РАЗДЕЛ II. НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

9. Неметаллические элементы и их соединения. Неметаллы

9.5. Элементы IV группы

9.5.6. Силиция

Силиция - 14-й элемент периодической таблицы (заряд ядра +14. Химический символ Si, относительная атомная масса - 28. Известно три стабильные природные изотопы Кремния: ²⁸Si (92,27 %), ²⁹Si, ³⁰Si. Образует простое вещество кремний. Электронная формула - ₁₄Si 1s²2s²2p⁶3s²3p²; валентность - II (основное состояние), IV (возбужденное состояние).

Проявляет степени окисления -4, 0, +2, +4. Существует небольшое количество соединений с валентностью II и степенью окисления +2. Возбужденный атом Кремния имеет четыре неспаренные электроны, а потому самая характерная валентность - IV, а характерный степень окисления - +4.

Распространенность Кремния в природе

Кремний - один из самых распространенных элементов (27,6 % по массе) земной коры, занимает второе место по распространенности после Кислорода. Концентрация в воде (и морской, и пресной) - 3 мг/л.

Чаще всего в природе Кремний встречается в виде кремнезема - соединений на основе силиция(ИV) оксида SiO₂ (около 12 % массы земной коры). Это песок, кварц (образует ряд природных драгоценных и полудрагоценных минералов), кремень, составная часть гранита (25-30 %) и базальта (45-53 %).

Стекать - большая группа (около 800) сложных минералов на основе соединений Кремния и Кислорода. Если в состав природного силиката входит еще и алюминий оксид Аl₂O₃, то их называют алюмосилікатами (до 50 % массы земной коры). Это белая глина Al₂O₃ · 2SiO₂ · 2Н₂O, полевые шпаты (К, Na, Са)O₂ · Аl₂O₃ · SiO₂ (из которых на 60-65 % состоит гранит), слюда K₂O · Аl₂O₃ · 6SiO₂ · Н₂O. Силикаты вместе с алюмосилікатами составляют около 90% минералов литосферы. Некоторые природные силикаты являются драгоценными камнями: аквамарин, топаз, изумруд, нефрит, родонит, турмалин, берилл, гранат.

Горные породы, лежащие на поверхности, со временем выветриваются, то есть разрушаются при участии атмосферных, биологических факторов и воды. Различают выветривание физическое (механическое, вследствие действия ветра и замораживания-размораживания воды), биологическое и химическое. Вот пример химического выветривания:

Вследствие выветривания образуются залежи глины, песка и солей. Изредка встречается самородный кремний. В живой природе Кремния не очень много. Его накапливают некоторые растения: злаки (оболочка зерна, стебель: что оно тверже, тем больше там Кремния), полевой хвощ, бамбук, тростник, некоторые водоросли. Он основа скелетов некоторых морских организмов - радиолярий, диатомей, губок, морских звезд. В организме человека он содержится в незначительном количестве (около 1 г), главным образом в костях, ногтях и волосах, но при переломах костей его концентрация в месте перелома возрастает почти в 50 раз.

Физические свойства простых веществ Кремния

Кремний образует два простых вещества, то есть две алотропічні видоизменения: кремний кристаллический и аморфный (на самом деле это тонко-дисперсный порошок из кристаллического кремния).

Кристаллический кремний имеет алмазоподібні кристаллические решетки. Однако связи между атомами Кремния намного слабее, чем связи между атомами Углерода в алмазе. При стандартных условиях часть связей разрушается и появляются свободные электроны, которые обусловливают незначительную электропроводность. Кристаллический кремний имеет темно-серый цвет и металлический блеск, твердый, но хрупкий, полупроводник. Его электропроводность возрастает при освещении и нагревании.

Аморфный кремний - бурый порошок, более химически активен, чем кристаллический. Не растворяется ни в одном растворителе.

Добыча кремния

В лаборатории проводят реакцию между чистым кварцевым песком и магнием:

В промышленности кремний добывают из песка и кокса в электропечах при температуре 1800 °С:

Химические свойства кремния

Силиция - неметал с невысокой химической активностью. Его неметаллические свойства менее выражены по сравнению с углеродом. Аморфный кремний значительно активнее кристаллический. Химическая активность кристаллического кремния возрастает при нагревании. Все реакции, характерные для кремния, являются окислительно-восстановительными. Более характерны являются восстановительные свойства.

Взаимодействие с простыми веществами. При стандартных условиях кремний реагирует лишь с фтором, а при нагревании соединяется с другими галогенами, кислородом, серой, азотом, углеродом:

Окислительные свойства кремния проявляются в реакциях с металлами:

Силициды легко разлагаются кислотами и водой:

Силан SiH₄ - газ, самозажигающиеся на воздухе:

Взаимодействие со сложными веществами. С кислотами кремний не реагирует. Кремний реагирует с растворами щелочей, выделяя водород:

Применение кремния

Кремний как полупроводник используют в микроэлектронике, вычислительной технике. Это сырье для металлургии (выплавка чугуна, бронзы, силумина); кремний вводят в состав сплавов, для которых характерна способность к быстрому намагничивания и размагничивания (изготовление трансформаторов); стали с содержанием Кремния 20 % являются кислотоустойчивыми (изготовления химической аппаратуры). Кремний также используют для изготовления фотоэлементов, солнечных батарей. Из кремния добывают карборунд, благодаря его большой твердости (9-9;5 по шкале Мооса) его используют как абразивный материал, в производстве композитных материалов, ювелирных изделий и т.д. Кремний применяют в производстве кремнийорганических соединений, которые, в свою очередь, является сырьем для изготовления масел, полимеров, резин, каучуков (температурный интервал от -80 до +260 °С), кремнийорганических жидкостей и эмульсий.