Способы получения кремния его свойства

Кремний

Кремний — неметаллический элемент IVa группы периодической таблицы Д.И. Менделеева. Второй после кислорода элемент по распространенности в земной коре.

В чистом виде в природе практически отсутствует. Чаще всего встречается в виде кремнезема — SiO₂ — песок, песчаник, кварц, глина.

Кремниевая (силиконовая) долина

Регион в штате Калифорния (США), отличающийся большой плотностью высоко технологичных компаний, связанных с производством компьютеров и микропроцессоров.

Кремний является природным полупроводником, используется как основной материал для производства микросхем. Кремний ближе, чем вы думаете: внутри гаджета, которым вы пользуетесь 😉

Основное и возбужденное состояние кремния

При возбуждении атома кремния электроны на s-подуровне распариваются и один из них переходит на p-подуровень.

Природные соединения

В природе кремний встречается в виде следующих соединений:

• SiO₂ — кварц, кремнезем, гранит, песчаник, песок, глина
• SiO₂ с примесью Fe 3+ — цитрин
• SiO₂ с примесью Fe 2+ и Fe 3+ — аметист

Получение

В промышленности кремний получают путем восстановления кремнезема в электрических печах, алюминотермией.

В лабораторных условиях мелкий белый песок прокаливают с магнием:

SiO₂ + Mg → (t) MgO + Si

Химические свойства

При обычных условиях без нагревания кремний реагирует только со фтором.

При нагревании кремний вступает в реакции с остальными галогенами (Cl, Br, I), углеродом, кислородом. При очень высоких температурах (1200 °C) кремний с кислородом образует оксид кремния II — несолеобразующий оксид.

Si + O₂ → (t = 1200 °C) SiO

В подобных реакциях кремния проявляет свои окислительные способности.

Ca + Si → Ca₂Si (силицид кальция)

Реакция с щелочами

С целью травления (удаления поверхностного слоя материала) кремниевые изделия можно погружать в раствор щелочи.

Оксид кремния IV — SiO₂

Оксид кремния IV имеет атомное строение, обладает высокой прочностью и твердостью. Плавится при температуре +1730 °C градусов.

В промышленности оксид кремния IV получают нагреванием кремния в атмосфере кислорода.

В лабораторных условиях проводят реакция силиката натрия с уксусной кислотой. Кремниевая кислота сразу же распадается на SiO₂, который выпадает в осадок, и воду.

Реакции с кислотами

Химически SiO₂ устойчив к действию кислот, однако вступает в реакцию с газообразным фтороводородом (газом) и плавиковой кислотой (жидкостью).

Реакции с основными оксидами и щелочами

SiO₂ является кислотным оксидом, соответствует кремниевой кислоте. Вступая в реакции с основными оксидами и щелочами, образует соли данной кислоты — силикаты.

Так как чаще всего кислотные оксиды с солями не реагируют, тем более необычной кажется реакция оксида кремния IV с карбонатами.

Кремниевая кислота

Слабая, малорастворимая в воде кислота. Ее соли носят название — силикаты.

Поскольку кремниевая кислота малорастворима, то банальной реакцией SiO₂ с водой ее не получить. Эту задачу решают в две стадии через ее соли — силикаты.

Кремниевая кислота слабая, нестойкая, легко распадается на воду и оксид кремния IV.

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Источник

В большинстве реакций Si выступает в роли восстановителя:

При низких температурах кремний химически инертен, при нагревании его реакционная способность резко возрастает.

1. С кислородом взаимодействует при Т выше 400°С:

Si + О₂ = SiO₂ оксид кремния

2. С фтором реагирует уже при комнатной температуре:

Si + 2F₂ = SiF₄ тетрафторид кремня

3. С остальными галогенами реакции идут при температуре = 300 — 500°С

4. С парами серы при 600°С образует дисульфид:

5. Реакция с азотом происходит выше 1000°С:

6. При температуре = 1150°С реагирует с углеродом:

SiO₂ + 3С = SiС + 2СО

По твердости карборунд близок к алмазу.

7. С водородом кремний непосредственно не реагирует.

8. Кремний стоек к действию кислот. Взаимодействует только со смесью азотной и фтороводородной (плавиковой) кислот:

9. реагирует с растворами щелочей с образованием силикатов и выделением водорода:

10. Восстановительные свойства кремния используют для выделения металлов из их оксидов:

2MgO = Si = 2Mg + SiO₂

В реакциях с металлами Si — окислитель:

Кремний образует силициды с s-металлами и большинством d-металлов.

Состав силицидов данного металла может быть различен. (Например, FeSi и FeSi₂; Ni₂Si и NiSi₂.) Один из наиболее известных силицидов — силицид магния, который можно получать прямым взаимодействием простых веществ:

Силан (моносилан) SiH₄

Силаны (кремневодороды) Si_nH_{2n + 2}, (ср. с алканами), где п = 1-8. Силаны — аналоги алканов, отличаются от них неустойчивостью цепей -Si-Si-.

Моносилан SiH₄ — бесцветный газ с неприятным запахом; растворяется в этаноле, бензине.

1. Разложение силицида магния соляной кислотой: Mg₂Si + 4HCI = 2MgCI₂ + SiH₄

2. Восстановление галогенидов Si алюмогидридом лития: SiCl₄ + LiAlH₄ = SiH₄↑ + LiCl + AlCl₃

Силан — сильный восстановитель.

1.SiH₄ окисляется кислородом даже при очень низких температурах:

2. SiH₄ легко гидролизуется, особенно в щелочной среде:

Оксид кремния (IV) (кремнезем) SiO₂

Кремнезем существует в виде различных форм: кристаллической, аморфной и стеклообразной. Наиболее распространенной кристаллической формой является кварц. При разрушении кварцевых горных пород образуются кварцевые пески. Монокристаллы кварца — прозрачны, бесцветны (горный хрусталь) или окрашены примесями в различные цвета (аметист, агат, яшма и др.).

Аморфный SiO₂ встречается в виде минерала опала: искусственно получают силикагель, состоящий из коллоидных частиц SiO₂ и являющийся очень хорошим адсорбентом. Стеклообразный SiO₂ известен как кварцевое стекло.

Физические свойства

В воде SiO₂ растворяется очень незначительно, в органических растворителях также практически не растворяется. Кремнезем является диэлектриком.

Химические свойства

1. SiO₂ — кислотный оксид, поэтому аморфный кремнезем медленно растворяется в водных растворах щелочей:

2. SiO₂ взаимодействует также при нагревании с основными оксидами:

3. Будучи нелетучим оксидом, SiO₂ вытесняет углекислый газ из Na₂CO₃ (при сплавлении):

4. Кремнезем реагирует с фтороводородной кислотой, образуя кремнефтористоводородную кислоту H₂SiF₆:

5. При 250 — 400°С SiO₂ взаимодействует с газообразным HF и F₂, образуя тетрафторсилан (тетрафторид кремния):

Кремниевые кислоты

— ортокремниевая кислота H₄SiО₄;

— метакремниевая (кремниевая) кислота H₂SiO₃;

— ди- и поликремниевые кислоты.

Все кремниевые кислоты малорастворимы в воде, легко образуют коллоидные растворы.

Способы по-лучения

1. Осаждение кислотами из растворов силикатов щелочных металлов:

2. Гидролиз хлорсиланов: SiCl₄ + 4Н₂О = H₄SiO₄ + 4HCl

Химические свойства

Кремниевые кислоты — очень слабые кислоты (слабее угольной кислоты).

При нагревании они дегидратируются с образованием в качестве конечного продукта кремнезема

Силикаты — соли кремниевых кислот

Поскольку кремниевые кислоты чрезвычайно слабые, их соли в водных растворах сильно гидро лизованы:

SiO₃ 2- + Н₂О = HSiO₃ — + ОН — (щелочная среда)

По этой же причине при пропускании углекислого газа через растворы силикатов происходит вытеснение из них кремниевой кислоты:

Данную реакцию можно рассматривать как качественную реакцию на силикат-ионы.

Среди силикатов хорошо растворимыми являются только Na₂SiO₃ и K₂SiO₃, которые называются растворимым стеклом, а их водные растворы — жидким стеклом.

Стекло

Обычное оконное стекло имеет состав Na₂O • СаО • 6SiO₂, т. е. является смесью силикатов натрия и кальция. Его получают сплавлением соды Na₂CO₃, известняка СаСO₃ и песка SiO₂;

Цемент

Порошкообразный вяжущий материал, образующий при взаимодействии с водой пластичную массу, превращающуюся со временем в твердое камневидное тело; основной строительный материал.

Химический состав наиболее распространенного портланд-цемента (в % по массе) — 20 — 23% SiO₂; 62 — 76 % СаО; 4 — 7 % Al₂O₃; 2-5% Fe₂O₃; 1- 5% МgО.

Источник

Кремний (Si)

Соединения кремния:

В чистом виде впервые кремний был выделен в 1811 году (французы Ж. Л. Гей-Люссак и Л. Ж. Тенар). Чистый элементарный кремний был получен в 1825 г. (швед Й. Я. Берцелиус). Свое название «кремний» (в переводе с древнегреческого — гора) химический элемент получил в 1834 году (российский химик Г. И. Гесс).

Кремний является самым распространенным (после кислорода) химическим элементом на Земле (содержание в земной коре 28-29% по массе). В природе кремний чаще всего присутствует в виде кремнезема (песок, кварц, кремень, полевые шпаты), а также в силикатах и алюмосиликатах. В чистом виде кремний встречается чрезвычайно редко. Многие природные силикаты в чистом виде являются драгоценными камнями: изумруд, топаз, аквамари — это все кремний. Чистый кристаллический оксид кремния (IV) встречается в виде горного хрусталя и кварца. Оксид кремния, в котором присутствуют различные примеси, образует драгоценные и полудрагоценные камни — аметист, агат, яшма.

Рис. Строение атома кремния.

Электронная конфигурация кремния — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 (см. Электронная структура атомов). На внешнем энергетическом уровне у кремния находятся 4 электрона: 2 спаренных на 3s-подуровне + 2 неспаренных на p-орбиталях. При переходе атома кремния в возбужденное состояние один электрон с s-подуровня «покидает» свою пару и переходит на p-подуровень, где имеется одна свободная орбиталь. Т. о., в возбужденном состоянии электронная конфигурация атома кремния приобретает следующий вид: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3 .

Рис. Переход атома кремния в возбужденное состояние.

Т. о., кремний в соединениях может проявлять валентность 4 (чаще всего) или 2 (см. Валентность). Кремний (так же, как и углерод), реагируя с другими элементами, образует химические связи в которых может как отдавать свои электроны, так и принимать их, но при этом способность принимать электроны у атомов кремния выражена слабее, чем у атомов углерода, по причине большего размера атома кремния.

Степени окисления кремния:

• -4: SiH₄ (силан), Ca₂Si, Mg₂Si (силикаты металлов);
• +4 — наиболее устойчивая: SiO₂ (оксид кремния), H₂SiO₃ (кремниевая кислота), силикаты и галогениды кремния;
• 0: Si (простое вещество)

Кремний, как простое вещество

Кремний представляет из себя темно-серое кристаллическое вещество с металлическим блеском. Кристаллический кремний является полупроводником.

Кремний образует только одну аллотропную модификацию, подобную алмазу, но при этом не такую прочную, т. к. связи Si-Si не так прочны, как в алмазной молекуле углерода (См. Алмаз).

Аморфный кремний — порошок бурого цвета, с температурой плавления 1420°C.

Кристаллический кремний получают из аморфного путем его перекристаллизации. В отличие от аморфного кремния, который является достаточно активным химическим веществом, кристаллический кремний более инертен в плане взаимодействия с другими веществами.

Строение кристаллической решетки кремния повторяет структуру алмаза, — каждый атом окружен четырьмя другими атомами, расположенными в вершинах тетраэдра. Атомы связываются друг с другом ковалентными связями, которые не так прочны, как углеродные связи в алмазе. По этой причине, даже при н.у. некоторые ковалентные связи в кристаллическом кремнии разрушаются, в результате чего высвобождается некоторая часть электронов, благодаря чему кремний обладает небольшой электропроводностью. По мере нагревания кремния, на свету или при добавлении некоторых примесей, кол-во разрушаемых ковалентных связей увеличивается, вследствие чего и увеличивается кол-во свободных электронов, следовательно, растет и электропроводность кремния.

Химические свойства кремния

Как и углерод, кремний может быть и восстановителем, и окислителем, в зависимости от того, с каким веществом вступает в реакцию.

При н.у. кремний взаимодействует только с фтором, что объясняется достаточно прочной кристаллической решеткой кремния.

В реакцию с хлором и бромом кремний вступает при температурах, превышающих 400°C.

С углеродом и азотом кремний взаимодействует только при очень высоких температурах.

• В реакциях с неметаллами кремний выступает в роли восстановителя:
  • при нормальных условиях из неметаллов кремний реагирует только с фтором, образуя галогенид кремния:
    Si + 2F₂ = SiF₄
  • при высоких температурах кремний реагирует с хлором (400°C), кислородом (600°C), азотом (1000°C), углеродом (2000°C):
    • Si + 2Cl₂ = SiCl₄ — галогенид кремния;
    • Si + O₂ = SiO₂ — оксид кремния;
    • 3Si + 2N₂ = Si₃N₄ — нитрид кремния;
    • Si + C = SiC — карборунд (карбид кремния)
• В реакциях с металлами кремний является окислителем (образуются салициды:
  Si + 2Mg = Mg₂Si
• В реакциях с концентрированными р-рами щелочей кремний реагирует с выделением водорода, образуя растворимые соли кремниевой кислоты, называемые силикатами:
  Si + 2NaOH + H₂O = Na₂SiO₃ + 2H₂↑
• С кислотами (за исключением HF) кремний не реагирует.

Получение и применение кремния

Получение кремния:

• в лаборатории — из кремнезема (алюмотерапия):
  3SiO₂ + 4Al = 3Si + 2Al₂O₃
• в промышленности — восстановлением оксида кремния коксом (технически чистый кремний) при высокой температуре:
  SiO₂ + 2C = Si + 2CO
• самый чистый кремний получают восстановлением тетрахлорида кремния водородом (цинком) при высокой температуре:
  SiCl₄+2H₂ = Si+4HCl

Применение кремния:

• изготовление полупроводниковых радиоэлементов;
• в качестве металлургических добавок при производстве жаропрочных и кислотоустойчивых соединений;
• в производстве фотоэлементов для солнечных батарей;
• в качестве выпрямителей переменного тока.

Если вам понравился сайт, будем благодарны за его популяризацию 🙂 Расскажите о нас друзьям на форуме, в блоге, сообществе. Это наша кнопочка:

Код кнопки:
Политика конфиденциальности Об авторе

Источник