Кремний

Кварц, горный хрусталь, аметист, халцедон, топаз, оникс… Трудно поверить, но все эти и многие другие «чудеса подземного мира» состоят из одного и того же вещества – кремнезема, или оксида кремния (IV) SiO2.

Предположения о том, что в кремнеземе содержится новый, еще неизвестный элемент, высказывались учеными уже в XVIII столетии. Однако в виде простого вещества кремний был выделен лишь в XIX в. Й. Я. Берцелиусом. Вначале он нагревал смесь кремнезёма с порошком железа и углём до 1500 0С, но чистый кремний получить не удавалось: в присутствии железа образуется ферросилиций – сплав, содержащий оба эти элемента. Поняв, в чем ошибка, Берцелиус изменил способ синтеза. В 1823 г., когда он пропустил над калием пары фторида кремния (IV), удача, наконец, улыбнулась ему. По реакции SiF4 + 4K = Si + 4KF был получен порошок аморфного кремния. Берцелиус доказал также, что, сгорая на воздухе, кремний переходит в кремнезём.

Горный хрусталь

По содержания в земной коре (28%) Si уступает только кислороду. В природе кремний встречается исключительно в форме соединений. Обычный речной песок представляет собой кремнезём, загрязненный примесью глины и соединений железа. Наряду с глиной (Al2O3∙2SiO2∙2H2O) он образуется при выветривании полевого шпата под действием углекислого газа и влаги воздуха:

K2O∙Al2O3∙6SiO2 + 3H2O + 2CO2 = Al2O3∙2SiO2∙2H2O + 2KHCO3 + 4SiO2

Радужный кварц

Получение

В промышленности для получения кремния используют чистый песок SiO2. В электрических печах при высокой температуре происходит восстановление кремния из его оксида коксом (углем):

SiO2 + 2C = Si + 2CO↑

В лаборатории в качестве восстановителей используют магний или алюминий:

SiO2 + 2Mg = Si + 2MgO

3SiO2 + 4Al = 3Si + 2Al2O3

Наиболее чистый кремний получают восстановлением тетрахлорида кремния водородом или цинком:

SiCl4 + 2H2 = Si + 4HCl

SiCl4 + 2Zn = Si + 2ZnCl2

Физические свойства

Кремний

Полученный указанными выше способами аморфный кремний представляет собой бурый порошок с температурой плавления 1420 0С. Существует и другая аллотропная модификация кремния – кристаллический кремний. Это твердое вещество темно-серого цвета со слабым металлическим блеском, обладает тепло-и электропроводностью. Кристаллический кремний получают перекристаллизацией аморфного кремния. Аморфный кремний является более реакционноспособным, чем химически довольно инертный кристаллический кремний. Кристаллический кремний – полупроводник, его электропроводность возрастает при освещении и нагревании. Это обусловлено строением кристаллов. Структура кристаллического кремния аналогична структуре алмаза. В его кристалле каждый атом окружен тетраэдрически четырьмя другими и связан с ними ковалентной связью, хотя эта связь значительно слабее, чем между атомами углерода в алмазе. В кристалле кремния даже при обычных условиях ковалентные связи частично разрушаются, поэтому в нем имеются свободные электроны, которые обусловливают небольшую электропроводность. При освещении, нагревании, а также при наличии некоторых примесей увеличивается число разрушаемых связей, а значит, увеличивается число свободных электронов и возрастает электропроводность.

Химические свойства и применение

По химическим свойствам кремний во многом  схож с углеродом, что объясняется одинаковой структурой внешнего электронного слоя. При обычных условиях кремний довольно инертен, что обусловлено прочностью его кристаллической решетки. Непосредственно при комнатной температуре он взаимодействует только с фтором. При температуре 400 – 600 0С кремний реагирует с хлором и бромом, а в кислороде измельченный кремний сгорает. С азотом и углеродом кремний реагирует при очень высоких температурах. Во всех указанных реакциях кремний играет роль восстановителя.

Si + 2F2 = SiF4

Si + 2Cl2 = SiCl4

Si + 2Br2 = SiBr4

Si + O2 = SiO2

3Si + 2N2 = Si3N4

Si + C = SiC

Кремний как восстановитель взаимодействует и с некоторыми сложными веществами, например с фтороводородом:

Si + 4HF = SiF4 + 2H2

С другими галогеноводородами он в реакцию не вступает.

Кремний не растворяется даже в азотной кислоте, так как на его поверхности образуется плотная оксидная пленка (SiO2), которая препятствует реакции. Однако со смесью HNO3 и HF кремний реагирует потому, что фтороводородная кислота растворяет SiF4:

3Si + 12HF + 4HNO3 + 3SiF4 + 4NO↑ + 8H2O

Водные растворы щелочей растворяют кремний с образованием растворимых солей кремниевой кислоты – силикатов, при этом происходит выделение водорода:

Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2H2

Восстановительные свойства кремния используют для получения некоторых металлов из их оксидов. Например:

2MgO + Si = 2Mg + SiO2

При взаимодействии с металлами кремний играет роль окислителя. Соединения кремния с металлами называются силицидами:

Si + 2Mg = Mg2Si

При обработке силицида магния соляной кислотой или водой образуется простейшее водородное соединение кремния – силан SiH4:

Mg2Si + 4HCl = 2MgCl2 + SiH4

Mg2Si + 4H2O = 2Mg(OH)2 + SiH4

Силан – ядовитый газ с неприятным запахом, легко самовоспламеняется на воздухе:

SiH4 + 2O2 = SiO2 + 2H2O

Кремний широко применяется в технике для получения различных полупроводниковых материалов и сплавов. Сплав кремния с железом – ферросилиций (сталь, содержащая 15% кремния) обладает большой кислотоустойчивостью. Из такой стали изготавливают химическую аппаратуру.

Оксид кремния (IV). Кремниевая кислота и ее соли. Стекло. Цемент

Оксид кремния (IV)

Оксид кремния (IV) SiO2 (кремнезем, ангидрид кремниевой кислоты) – твердое тугоплавкое вещество (температура плавления 1713 0С), нерастворимое в воде, из всех кислот только фтороводородная кислота постепенно разлагает его:

SiO2 + 4HF = SiF4 + 2H2O

Как кислотный оксид SiO2 при нагревании или сплавлении реагирует с основными оксидами, щелочами и некоторыми солями с образованием солей кремниевой кислоты – силикатов. Например:

SiO2 + Na2O = Na2SiO3

SiO2 + CaO = CaSiO3

SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O

SiO2 + Ca(OH)2 = CaSiO3 + H2O

SiO2 + Na2CO3 = Na2SiO3 + CO2

SiO2 + CaCO3 = CaSiO3 + CO2

Полученные искусственным путем силикаты натрия и калия – растворимое стекло – сильно гидролизованы. Их концентрированный раствор, называемый жидким стеклом, имеет сильнощелочную реакцию. Жидкое стекло применяется для изготовления несгораемых тканей, пропитки деревянных изделий, в качестве клея и т.д.

Кремниевая кислота H2SiO3 относится к очень слабым кислотам. В воде она практически нерастворима, но легко образует коллоидные растворы. Ее можно получить из растворов силикатов действием на них более сильных кислот. H2SiO3 выпадает из раствора в виде студенистого осадка (геля):

K2SiO3 + 2HCl = H2SiO3↓ + 2KCl

Постепенно при обычных условиях или быстрее при нагревании кремниевая кислота разлагается на воду и ангидрид кремниевой кислоты SiO2:

H2SiO3 = H2O + SiO2

Стекло. Сырьем для производства стекла являются сода Na2CO3, известняк CaCO3 и песок SiO2. Из этих компонентов получают обычное оконное стекло:

Na2CO3 + CaCO3 + 6SiO2 = Na2O∙CaO∙6SiO2 + 2CO2

В стекла особого назначения – огнеупорные, обладающие большой механической прочностью – при варке добавляют оксиды бария, свинца, бора. Окрашенные стекла получают добавлением оксидов кобальта (синее стекло), оксида хрома (зеленое стекло), добавлением оксида свинца получают хрустальное стекло.

Цемент представляет собой смесь силикатов, главными компонентами которых являются: оксид кальция, оксид кремния (IV), оксиды алюминия и железа (III).

В промышленности цемент получают спеканием глины и известняка СаСО3. Если образующийся при этом порошок смешать с водой, то получается масса, постепенно твердеющая на воздухе. При добавлении к цементу песка или щебня в качестве наполнителя получают бетон, который широко используют в строительстве. Прочность бетона возрастает, если в него вводится каркас из железных стержней. Железобетонные панели, блоки перекрытий – основа современного строительства.

Скачать:

Скачать бесплатно реферат на тему: «Кремний» КРЕМНИЙ.docx (17 Загрузок)

Скачать бесплатно реферат на тему: «Керамика»  Керамика.docx (19 Загрузок)

Скачать бесплатно реферат на тему: «Бетон»  Бетон.docx (16 Загрузок)

Скачать рефераты по другим темам можно здесь

 *на изображении записи фотография аметиста

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *