Часть II. НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Раздел 11. ПОДГРУППА КАРБОНА

§ 11.5. Кремний и его свойства

Распространение в природе. Силиция после кислорода - самый распространенный элемент на Земле. Он составляет 27,6 % массы земной коры. В природе встречается главным образом в виде оксида кремния(ИV) SiO₂ и силикатных солей кислот - силикатов. Они образуют оболочку земной коры. Соединения кремния содержатся в организмах растений и животных.

Добывания и применения. В промышленности кремний получают восстановлением SiO₂ коксом в электрических печах:

SiO₂ + 2С = Si + 2СO.

В лаборатории как восстановители используют магний или алюминий:

SiO₂ + 2Mg = Si + 2MgO;

3SiO₂ + 4Al = 3Si + 2Al₂O₃.

Чистый кремний получают восстановлением тетрахлорида кремния парой цинка:

SiCl₄ + 2Zn = Si + 2ZnCl₂.

Кремний используют как полупроводник. Из него изготавливают так называемые солнечные батареи, которые превращают световую энергию в электрическую (питание радіоустановок космических кораблей). Кремний используют в металлургии для получения кремнистых сталей, которые имеют высокую жаростойкость и кислототривкість.

Физические свойства. Кристаллический кремний - вещество темно-серого цвета со стальным блеском. Структура кремния аналогична структуре алмаза. В его кристалле каждый атом окружен тетраедрично четырьмя другими и связанный с ними ковалентной связью, который значительно слабее, чем между атомами углерода в алмазе.

В кристалле кремния даже при обычных условиях часть ковалентных связей разрушается. Поэтому в нем есть свободные электроны, которые обусловливают небольшую электрическую проводимость. При освещении и нагревании увеличивается количество разрушенных связей, а следовательно, увеличивается число свободных электронов и возрастает электрическая проводимость. Так следует объяснять полупроводниковые свойства кремния.

Кремний очень хрупкий, его плотность 2,33 г/см³. Как и уголь, принадлежит к тугоплавких веществ.

Силиция состоит из трех стабильных изотопов: ²⁸₁₄Si (92,27 %), ²⁹₁₄Si (4,68 %) и ³⁰₁₄Si (3,05 %).

Химические свойства. По химическим свойствами сицілій, как и карбон, есть неметалом, но его неметалічність оказывается слабее, потому что он имеет больший атомный радиус (п. 6, табл. 11.1). Поскольку у атомов кремния на внешнем энергетическом уровне находится 4 электрона, то для кремния характерна степень окисления как -4, так и +4 (известная соединение кремния, где его степень окисления равна +2).

Кремний при обычных условиях достаточно инертный, что следует объяснять прочностью его кристаллической решетки. Непосредственно он взаимодействует только со фтором:

Si + 2F₂ = SiF₄.

Фторид

кремния

Кислоты (кроме смеси плавиковой HF и азотной HNO3) на кремний не действуют. Однако он растворяется в гідроксидах щелочных металлов, образуя силикат и водород:

Si + 2OН^- +Н₂O = SiO^2-₃ + 2Н₂ ↑.

При высокой температуре в электрической печи из смеси песка и кокса добывают карбид кремния SiC (карборунд):

SiO₂ + 2С = SiC + CO₂.

Карборунд имеет алмазоподібну кристаллическую решетку, в которой каждый атом кремния окружен четырьмя атомами углерода и наоборот, а ковалентные связи очень прочны, как в алмазе. Поэтому по твердости он близок к алмазу. Из карбида кремния изготавливают точильные камни и шлифовальные круги.

Соединения металлов с кремнием называются силіцидами. Например:

Si + 2Mg = Mg₂Si.

                Силіцид

                магния

При действии на силіцид хлоридной кислотой образуется простейшая водородная соединение кремния - силан SiH4:

Mg₂Si + 4Н⁺ = 2Mg²⁺ + SiH₄.

Силан - ядовитый газ с неприятным запахом, самовоспламеняется на воздухе:

SiH₄ + 2O₂ = SiO₂ + 2Н₂O.

Измельченный кремний при нагревании с кислородом сгорает, образуя оксид кремния(ИV):

Si + O₂ = SiO₂.

При этом выделяется большое количество теплоты, что свидетельствует о значительную прочность связи между атомами в SiO₂.

При высоких температурах кремний восстанавливает много металлов из их оксидов.