Kisel: egenskaper, egenskaper och tillämpningar. Kisel (kemiskt element): egenskaper, egenskaper, formel. Historia om upptäckten av kisel Karakteristika för kisel kemiska egenskaper

Som ett oberoende kemiskt element blev kisel känt för mänskligheten först 1825. Vilket naturligtvis inte hindrade användningen av kiselföreningar på så många områden att det är lättare att lista de där grundämnet inte används. Den här artikeln kommer att belysa de fysikaliska, mekaniska och användbara kemiska egenskaperna hos kisel och dess föreningar, applikationer, och vi kommer också att prata om hur kisel påverkar egenskaperna hos stål och andra metaller.

Låt oss först titta på de allmänna egenskaperna hos kisel. Från 27,6 till 29,5 % av massan av jordskorpan är kisel. I havsvatten är koncentrationen av grundämnet också betydande - upp till 3 mg/l.

När det gäller överflöd i litosfären rankas kisel på andra plats efter syre. Dess mest kända form, kiseldioxid, är dock en dioxid, och det är dess egenskaper som har blivit grunden för en sådan utbredd användning.

Den här videon kommer att berätta vad kisel är:

Koncept och funktioner

Kisel är en icke-metall, men kan under olika förhållanden uppvisa både sura och basiska egenskaper. Det är en typisk halvledare och används extremt flitigt inom elektroteknik. Dess fysikaliska och kemiska egenskaper bestäms till stor del av dess allotropa tillstånd. Oftast handlar de om den kristallina formen, eftersom dess kvaliteter är mer efterfrågade i den nationella ekonomin.

• Kisel är ett av de grundläggande makroelementen i människokroppen. Dess brist har en skadlig effekt på tillståndet för benvävnad, hår, hud och naglar. Dessutom påverkar kisel immunsystemets prestanda.
• Inom medicinen hittade grundämnet, eller snarare dess föreningar, sin första tillämpning just i denna egenskap. Vatten från brunnar fodrade med kisel var inte bara rent, utan hade också en positiv effekt på motståndskraften mot infektionssjukdomar. Idag tjänar föreningar med kisel som grund för läkemedel mot tuberkulos, åderförkalkning och artrit.
• I allmänhet är icke-metallen lågaktiv, men det är svårt att hitta den i sin rena form. Detta beror på att det i luft snabbt passiveras av ett lager av dioxid och slutar reagera. Vid upphettning ökar den kemiska aktiviteten. Som ett resultat är mänskligheten mycket mer bekant med materiens sammansättningar, snarare än med sig själv.

Således bildar kisel legeringar med nästan alla metaller - silicider. Alla kännetecknas av eldfasthet och hårdhet och används i lämpliga områden: gasturbiner, ugnsvärmare.

Icke-metallen placeras i D.I. Mendeleevs tabell i grupp 6 tillsammans med kol och germanium, vilket indikerar en viss gemensamhet med dessa ämnen. Sålunda, vad det har gemensamt med kol är dess förmåga att bilda föreningar av organisk typ. Samtidigt kan kisel, liksom germanium, uppvisa egenskaperna hos en metall i vissa kemiska reaktioner, som används i syntesen.

För- och nackdelar

Liksom alla andra substanser ur användningssynpunkt i den nationella ekonomin har kisel vissa användbara eller inte särskilt användbara egenskaper. De är viktiga just för att bestämma användningsområdet.

• En betydande fördel med ämnet är dess tillgänglighet. I naturen finns det visserligen inte i fri form, men ändå är tekniken för att tillverka kisel inte så komplicerad, även om den är energikrävande.
• Den näst viktigaste fördelen är bildning av många föreningar med ovanligt användbara egenskaper. Dessa inkluderar silaner, silicider, dioxid och, naturligtvis, en mängd olika silikater. Förmågan hos kisel och dess föreningar att bilda komplexa fasta lösningar är nästan oändlig, vilket gör det möjligt att oändligt få en mängd olika varianter av glas, sten och keramik.
• Halvledaregenskaper icke-metall ger den en plats som basmaterial inom el- och radioteknik.
• Icke-metall är giftfri, som tillåter användning i alla branscher, och samtidigt inte förvandlar den tekniska processen till en potentiellt farlig.

Nackdelarna med materialet inkluderar endast relativ bräcklighet med god hårdhet. Kisel används inte för bärande strukturer, men denna kombination gör att kristallernas yta kan bearbetas korrekt, vilket är viktigt för instrumenttillverkning.

Låt oss nu prata om de grundläggande egenskaperna hos kisel.

Egenskaper och egenskaper

Eftersom kristallint kisel oftast används inom industrin är det dess egenskaper som är viktigare, och det är de som anges i de tekniska specifikationerna. Ämnets fysikaliska egenskaper är följande:

• smältpunkt - 1417 C;
• kokpunkt - 2600 C;
• densiteten är 2,33 g/cu. cm, vilket indikerar bräcklighet;
• värmekapacitet, såväl som värmeledningsförmåga, är inte konstanta ens på de renaste proverna: 800 J/(kg K), eller 0,191 cal/(g grader) och 84-126 W/(m K), eller 0,20-0, 30 cal/(cm·sek·°) respektive;
• transparent för långvågig infraröd strålning, som används i infraröd optik;
• dielektrisk konstant – 1,17;
• hårdhet på Mohs-skalan – 7.

De elektriska egenskaperna hos en icke-metall är starkt beroende av föroreningar. Inom industrin används denna funktion genom att modulera önskad typ av halvledare. Vid normala temperaturer är kisel sprött, men vid upphettning över 800 C är plastisk deformation möjlig.

Egenskaperna hos amorft kisel är slående olika: det är mycket hygroskopiskt och reagerar mycket mer aktivt även vid normala temperaturer.

Strukturen och kemiska sammansättningen, såväl som egenskaperna hos kisel diskuteras i videon nedan:

Sammansättning och struktur

Kisel finns i två allotropa former, som är lika stabila vid normala temperaturer.

• Kristall har utseendet av ett mörkgrått pulver. Ämnet, även om det har ett diamantliknande kristallgitter, är bräckligt på grund av de alltför långa bindningarna mellan atomerna. Av intresse är dess halvledaregenskaper.
• Vid mycket höga tryck kan man få hexagonal modifiering med en densitet av 2,55 g/cu. cm. Denna fas har dock ännu inte funnit någon praktisk betydelse.
• Amorf– brunbrunt pulver. Till skillnad från den kristallina formen reagerar den mycket mer aktivt. Detta beror inte så mycket på den första formens tröghet, utan på det faktum att ämnet i luften är täckt med ett lager av dioxid.

Dessutom är det nödvändigt att ta hänsyn till en annan typ av klassificering relaterad till storleken på kiselkristallen, som tillsammans bildar ämnet. Ett kristallgitter förutsätter som bekant ordning inte bara av atomer, utan också av de strukturer som dessa atomer bildar - den så kallade långdistansordningen. Ju större den är, desto mer homogen blir ämnet i egenskaper.

• Monokristallin– provet är en kristall. Dess struktur är maximalt ordnad, dess egenskaper är homogena och väl förutsägbara. Detta är det material som är mest efterfrågat inom elektroteknik. Men det är också en av de dyraste arterna, eftersom processen för att få den är komplex och tillväxthastigheten är låg.
• Multikristallin– provet består av ett antal stora kristallina korn. Gränserna mellan dem bildar ytterligare defektnivåer, vilket minskar provets prestanda som halvledare och leder till snabbare slitage. Tekniken för att odla multikristaller är enklare, och därför är materialet billigare.
• Polykristallin– består av ett stort antal korn placerade slumpmässigt i förhållande till varandra. Detta är den renaste typen av industriellt kisel, som används i mikroelektronik och solenergi. Används ganska ofta som råvara för att odla multi- och enkristaller.
• Amorft kisel intar också en separat position i denna klassificering. Här upprätthålls ordningen på atomerna endast på de kortaste avstånden. Men inom elektroteknik används det fortfarande i form av tunna filmer.

Icke-metallproduktion

Att få rent kisel är inte så lätt, med tanke på inertheten hos dess föreningar och den höga smältpunkten för de flesta av dem. Inom industrin tar man oftast till reduktion med kol från dioxid. Reaktionen utförs i ljusbågsugnar vid en temperatur av 1800 C. På detta sätt erhålls en icke-metall med en renhet på 99,9%, vilket inte räcker för dess användning.

Det resulterande materialet kloreras för att producera klorider och hydroklorider. Sedan renas föreningarna med alla möjliga metoder från föroreningar och reduceras med väte.

Ämnet kan också renas genom att erhålla magnesiumsilicid. Siliciden utsätts för salt- eller ättiksyra. Silan erhålls, och den senare renas med olika metoder - sorption, rektifiering och så vidare. Därefter sönderdelas silanen till väte och kisel vid en temperatur av 1000 C. I detta fall erhålls ett ämne med en föroreningsfraktion på 10 -8 -10 -6%.

Användning av ämnet

För industrin är de elektrofysiska egenskaperna hos en icke-metall av största intresse. Dess enkristallform är en halvledare med indirekt gap. Dess egenskaper bestäms av föroreningar, vilket gör det möjligt att erhålla kiselkristaller med specificerade egenskaper. Således gör tillsatsen av bor och indium det möjligt att odla en kristall med hålledningsförmåga, och införandet av fosfor eller arsenik gör det möjligt att odla en kristall med elektronisk ledningsförmåga.

• Kisel fungerar bokstavligen som grunden för modern elektroteknik. Transistorer, fotoceller, integrerade kretsar, dioder och så vidare är gjorda av det. Dessutom bestäms anordningens funktionalitet nästan alltid endast av kristallens ytnära skikt, vilket bestämmer mycket specifika krav för ytbehandling.
• Inom metallurgin används tekniskt kisel både som legeringsmodifierare - det ger större hållfasthet, och som komponent - i till exempel och som deoxidationsmedel - vid tillverkning av gjutjärn.
• Ultrarena och renade metallurgiska material utgör grunden för solenergi.
• Ickemetallisk dioxid förekommer i naturen i många olika former. Dess kristallina varianter - opal, agat, karneol, ametist, bergkristall - har hittat sin plats i smycken. Modifieringar som inte är så attraktiva till utseendet - flinta, kvarts - används inom metallurgi, konstruktion och radioelektronik.
• En förening av en icke-metall med kol, karbid, används inom metallurgi, instrumenttillverkning och den kemiska industrin. Det är en bredbandshalvledare, kännetecknad av hög hårdhet - 7 på Mohs-skalan, och styrka, vilket gör att den kan användas som ett slipmaterial.
• Silikater - det vill säga salter av kiselsyra. Instabil, sönderdelas lätt under påverkan av temperatur. Deras anmärkningsvärda egenskap är att de bildar många och varierande salter. Men de senare är grunden för tillverkning av glas, keramik, lergods, kristall, etc. Vi kan säkert säga att modern konstruktion är baserad på en mängd olika silikater.
• Glas representerar det mest intressanta fallet här. Dess grund är aluminosilikater, men obetydliga inblandningar av andra ämnen - vanligtvis oxider - ger materialet en mängd olika egenskaper, inklusive färg. -, lergods, porslin, faktiskt, har samma formel, men med ett annat förhållande av komponenter, och dess mångfald är också fantastisk.
• Icke-metallen har ytterligare en förmåga: den bildar föreningar som kol, i form av en lång kedja av kiselatomer. Sådana föreningar kallas kiselorganiska föreningar. Omfattningen av deras tillämpning är inte mindre välkänd - dessa är silikoner, tätningsmedel, smörjmedel och så vidare.

Kisel är ett mycket vanligt inslag och är av ovanligt stor betydelse inom många delar av samhällsekonomin. Dessutom används inte bara själva ämnet, utan alla dess olika och många föreningar aktivt.

Den här videon kommer att berätta om egenskaperna och tillämpningarna av kisel:

DEFINITION

Kisel- det fjortonde elementet i det periodiska systemet. Beteckning - Si från latinets "kisel". Beläget i den tredje perioden, grupp IVA. Avser icke-metaller. Kärnladdningen är 14.

Kisel är ett av de vanligaste grundämnena i jordskorpan. Den utgör 27 % (vikt.) av den del av jordskorpan som är tillgänglig för vår studie, och rankas tvåa i överflöd efter syre. I naturen finns kisel endast i föreningar: i form av kiseldioxid SiO 2, kallad kiselanhydrid eller kiseldioxid, i form av salter av kiselsyror (silikater). Aluminosilikater är de mest utbredda i naturen, d.v.s. silikater innehållande aluminium. Dessa inkluderar fältspat, glimmer, kaolin, etc.

Liksom kol, som ingår i alla organiska ämnen, är kisel den viktigaste beståndsdelen i växt- och djurriket.

Under normala förhållanden är kisel en mörkgrå substans (fig. 1). Det ser ut som metall. Eldfast - smältpunkt är 1415 o C. Kännetecknas av hög hårdhet.

Ris. 1. Kisel. Utseende.

Atom- och molekylmassa av kisel

Den relativa molekylmassan för ett ämne (M r) är ett tal som visar hur många gånger massan av en given molekyl är större än 1/12 av en kolatoms massa, och den relativa atommassan för ett grundämne (A r) är hur många gånger den genomsnittliga massan av atomer i ett kemiskt element är större än 1/12 massa av en kolatom.

Eftersom kisel i det fria tillståndet finns i form av monoatomiska Si-molekyler, sammanfaller värdena för dess atom- och molekylmassa. De är lika med 28.084.

Allotropi och allotropa modifieringar av kisel

Kisel kan existera i form av två allotropa modifikationer: diamantliknande (kubisk) (stabil) och grafitliknande (instabil). Diamantliknande kisel är i ett fast aggregerat tillstånd och grafitliknande kisel är i ett amorft tillstånd. De skiljer sig också åt i utseende och kemisk aktivitet.

Kristallint kisel är ett mörkgrått ämne med en metallisk lyster, och amorft kisel är ett brunt pulver. Den andra modifieringen är mer reaktiv än den första.

Isotoper av kisel

Det är känt att kisel i naturen kan hittas i form av tre stabila isotoper 28 Si, 29 Si och 30 Si. Deras massnummer är 28, 29 respektive 30. Kärnan i en atom i kiselisotopen 28 Si innehåller fjorton protoner och fjorton neutroner, och isotoperna 29 Si och 30 Si innehåller samma antal protoner, femton respektive sexton neutroner.

Det finns konstgjorda isotoper av kisel med masstal från 22 till 44, bland vilka den längsta livslängden är 32 Si med en halveringstid på 170 år.

Kiseljoner

På den yttre energinivån av kiselatomen finns det fyra elektroner, som är valens:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 .

Som ett resultat av kemisk interaktion kan kisel ge upp sina valenselektroner, d.v.s. vara deras donator och förvandlas till en positivt laddad jon, eller ta emot elektroner från en annan atom, d.v.s. vara en acceptor och förvandlas till en negativt laddad jon:

Sio-4e → Si4+;

Sio +4e → Si4-.

Kiselmolekyl och atom

I det fria tillståndet finns kisel i form av monoatomiska Si-molekyler. Här är några egenskaper som kännetecknar kiselatomen och molekylen:

Kisellegeringar

Kisel används inom metallurgi. Det fungerar som en komponent i många legeringar. De viktigaste av dem är legeringar baserade på järn, koppar och aluminium.

Exempel på problemlösning

EXEMPEL 1

Utöva	Hur mycket kisel(IV)oxid innehållande 0,2 massa föroreningar krävs för att få 6,1 g natriumsilikat.
Lösning	Låt oss skriva reaktionsekvationen för att producera natriumsilikat från kisel (IV) oxid: SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O. Låt oss ta reda på mängden natriumsilikat: n(Na2Si03) = m (Na2Si03)/M(Na2Si03); n(Na2Si03) = 6,1/122 = 0,05 mol. Enligt reaktionsekvationen n(Na ​​2 SiO 3) : n(SiO 2) = 1:1, dvs. n(Na2SiO3) = n(Si02) = 0,05 mol. Massan av kisel (IV) oxid (utan föroreningar) kommer att vara lika med: M(SiO2) = Ar(Si) + 2×Ar(O) = 28 + 2×16 = 28 + 32 = 60 g/mol. m ren (SiO2) = n(SiO2) ×M(SiO2) = 0,05 × 60 = 3 g. Då kommer massan av kisel (IV) oxid som krävs för reaktionen att vara lika med: m(SiO2) =m ren (SiO2)/w förorening = 3 / 0,2 = 15 g.
Svar	15 g

EXEMPEL 2

Utöva	Vilken massa natriumsilikat kan erhållas genom att smälta kiseloxid (IV) med 64,2 g soda, vars massandel av föroreningar är 5 %?
Lösning	Låt oss skriva reaktionsekvationen för att producera natriumsilikat genom att smälta soda och kisel (IV) oxid: SiO2 + Na2CO3 = Na2SiO3 + CO2-. Låt oss bestämma den teoretiska massan av soda (beräknad med hjälp av reaktionsekvationen): n(Na2CO3) = 1 mol. M(Na2CO3) = 2×Ar(Na) + Ar(C) + 3×Ar(O) = 2×23 + 12 + 3×16 = 106 g/mol. m(Na2CO3) = n(Na2CO3) ×M(Na2CO3) = 1 × 106 = 106g. Låt oss hitta den praktiska massan av läsk: w ren (Na2CO3) = 100 % - w förorening = 100 % - 5 % = 95 % = 0,95. m ren (Na2CO3) = m (Na2CO3) xw ren (Na2CO3); m ren (Na2CO3) = 64,2 x 0,95 = 61 g. Låt oss beräkna den teoretiska massan av natriumsilikat: n(Na2SiO3) = 1 mol. M(Na2SiO3) = 2×Ar(Na) + Ar(Si) + 3×Ar(O) = 2×23 + 28 + 3×16 = 122 g/mol. m(Na2SiO3) = n(Na2SiO3) ×M(Na2SiO3) = 1 × 122 = 122g. Låt den praktiska massan av natriumsilikat vara x g. Låt oss göra proportionen: 61 g Na2CO3 - x g Na2Si03; 106 g Na2CO3 - 122 g Na2SiO3. Därför kommer x att vara lika med: x = 122 × 61 / 106 = 70,2 g. Detta betyder att massan av frigjort natriumsilikat är 70,2 g.
Svar	70,2 g

Kisel (Si) – står i period 3, grupp IV av det periodiska systemets huvudundergrupp. Fysiska egenskaper: kisel finns i två modifikationer: amorf och kristallin. Amorft kisel är ett brunt pulver med en densitet på 2,33 g/cm3, lösligt i metallsmältor. Kristallint kisel är mörkgråa kristaller med stålglans, hårda och spröda, med en densitet på 2,4 g/cm3. Kisel består av tre isotoper: Si (28), Si (29), Si (30).

Kemiska egenskaper: elektronisk konfiguration: 1s22s22p63 s23p2 . Kisel är en icke-metall. På den yttre energinivån har kisel 4 elektroner, vilket bestämmer dess oxidationstillstånd: +4, -4, -2. Valens – 2.4 Amorft kisel har större reaktivitet än kristallint kisel. Under normala förhållanden interagerar det med fluor: Si + 2F2 = SiF4. Vid 1000 °C reagerar Si med icke-metaller: CL2, N2, C, S.

Av syrorna reagerar kisel endast med en blandning av salpeter- och fluorvätesyror:

Det beter sig annorlunda i förhållande till metaller: i smält Zn, Al, Sn, Pb löses det bra, men reagerar inte med dem; Kisel interagerar med andra metallsmältor - med Mg, Cu, Fe - för att bilda silicider: Si + 2Mg = Mg2Si. Kisel brinner i syre: Si + O2 = SiO2 (sand).

Kiseldioxid eller kiseldioxid– stabil anslutning Si, brett spridd i naturen. Det reagerar genom att smälta det med alkalier och basiska oxider och bildar kiselsyrasalter - silikater. Mottagande: inom industrin erhålls kisel i sin rena form genom att reducera kiseldioxid med koks i elektriska ugnar: SiO2 + 2C = Si + 2CO?.

I laboratoriet erhålls kisel genom kalcinering av vit sand med magnesium eller aluminium:

Si02 + 2Mg = 2MgO + Si.

3SiO2 + 4Al = Al2O3 + 3Si.

Kisel bildar syror: H2 SiO3 – meta-kiselsyra; H2 Si2O5 är dimetasilicic syra.

Att hitta i naturen: kvartsmineral – SiO2. Kvartskristaller är formade som ett sexkantigt prisma, färglösa och genomskinliga, och kallas bergskristall. Ametist är en bergkristallfärgad lila med föroreningar; rökig topas är brunaktig till färgen; agat och jaspis är kristallina sorter av kvarts. Amorf kiseldioxid är mindre vanligt och finns i form av opalmineralet SiO2 nH2O. Diatomit, tripoli eller kiselgur (kiselgur) är jordnära former av amorft kisel.

42. Begreppet kolloidala lösningar

Kolloidala lösningar– starkt dispergerade tvåfassystem, bestående av ett dispersionsmedium och en dispergerad fas. Partikelstorlekarna ligger mellan verkliga lösningar, suspensioner och emulsioner. U kolloidala partiklar molekylär eller jonisk sammansättning.

Det finns tre typer av inre struktur hos primära partiklar.

1. Suspensoider (eller irreversibla kolloider)– heterogena system, vars egenskaper kan bestämmas av den utvecklade interfasytan. Jämfört med suspensioner är de mer spridda. De kan inte existera under lång tid utan en dispersionsstabilisator. De kallas irreversibla kolloider på grund av att deras sediment inte bildar soler igen efter avdunstning. Deras koncentration är låg - 0,1%. De skiljer sig något från det dispergerade mediets viskositet.

Suspensoider kan erhållas:

1) metoder för spridning (krossning av stora kroppar);

2) kondensationsmetoder (produktion av olösliga föreningar med hjälp av utbytesreaktioner, hydrolys, etc.).

Den spontana minskningen av dispersitet i suspensioner beror på den fria ytenergin. För att få en långvarig upphängning krävs förhållanden för att stabilisera den.

Stabila spridningssystem:

1) dispersionsmedium;

2) dispergerad fas;

3) stabilisator av det dispergerade systemet.

Stabilisatorn kan vara jonisk, molekylär, men oftast högmolekylär.

Skyddskolloider– högmolekylära föreningar som tillsätts för stabilisering (proteiner, peptider, polyvinylalkohol etc.).

2. Associativa (eller micellära kolloider) – semikolloider som uppstår när det finns en tillräcklig koncentration av molekyler bestående av kolväteradikaler (difila molekyler) av lågmolekylära ämnen när de associeras till aggregat av molekyler (miceller). Miceller bildas i vattenlösningar av tvättmedel (tvål), organiska färgämnen.

3. Molekylära kolloider (reversibla eller lyofila kolloider) – naturliga och syntetiska högmolekylära ämnen med hög molekylvikt. Deras molekyler har storleken på kolloidala partiklar (makromolekyler).

Utspädda lösningar av kolloider av föreningar med hög molekylvikt är homogena lösningar. När de är mycket utspädda följer dessa lösningar lagarna för utspädda lösningar.

Icke-polära makromolekyler löses i kolväten, polära - i polära lösningsmedel.

Reversibla kolloider– ämnen vars torra rester, när en ny del av lösningsmedlet tillsätts, återgår i lösning.

Ett av de mest populära elementen inom teknik och industri är kisel. Det har sina ovanliga egenskaper att tacka för detta. Idag finns det många olika föreningar av detta element som spelar en viktig roll i syntesen och skapandet av tekniska produkter, tallrikar, glas, utrustning, bygg- och efterbehandlingsmaterial, smycken och andra industrier.

Allmänna egenskaper hos kisel

Om vi ​​betraktar kiselpositionen i det periodiska systemet kan vi säga detta:

1. Belägen i grupp IV i huvudundergruppen.
2. Serienummer 14.
3. Atommassa 28.086.
4. Kemisk symbol Si.
5. Namnet är kisel, eller på latin - kisel.
6. Den elektroniska konfigurationen av det yttre lagret är 4e:2e:8e.

Kristallgittret av kisel liknar det hos diamant. Atomer är belägna vid noderna, dess typ är ansiktscentrerad kubisk. Men på grund av den längre bindningslängden skiljer sig de fysikaliska egenskaperna hos kisel mycket från egenskaperna hos den allotropa modifieringen av kol.

Fysikaliska och kemiska egenskaper

Några fler varianter av kiseldioxid:

• kvarts;
• flod och;
• flinta;
• fältspat.

Användningen av kisel i sådana former realiseras inom byggnadsarbete, teknik, radioelektronik, kemisk industri och metallurgi. Alla de listade oxiderna tillhör tillsammans ett enda ämne - kiseldioxid.

Kiselkarbid och dess tillämpningar

Kisel och dess föreningar är verkliga. Ett sådant material är karborundum eller karbid av detta element. Kemisk formel för SiC. Förekommer i naturen som mineralet moissanite.

I sin rena form är föreningen av kol och kisel vackra transparenta kristaller, som påminner om diamantstrukturer. För tekniska ändamål används dock ämnen färgade grönt och svart.

De viktigaste egenskaperna hos detta ämne, som tillåter dess användning inom metallurgi, teknik och kemisk industri, är följande:

• halvledare med breda gap;
• mycket hög styrka (7 på Mohs-skalan);
• resistent mot höga temperaturer;
• utmärkt elektrisk stabilitet och värmeledningsförmåga.

Allt detta tillåter användningen av karborundum som ett slipmaterial i metallurgi och kemisk syntes. Och även på grundval av att producera bredspektrum LED, delar för glasugnar, munstycken, facklor, smycken (moissanite värderas högre än cubic zirconia).

Silan och dess betydelse

Väteföreningen av kisel kallas silan och kan inte erhållas genom direkt syntes från utgångsmaterial. För att få det används silicider av olika metaller, som behandlas med syror. Som ett resultat frigörs silangas och ett metallsalt bildas.

Det intressanta är att föreningen i fråga aldrig bildas ensam. Reaktionen resulterar alltid i en blandning av mono-, di- och trisilan, där kiselatomerna är förbundna med varandra i kedjor.

Genom sina egenskaper är dessa föreningar starka reduktionsmedel. Samtidigt oxideras de själva lätt av syre, ibland med en explosion. Reaktioner med halogener är alltid våldsamma, med en stor frisättning av energi.

Användningsområdena för silaner är följande:

1. Organiska syntesreaktioner som resulterar i bildandet av viktiga organiska kiselföreningar - silikoner, gummin, tätningsmedel, smörjmedel, emulsioner och andra.
2. Mikroelektronik (monitorer med flytande kristaller, integrerade tekniska kretsar, etc.).
3. Erhåller ultrarent polykisel.
4. Tandvård för proteser.

Således är betydelsen av silaner i den moderna världen hög.

Kiselsyra och silikater

Hydroxiden av grundämnet i fråga är olika kiselsyror. Markera:

• meta;
• orto;
• polykiselsyra och andra syror.

Alla har gemensamma egenskaper - extrem instabilitet i ett fritt tillstånd. De sönderdelas lätt under påverkan av temperatur. Under normala förhållanden existerar de inte länge, förvandlas först till en sol och sedan till en gel. Efter torkning kallas sådana strukturer kiselgeler. De används som adsorbenter i filter.

Viktigt, ur industriell synvinkel, är salter av kiselsyror - silikater. De ligger till grund för produktionen av ämnen som:

• glas;
• betong;
• cement;
• zeolit;
• kaolin;
• porslin;
• fajans;
• kristall;
• keramik.

Alkalimetallsilikater är lösliga, alla andra är inte det. Därför kallas natrium- och kaliumsilikat flytande glas. Vanligt kontorslim är natriumsaltet av kiselsyra.

Men de mest intressanta föreningarna är fortfarande glas. Vilka varianter av detta ämne har de kommit på! Idag får de färg, optiska, matta alternativ. Glas förvånar med sin prakt och variation. Genom att tillsätta vissa metall- och icke-metalloxider till blandningen kan en stor mängd olika glastyper framställas. Ibland leder till och med samma sammansättning, men olika andel av komponenterna till skillnader i ämnets egenskaper. Ett exempel är porslin och lergods, vars formel är SiO 2 * AL 2 O 3 * K 2 O.

Detta är en form av mycket ren produkt vars sammansättning beskrivs som kiseldioxid.

Upptäckter inom området kiselföreningar

Under de senaste årens forskning har det bevisats att kisel och dess föreningar är de viktigaste deltagarna i levande organismers normala tillstånd. Sjukdomar som:

• tuberkulos;
• artrit;
• grå starr;
• spetälska;
• dysenteri;
• reumatism;
• hepatit och andra.

Kroppens åldrandeprocesser är också förknippade med det kvantitativa innehållet av kisel. Många experiment på däggdjur har visat att med en brist på elementet uppstår hjärtinfarkter, stroke, cancer och hepatitviruset aktiveras.

En av de vanligaste grundämnena i naturen är kisel, eller kisel. En så bred spridning indikerar vikten och betydelsen av detta ämne. Detta förstod och lärde sig snabbt av människor som lärde sig hur man korrekt använder kisel för sina ändamål. Dess användning är baserad på speciella egenskaper, som vi kommer att diskutera vidare.

Kisel - kemiskt element

Om vi ​​karakteriserar ett givet element efter position i det periodiska systemet, kan vi identifiera följande viktiga punkter:

1. Serienummer - 14.
2. Perioden är den tredje lilla.
3. Grupp - IV.
4. Undergruppen är den huvudsakliga.
5. Strukturen för det yttre elektronskalet uttrycks med formeln 3s 2 3p 2.
6. Grundämnet kisel representeras av den kemiska symbolen Si, som uttalas "kisel".
7. Oxidationstillstånden den uppvisar är: -4; +2; +4.
8. Atomens valens är IV.
9. Atommassan för kisel är 28,086.
10. I naturen finns det tre stabila isotoper av detta element med massnummer 28, 29 och 30.

Ur kemisk synvinkel är således kiselatomen ett ganska studerat grundämne många av dess olika egenskaper har beskrivits.

Upptäcktshistoria

Eftersom olika föreningar av elementet i fråga är mycket populära och rikliga i naturen, sedan antiken har människor använt och känt till egenskaperna hos många av dem. Rent kisel förblev bortom mänsklig kunskap inom kemi under lång tid.

De mest populära föreningarna som användes i vardagen och industrin av folk från antika kulturer (egyptier, romare, kineser, ryssar, perser och andra) var ädelstenar och prydnadsstenar baserade på kiseloxid. Dessa inkluderar:

• opal;
• strass;
• topas;
• krysopras;
• onyx;
• kalcedon och andra.

Det har också varit vanligt att använda kvarts i byggandet sedan urminnes tider. Emellertid förblev elementärt kisel i sig oupptäckt fram till 1800-talet, även om många forskare förgäves försökte isolera det från olika föreningar med hjälp av katalysatorer, höga temperaturer och till och med elektrisk ström. Dessa är så ljusa sinnen som:

• Karl Scheele;
• Gay-Lussac;
• Thenar;
• Humphry Davy;
• Antoine Lavoisier.

Jens Jacobs Berzelius lyckades 1823 få kisel i sin rena form. För att göra detta genomförde han ett experiment på att smälta ångor av kiselfluorid och kaliummetall. Som ett resultat fick jag en amorf modifiering av elementet i fråga. Samma vetenskapsmän föreslog ett latinskt namn för den upptäckta atomen.

Lite senare, 1855, lyckades en annan forskare - Sainte-Clair-Deville - syntetisera en annan allotrop sort - kristallint kisel. Sedan dess började kunskapen om detta element och dess egenskaper expandera mycket snabbt. Människor insåg att den har unika egenskaper som kan användas mycket intelligent för att möta deras egna behov. Därför är idag ett av de mest populära elementen inom elektronik och teknik kisel. Dess användning vidgar bara sina gränser varje år.

Det ryska namnet för atomen gavs av vetenskapsmannen Hess 1831. Det är detta som har fastnat till denna dag.

När det gäller överflöd i naturen ligger kisel på andra plats efter syre. Dess procentandel i jämförelse med andra atomer i jordskorpan är 29,5 %. Dessutom är kol och kisel två speciella element som kan bilda kedjor genom att binda med varandra. Det är därför mer än 400 olika naturliga mineraler är kända för det senare, där det finns i litosfären, hydrosfären och biomassan.

Var exakt finns kisel?

1. I djupa lager av jord.
2. I klippor, avlagringar och massiv.
3. På botten av vattendrag, särskilt hav och hav.
4. I djurrikets växter och marina liv.
5. I människokroppen och marklevande djur.

Vi kan identifiera flera av de vanligaste mineralerna och bergarterna som innehåller stora mängder kisel. Deras kemi är sådan att massinnehållet av det rena elementet i dem når 75%. Den specifika siffran beror dock på typen av material. Så, stenar och mineraler som innehåller kisel:

• fältspat;
• glimmer;
• amfiboler;
• opaler;
• kalcedon;
• silikater;
• sandstenar;
• aluminiumsilikater;
• leror och andra.

Kisel ackumuleras i skal och exoskelett hos marina djur och bildar så småningom kraftfulla kiseldioxidavlagringar på botten av vattendrag. Detta är en av de naturliga källorna till detta element.

Dessutom fann man att kisel kan existera i sin rena naturliga form - i form av kristaller. Men sådana insättningar är mycket sällsynta.

Fysikaliska egenskaper hos kisel

Om vi ​​karakteriserar elementet i fråga enligt en uppsättning fysikaliska och kemiska egenskaper, är det först och främst nödvändigt att ange de fysikaliska parametrarna. Här är några av de viktigaste:

1. Det finns i form av två allotropa modifieringar - amorf och kristallin, som skiljer sig i alla egenskaper.
2. Kristallgittret är mycket likt det för diamant, eftersom kol och kisel är praktiskt taget samma i detta avseende. Avståndet mellan atomerna är dock olika (kisel är större), så diamant är mycket hårdare och starkare. Gittertyp - kubisk ansiktscentrerad.
3. Ämnet är mycket skört och blir plastiskt vid höga temperaturer.
4. Smältpunkten är 1415˚C.
5. Kokpunkt - 3250˚С.
6. Ämnets densitet är 2,33 g/cm3.
7. Färgen på blandningen är silvergrå, med en karakteristisk metallglans.
8. Den har goda halvledaregenskaper, som kan variera med tillsats av vissa medel.
9. Olösligt i vatten, organiska lösningsmedel och syror.
10. Speciellt löslig i alkalier.

De identifierade fysiska egenskaperna hos kisel tillåter människor att manipulera det och använda det för att skapa olika produkter. Till exempel är användningen av rent kisel i elektronik baserad på egenskaperna hos halvledning.

Kemiska egenskaper

Kiselets kemiska egenskaper är mycket beroende av reaktionsförhållandena. Om vi ​​pratar om standardparametrar måste vi indikera mycket låg aktivitet. Både kristallint och amorft kisel är mycket inerta. De interagerar inte med starka oxidationsmedel (förutom fluor) eller med starka reduktionsmedel.

Detta beror på det faktum att en oxidfilm av SiO 2 omedelbart bildas på ytan av ämnet, vilket förhindrar ytterligare interaktioner. Det kan bildas under påverkan av vatten, luft och ånga.

Om du ändrar standardförhållandena och värmer kisel till en temperatur över 400˚C, kommer dess kemiska aktivitet att öka kraftigt. I det här fallet kommer den att reagera med:

• syre;
• alla typer av halogener;
• väte.

Med ytterligare temperaturökning är bildningen av produkter genom interaktion med bor, kväve och kol möjlig. Carborundum - SiC - är av särskild betydelse, eftersom det är ett bra slipmaterial.

De kemiska egenskaperna hos kisel är också tydligt synliga i reaktioner med metaller. I förhållande till dem är det ett oxidationsmedel, varför produkterna kallas silicider. Liknande föreningar är kända för:

• alkalisk;
• jordalkali;
• övergångsmetaller.

Den förening som erhålls genom att smälta järn och kisel har ovanliga egenskaper. Det kallas ferrokiselkeramik och används framgångsrikt inom industrin.

Kisel interagerar inte med komplexa ämnen, därför kan det av alla deras varianter lösas endast i:

• aqua regia (en blandning av salpetersyra och saltsyra);
• frätande alkalier.

I detta fall måste temperaturen på lösningen vara minst 60˚C. Allt detta bekräftar än en gång den fysiska grunden för ämnet - ett diamantliknande stabilt kristallgitter, vilket ger det styrka och tröghet.

Metoder för att erhålla

Att få kisel i sin rena form är en ganska kostsam process ekonomiskt. Dessutom, på grund av dess egenskaper, ger vilken metod som helst endast en 90-99% ren produkt, medan föroreningar i form av metaller och kol förblir desamma. Därför räcker det inte att bara skaffa ämnet. Det bör också rengöras noggrant från främmande element.

I allmänhet utförs kiselproduktion på två huvudsakliga sätt:

1. Från vit sand, som är ren kiseloxid SiO 2. När det kalcineras med aktiva metaller (oftast magnesium) bildas ett fritt element i form av en amorf modifiering. Renheten hos denna metod är hög, produkten erhålls med ett utbyte på 99,9 procent.
2. En mer utbredd metod i industriell skala är sintring av smält sand med koks i specialiserade termiska ugnar. Denna metod utvecklades av den ryska forskaren N. N. Beketov.

Vidare förädling innebär att produkterna utsätts för reningsmetoder. För detta ändamål används syror eller halogener (klor, fluor).

Amorft kisel

Karakteriseringen av kisel kommer att vara ofullständig om var och en av dess allotropa modifieringar inte beaktas separat. Den första av dem är amorf. I detta tillstånd är ämnet vi överväger ett brunbrunt pulver, fint dispergerat. Den har en hög grad av hygroskopicitet och uppvisar ganska hög kemisk aktivitet vid upphettning. Under standardförhållanden kan den endast interagera med det starkaste oxidationsmedlet - fluor.

Det är inte helt korrekt att kalla amorft kisel för en typ av kristallint kisel. Dess galler visar att detta ämne bara är en form av fint dispergerat kisel, som existerar i form av kristaller. Därför är dessa modifikationer som sådana en och samma förening.

Men deras egenskaper skiljer sig åt, varför det är vanligt att prata om allotropi. Amorft kisel i sig har en hög ljusabsorptionsförmåga. Dessutom, under vissa förhållanden, är denna indikator flera gånger högre än den för den kristallina formen. Därför används den för tekniska ändamål. I denna form (pulver) appliceras föreningen lätt på vilken yta som helst, vare sig det är plast eller glas. Det är därför amorft kisel är så bekvämt att använda. Applikation baserad på olika storlekar.

Även om batterier av denna typ slits ut ganska snabbt, vilket är förknippat med nötning av en tunn film av ämnet, ökar deras användning och efterfrågan bara. Trots allt, även under en kort livslängd, kan solbatterier baserade på amorft kisel ge energi till hela företag. Dessutom är tillverkningen av ett sådant ämne avfallsfri, vilket gör det mycket ekonomiskt.

Denna modifiering erhålls genom att reducera föreningar med aktiva metaller, till exempel natrium eller magnesium.

Kristallint kisel

Silvergrå glänsande modifiering av elementet i fråga. Denna form är den vanligaste och mest efterfrågade. Detta förklaras av den uppsättning kvalitativa egenskaper som detta ämne har.

Egenskaperna hos kisel med ett kristallgitter inkluderar klassificeringen av dess typer, eftersom det finns flera av dem:

1. Elektronisk kvalitet - den renaste och högsta kvaliteten. Denna typ används inom elektronik för att skapa särskilt känsliga enheter.
2. Solig kvalitet. Namnet i sig bestämmer användningsområdet. Det är också kisel av ganska hög renhet, vars användning är nödvändig för att skapa högkvalitativa och långvariga solceller. Fotoelektriska omvandlare skapade på basis av en kristallin struktur är av högre kvalitet och nötningsbeständiga än de som skapas med hjälp av en amorf modifiering genom sputtering på olika typer av substrat.
3. Tekniskt kisel. Denna sort inkluderar de prover av ämnet som innehåller cirka 98 % av det rena grundämnet. Allt annat går till olika typer av föroreningar:

• aluminium;
• klor;
• kol;
• fosfor och andra.

Den sista typen av ämnet i fråga används för att erhålla polykristaller av kisel. För detta ändamål utförs omkristallisationsprocesser. Som ett resultat erhålls, när det gäller renhet, produkter som kan klassificeras som solenergi och elektronisk kvalitet.

Till sin natur är polykisel en mellanprodukt mellan de amorfa och kristallina modifieringarna. Det här alternativet är lättare att arbeta med, det är bättre bearbetat och rengjort med fluor och klor.

De resulterande produkterna kan klassificeras enligt följande:

• multikisel;
• monokristallin;
• profilerade kristaller;
• kiselskrot;
• tekniskt kisel;
• produktionsavfall i form av fragment och materialrester.

Var och en av dem hittar tillämpning inom industrin och används fullt ut av människor. Därför anses de som rör kisel som icke-avfall. Detta minskar de ekonomiska kostnaderna avsevärt utan att det påverkar kvaliteten.

Använder rent kisel

Industriell kiselproduktion är ganska väletablerad och dess skala är ganska stor. Detta beror på det faktum att detta element, både rent och i form av olika föreningar, är utbrett och efterfrågat inom olika grenar av vetenskap och teknik.

Var används kristallint och amorft kisel i sin rena form?

1. Inom metallurgi, som en legeringstillsats som kan ändra egenskaperna hos metaller och deras legeringar. Således används den vid smältning av stål och gjutjärn.
2. Olika typer av ämnen används för att göra en renare version - polykisel.
3. Kiselföreningar är en hel kemisk industri som har blivit särskilt populär idag. Organiska kiselmaterial används inom medicin, vid tillverkning av tallrikar, verktyg och mycket mer.
4. Tillverkning av olika solpaneler. Denna metod för att få energi är en av de mest lovande i framtiden. Miljövänlig, ekonomiskt fördelaktig och slitstark är de främsta fördelarna med denna typ av elproduktion.
5. Silikon har använts till tändare under mycket lång tid. Även i forntida tider använde man flinta för att skapa en gnista när man tände eld. Denna princip ligger till grund för tillverkningen av olika typer av tändare. Idag finns det typer där flinta ersätts av en legering av en viss sammansättning, vilket ger ett ännu snabbare resultat (gnistor).
6. Elektronik och solenergi.
7. Tillverkning av speglar i gaslaserapparater.

Således har rent kisel en mängd fördelaktiga och speciella egenskaper som gör att det kan användas för att skapa viktiga och nödvändiga produkter.

Applicering av kiselföreningar

Utöver det enkla ämnet används också olika kiselföreningar, och mycket brett. Det finns en hel industri som heter silikat. Det är baserat på användningen av olika ämnen som innehåller detta fantastiska element. Vilka är dessa föreningar och vad produceras av dem?

1. Kvarts, eller flodsand - SiO 2. Används för att tillverka bygg- och dekorativa material som cement och glas. Alla vet var dessa material används. Ingen konstruktion kan fullbordas utan dessa komponenter, vilket bekräftar vikten av kiselföreningar.
2. Silikatkeramik, vilket inkluderar material som lergods, porslin, tegel och produkter baserade på dem. Dessa komponenter används inom medicin, vid tillverkning av rätter, dekorativa smycken, hushållsartiklar, i konstruktion och andra vardagliga områden av mänsklig aktivitet.
3. - silikoner, silikageler, silikonoljor.
4. Silikatlim - används som pappersvaror, inom pyroteknik och konstruktion.

Kisel, vars pris varierar på världsmarknaden, men inte korsar från topp till botten märket på 100 ryska rubel per kilogram (per kristallin), är ett eftertraktat och värdefullt ämne. Naturligtvis är föreningar av detta element också utbredda och användbara.

Biologisk roll av kisel

Ur synvinkel av dess betydelse för kroppen är kisel viktigt. Dess innehåll och distribution i vävnader är som följer:

• 0,002% - muskel;
• 0,000017% - ben;
• blod - 3,9 mg/l.

Cirka ett gram kisel måste intas varje dag, annars kommer sjukdomar att börja utvecklas. Ingen av dem är dödligt farlig, men långvarig kiselsvält leder till:

• håravfall;
• uppkomsten av akne och finnar;
• skörhet och skörhet av ben;
• lätt kapillär permeabilitet;
• trötthet och huvudvärk;
• uppkomsten av många blåmärken och blåmärken.

För växter är kisel ett viktigt mikroelement som är nödvändigt för normal tillväxt och utveckling. Djurförsök har visat att de individer som konsumerar en tillräcklig mängd kisel varje dag växer bättre.