- характеристика елемента кремнію: електронна будова, можливі ступені окислення, основні сполуки: оксид, гідроксид. Аморфний і кристалічний кремній.
Кремній - елемент 3-го періоду і IVA-групи Періодичної системи, порядковий номер 14. Електронна формула атома 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 = [10 Ne] 3s 2 3p 2. Характерна ступінь окислення в з'єднаннях + IV.
Шкала ступенів окислення кремнію:
Електронегативність кремнію невисока для неметалів (2,25). Виявляє неметалічні (кислотні) властивості; утворює оксиди, кремнієві кислоти, дуже велике число солей - силікатів у вигляді ланцюгів, стрічок і тривимірних сіток тетраедрів [SiO 4], бінарні сполуки. В даний час широко розвивається хімія органічних сполук кремнію зі зв'язками Si - С і кремнійорганічних полімерів - силіконів і силіконових каучуків зі зв'язками Si - Si, Si - О і Si - С.
Найважливіший елемент неживої природи, другий за хімічною поширеності. Зустрічається тільки в зв'язаному вигляді. Життєво важливий елемент для багатьох організмів.
Кремній Si - Проста речовина. Крупнокрісталліческій - темно-сірий, з металевим блиском, вельми твердий, дуже крихкий, непрозорий, тугоплавкий, поширений напівпровідник. Кристалічна решітка - атомна, зв'язку Si - Si дуже міцні. Аморфний - білий або жовто-коричневий (з домішками, в основному Fe), хімічно активніший. Стійкий на повітрі (покритий оксидною плівкою), не реагує з водою. Реагує з HF (конц.), Лугами. Окислюється киснем, хлором. Відновлюється магнієм. Спікається з графітом. Промислово важливим є сплав з залізом - феросиліцій (12-90% Si). Застосовується як легирующая добавка в стали і сплави кольорових металів, компонент напівпровідникових матеріалів для мікроелектроніки, основа силіконів.
Рівняння найважливіших реакцій:
Отримання в промисловості: відновлення SiCl 4 або SiO 2 при прожаренні:
(Остання реакція може бути здійснена і в лабораторії, після обробки соляною кислотою залишається аморфний кремній).
Діоксид кремнію SiO 2 - Кислотний оксид. Білий порошок (кварцовий пісок) і прозорі кристали, природний продукт забарвлений домішками (кремнезем) - у вигляді звичайного піску і каменю (кремінь). Кристалічна решітка атомна, кожен атом кремнію оточений чотирма атомами кисню [Si (O) 4], а кожен атом кисню - двома атомами кремнію [O (Si) 2]. Має кілька кристалічних модифікацій (всі мінерали), найважливіші - кварц, трідіміта кристобалит, рідко зустрічаються і штучно отримані - кітіт, коесит, стишовит, меланофлогіт, волокнистий кремнезём.Тугоплавкій. при повільному охолодженні розплаву утворюється аморфна форма - кварцове скло (в природі мінерал лешательеіт). Найбільш хімічно активна аморфна форма.
Практично не реагує з водою (з розчину осідає гідрат SiO 2 NН 2 O), поширеними кислотами. Кварцові скло роз'їдається в HF (конц.). Реагує з лугами в розчині (образуетортосілікати) і при сплаву (продукти - Метасилікати). Легко хлорується в присутності коксу. Відновлюється коксом, магнієм, залізом (в доменному процесі).
Застосовується як промислова сировина у виробництві кремнію, звичайного, термо- і хімічно стійкого скла,
порцеляни, кераміки, абразивів і адсорбентів, наповнювач гуми, мастил, клеїв і фарб, компонент будівельних сполучних розчинів, у вигляді монокристалів кварцу - основа генераторів ультразвуку і точного ходу кварцових годин. Різновиди кварцу (гірський кришталь, рожевий кварц, аметист, димчастий кварц, халцедон, Онікс ін.) - дорогоцінні, напівкоштовні або камені виробів.
Рівняння найважливіших реакцій:
Перекладається в розчин дією концентрованих лугів. По інших хімічних властивостях подібний до SiO 2. У природі - мінерали опал і халцедон (агат, яшма). Мономерна метакремнієва кислота H 2 SiO 3 не отримується.
Рівняння найважливіших реакцій:
Отримання. витіснення сильною кислотою з розчину силікату, наприклад:
Метасилікат натріяNa2 SiO 3 - Оксосоль. Білий, при нагріванні плавиться без розкладання. Розчиняється в холодній воді (сильний гідроліз за аніоном). Концентрований розчин - колоїдний ( «рідке скло», містить гидрозолей SiO 2 NН 2 O). Розкладається в гарячій воді, реагує з кислотами, лугами, вуглекислим газом.
Застосовується як компонент шихти у виробництві скла, спеціальних цементів та бетонів, входить до складу силікатних фарб і клею, холодних глазурі, алюмосилікатних каталізаторів, при виготовленні паперу і картону, силікагелю, синтетичних цеолітів. Рівняння найважливіших реакцій:
Отримання. сплавлення соди з піском
Силікати. Кремній в ступені окислення + IV знаходиться, крім SiO 2. в досить численних і часто дуже складних за складом і будовою силікат-іони (так, крім жетасілікат-іона SiO 3 2- іортосілікат-іона SiO 4 4- відомі іони Si 2 O 7 6. Si 3 O 9 6. Si 2 O 10 4- і ін.). Для простоти запису все силікати зображують як містять іон SiO 3 2-.
Насичений розчин силікатів натрію і калію (в'язке «рідке скло») використовується як силікатний клей.
Силікати натрію і кальцію входять до складу скла; його отримують сплавом кварцу SiO 2. вапняку СаСO 3 і соди Na 2 CO 3:
Часто склад скла виражають через оксиди, наприклад, звичайне скло Na 2 O СаО • 6SiO 2.
Серед силікатних мінералів відзначимо глини (алюмосилікати), дуже чиста глина - каолін Al 2 O 3 2SiO 2 • 2Н 2 O використовується для виготовлення порцеляни.
Силікати і алюмосилікати застосовують в промисловості при виробництві кераміки, цементу, бетону та інших будівельних матеріалів.
Тетрахлорид кремніяSiCl4. Бінарна сполука. Безбарвна рідина, володіє широким інтервалом рідкого стану. Молекула має тетраедричну будова (sр 3-гібридизація). Термічно стійкий. «Димить» у вологому повітрі. Повністю гідролізується водою. Розкладається лугами. Відновлюється воднем, натрієм, цинком. Хлорують оксид алюмінію.
Застосовується у виробництві особливо чистого кремнію для напівпровідникової техніки.
Рівняння найважливіших реакцій:
Отримання в промисловості - хлорування кремнію або кварцового піску SiO 2.
Кристалічний кремній - це основна форма, в якій використовується кремній при виробництві фотоелектричних перетворювачів і твердотільних електронних приладів методами планарної технології. Активно розвивається використання кремнію у вигляді тонких плівок (епітаксійних шарів) кристалічної і аморфної структури на різних підкладках.