоянии костной ткани, волос, кожи, ногтей. Кроме того, кремний оказывает влияние на работоспособность иммунной системы.
• В медицине элемент, вернее говоря, его соединения нашли свое первое применение именно в этом качестве. Вода из колодцев, выложенных кремнием, отличались не только чистотой, но и положительно сказывалась на стойкости к инфекционным болезням. Сегодня соединение с кремнием служат основой для препаратов против туберкулеза, атеросклероза, артрита.
• В целом неметалл малоактивен, однако и в чистом виде встретить его сложно. Связано это с тем, что на воздухе он быстро пассивируется слоем диоксида и перестает реагировать. При нагревании химическая активность увеличивается. В результате человечество гораздо ближе знакомо с соединениями вещества, а не с ним самим.

Так, кремний образует сплавы практически со всеми металлами – силициды. Все они отличаются тугоплавкостью и твердостью и применяются на соответствующих участках: газовые турбины, нагреватели печей.

Размещается неметалл в таблице Д. И. Менделеева в 6 группе вместе с углеродом, германием, что указывает на определенную общность с этими веществами. Так, с углеродом его «роднит» способность к образованию соединений по типу органических. При этом кремний, как и германий может проявить свойства металла в некоторых химических реакциях, что используется в синтезе.

Плюсы и минусы

Как и всякое другое вещество с точки зрения применения в народном хозяйстве, кремний обладает определенными полезными или не слишком качествами. Важны они именно для определения области использования.

• Немалым достоинством вещества является его доступность . В природе он, правда, находится не в свободном виде, но все же, технология получения кремния не так уж и сложна, хотя и энергозатратна.
• Второе важнейшее достоинство – образование множества соединений с необыкновенно полезными свойствами. Это и силаны, и силициды, и диоксид, и, конечно, разнообразнейшие силикаты. Способность кремния и его соединений образовывать сложные твердые растворы практически бесконечна, что позволяет бесконечно же получать самые разные вариации стекла, камня и керамики.
• Полупроводниковые свойства неметалла обеспечивает ему место базового материала в электро- и радиотехнике.
• Неметалл является нетоксичным , что допускает применение в любой отрасли промышленности, и при этом не превращает технологический процесс в потенциально опасный.

К недостаткам материала можно отнести лишь относительную хрупкость при хорошей твердости. Кремний не используется для несущих конструкций, но зато это сочетание позволяет обрабатывать должным образом поверхность кристаллов, что важно для приборостроения.

Давайте теперь поговорим про основные свойства кремния.

Свойства и характеристики

Поскольку в промышленности чаще всего эксплуатируется кристаллический кремний, то именно его свойства и являются более важными, и именно они и приводятся в технических характеристиках. Физические свойства вещества таковы:

• температура плавления – 1417 С;
• температура кипения – 2600 С;
• плотность составляет 2,33 г/куб. см, что свидетельствует о хрупкости;
• теплоемкость, как и теплопроводность не постоянны даже на самых чистых пробах: 800 Дж/(кг·К), или 0,191 кал/(г·град) и 84-126 вт/(м·К), или 0,20-0,30 кал/(см·сек·град) соответственно;
• прозрачен для длинноволнового ИК-излучения, что используется в инфракрасной оптике;
• диэлектрическая проницаемость – 1,17;
• твердость по шкале Мооса – 7.

Электрические свойства неметалла сильно зависят от примесей. В промышленности эту особенность используют, модулируя нужный тип полупроводника. При нормальной температуре кремний хрупок, но при нагревании выше 800 С возможна пластическая деформация.

Свойства аморфного кремния разительно отличаются: он сильно гигроскопичен, намного активнее вступает в реакцию даже при нормальной температуре.

Структура и химический состав, а также свойства кремния рассмотрены в видеоролике ниже:

Состав и структура

Кремний существует в двух аллотропных формах, одинаково устойчивых при нормальной температуре.

• Кристаллический имеет вид темно-серого порошка. Вещество, хотя и имеет алмазоподобную кристаллическую решетку, является хрупким – из-за чересчур длинной связи между атомами. Интерес представляют его свойства полупроводника.
• При очень высоких давлениях можно получить гексагональную модификацию с плотностью 2,55 г/куб. см. Однако эта фаза практического значения пока не нашла.
• Аморфный – буро-коричневый порошок. В отличие от кристаллической формы намного активнее вступает в реакцию. Связано это не столько с инертностью первой формы, сколько с тем, что на воздухе вещество покрывается слоем диоксида.

Кроме того, необходимо учитывать и еще один тип классификации, связанный с величиной кристалла кремния, которые в совокупности образуют вещество. Кристаллическая решетка, как известно, предполагают упорядоченность не только атомов, но и структур, которые эти атомы образуют – так называемый дальний порядок. Чем он больше, тем более однородным по свойствам будет вещество.

• Монокристаллический – образец представляет собой один кристалл. Структура его максимально упорядочена, свойства однородны и хорошо предсказуемы. Именно такой материал наиболее востребован в электротехнике. Однако он же относится к самому дорогому виду, поскольку процесс его получения сложен, а скорость роста низка.
• Мультикристаллический – образец составляет некоторое количество крупных кристаллических зерен. Границы между ними формируют дополнительные дефектные уровни, что снижает производительность образца, как полупроводника и приводит к более быстрому износу. Технология выращивания мультикристалла проще, потому и материал дешевле.
• Поликристаллический – состоит из большого количества зерен, расположенных хаотически относительно друг друга. Это наиболее чистая разновидность промышленного кремния, применяется в микроэлектронике и солнечной энергетике. Довольно часто используется в качестве сырья для выращивания мульти- и монокристаллов.
• Аморфный кремний и в этой классификации занимает отдельную позицию. Здесь порядок расположения атомов удерживается только на самых коротких дистанциях. Однако в электротехнике он все же используется в виде тонких пленок.

Производство неметалла

Получить чистый кремний не так уж и просто, учитывая инертность его соединений и высокую температуру плавления большинства из них. В промышленности чаще всего прибегают к восстановлению углеродом из диоксида. Проводят реакцию в дуговых печах при температуре 1800 С. Таким образом получают неметалл чистотой в 99,9%, что для его применения недостаточно.

Полученный материал хлорируют с тем, чтобы получить хлориды и гидрохлориды. Затем соединения очищают всеми возможными методами от примесей и восстанавливают водородом.

Очистить вещество можно и за счет получения силицида магния. Силицид подвергают действию соляной или уксусной кислоты. Получают силан, а последний очищают различными способами – сорбционным, ректификацией и так далее. Затем силан разлагают на водород и кремний при температуре в 1000 С. В этом случае получают вещество с долей примеси 10 -8 –10 -6 %.

Применение вещества

Для промышленности наибольший интерес представляют электрофизические характеристики неметалла. Его монокристаллическая форма является непрямозонным полупроводником. Свойства его определяются примесями, что позволяет получать кристаллы кремния с заданными свойствами. Так, добавка бора, индия дает возможность вырастить кристалл с дырочной проводимостью, а введение фосфора или мышьяка – кристалл с электронной проводимостью.

• Кремний в буквальном смысле слова служит основой современной электротехники. Из него изготавливают транзисторы, фотоэлементы, интегральные схемы, диоды и так далее. Причем функциональность прибора определяет практически всегда только приповерхностный слой кристалла, что обуславливает весьма специфические требования именно к обработке поверхности.
• В металлургии технический кремний применяют и как модификатор сплавов – придает большую прочность, и как компонент – в , например, и как раскислитель – при производстве чугуна.
• Сверхчистый и очищенный металлургический составляют основу солнечной энергетики.
• Диоксид неметалла встречается в природе в очень разных формах. Его кристаллические разновидности – опал, агат, сердолик, аметист, горный хрусталь, нашли свое место в ювелирном деле. Не столь привлекательные внешне модификации – кремень, кварц, используются и в металлургии, и в строительстве, и в радиоэлектротехнике.
• Соединение неметалла с углеродом – карбид, применяется и в металлургии, и в приборостроении, и в химической промышленности. Он является широкозональным полупроводником, отличается высокой твердостью – 7 по шкале Мооса, и прочностью, что и позволяет применять его в качестве абразивного материала.
• Силикаты – то есть, соли кремниевой кислоты. Неустойчивы, легко разлагаются под действием температуры. Примечательность их в том, что они образуют многочисленные и разнообразные соли. А вот последние являются основой при производстве стекла, керамики, фаянса, хрусталя, и . Можно смело сказать, что современное строительство зиждется на разнообразных силикатах.
• Стекло представляет здесь наиболее интересный случай. Основой его служат алюмосиликаты, но ничтожные примеси других веществ – обычно оксидов, придают материалу массу разных свойств, в том числе и цвет. – , фаянс, фарфор, по сути, имеет ту же формулу, хотя и с другим соотношением компонентов, и ее разнообразие тоже поразительно.
• Неметалл обладает еще одной способностью: образует соединения по типу углеродных, в виде длинной цепочки из атомов кремния. Такие соединения носят название кремнийорганических. Сфера их применения не менее известна – это силиконы, герметики, смазки и так далее.

Кремний – очень распространенный элемент и имеет необыкновенно большое значение в очень многих сферах народного хозяйства. Причем активно используется не только само вещество, но все его разнообразные и многочисленные соединения.

Данное видео расскажет о свойствах и применении кремния:

Многие современные технологические устройства и аппараты были созданы за счет уникальных свойств веществ, находящихся в природе. Человечество экспериментальным путем и тщательным изучением окружающих нас элементов постоянно модернизирует собственные изобретения - данный процесс называется техническим прогрессом. Он основан на элементарных, доступных каждому вещах, которые окружают нас в повседневной жизни. Например, песок: что может быть в нем удивительного и необычного? Ученые смогли выделить из него кремний - химический элемент, без которого не существовало бы компьютерной техники. Область его применения отличается разнообразием и постоянно расширяется. Это достигается за счет уникального свойства атома кремния, его структуры и возможности соединений с другими простыми веществами.

Характеристика

В разработанной Д. И. Менделеевым, кремний обозначен символом Si. Относится к неметаллам, располагается в главной четвертой группе третьего периода, имеет атомный номер 14. Его соседство с углеродом не является случайным: во многом их свойства сопоставимы. В природе не встречается в чистом виде, так как является активным элементом и имеет достаточно прочные связи с кислородом. Основное вещество - кремнезем, который является оксидом, и силикаты (песок). При этом кремний (его природные соединения) является одним из наиболее распространенных химических элементов на Земле. По массовой доле содержания он занимает второе место после кислорода (более 28 %). Верхний слой земной коры содержит кремний в виде диоксида (это кварц), различные типы глин и песка. Вторую по распространенности группу составляют его силикаты. На глубине около 35 км от поверхности расположены слои гранита и базальтовые отложения, в состав которых входят кремневые соединения. Процент содержания в земном ядре пока не просчитан, но ближайшие к поверхности слои мантии (до 900 км) содержат силикаты. В составе морской воды концентрация кремния составляет 3 мг/л, на 40 % состоит из его соединений. Просторы космоса, которые человечество на сегодняшний день изучило, содержат этот химический элемент в больших количествах. Например, метеоритов, которые приближались к Земле на расстояние, доступное исследователям, показал, что они состоят на 20 % из кремния. Существует вероятность формирования жизни на основе этого элемента в нашей галактике.

Исследовательский процесс

История открытия химического элемента кремния имеет несколько этапов. Многие вещества, систематизированные Менделеевым, использовались человечеством на протяжении веков. При этом элементы находились в природном виде, т.е. в соединениях, которые не подвергались химической обработке, и все их свойства не были известны людям. В процессе изучения всех особенностей вещества у него появлялись новые направления использования. Свойства кремния на сегодняшний день не изучены до конца - этот элемент при достаточно широком и разнообразном спектре применения оставляет простор для новых открытий будущим поколениям ученых. Современные технологии значительно ускорят данный процесс. В XIX веке многие знаменитые химики пытались получить кремний в чистом виде. Впервые это удалось сделать Л. Тенару и Ж. Гей-Люссаку в 1811 году, но открытие элемента принадлежит Й. Берцелиусу, который смог не только выделить вещество, но и описать его. Химик из Швеции получил кремний в 1823 году, для этого он использовал металлический калий и калиевую соль. Реакция происходила при катализаторе в виде высокой температуры. Полученное простое вещество серо-бурого цвета являло собой аморфный кремний. Кристаллический чистый элемент был получен в 1855 году Сент-Клер Девилем. Сложность выделения напрямую связана с высокой прочностью атомных связей. В обоих случаях химическая реакция направлена на процесс очищения от примесей, при этом аморфная и кристаллическая модели имеют разные свойства.

Кремний: произношение химического элемента

Первое название полученного порошка - кизель - было предложено Берцелиусом. В Великобритании и США кремний и по сей день называют не иначе, как силиций (Silicium) или силикон (Silicon). Термин происходит от латинского «кремень» (или «камень»), и в большинстве случаев его привязывают к понятию «земля» за счет широкого распространения в природе. Русское произношение данного химического вещества бывает разное, все зависит от источника. Его называли кремнеземом (Захаров применял такой термин в 1810 г.), сицилием (1824 год, Двигубский, Соловьев), кремнеземнием (1825 год, Страхов), и только в 1834 году российский химик Герман Иванович Гесс вводит наименование, которое до сегодняшнего момента используется в большинстве источников - кремний. В он обозначен символом Si. Как читается химический элемент кремний? Многие ученые англоязычных стран произносят его наименование как «си» или употребляют слово «силикон». Отсюда происходит известное на весь мир название долины, которая является научно-исследовательской и производственной площадкой компьютерной техники. Русскоязычное население называет элемент кремнием (от древнегреческого слова «утес, гора»).

Нахождение в природе: месторождения

Целые горные системы сложены из соединений кремния, который в чистом виде не встречается, ведь все известные минералы являются диоксидами или силикатами (алюмосиликатами). Удивительные по красоте камни используются людьми в качестве поделочного материала - это опалы, аметисты, кварцы различных типов, яшма, халцедон, агат, горный хрусталь, сердолик и многие другие. Образовались они благодаря вхождению в состав кремния различных веществ, которые определили их плотность, структуру, цвет и направление использования. Весь неорганический мир можно связать с этим химическим элементом, который в природной среде образует прочные связи с металлами и не металлами (цинк, магний, кальций, марганец, титан и т. д.). По сравнению с другими веществами, кремний достаточно легкодоступен для добычи в производственных масштабах: он содержится в большинстве видов руды и минералов. Поэтому активно разрабатываемые месторождения привязываются скорее к доступным источникам энергии, чем к территориальным скоплениям вещества. Кварциты и кварцевые пески есть во всех странах мира. Наиболее крупными производителями и поставщиками кремния являются: Китай, Норвегия, Франция, США (Западная Вирджиния, Огайо, Алабама, Нью-Йорк), Австралия, ЮАР, Канада, Бразилия. Все изготовители используют различные способы, которые зависят от вида выпускаемой продукции (технический, полупроводниковый, высокочастотный кремний). Химический элемент, дополнительно обогащенный или, наоборот, очищенный от всех видов примесей, имеет индивидуальные свойства, от которых зависит его дальнейшее использование. Это относится и к данному веществу. Строение кремния определяет сферу его применения.

История использования

Очень часто из-за схожести наименований люди путают кремний и кремень, однако понятия эти не тождественны. Внесем ясность. Как уже упоминалось, в природе кремний в чистом виде не встречается, чего нельзя сказать о его соединениях (тот же кремнезем). Основные минералы и горные породы, образуемые диоксидом рассматриваемого нами вещества — это песок (речной и кварцевый), кварц и кварциты, и кремень. О последнем слышали, должно быть, все, ведь ему придается большое значение в истории развития человечества. С данным камнем связывают первые орудия труда, созданные людьми в период каменного века. Его острые грани, образующиеся при откалывании от основной породы, значительно облегчали труд древних домохозяек, а возможность заострения - охотников и рыболовов. Кремень не обладал прочностью металлических изделий, но вышедшие из строя инструменты было легко заменить новыми. Его использование в качестве огнива продолжалось многие века - вплоть до изобретения альтернативных источников.

Что касается современных реалий, свойства кремния позволяют эксплуатировать вещество для отделки помещений или создания керамической посуды, при этом, помимо прекрасного эстетичного вида, он имеет множество отличных функциональных качеств. Отдельное направление его применения связано с изобретением стекла около 3000 лет назад. Это событие дало возможность создавать зеркала, посуду, мозаичные витражи из соединений, содержащих кремний. Формула начального вещества дополнялась необходимыми составляющими, что позволяло придавать изделию требуемый цвет и влияло на прочность стекла. Удивительные по красоте и разнообразию произведения искусства были сделаны человеком из минералов и камней, содержащих кремний. Целебные свойства этого элемента были описаны учеными древности и применялись на протяжении всей истории человечества. Им выкладывали колодцы для питьевой воды, кладовые для хранения продуктов, использовали как в быту, так и в медицине. Порошок, полученный в результате измельчения, прикладывали к ранам. Особое внимание уделялось воде, которая настаивалась в посуде, сделанной из соединений, содержащих кремний. Химический элемент взаимодействовал с ее составом, что позволяло уничтожать ряд болезнетворных бактерий и микроорганизмов. И это еще далеко не все отрасли, где рассматриваемое нами вещество весьма и весьма востребовано. Строение кремния обуславливает его многофункциональность.

Свойства

Для более подробного ознакомления с особенностями вещества его необходимо рассмотреть с учетом всех возможных свойств. План характеристики химического элемента кремния включает в себя физические свойства, электрофизические показатели, изучение соединений, реакции и условия их прохождения и т. д. Кремний в кристаллической форме имеет темно-серый с металлическим отливом цвет. Решетка гранецентрированная кубическая имеет сходство с углеродной (алмаз), но за счет большей длины связей не настолько прочная. Пластичным её делает нагревание до 800 о С, в остальных случаях она остается хрупкой. Физические свойства кремния делают это вещество поистине уникальным: он является прозрачным для инфракрасного излучения. Температура плавления - 1410 0 С, кипения - 2600 0 С, плотность при нормальных условиях - 2330 кг/м 3 . Теплопроводность непостоянна, для различных образцов она принимается в приблизительном значении 25 0 С. Свойства атома кремния позволяют использовать его в качестве полупроводника. Это направление применения наиболее востребовано в современном мире. На величину электропроводности оказывает влияние состав кремния и элементы, находящиеся в соединении с ним. Так, для повышенной электронной проводимости используются сурьма, мышьяк, фосфор, для дырчатой - алюминий, галлий, бор, индий. При создании приборов с кремнием в качестве проводника применяется поверхностная обработка определенным агентом, который и оказывает влияние на работу аппарата.

Свойства кремния как отличного проводника используются достаточно широко в современном приборостроении. Особенно актуально его применение при производстве сложной техники (например, современные вычислительные устройства, компьютеры).

Кремний: характеристика химического элемента

В большинстве случаев кремний четырехвалентен, также встречаются связи, в которых он может иметь значение +2. При нормальных условиях он малоактивен, имеет прочные соединения, при комнатной температуре может вступить в реакцию только со фтором, находящимся в газообразном агрегатном состоянии. Это объясняется эффектом блокирования поверхности диоксидной пленкой, который наблюдается при взаимодействии с окружающим кислородом или водой. Для стимуляции реакций необходимо применять катализатор: повышение температуры идеально подходит для такого вещества, как кремний. Химический элемент взаимодействует с кислородом при 400-500 0 С, в результате диоксидная пленка увеличивается, идет процесс окисления. При повышении температуры до 50 0 С наблюдается реакция с бромом, хлором, йодом, в результате чего образуются летучие тетрагалогениды. С кислотами кремний не взаимодействует, исключение составляет смесь фтористоводородной и азотной, при этом любая щелочь в нагретом состоянии является растворителем. Кремневодороды образуются только путем разложения силицидов, в реакцию с водородом он не вступает. Наибольшей прочностью и химической пассивностью отличаются соединения с бором и углеродом. Высокую стойкость по отношению к щелочам и кислотам имеет соединение с азотом, которое происходит при температуре свыше 1000 0 С. Силициды получаются при реакции с металлами, и в этом случае от дополнительного элемента зависит валентность, которую показывает кремний. Формула вещества, образованного при участии переходного металла, является стойкой к воздействию кислот. Строение атома кремния напрямую влияет на его свойства и способность взаимодействовать с другими элементами. Процесс образования связей в природе и при воздействиях на вещество (в лабораторных, промышленных условиях) различается значительно. Строение кремния предполагает его химическую активность.

Строение

Кремния имеет свои особенности. Заряд ядра +14, что соответствует порядковому номеру в периодической системе. Количество заряженных частиц: протонов - 14; электронов - 14; нейтронов - 14. Схема строения атома кремния имеет следующий вид: Si +14) 2) 8) 4. На последнем (внешнем) уровне расположено 4 электрона, что определяет степень окисления со знаком «+» или «-». Оксид кремния имеет формулу SiO 2 (валентность 4+), летучее водородное соединение - SiH 4 (валентность -4). Большой объем атома кремния позволяет в некоторых соединениях иметь координационное число 6, например, при соединении со фтором. Молярная масса - 28, радиус атома - 132 пм, конфигурация электронной оболочки: 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 2 .

Применение

Поверхностно или полностью легированный кремний используется в качестве полупроводника при создании многих, в том числе высокоточных, приборов (например, солнечные фотоэлементы, транзисторы, выпрямители тока и т. д.). Сверхчистый кремний применяется для создания солнечных батарей (энергетика). Монокристаллический вид используется для изготовления зеркал и газового лазера. Из соединений кремния получают стекло, керамическую плитку, посуду, фарфор, фаянс. Многообразие получаемых видов товаров описать сложно, их эксплуатация происходит на бытовом уровне, в искусстве и науке, на производстве. Получаемый цемент служит сырьем для создания строительных смесей и кирпича, отделочных материалов. Распространение масел, смазки на основе позволяет значительно уменьшить силу трения в подвижных частях многих механизмов. Силициды за счет уникальных свойств в области противодействия агрессивным средам (кислотам, температурам) широко применяются в промышленности. Их электрические, ядерные и химические показатели принимают во внимание специалисты на сложных производствах, не последнюю роль играет и строение атома кремния.

Мы перечислили самые наукоемкие и передовые на сегодняшний день сферы применения. Наиболее распространенный, изготавливаемый в больших объемах технический кремний используется по целому ряду направлений:

1. В качестве сырья для производства более чистого вещества.
2. Для легирования сплавов в металлургической промышленности: наличие кремния увеличивает тугоплавкость, повышает устойчивость к коррозии и механическую прочность (при избытке данного элемента сплав может оказаться слишком хрупким).
3. В качестве раскислителя для удаления лишнего кислорода из металла.
4. Сырье для производства силанов (соединений кремния с органическими веществами).
5. Для производства водорода из сплава кремния с железом.
6. Изготовление солнечных батарей.

Велико значение данного вещества и для нормального функционирования организма человека. Строение кремния, его свойства являются в данном случае определяющими. При этом переизбыток или недостаток его ведет к серьезным заболеваниям.

В организме человека

Медицина достаточно давно использует кремний в качестве бактерицидного и антисептического средства. Но при всей пользе наружного применения данный элемент должен постоянно возобновляться в организме человека. Нормальный уровень его содержания позволит улучшить жизнедеятельность в целом. В случае его недостатка более 70 микроэлементов и витаминов не будут усвоены организмом, что значительно понизит сопротивляемость к целому ряду заболеваний. Наибольшее процентное соотношение кремния наблюдается в костях, коже, сухожилиях. Он играет роль структурного элемента, который поддерживает прочность и придает упругость. Все скелетные твердые ткани формируются за счет его соединений. В результате последних исследований обнаружено содержание кремния в почках, поджелудочной железе и соединительных тканях. Роль данных органов в функционировании организма достаточно велика, поэтому снижение его содержания губительно отразится на многих основных показателях жизнеобеспечения. В сутки с пищей и водой организм должен получать 1 грамм кремния - это поможет избежать возможных болезней, таких как воспалительные процессы кожного покрова, размягчение костей, образование камней в печени, почках, ухудшение зрения, состояния волос и ногтей, атеросклероз. При достаточном уровне содержания данного элемента повышается иммунитет, нормализуются обменные процессы, улучшается усвоение многих элементов, необходимых для здоровья человека. Наибольшее количество кремния - в злаковых культурах, редисе, гречневой крупе. Значительную пользу принесет кремниевая вода. Для определения количества и частоты ее использования лучше проконсультироваться со специалистом.

Второй представитель элементов главной подгруппы IV группы (IVА группы) Периодической системы Д. И. Менделеева - кремний Si.

В природе кремний - второй по распространённости после кислорода химический элемент. Земная кора более чем на четверть состоит из его соединений. Наиболее распространённым соединением кремния является оксид кремния (IV) SiO 2 , другое его название - кремнезём.

В природе он образует минерал кварц (рис. 158), многие разновидности которого - горный хрусталь и его знаменитая лиловая форма - аметист, а также агат, опал, яшма, халцедон, сердолик, известны как поделочные и полудрагоценные камни. Из оксида кремния (IV) состоят также обычный и кварцевый песок.

Рис. 158.
Кристаллы кварца, вкраплённые в доломит

Из разновидностей минералов на основе оксида кремния (IV) (кремня, халцедона и др.) первобытные люди изготовляли орудия труда. Именно кремень, этот невзрачный и не очень прочный камень, положил начало каменному веку - веку кремнёвых орудий труда (рис. 159). Причин этому две: распространённость и доступность кремня, а также его способность образовывать при сколе острые режущие края.

Рис. 159.
Орудия каменного века

Второй тип природных соединений кремния - это силикаты. Среди них наиболее распространены алюмосиликаты (понятно, что эти силикаты содержат химический элемент алюминий). К алюмосиликатам относят гранит, различные виды глин, слюды. Силикатом, не содержащим алюминия, является, например, асбест, из которого изготавливают огнеупорные ткани.

Оксид кремния (IV) SiO 2 необходим для жизни растений и животных. Он придаёт прочность стеблям растений и защитным покровам животных (рис. 160). Благодаря ему тростники, камыши и хвощи стоят крепко, как штыки, острые листья осоки режут, как ножи, стерня на скошенном поле колет, как иголки, а стебли злаков настолько крепки, что не позволяют ниве на полях ложиться от дождя и ветра. Чешуя рыб, панцири насекомых, крылья бабочек, перья птиц и шерсть животных прочны, так как содержат кремнезём.

Рис. 160.
Оксид кремния (IV) придаёт прочность стеблям растений и защитным покровам животных

Соединения кремния придают гладкость и прочность волосам и ногтям человека.

Кремний входит и в состав низших живых организмов - диатомовых водорослей и радиолярий, нежнейших комочков живой материи, которые создают свои непревзойдённые по красоте скелеты из кремнезёма (рис. 161).

Рис. 161.
Скелеты диатомовых водорослей (а) и радиолярий (б) состоят из кремнезёма

Свойства кремния . Вы пользуетесь микрокалькулятором с солнечной батарейкой и поэтому имеете представление о кристаллическом кремнии. Это полупроводник. В отличие от металлов, с повышением температуры его электропроводность увеличивается. На спутниках, космических кораблях, станциях и крышах домов (рис. 162) устанавливают солнечные батареи, преобразующие солнечную энергию в электрическую. В них работают кристаллы полупроводников, и в первую очередь кремния. Кремниевые фотоэлементы могут превратить в электрическую до 10% поглощённой солнечной энергии.

Рис. 162.
Солнечная батарея на крыше дома

Кремний горит в кислороде, образуя уже известный вам оксид кремния (IV):

Будучи неметаллом, при нагревании кремний соединяется с металлами с образованием силицидов, например:

Силициды легко разлагаются водой или кислотами, при этом выделяется газообразное водородное соединение кремния - силан:

В отличие от углеводородов, силан на воздухе самовоспламеняется и сгорает с образованием оксида кремния (IV) и воды:

Повышенная реакционная способность силана по сравнению с метаном СН 4 объясняется тем, что размер атома у кремния больше, чем у углерода, поэтому химические связи Si-Н менее прочные, чем связи С-Н.

Кремний взаимодействует с концентрированными водными растворами щелочей, образуя силикаты и водород:

Кремний получают, восстанавливая его из оксида кремния (IV) магнием или углеродом:

Оксид кремния (IV), или диоксид кремния, или кремнезём SiO 2 , как и СO 2 , является кислотным оксидом. Однако в отличие от С02 имеет не молекулярную, а атомную кристаллическую решётку. Поэтому SiO 2 твёрдое и тугоплавкое вещество. Он не растворяется в воде и кислотах, кроме, как вы знаете, плавиковой, но взаимодействует при высоких температурах с щелочами с образованием солей кремниевой кислоты - силикатов:

Силикаты можно получить также сплавлением оксида кремния (IV) с оксидами металлов или с карбонатами:

Силикаты натрия и калия называют растворимым стеклом. Их водные растворы - это хорошо известный силикатный клей.

Из растворов силикатов действием на них более сильных кислот - соляной, серной, уксусной и даже угольной получается кремниевая кислота H 2 SiO 3 (рис. 163):

Рис. 163. Качественная реакция на силикат-ион

Следовательно, H 2 SiO 3 очень слабая кислота. Она нерастворима в воде и выпадает из реакционной смеси в виде студенистого осадка, иногда заполняющего компактно весь объём раствора, превращая его в полутвёрдую массу, похожую на студень, желе. При высыхании этой массы образуется высокопористое вещество - силикагель, широко применяемый в качестве адсорбента - поглотителя других веществ.

Лабораторный опыт № 40
Получение кремниевой кислоты и изучение её свойств

Применение кремния . Вы уже знаете, что кремний применяют для получения полупроводниковых материалов, а также кислотоупорных сплавов. При сплавлении кварцевого песка с углём при высоких температурах образуется карбид кремния SiC, который по твёрдости уступает только алмазу. Поэтому его используют для затачивания резцов металлорежущих станков и шлифовки драгоценных камней.

Из расплавленного кварца изготавливают различную кварцевую химическую посуду, которая может выдерживать высокую температуру и не трескается при резком охлаждении.

Соединения кремния служат основой для производства стекла и цемента.

Обычное оконное стекло имеет состав, который можно выразить формулой Na 2 O СаО 6SiO 2 . Его получают в специальных стекловаренных печах сплавлением смеси соды, известняка и песка.

Отличительная особенность стекла - способность размягчаться и в расплавленном состоянии принимать любую форму, которая сохраняется при застывании стекла. На этом основано производство посуды и других изделий из стекла.

Дополнительные качества стеклу придают различные добавки. Так, введением оксида свинца получают хрустальное стекло, оксид хрома окрашивает стекло в зелёный цвет, оксид кобальта - в синий и т. д. (рис. 164).

Рис. 164.
Изделия из цветного стекла

Стекло - одно из древнейших изобретений человечества. Уже 3-4 тыс. лет назад производство стекла было развито в Египте, Сирии, Финикии и Причерноморье.

Стекло - это материал не только ремесленников, но и художников. Высокого совершенства достигли мастера Древнего Рима, которые умели получать цветные стёкла и делать из их кусочков мозаики.

Рис. 165.
Цветное стекло в витражах собора Нотр-Дам, Шартр

Произведения искусства из стекла являются обязательными атрибутами любого крупного музея, и цветные витражи церквей, мозаичные панно - яркие тому примеры (рис. 165). В одном из помещений Санкт-Петербургского отделения Российской академии наук находится мозаичный портрет Петра I, выполненный М. В. Ломоносовым (рис. 166).

Рис. 166.
Мозаичный портрет Петра I

Области применения стекла очень обширны. Это оконное, бутылочное, ламповое, зеркальное стекло; стекло оптическое - от стёкол очков до стёкол фотокамер; линзы бесчисленных оптических приборов - от микроскопов до телескопов.

Другой важный материал, получаемый на основе соединения кремния, - цемент. Его получают спеканием глины и известняка в специальных вращающихся печах.

Если порошок цемента смешать с водой, то образуется цементное тесто, или, как его называют строители, «цементный раствор», который постепенно затвердевает. При добавлении к цементу песка или щебня в качестве наполнителя получают бетон. Прочность бетона возрастает, если в него вводится железный каркас, - получается железобетон, из которого изготавливают стеновые панели, блоки перекрытий, фермы мостов и т. д.

Производством стекла и цемента занимается силикатная промышленность. Она также выпускает силикатную керамику - кирпич, фарфор (рис. 167), фаянс и изделия из них.

Рис. 167.
Фарфоровые изделия

Открытие кремния . Хотя уже в глубокой древности люди широко использовали в быту соединения кремния, сам кремний был впервые получен в 1824 г. шведским химиком Й. Я. Берцелиусом. Однако за 12 лет до него кремний получили Ж. Гей-Люссак и Л. Тенар, но он был очень загрязнён примесями.

Латинское название силициум берёт своё начало от латинского слова силекс- «кремень». Русское название «кремний» происходит от греческого кремнос - «утёс, скала».

Новые слова и понятия

1. Природные соединения кремния: кремнезём, кварц и его разновидности, силикаты, алюмосиликаты, асбест.
2. Биологическое значение кремния.
3. Свойства кремния: полупроводниковые, взаимодействие с кислородом, металлами, щелочами.
4. Силан.
5. Оксид кремния (IV). Его строение и свойства: взаимодействие с щелочами, основными оксидами, карбонатами и магнием.
6. Кремниевая кислота и её соли. Растворимое стекло.
7. Применение кремния и его соединений.
8. Стекло.
9. Цемент.

Кремний (Si) – стоит в 3 периоде, IV группе главной подгруппы периодической системы. Физические свойства: кремний существует в двух модификациях: аморфной и кристаллической. Аморфный кремний – порошок бурого цвета, плотностью 2,33 г/см3, растворяется в расплавах металлов. Кристаллический кремний – это кристаллы темно-серого цвета, обладающие стальным блеском, твердый и хрупкий, плотностью 2,4 г/см3. Кремний состоит из трех изотопов: Si (28), Si (29), Si (30).

Химические свойства: электронная конфигурация: 1s22s22p6 3 s2 3p2 . Кремний – неметалл. На внешнем энергетическом уровне кремний имеет 4 электрона, что обуславливает его степени окисления: +4, -4, -2. Валентность – 2, 4. Аморфный кремний обладает большей реакционной способностью, чем кристаллический. При обычных условиях он взаимодействует со фтором: Si + 2F2 = SiF4. При 1000 °C Si реагирует с неметаллами: с CL2, N2, C, S.

Из кислот кремний взаимодействует только со смесью азотной и плавиковой кислот:

По отношению к металлам ведет себя по-разному: в расплавленных Zn, Al, Sn, Pb он хорошо растворяется, но не реагирует с ними; с другими расплавами металлов – с Mg, Cu, Fe кремний взаимодействует с образованием силицидов: Si + 2Mg = Mg2Si. Кремний горит в кислороде: Si + O2 = SiO2 (песок).

Диоксид кремния или кремнезем – стойкое соединение Si , широко распространен в природе. Реагирует со сплавлением его с щелочами, основными оксидами, образуя соли кремниевой кислоты – силикаты. Получение: в промышленности кремний в чистом виде получают восстановлением диоксида кремния коксом в электропечах: SiO2 + 2С = Si + 2СO?.

В лаборатории кремний получают прокаливанием с магнием или алюминием белого песка:

SiO2 + 2Mg = 2MgO + Si.

3SiO2 + 4Al = Al2О3 + 3Si.

Кремний образует кислоты: Н2SiO3 – мета-кремниевая кислота; Н2Si2O5 – двуметакремниевая кислота.

Нахождение в природе: минерал кварц – SiO2. Кристаллы кварца имеют форму шестигранной призмы, бесцветные и прозрачные, называются горным хрусталем. Аметист – горный хрусталь, окрашенный примесями в лиловый цвет; дымчатый топаз окрашен в буроватый цвет; агат и яшма – кристаллические разновидности кварца. Аморфный кремнезем менее распространен и существует в виде минерала опала – SiO2 nН2О. Диатомит, трепел или кизельгур (инфузорная земля) – землистые формы аморфного кремния.

42. Понятие коллоидных растворов

Коллоидные растворы – высокодисперсные двухфазные системы, состоящие из дисперсионной среды и дисперсной фазы. По размерам частиц являются промежуточными между истинными растворами, суспензиями и эмульсиями. У коллоидных частиц молекулярный или ионный состав.

Существуют три типа внутренней структуры первичных частиц.

1. Суспензоиды (или необратимые коллоиды) – гетерогенные системы, свойства которых можно определить развитой межфазовой поверхностью. По сравнению с суспензиями более высокодисперсные. Не могут долго существовать без стабилизатора дисперсности. Их называют необратимыми коллоидами из-за того, что их осадки после выпаривания вновь не образуют золей. Их концентрация мала – 0,1 %. От вязкости дисперсной среды отличаются незначительно.

Суспензоиды можно получить:

1) методами диспергирования (измельчение крупных тел);

2) методами конденсации (получение нерастворимых соединений при помощи реакций обмена, гидролиза и т. п.).

Самопроизвольное уменьшение дисперсности у суспензоидов зависит от свободной поверхностной энергии. Чтобы получить длительно сохраняющуюся суспензию, необходимы условия для ее стабилизации.

Устойчивые дисперсные системы:

1) дисперсионная среда;

2) дисперсная фаза;

3) стабилизатор дисперсной системы.

Стабилизатор может быть ионный, молекулярный, но чаще всего – высокомолекулярный.

Защитные коллоиды – высокомолекулярные соединения, которые добавляют для стабилизации (белки, пептиды, поливиниловый спирт и др.).

2. Ассоциативные (или мицеллярные коллоиды) – полуколлоиды, возникающие при достаточной концентрации молекул, состоящих из углеводородных радикалов (дифильные молекулы) низкомолекулярных веществ при ассоциации их в агрегаты молекул (мицеллы). Мицеллы образуются в водных растворах моющих средств (мыл), органических красителей.

3. Молекулярные коллоиды (обратимые или лиофильные коллоиды) – природные и синтетические высокомолекулярные вещества с большим молекулярным весом. Молекулы их имеют размер коллоидных частиц (макромолекулы).

Разбавленные растворы коллоидов высокомолекулярных соединений – гомогенные растворы. При сильном разбавлении эти растворы подчиняются законам разбавленных растворов.

Неполярные макромолекулы растворяются в углеводородах, полярные – в полярных растворителях.

Обратимые коллоиды – вещества, сухой остаток которых при добавлении новой порции растворителя вновь переходит в раствор.

Кремний открыл и получил в 1823 году шведский химик Йенс Якоб Берцелиус.

Второй по распространённости элемент в земной коре после кислорода (27,6% по массе). Встречается в соединениях.

Строениеатома кремния в основном состоянии 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2

Строение атома кремния в возбуждённомсостоянии 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3 Степени окисления: +4, -4.

Аллотропия кремния

Известен аморфный и кристаллический кремний.

Поликристаллический кремний

Кристаллический – тёмно-серое вещество с металлическим блеском, большая твёрдость, хрупок, полупроводник; ρ = 2,33 г/см 3 , t°пл. =1415°C; t°кип. = 2680°C.

Имеет алмазоподобную структуру и образует прочные ковалентные связи. Инертен.

Аморфный - бурый порошок, гигроскопичен, алмазоподобная структура, ρ = 2 г/см 3 , более реакционноспособен.

Получение кремния

1) Промышленность – нагревание угля с песком:

2C + SiO 2 t ˚ → Si + 2CO

2) Лаборатория – нагревание песка с магнием :

2Mg + SiO 2 t ˚ → Si + 2MgO Опыт

Химические свойства

Типичный неметалл, инертен.

Как восстановитель:

1) С кислородом

Si 0 + O 2 t ˚ → Si +4 O 2

2) С фтором (без нагревания)

Si 0 + 2F 2 →SiF 4 ­

3) С углеродом

Si 0 + C t ˚ → Si +4 C

(SiC - карборунд - твёрдый; используется для точки и шлифовки)

4) С водородом не взаимодействует.

Силан (SiH 4) получают разложением силицидов металлов кислотой:

Mg 2 Si + 2H 2 SO 4 → SiH 4 ­ + 2MgSO 4

5) С кислотами не реагирует (т олько с плавиковой кислотой Si +4 HF = SiF 4 +2 H 2 )

Растворяется только в смеси азотной и плавиковой кислот:

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

6) Со щелочами (при нагревании):

Как окислитель:

7) С металлами (образуются силициды):

Si 0 + 2Mg t ˚ →Mg 2 Si -4

Кремний широко используется в электронике как полупроводник. Добавки кремния к сплавам повышают их коррозионную стойкость. Силикаты, алюмосиликаты и кремнезем – основное сырье для производства стекла и керамики, а также для строительной промышленности.
Кремний в технике
Применение кремния и его соединений

Силан - SiH 4

Физические свойства: Бесцветный газ, ядовит, t°пл. = -185°C, t°кип. = -112°C.

Получение кремниевой кислоты

Действие сильных кислот на силикаты - Na 2 SiO 3 + 2HCl → 2NaCl + H 2 SiO 3 ↓

Химические свойства:

При нагревании разлагается: H 2 SiO 3 t ˚ → H 2 O + SiO 2

Соли кремниевой кислоты - силикаты .

1) с кислотами

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

2) с солями

Na 2 SiO 3 +CaCl 2 =2NaCl+CaSiO 3 ↓

3) Силикаты, входящие в состав минералов, в природных условиях разрушаются под действием воды и оксида углерода (IV) - выветривание горных пород:

(K 2 O Al 2 O 3 6SiO 2)(полевой шпат) + CO 2 + 2H 2 O → (Al 2 O 3 2SiO 2 2H 2 O)(каолинит (глина)) + 4SiO 2 (кремнезём (песок)) + K 2 CO 3

Применение соединений кремния

Природные соединения кремния - песок (SiO 2) и силикаты используются для производства керамики, стекла и цемента.

Керамика
Фарфор = каолин+ глина + кварц + полевой шпат. Родина фарфора – Китай, где фарфор известен уже в 220г. В 1746 г – налажено производство фарфора в России	Фаянс - от названия итальянского города Фаэнца. Где в 14-15веках было развито керамическое ремесленничество. Фаянс – отличается от фарфора большим содержанием глины (85%), более низкой температурой обжига.