КРЕМНИЙ
Кремний - символ Si (от латинского Silicium) - элемент 4 группы периодической системы. Строение внешнего электронного уровня атома 3s23p2. Для кремния в соединениях характерны степени окисления +2 и +4, очень редко встречается +3.
В природе три стабильных изотопа кремния: 28Si, 29Si, 30Si.
Кремний - второй после кислорода по распространенности в земной коре элемент. Его массовая доля в земной коре составляет 0,276, причем встречается кремний только в виде соединений.
Различают две основные аллотропные модификации кремния - аморфную и кристаллическую. Аморфный кремний не имеет упорядоченной кристаллической решетки. Решетка кристаллической модификации кремния - атомная, сходна с решеткой алмаза.
Аморфный кремний - порошок бурого цвета, плотность 2,3 г/см3. Кристаллический кремний - темно-серые со слабым блеском кристаллы, температура плавления 1415oС, кипения 3250oС, плотность 2,4 г/см3, полупроводник, прозрачен для инфракрасного излучения.
Химические свойства
Кремний в химическом отношении при комнатной температуре инертен, взаимодействует при этой температуре только с фтором:
При повышенных температурах взаимодействует со многими неметаллами:
а) хлором - при 400oС:
б) кислородом - при 600oС:
в) азотом - при 1000oС:
г) углеродом - при 2000oС:
Образующийся при этом карбид кремния SiC - карборунд - имеет кристаллическую решетку алмаза и близок к нему по твердости.
По отношению к металлам кремний ведет себя по-разному:
а) с расплавленными магнием, медью, железом, щелочными и щелочноземельными металлами взаимодействует, образуя силициды, например:
Силициды щелочных и щелочноземельных металлов разлагаются водой.
б) в других расплавленных металлах, например цинке, свинце, олове, алюминие, кремний хорошо растворяется, но соединений не образует.
Кремний устойчив к действию кислот, при обычных условиях аморфный (но не кристаллический) кремний взаимодействует только с плавиковой кислотой:
И кристаллический, и аморфный кремний растворяются в смеси азотной и плавиковой кислот:
Кремний реагирует с водными растворами щелочей, например:
В промышленности кремний получают восстановлением SiO2 коксом:
Особо чистый кремний - восстановлением SiCl4 водородом:
или разложением SiH4 при 400-600oС:
В лаборатории кремний можно получить, прокаливая смесь SiO2 и магния (или алюминия):
Кремний применяют в промышленности:
а)как легирующую добавку в производстве сплавов черных и цветных металлов
б) для получения силиконов - кремнийорганических полимеров
Особо чистый монокристаллический кремний (очищают обычно зонной плавкой) применяется в электронной промышленности как полупроводниковый материал для изготовления микросхем, транзисторов и т.д.
СОЕДИНЕНИЯ КРЕМНИЯ
Кремний образует гидриды с общей формулой состава SinH2n+2, по строению аналогичные гомологическому ряду алканов CnH2n+2, называемые силанами, n от 1 до 6. При n = 1-2 это газы, 3-4 - жидкости, остальные - твердые вещества. Все силаны ядовиты и обладают характерным запахом. В отличие от углеводородов, силаны разлагаются на простые вещества при нагревании:
На воздухе силаны самовоспламеняются:
и сгорают с образованием белого дыма SiO2
Силаны разлагаются парами воды:
и взаимодействуют с водными растворами щелочей:
Получить силаны можно, действуя соляной кислотой на силициды, например силицид магния:
при этом также образуется Si2H6, Si3H8 и т.д.
Степень окисления +2. Оксид кремния (2) - SiO - желтовато-коричневое вещество, плотность 2,2 г/см3.
SiO медленно окисляется кислородом воздуха:
и взаимодействует с водными растворами щелочей:
Оксид кремния (2) можно получить при прокаливании SiO2 c кремнием, коксом или карбидом кремния при 1500-2000oC:
SiO применяется как электроизоляционный материал, компонент красок и для фильтрования воздуха.
Степень окисления +4 - SiO2, кремниевая кислота и силикаты.
SiO2 - оксид кремния (4), кремнезем, кремниевый ангидрид - бесцветные кристаллы, температура плавления 1728oС, кипения 2530oС, существует в виде нескольких полиморфных модификаций - кварца, кристобалита, тридимита, аморфного (стеклообразного) SiO2.
SiO2 устойчив к действию кислот и щелочей, взаимодействует только с плавиковой кислотой или газообразным фтороводородом: