Кремній: характеристики, особливості та сфери застосування. Кремній (хімічний елемент): властивості, характеристика формула. Історія відкриття кремнію Характеристика кремнію хімічні властивості

Як самостійний хімічний елемент кремній став відомий людству лише у 1825 році. Що, звичайно, не заважало застосовувати сполуки кремнію у такій кількості сфер, що простіше перерахувати ті, де елемент не використовується. Ця стаття проллє світло на фізичні, механічні та корисні хімічні властивості кремнію та його сполук, області застосування, також ми розповімо про те, як впливає кремній на властивості сталі та інших металів.

Для початку давайте зупинимося на загальній характеристиці кремнію. Від 27,6 до 29,5 % маси земної кори становить кремній. У морській воді концентрація елемента теж неабияк – до 3 мг/л.

За поширеністю в літосфері кремній посідає друге почесне місце після кисню. Однак найвідоміша його форма – кремнезем, є діоксидом, і саме його властивості та стали основою для такого широкого застосування.

Про те, що таке кремній, розповість цей відеосюжет:

Поняття та особливості

Кремній – неметал, проте за різних умов може виявляти і кислотні та основні властивості. Є типовим напівпровідником та надзвичайно широко використовується в електротехніці. Фізичні та хімічні його властивості багато в чому визначаються алотропним станом. Найчастіше справу мають із кристалічною формою, оскільки її якості більш затребувані у народному господарстві.

• Кремній – один із базових макроелементів у людському тілі. Його нестача згубно позначається на стані кісткової тканини, волосся, шкіри, нігтів. Крім того, кремній впливає на працездатність імунної системи.
• У медицині елемент, точніше кажучи, його сполуки знайшли своє перше застосування саме в цій якості. Вода з колодязів, викладених кремнієм, відрізнялися як чистотою, а й позитивно позначалася на стійкості до інфекційних хвороб. Сьогодні з'єднання з кремнієм є основою для препаратів проти туберкульозу, атеросклерозу, артриту.
• Загалом неметал малоактивний, проте й у чистому вигляді зустріти його складно. Пов'язано це з тим, що на повітрі швидко пасивується шаром діоксиду і перестає реагувати. Під час нагрівання хімічна активність збільшується. У результаті людство набагато ближче знайоме із сполуками речовини, а не з ним самим.

Так, кремній утворює метали фактично з усіма металами - силіциди. Всі вони відрізняються тугоплавкістю та твердістю та застосовуються на відповідних ділянках: газові турбіни, нагрівачі печей.

Розміщується неметал у таблиці Д. І. Менделєєва в 6 групі разом з вуглецем, германієм, що вказує на певну спільність із цими речовинами. Так, з вуглецем його «ріднить» здатність до утворення сполук на кшталт органічних. При цьому кремній, як і германій, може проявити властивості металу в деяких хімічних реакціях, що використовується в синтезі.

Плюси та мінуси

Як і будь-яка інша речовина з точки зору застосування в народному господарстві, кремній має певні корисні або не надто якості. Важливі вони саме визначення області використання.

• Неабиякою перевагою речовини є його доступність. У природі він, щоправда, знаходиться не у вільному вигляді, але все ж таки, технологія отримання кремнію не така вже й складна, хоча й енерговитратна.
• Друга найважливіша перевага – утворення безлічі сполукз надзвичайно корисними якостями. Це і силани, і силіциди, і діоксид, і, звісно, ​​різноманітні силікати. Здатність кремнію і його сполук утворювати складні тверді розчини практично нескінченна, що дозволяє нескінченно ж отримувати різні варіації скла, каменю і кераміки.
• Напівпровідникові властивостінеметалу забезпечує йому місце базового матеріалу в електро- та радіотехніці.
• Неметал є нетоксичнимщо допускає застосування в будь-якій галузі промисловості, і при цьому не перетворює технологічний процес на потенційно небезпечний.

До недоліків матеріалу можна віднести лише відносну крихкість за хорошої твердості. Кремній не використовується для несучих конструкцій, але це поєднання дозволяє обробляти належним чином поверхню кристалів, що важливо для приладобудування.

Давайте поговоримо про основні властивості кремнію.

Властивості та характеристики

Оскільки в промисловості найчастіше експлуатується кристалічний кремній, то саме його властивості є важливішими, і саме вони і наводяться в технічних характеристиках. Фізичні властивості речовини такі:

• температура плавлення - 1417;
• температура кипіння – 2600 С;
• густина становить 2,33 г/куб. див, що свідчить про крихкість;
• теплоємність, як і теплопровідність не постійні навіть на найчистіших пробах: 800 Дж/(кг·К), або 0,191 кал/(г·град) та 84-126 вт/(м·К), або 0,20-0, 30 кал/(см·сек·град) відповідно;
• прозорий для довгохвильового ІЧ-випромінювання, що використовується в інфрачервоній оптиці;
• діелектрична проникність – 1,17;
• твердість за Моосовою шкалою – 7.

Електричні властивості неметалу сильно залежать від домішок. У промисловості цю особливість використовують, модулюючи необхідний тип напівпровідника. При нормальній температурі кремній тендітний, але при нагріванні вище 800 С можлива пластична деформація.

Властивості аморфного кремнію разюче відрізняються: він сильно гігроскопічний, набагато активніше вступає в реакцію навіть за нормальної температури.

Структура та хімічний склад, а також властивості кремнію розглянуті у відеоролику нижче:

Склад та структура

Кремній існує у двох алотропних формах, однаково стійких за нормальної температури.

• Кристалічниймає вигляд темно-сірого порошку. Речовина, хоч і має алмазоподібні кристалічні грати, є крихкою – через надто довгий зв'язок між атомами. Інтерес становлять його властивості напівпровідника.
• При дуже високому тиску можна отримати гексагональнумодифікацію із щільністю 2,55 г/куб. див. Однак ця фаза практичного значення поки що не знайшла.
• Аморфний- Буро-коричневий порошок. На відміну від кристалічної форми набагато активніше входить у реакцію. Пов'язано це не так з інертністю першої форми, як з тим, що на повітрі речовина покривається шаром діоксиду.

Крім того, необхідно враховувати ще один тип класифікації, пов'язаний з величиною кристала кремнію, які в сукупності утворюють речовину. Кристалічні грати, як відомо, припускають упорядкованість як атомів, а й структур, які ці атоми утворюють – так званий далекий порядок. Чим він більший, тим одноріднішим за властивостями буде речовина.

• Монокристалічний– зразок є одним кристалом. Структура його максимально впорядкована, властивості однорідні та добре передбачувані. Саме такий матеріал найбільш затребуваний в електротехніці. Однак він відноситься до найдорожчого вигляду, оскільки процес його отримання складний, а швидкість зростання низька.
• Мультикристалічний– зразок становить кілька великих кристалічних зерен. Межі між ними формують додаткові дефектні рівні, що знижує продуктивність зразка як напівпровідника і призводить до більш швидкого зносу. Технологія вирощування мультикристалу простіше, тому і матеріал дешевший.
• Полікристалічний- Складається з великої кількості зерен, розташованих хаотично відносно один одного. Це найбільш чистий різновид промислового кремнію, застосовується в мікроелектроніці та сонячній енергетиці. Досить часто використовується як сировина для вирощування мульти- та монокристалів.
• Аморфний кремній у цій класифікації займає окрему позицію. Тут порядок розташування атомів утримується лише на найкоротших дистанціях. Однак в електротехніці він все ж таки використовується у вигляді тонких плівок.

Виробництво неметалу

Отримати чистий кремній не так просто, враховуючи інертність його сполук і високу температуру плавлення більшості з них. У промисловості найчастіше вдаються до відновлення вуглецем із діоксиду. Проводять реакцію в дугових печах при температурі 1800 С. Таким чином отримують неметал чистотою 99,9%, що для його застосування недостатньо.

Отриманий матеріал хлорують для того, щоб отримати хлориди і гідрохлориди. Потім з'єднання очищають усіма можливими методами від домішок та відновлюють воднем.

Очистити речовину можна за рахунок отримання силіциду магнію. Силицид піддають дії соляної чи оцтової кислоти. Отримують силан, а останній очищають у різний спосіб – сорбційним, ректифікацією тощо. Потім силан розкладають на водень і кремній при температурі 1000 С. У цьому випадку одержують речовину з часткою домішки 10 -8 -10 -6%.

Застосування речовини

Для промисловості найбільший інтерес становлять електрофізичні характеристики неметалу. Його монокристалічна форма є непрямозонним напівпровідником. Властивості його визначаються домішками, що дозволяє одержувати кристали кремнію із заданими властивостями. Так, добавка бору, індія дає можливість виростити кристал із дірковою провідністю, а введення фосфору або миш'яку – кристал з електронною провідністю.

• Кремній у буквальному значенні слова є основою сучасної електротехніки. З нього виготовляють транзистори, фотоелементи, інтегральні схеми, діоди тощо. Причому функціональність приладу визначає практично завжди лише приповерхневий шар кристала, що зумовлює специфічні вимоги саме до обробки поверхні.
• У металургії технічний кремній застосовують як модифікатор сплавів – надає велику міцність, як і компонент – у , наприклад, як і розкислювач – під час виробництва чавуну.
• Надчистий та очищений металургійний складають основу сонячної енергетики.
• Діоксид неметалу зустрічається в природі в різних формах. Його кристалічні різновиди – опал, агат, сердолік, аметист, гірський кришталь знайшли своє місце в ювелірній справі. Не настільки привабливі зовні модифікації – кремінь, кварц, використовуються і в металургії, і в будівництві, і радіоелектротехніці.
• З'єднання неметалу з вуглецем – карбід, застосовується і в металургії, і в приладобудуванні, і в хімічній промисловості. Він є широкозональним напівпровідником, відрізняється високою твердістю - 7 за шкалою Мооса, і міцністю, що дозволяє застосовувати його як абразивний матеріал.
• Силікати – тобто солі кремнієвої кислоти. Нестійкі, легко розкладаються під впливом температури. Прикметність їх у тому, що вони утворюють численні та різноманітні солі. А ось останні є основою при виробництві скла, кераміки, фаянсу, кришталю та . Можна сміливо сказати, що сучасне будівництво ґрунтується на різноманітних силікатах.
• Скло представляє тут найцікавіший випадок. Основою його служать алюмосилікати, але нікчемні домішки інших речовин - зазвичай оксидів, надають матеріалу масу різних властивостей, у тому числі і колір. - , Фаянс, фарфор, по суті, має ту ж формулу, хоча і з іншим співвідношенням компонентів, і її різноманітність теж разюче.
• Неметал має ще одну здатність: утворює сполуки за типом вуглецевих, у вигляді довгого ланцюжка з атомів кремнію. Такі сполуки звуться кремнійорганічних. Сфера їх застосування не менш відома – це силікони, герметики, мастила тощо.

Кремній – дуже поширений елемент і має надзвичайно велике значення у багатьох сферах народного господарства. Причому активно використовується не тільки сама речовина, але всі її різноманітні та численні сполуки.

Дане відео розповість про властивості та застосування кремнію:

ВИЗНАЧЕННЯ

Кремній- Чотирнадцятий елемент Періодичної таблиці. Позначення – Si від латинського «silicium». Розташований у третьому періоді, IVА групі. Належить до неметалів. Заряд ядра дорівнює 14.

Кремній - один із найпоширеніших у земній корі елементів. Він становить 27% (мас.) Доступної нашому дослідженню частини земної кори, займаючи за поширеністю друге місце після кисню. У природі кремній зустрічається тільки у сполуках: у вигляді діоксиду кремнію SiO 2 , що називається кремнієвим ангідридом або кремнеземом, у вигляді солей кремнієвих кислот (силікатів). Найширше у природі поширені алюмосилікати, тобто. силікати, до складу яких входить алюміній До них відносяться польові шпати, слюди, каолін та ін.

Як вуглець, входячи до складу всіх органічних речовин, кремній є найважливішим елементом рослинного та тваринного царства.

У звичайних умовах кремній є речовиною темно-сірого кольору (рис. 1). На вигляд схожий на метал. Тугоплавок – температура плавлення дорівнює 1415 o С. Характеризується високою твердістю.

Мал. 1. Кремній. Зовнішній вигляд.

Атомна та молекулярна маса кремнію

Відносна молекулярна маса речовини (M r) - це число, що показує, у скільки разів маса даної молекули більша за 1/12 маси атома вуглецю, а відносна атомна маса елемента (A r) — у скільки разів середня маса атомів хімічного елемента більша за 1/12 маси атома вуглецю

Оскільки у вільному стані кремній існує у вигляді одноатомних молекул Si, значення його атомної та молекулярної мас збігаються. Вони дорівнюють 28,084.

Алотропія та алотропні модифікації кремнію

Кремній може існувати у вигляді двох алотропних модифікацій: алмазоподібної (кубічної) (стійка) та графітоподібної (нестійка). Алмазоподібний кремній знаходиться у твердому агрегатному стані, а графітоподібний – в аморфному. Вони також різняться на вигляд і хімічної активності.

Кристалічний кремній є речовиною темно-сірого кольору з металевим блиском, а аморфний - порошок бурого кольору. Друга модифікація має більшу реакційну здатність, ніж перша.

Ізотопи кремнію

Відомо, що в природі кремній може бути у вигляді трьох стабільних ізотопів 28 Si, 29 Si і 30 Si. Їхні масові числа дорівнюють 28, 29 і 30 відповідно. Ядро атома ізотопу кремнію 28 Si містить чотирнадцять протонів і чотирнадцять нейтронів, а ізотопів Si 29 ​​і 30 Si - така ж кількість протонів, п'ятнадцять і шістнадцять нейтронів відповідно.

Існують штучні ізотопи кремнію з масовими числами від 22-х до 44-х, серед яких найбільш довгоживучим є 32 Si з періодом напіврозпаду рівним 170 років.

Іони кремнію

На зовнішньому енергетичному рівні атома кремнію є чотири електрони, які є валентними:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3р 2 .

Через війну хімічної взаємодії кремній може віддавати свої валентні електрони, тобто. бути їх донором і перетворюватися на позитивно заряджений іон, або приймати електрони від іншого атома, тобто. бути акцептором, і перетворюється на негативно заряджений іон:

Si 0 -4e → Si 4+;

Si 0 +4e → Si 4-.

Молекула та атом кремнію

У вільному стані кремній існує як одноатомних молекул Si. Наведемо деякі властивості, що характеризують атом та молекулу кремнію:

Сплави кремнію

Кремній використовується у металургії. Він є складовою багатьох сплавів. Найважливіші з них – це сплави на основі заліза, міді та алюмінію.

Приклади розв'язання задач

ПРИКЛАД 1

Завдання	Скільки потрібно оксиду кремнію (IV), що містить 0,2 масових домішок, щоб отримати 6,1 г силікату натрію.
Рішення	Запишемо рівняння реакції отримання силікату натрію з оксиду кремнію (IV): SiO 2 + 2NaOH = Na 2 SiO 3 + H 2 O. Знайдемо кількість речовини силікату натрію: n(Na 2 SiO 3) = m (Na 2 SiO 3) / M(Na 2 SiO 3); n(Na 2 SiO 3) = 6,1/122 = 0,05моль. Відповідно до рівняння реакції n(Na ​​2 SiO 3) :n(SiO 2) = 1:1, тобто. n(Na 2 SiO 3) = n(SiO 2) = 0,05 моль. Маса оксиду кремнію (IV) (без домішок) дорівнюватиме: M(SiO 2) = Ar(Si) + 2×Ar(O) = 28 + 2×16 = 28 + 32 = 60 г/моль. m pure (SiO2) = n(SiO2) × M(SiO2) = 0,05×60 = 3г. Тоді маса оксиду кремнію (IV), необхідна для реакції дорівнюватиме: m(SiO 2) = m pure (SiO 2)/w impurity = 3/0,2 = 15 г.
Відповідь	15 г

ПРИКЛАД 2

Завдання	Яку масу силікату натрію можна отримати при сплавленні оксиду кремнію (IV) з 64,2 г соди, масова частка домішок якої становить 5%?
Рішення	Запишемо рівняння реакції отримання силікату натрію шляхом сплавлення соди та оксиду кремнію (IV): SiO 2 + Na 2 CO 3 = Na 2 SiO 3 + CO 2 -. Визначимо теоретичну масу соди (розраховується за рівнянням реакції): n(Na 2 CO 3) = 1 моль. M(Na 2 CO 3) = 2×Ar(Na) + Ar(C) + 3×Ar(O) = 2×23 + 12 + 3×16 = 106 г/моль. m(Na2CO3) = n(Na2CO3) ×M(Na2CO3) = 1×106 = 106г. Знайдемо практичну масу соди: w pure (Na2CO3) = 100% - w impurity = 100% - 5% = 95% = 0,95. m pure (Na 2 CO 3) = m(Na 2 CO 3) xw pure (Na 2 CO 3); m pure (Na2CO3) = 64,2 × 0,95 = 61 р. Розрахуємо теоретичну масу силікату натрію: n(Na 2 SiO 3) = 1 моль. M(Na 2 SiO 3) = 2×Ar(Na) + Ar(Si) + 3×Ar(O) = 2×23 + 28 + 3×16 = 122 г/моль. m(Na 2 SiO 3) = n(Na ​​2 SiO 3) ×M(Na 2 SiO 3) = 1×122 = 122г. Нехай практична маса силікату натрію дорівнює х р. Складемо пропорцію: 61 г Na 2 CO 3 - х г Na 2 SiO 3 ; 106 г Na 2 CO 3 - 122 г Na 2 SiO 3 . Звідси х дорівнюватиме: х = 122 × 61/106 = 70,2 р. Значить маса силікату натрію, що виділився, дорівнює 70,2 г.
Відповідь	70,2 г

Кремній (Si) –стоїть у 3 періоді, IV групі головної підгрупи періодичної системи. Фізичні властивості:кремній існує у двох модифікаціях: аморфної та кристалічної. Аморфний кремній – порошок бурого кольору, густиною 2,33 г/см3, розчиняється в розплавах металів. Кристалічний кремній – це кристали темно-сірого кольору, що мають сталевий блиск, твердий і тендітний, щільністю 2,4 г/см3. Кремній складається із трьох ізотопів: Si (28), Si (29), Si (30).

Хімічні властивості:електронна конфігурація: 1s22s22p63 s23p2 . Кремній – неметал. На зовнішньому енергетичному рівні кремній має 4 електрони, що зумовлює його ступеня окислення: +4, -4, -2. Валентність – 2, 4. Аморфний кремній має більшу реакційну здатність, ніж кристалічний. За звичайних умов він взаємодіє зі фтором: Si + 2F2 = SiF4. При 1000 °C Si реагує з неметалами: CL2, N2, C, S.

З кислот кремній взаємодіє тільки із сумішшю азотної та плавикової кислот:

По відношенню до металів поводиться по-різному: розплавлених Zn, Al, Sn, Pb він добре розчиняється, але не реагує з ними; з іншими розплавами металів – з Mg, Cu, Fe кремній взаємодіє із заснуванням силіцидів: Si + 2Mg = Mg2Si. Кремній горить у кисні: Si + O2 = SiO2 (пісок).

Діоксид кремнію або кремнезем– стійке з'єднання Si, поширений у природі. Реагує зі сплавленням його із лугами, основними оксидами, утворюючи солі кремнієвої кислоти – силікати. Отримання:у промисловості кремній у чистому вигляді одержують відновленням діоксиду кремнію коксом в електропечах: SiO2 + 2С = Si + 2СO?.

У лабораторії кремній отримують прожарюванням з магнієм або алюмінієм білого піску:

SiO2 + 2Mg = 2MgO + Si.

3SiO2 + 4Al = Al2О3 + 3Si.

Кремній утворює кислоти:Н2 SiO3 - мета-кремнієва кислота;Н2 Si2O5 – двометакремієва кислота.

Знаходження у природі:мінерал кварц - SiO2. Кристали кварцу мають форму шестигранної призми, безбарвні та прозорі, називаються гірським кришталем. Аметист – гірський кришталь, пофарбований домішками у фіолетовий колір; димчастий топаз пофарбований у бурий колір; агат та яшма – кристалічні різновиди кварцу. Аморфний кремнезем менш поширений і у вигляді мінералу опала – SiO2 nН2О. Діатоміт, трепел чи кизельгур (інфузорна земля) – землісті форми аморфного кремнію.

42. Поняття колоїдних розчинів

Колоїдні розчини- Високодисперсні двофазні системи, що складаються з дисперсійного середовища та дисперсної фази. За розмірами частинок є проміжними між істинними розчинами, суспензіями та емульсіями. У колоїдних частинокмолекулярний чи іонний склад.

Існують три типи внутрішньої структури первинних частинок.

1. Суспензоїди (або незворотні колоїди)- Гетерогенні системи, властивості яких можна визначити розвиненою міжфазовою поверхнею. Порівняно із суспензіями більш високодисперсні. Не може довго існувати без стабілізатора дисперсності. Їх називають незворотними колоїдамичерез те, що їх опади після випарювання знову не утворюють золів. Їхня концентрація мала – 0,1 %. Від в'язкості дисперсного середовища відрізняються трохи.

Суспензоїди можна отримати:

1) методами диспергування (подрібнення великих тіл);

2) методами конденсації (отримання нерозчинних сполук за допомогою реакцій обміну, гідролізу тощо).

Мимовільне зменшення дисперсності у суспензоїдів залежить від вільної поверхневої енергії. Щоб отримати суспензію, що тривало зберігається, необхідні умови для її стабілізації.

Стійкі дисперсні системи:

1) дисперсійне середовище;

2) дисперсна фаза;

3) стабілізатор дисперсної системи.

Стабілізатор може бути іонний, молекулярний, але найчастіше високомолекулярний.

Захисні колоїди- Високомолекулярні сполуки, які додають для стабілізації (білки, пептиди, полівініловий спирт та ін.).

2. Асоціативні (або міцелярні колоїди) -напівколоїди, що виникають при достатній концентрації молекул, що складаються з вуглеводневих радикалів (дифільні молекули) низькомолекулярних речовин при асоціації їх в агрегати молекул (міцели). Міцелиутворюються у водних розчинах миючих засобів (мил), органічних барвників.

3. Молекулярні колоїди (оборотні або ліофільні колоїди) -природні та синтетичні високомолекулярні речовини з великою молекулярною вагою. Молекули мають розмір колоїдних частинок (макромолекули).

Розведені розчини колоїдів високомолекулярних сполук – гомогенні розчини. При сильному розведенні ці розчини підпорядковуються законам розведених розчинів.

Неполярні макромолекули розчиняються у вуглеводнях, полярні – у полярних розчинниках.

Оборотні колоїди- Речовини, сухий залишок яких при додаванні нової порції розчинника знову переходить в розчин.

Одним із найбільш затребуваних у техніці та промисловості елементів є кремній. Цьому він завдячує своїми незвичайними властивостями. Сьогодні існує безліч різних сполук даного елемента, які відіграють важливу роль у синтезі та створенні технічних продуктів, посуду, скла, обладнання, будівельних та оздоблювальних матеріалів, ювелірних прикрас та інших галузях промисловості.

Загальна характеристика кремнію

Якщо розглядати положення кремнію в періодичній системі, можна сказати так:

1. Розташовується у IV групі головної підгрупи.
2. Порядковий номер 14
3. Атомна вага 28,086.
4. Хімічний символ Si.
5. Назва - кремній, або латиною - silicium.
6. Електронна конфігурація зовнішнього шару 4е: 2е: 8е.

Кристалічні грати кремнію подібні до ґрат алмазу. У вузлах розташовані атоми, тип її – кубічна гранецентрована. Однак унаслідок більшої довжини зв'язку фізичні властивості кремнію сильно відрізняються від властивостей алотропної модифікації вуглецю.

Фізичні та хімічні властивості

Ще кілька варіацій діоксиду кремнію:

• кварц;
• річковий та ;
• кремінь;
• польові шпати.

Застосування кремнію у таких видах реалізується у будівельних роботах, техніці, радіоелектроніці, хімічній галузі, металургії. Всі разом перераховані оксиди відносяться до єдиної речовини – кремнезему.

Карбід кремнію та його застосування

Кремній та його сполуки – це і сьогодення. Одним з таких матеріалів є карборунд або карбід цього елемента. Хімічна формула SiC. Зустрічається у природі як мінералу муассаніту.

У чистому вигляді з'єднання вуглецю і кремнію - це прозорі кристали, що нагадують алмазні структури. Однак у технічних цілях використовуються пофарбовані в зелений та чорний кольори речовини.

Основні характеристики даної речовини, що дозволяють використовувати її в металургії, техніці, хімічній промисловості, такі:

• напівпровідник широкозонний;
• дуже високий рівень міцності (7 за шкалою Мооса);
• стійкий до дії високих температур;
• відмінна електростійкість та теплопровідність.

Все це дозволяє використовувати карборунд як абразивний матеріал у металургії та хімічних синтезах. А також на його основі виготовлятимуть світлодіоди широкого спектру дії, деталі для скловарних печей, сопла, смолоскипи, ювелірні прикраси (муасаніт цінується вище за фіаніт).

Силан та його значення

Воднева сполука кремнію має назву силан і не може бути отримана прямим синтезом вихідних речовин. Для його одержання використовують силіциди різних металів, які піддаються обробці кислотами. В результаті виділяється газоподібний силан та формується сіль металу.

Цікаво те, що з'єднання, що розглядається, ніколи не утворюється на самоті. Завжди в результаті реакції виходить суміш моно-, ді-і трисилану, в яких атоми кремнію з'єднані між собою ланцюжками.

За своїми властивостями ці сполуки – сильні відновники. Самі при цьому легко окислюються киснем, іноді вибухом. З галогенами бурхливі реакції завжди, з великим викидом енергії.

Області застосування силанів такі:

1. Реакції органічних синтезів, у яких утворюються важливі кремнийорганические сполуки - силікони, гуми, герметики, мастила, емульсії та інші.
2. Мікроелектроніка (рідкокристалічні монітори, інтегральні технічні схеми та інше).
3. Одержання надчистого полікремнію.
4. Стоматологія під час протезування.

Отже, значення силанів у світі високо.

Кремнієва кислота та силікати

Гідроксид аналізованого елемента – це різні кремнієві кислоти. Виділяють:

• мета;
• орто;
• полікремнієві та інші кислоти.

Всі їх поєднують загальні властивості - крайня нестійкість у вільному стані. Вони легко розкладаються під впливом температури. За звичайних умов існують недовго, перетворюючись спочатку на золь, а потім на гель. Після висихання такі структури називають силікагелями. Вони використовуються як адсорбенти у фільтрах.

Важливими, з погляду промисловості, є солі кремнієвих кислот – силікати. Вони лежать в основі одержання таких речовин, як:

• скло;
• бетон;
• цемент;
• цеоліт;
• каолін;
• фарфор;
• фаянс;
• кришталь;
• кераміка.

Силікати лужних металів - розчинні, решти - немає. Тому силікат натрію та калію називають рідким склом. Звичайний канцелярський клей – це і є натрієва сіль кремнієвої кислоти.

Але найцікавішими сполуками є все ж таки скла. Яких тільки варіантів цієї речовини не вигадали! Сьогодні одержують кольорові, оптичні, матові варіанти. Скляний посуд вражає своєю пишністю та різноманітністю. При додаванні певних оксидів металів і неметалів у суміш можна отримувати різні типи скла. Іноді навіть однаковий склад, але різний процентний вміст компонентів призводить до відмінності у властивостях речовини. Прикладом можуть бути фарфор і фаянс, формула яких SiO 2 *AL 2 O 3 *K 2 O.

Це форма особливо чистого продукту, склад якого описується як діоксид кремнію.

Відкриття в галузі сполук кремнію

За останні кілька років досліджень було доведено, що кремній та його сполуки – найважливіші учасники нормального стану живих організмів. З недоліком або надлишком даного елемента пов'язані такі захворювання, як:

• туберкульоз;
• артрити;
• катаракта;
• проказа;
• дизентерія;
• ревматизм;
• гепатит та інші.

Самі процеси старіння організму також пов'язані з кількісним вмістом кремнію. Численні досліди на ссавців довели, що при нестачі елемента виникають інфаркти, інсульти, рак і активізується вірус гепатиту.

Один із найпоширеніших у природі елементів – це silicium, або кремній. Таке широке розселення свідчить про важливість та значущість цієї речовини. Це швидко зрозуміли та засвоїли люди, які навчилися правильно використовувати у своїх цілях кремній. Застосування його ґрунтується на особливих властивостях, про які й поговоримо далі.

Кремній – хімічний елемент

Якщо давати характеристику даного елемента за становищем у періодичної системі, можна позначити такі важливі пункти:

1. Порядковий номер – 14.
2. Період – третій малий.
3. Група – IV.
4. Підгрупа – головна.
5. Будова зовнішньої електронної оболонки виражається формулою 3s 2 3p 2 .
6. Елемент кремній позначається хімічним символом Si, який вимовляється як силіціум.
7. Ступені окислення, які він виявляє: -4; +2; +4.
8. Валентність атома дорівнює IV.
9. Атомна маса кремнію дорівнює 28,086.
10. У природі існує три стійкі ізотопи даного елемента з масовими числами 28, 29 і 30.

Отже, атом кремнію з хімічної погляду - досить вивчений елемент, описано безліч різних його властивостей.

Історія відкриття

Так як у природі дуже популярні і масові за змістом саме різні сполуки аналізованого елемента, з давніх-давен люди використовували і знали про властивості саме багатьох з них. Чистий кремній довгий час залишався за межею знань людини в хімії.

Найбільш популярними сполуками, якими користувалися в побуті та промисловості народи древніх культур (єгиптяни, римляни, китайці, русичі, перси та інші), були дорогоцінні та виробні камені на основі оксиду кремнію. До них відносяться:

• опал;
• гірський кришталь;
• топаз;
• хризопраз;
• онікс;
• халцедон та інші.

Також з давніх-давен прийнято використовувати кварц і в будівельній справі. Однак сам елементарний кремній залишався нерозкритим аж до XIX століття, хоча багато вчених марно намагалися виділити його з різних сполук, використовуючи для цього і каталізатори, і високі температури, і навіть електричний струм. Це такі світлі уми, як:

• Карл Шееле;
• Гей-Люссак;
• Тенар;
• Гемфрі Деві;
• Антуан Лавуазьє.

Здійснити вдало отримання кремнію у чистому вигляді вдалося Йєнсу Якобсу Берцеліусу у 1823 році. Для цього він проводив досвід зі сплавлення парів фтористого кремнію та металевого калію. В результаті отримав аморфну ​​модифікацію аналізованого елемента. Цим самим ученим було запропоновано латинську назву відкритому атому.

Ще трохи пізніше, в 1855 році, інший вчений - Сент Клер-Девіль - зумів синтезувати інший алотропний різновид - кристалічний кремній. З того часу знання про цей елемент та його властивості стали дуже швидко поповнюватися. Люди зрозуміли, що він має унікальні особливості, які можна дуже грамотно використовувати для задоволення власних потреб. Тому сьогодні один із найбільш затребуваних елементів в електроніці та техніці – це кремній. Застосування його лише розширює свої межі з кожним роком.

Російську назву атому дав вчений Гесс у 1831 році. Саме воно і закріпилося до сьогодні.

За поширеністю у природі кремній посідає друге місце після кисню. Його відсоткове співвідношення проти іншими атомами у складі земної кори - 29,5%. Крім того, вуглець і кремній – це два особливі елементи, здатні формувати ланцюги, з'єднуючись один з одним. Саме тому для останнього відомо більше 400 різних природних мінералів, у складі яких він міститься в літосфері, гідросфері та біомасі.

Де саме міститься кремній?

1. У глибоких шарах ґрунту.
2. У гірських породах, покладах та масивах.
3. На дні водойм, особливо морів та океанів.
4. У рослинах та морських мешканцях царства тварин.
5. В організмі людини та наземних тварин.

Можна позначити кілька найпоширеніших мінералів та гірських порід, у складі яких у великій кількості є кремній. Хімія їхня така, що масовий вміст чистого елемента в них досягає 75%. Проте конкретна цифра залежить від різновиду матеріалу. Отже, гірські породи та мінерали з вмістом кремнію:

• польові шпати;
• слюди;
• амфіболи;
• опали;
• халцедони;
• силікати;
• пісковики;
• алюмосилікати;
• глини та інші.

Нагромаджуючись в панцирах і зовнішніх кістяках морських тварин, кремній поступово формує потужні поклади кремнезему на дні водойм. Це один із природних джерел даного елемента.

Крім того, було встановлено, що силіціум може існувати у чистому самородному вигляді – у вигляді кристалів. Але такі родовища дуже рідкісні.

Фізичні властивості кремнію

Якщо давати характеристику аналізованого елемента з набору фізико-хімічних властивостей, то насамперед слід позначити саме фізичні параметри. Ось кілька основних:

1. Існує у вигляді двох алотропних модифікацій – аморфний та кристалічний, які відрізняються за всіма властивостями.
2. Кристалічна решітка дуже схожа з такою у алмазу, адже вуглець і кремній щодо цього майже однакові. Однак відстань між атомами різна (у кремнію більше), тому алмаз набагато твердіший і міцніший. Тип грат - кубічна гранецентрована.
3. Речовина дуже крихка, при високих температурах стає пластичною.
4. Температура плавлення дорівнює 1415?
5. Температура кипіння - 3250?
6. Щільність речовини - 2,33 г/см3.
7. Колір з'єднання - сріблясто-сірий, виражений характерний металевий блиск.
8. Має хороші напівпровідникові властивості, які здатні варіювати при додаванні тих чи інших агентів.
9. Не розчиняється у воді, органічних розчинниках та кислотах.
10. Специфічно розчинний у лугах.

Позначені фізичні властивості кремнію дозволяють людям керувати ним та застосовувати для створення різних виробів. Так, наприклад, на властивості напівпровідності засноване використання чистого кремнію в електроніці.

Хімічні властивості

Хімічні властивості кремнію дуже залежить від умов проведення реакції. Якщо говорити про стандартні параметри, то потрібно позначити дуже низьку активність. Як кристалічний, і аморфний кремній дуже інертні. Чи не взаємодіють ні з сильними окислювачами (крім фтору), ні з сильними відновниками.

Це пов'язано з тим, що на поверхні речовини миттєво формується оксидна плівка SiO 2 яка перешкоджає подальшим взаємодіям. Вона здатна утворитися під впливом води, повітря, пари.

Якщо ж змінити стандартні умови і зробити нагрівання кремнію до температури понад 400?С, то його хімічна активність сильно зросте. У цьому випадку він вступатиме в реакції з:

• киснем;
• усіма видами галогенів;
• воднем.

При подальшому підвищенні температури можливе утворення продуктів при взаємодії з бором, азотом та вуглецем. Особливе значення має карборунд - SiC, оскільки він є добрим абразивним матеріалом.

Також хімічні властивості кремнію чітко простежуються під час реакцій з металами. По відношенню до них він окислювач, тому продукти звуться силіцидів. Відомі подібні сполуки для:

• лужних;
• лужноземельних;
• перехідних металів.

Незвичайними властивостями володіє сполука, що отримується при сплавленні заліза та кремнію. Воно носить назву феросиліцієвої кераміки та успішно застосовується в промисловості.

Зі складними речовинами кремній у взаємодію не вступає, тому з усіх їх різновидів здатний розчинятися лише в:

• царській горілці (суміш азотної та соляної кислот);
• їдких лугах.

При цьому температура розчину повинна бути не меншою за 60˚С. Все це ще раз підтверджує фізичну основу речовини - алмазоподібні стійкі кристалічні грати, що надає йому міцність та інертність.

Способи отримання

Отримання кремнію в чистому вигляді – процес досить затратний економічно. З іншого боку, з його властивостей будь-який спосіб дає лише з 90-99 % чистий продукт, тоді як домішки як металів і вуглецю залишаються однаково. Тому просто одержати речовину недостатньо. Його треба ще й якісно очистити від сторонніх елементів.

У цілому виробництво кремнію здійснюється двома основними шляхами:

1. З білого піску, який є чистим оксидом кремнію SiO 2 . При прожарюванні його з активними металами (найчастіше з магнієм) відбувається утворення вільного елемента у вигляді аморфної модифікації. Чистота такого способу висока, продукт виходить із 99,9-відсотковим виходом.
2. Найбільш поширений спосіб у промислових масштабах - це спікання розплаву піску з коксом у спеціалізованих термічних печах для випалу. Даний метод був розроблений російським вченим Бекетовим Н. Н.

Подальша обробка полягає у піддаванні продуктів методам очищення. Для цього використовуються кислоти чи галогени (хлор, фтор).

Аморфний кремній

Характеристика кремнію буде неповною, якщо не розглянути окремо кожну його аллотропну модифікацію. Перша з них – це аморфна. У такому стані речовина, що розглядається нами, являє собою порошок буро-коричневого кольору, дрібнодисперсний. Має високий ступінь гігроскопічності, виявляє досить високу хімічну активність при нагріванні. У стандартних умовах здатний взаємодіяти лише з найсильнішим окислювачем – фтором.

Називати аморфний кремній саме різновидом кристалічного не зовсім правильно. Його грати показують, що ця речовина - це лише форма дрібнодисперсного кремнію, що існує у вигляді кристалів. Тому як такі ці модифікації - те саме з'єднання.

Однак властивості їх різняться, тому й заведено говорити про алотропію. Сам по собі аморфний кремній має високу світлопоглинальну здатність. Крім того, за певних умов даний показник у рази перевищує подібний до кристалічної форми. Тому його використовують у технічних цілях. У вигляді (порошок) з'єднання легко наноситься на будь-яку поверхню, чи то пластик або скло. Тому такий зручний для використання саме аморфний кремній. Застосування ґрунтується на різних розмірах.

Хоча зношування батарей подібного типу досить швидке, що пов'язано з стиранням тонкої плівки речовини, проте застосування і затребуваність тільки зростає. Адже навіть за короткий термін служби сонячні батареї на основі аморфного кремнію можуть забезпечити енергією цілі підприємства. До того ж виробництво подібної речовини безвідходне, що робить його дуже економним.

Отримують таку модифікацію шляхом відновлення сполук активними металами, наприклад натрієм або магнієм.

Кристалічний кремній

Сріблясто-сіра блискуча модифікація елемента, що розглядається. Саме така форма є найпоширенішою та найбільш затребуваною. Це пояснюється набором якісних властивостей, якими володіє ця речовина.

Характеристика кремнію з кристалічною решіткою включає класифікацію його видів, так як їх кілька:

1. Електронної якості - найчистіший і максимально високоякісний. Саме такий вид використовується в електроніці для створення особливо вразливих приладів.
2. Сонячної якості. Сама назва визначає область використання. Це також досить високий по чистоті кремній, застосування якого необхідне для створення якісних сонячних батарей, що довго працюють. Фотоелектричні перетворювачі, створені на основі саме кристалічної структури, більш якісні та зносостійкі, ніж ті, що створені з використанням аморфної модифікації шляхом напилення різного типу підкладки.
3. Технічний кремній. Цей різновид включаються ті зразки речовини, в яких міститься близько 98 % чистого елемента. Решта йде на різного роду домішки:

• алюміній;
• хлор;
• вуглець;
• фосфор та інші.

Останній різновид аналізованої речовини використовується з метою отримання полікристалів кремнію. І тому проводяться процеси перекристалізації. Внаслідок цього чистотою виходять такі продукти, які можна відносити до груп сонячної та електронної якості.

За своєю природою полікремній – це проміжний продукт між аморфною модифікацією та кристалічною. З таким варіантом легше працювати, він краще піддається переробці та очищенню фтором та хлором.

Продукти, що виходять в результаті, можна класифікувати так:

• мультикремній;
• монокристалічний;
• профільовані кристали;
• кремнієвий скрап;
• технічний кремній;
• відходи виробництва у вигляді осколків та обрізків речовини.

Кожен з них знаходить застосування у промисловості та використовується людиною повністю. Тому, що стосуються кремнію, вважаються безвідходними. Це значно знижує його економічну вартість, не впливаючи на якість.

Використання чистого кремнію

Виробництво кремнію в промисловості налагоджено досить добре, яке масштаби досить об'ємні. Це з тим, що це елемент, як чистий, і у вигляді різних сполук, поширений і затребуваний у різних галузях науку й техніки.

Де ж використовується кристалічний та аморфний кремній у чистому вигляді?

1. У металургії як легуюча добавка, здатна змінювати властивості металів та його сплавів. Так, він використовується при виплавці сталі та чавуну.
2. Різні види речовини йдуть виготовлення більш чистого варіанта - поликремния.
3. Сполуки кремнію з - це ціла хімічна галузь, яка набула особливої ​​популярності сьогодні. Кремнійорганічні матеріали використовуються в медицині, при виготовленні посуду, інструментів та багато іншого.
4. Виготовлення різних сонячних батарей. Цей спосіб отримання енергії є одним із найперспективніших у майбутньому. Екологічно чисто, економічно вигідно та зносостійко – основні переваги такого отримання електрики.
5. Кремній для запальничок використовується вже давно. Ще в давнину люди використовували кремінь для отримання іскри під час розпалу вогню. Цей принцип закладено основою виробництва запальничок різноманітних. Сьогодні зустрічаються види, в яких кремінь замінений на сплав певного складу, що дає ще швидший результат (іскріння).
6. Електроніка та сонячна енергетика.
7. Виготовлення дзеркалець у газових лазерних пристроях.

Таким чином, чистий кремній має масу переважних та особливих властивостей, що дозволяють використовувати його для створення важливих та потрібних продуктів.

Застосування сполук кремнію

Крім простої речовини, використовуються різні сполуки кремнію, причому дуже широко. Існує ціла галузь промисловості, яка називається силікатною. Саме вона ґрунтується на використанні різних речовин, до складу яких входить цей дивовижний елемент. Які це сполуки та що з них виробляють?

1. Кварц, або річковий пісок – SiO 2 . Використовується для виготовлення таких будівельних та декоративних матеріалів, як цемент та скло. Де використовуються ці матеріали всім відомо. Жодне будівництво не обходиться без цих компонентів, що підтверджує важливість сполук кремнію.
2. Силікатна кераміка, в яку входять такі матеріали, як фаянс, фарфор, цегла та продукти на їх основі. Дані компоненти використовуються в медицині, при виготовленні посуду, декоративних прикрас, предметів побуту, у будівництві та інших побутових сферах діяльності людини.
3. - силікони, силікагелі, силіконові олії.
4. Силікатний клей - використовується як канцелярський, у піротехніці та будівництві.

Кремній, ціна на який варіює на світовому ринку, але не перетинає зверху вниз позначку 100 рублів РФ за кілограм (за кристалічний), є затребуваною і цінною речовиною. Природно, що і з'єднання цього елемента так само поширені і застосовні.

Біологічна роль кремнію

З погляду значущості для організму кремній важливий. Його зміст та розподіл за тканинами такий:

• 0,002% - м'язова;
• 0,000017% - кісткова;
• кров – 3,9 мг/л.

Щодня всередину має потрапляти близько одного грама кремнію, інакше почнуть розвиватися захворювання. Смертельно небезпечних у тому числі немає, проте тривале кремнієве голодування призводить до:

• випадання волосся;
• появі вугрової висипки та прищів;
• крихкості та ламкості кісток;
• легкої проникності капілярів;
• втоми та головним болям;
• появі численних синців та синців.

Для рослин кремній – важливий мікроелемент, необхідний для нормального зростання та розвитку. Досліди на тваринах показали, що краще ростуть ті особини, які щодня споживають достатню кількість кремнію.