Определение кремния. Кремний в природе (25,8% в Земной коре)

Кремний

КРЕ́МНИЙ -я; м. [от греч. krēmnos - утёс, скала] Химический элемент (Si), тёмно-серые с металлическим блеском кристаллы которого входят в состав большинства горных пород.

◁ Кре́мниевый, -ая, -ое. К-ые соли. Кре́мни́стый (см. 2.К.; 1 зн.).

кре́мний

(лат. Silicium), химический элемент IV группы периодической системы. Тёмно-серые кристаллы с металлическим блеском; плотность 2,33 г/см 3 , t пл 1415ºC. Стоек к химическим воздействиям. Составляет 27,6% массы земной коры (2-е место среди элементов), главные минералы - кремнезём и силикаты. Один из важнейших полупроводниковых материалов (транзисторы, термисторы, фотоэлементы). Составная часть многих сталей и других сплавов (повышает механическую прочность и устойчивость к коррозии, улучшает литейные свойства).

КРЕМНИЙ

КРЕ́МНИЙ (лат. Silicium от silex - кремень), Si (читается «силициум», но в настоящее время довольно часто и как «си»), химический элемент с атомным номером 14, атомная масса 28,0855. Русское название происходит от греческого kremnos - утес, гора.
Природный кремний состоит из смеси трех стабильных нуклидов (см. НУКЛИД) с массовыми числами 28 (преобладает в смеси, его в ней 92,27% по массе), 29 (4,68%) и 30 (3,05%). Конфигурация внешнего электронного слоя нейтрального невозбужденного атома кремния 3s 2 р 2 . В соединениях обычно проявляет степень окисления +4 (валентность IV) и очень редко +3, +2 и +1 (валентности соответственно III, II и I). В периодической системе Менделеева кремний расположен в группе IVA (в группе углерода), в третьем периоде.
Радиус нейтрального атома кремния 0,133 нм. Энергии последовательной ионизации атома кремния 8,1517, 16,342, 33,46 и 45,13 эВ, сродство к электрону 1,22 эВ. Радиус иона Si 4+ при координационном числе 4 (наиболее распространенном в случае кремния) 0,040 нм, при координационном числе 6 - 0,054 нм. По шкале Полинга электроотрицательность кремния 1,9. Хотя кремний принято относить к неметаллам, он по ряду свойств занимает промежуточное положение между металлами и неметаллами.
В свободном виде - коричневый порошок или светло-серый компактный материал с металлическим блеском.
История открытия
Соединения кремния были известны человеку с незапамятных времен. Но с простым веществом кремнием человек познакомился всего около 200 лет тому назад. Фактически первыми исследователями, получившими кремний, были французы Ж. Л. Гей-Люссак (см. ГЕЙ-ЛЮССАК Жозеф Луи) и Л. Ж. Тенар (см. ТЕНАР Луи Жак) . Они в 1811 обнаружили, что нагревание фторида кремния с металлическим калием приводит к образованию буро-коричневого вещества:
SiF 4 + 4K = Si + 4KF, однако сами исследователи правильного вывода о получении нового простого вещества не сделали. Честь открытия нового элемента принадлежит шведскому химику Й. Берцелиусу (см. БЕРЦЕЛИУС Йенс Якоб) , который для получения кремния нагревал также с металлическим калием соединение состава K 2 SiF 6 . Он получил тот же аморфный порошок, что и французские химики, и в 1824 объявил о новом элементарном веществе, которое назвал «силиций». Кристаллический кремний был получен только в 1854 году французским химиком А. Э. Сент-Клер Девилем (см. СЕНТ-КЛЕР ДЕВИЛЬ Анри Этьен) .
Нахождение в природе
По распространенности в земной коре кремний среди всех элементов занимает второе место (после кислорода). На долю кремния приходится 27,7% массы земной коры. Кремний входит в состав нескольких сотен различных природных силикатов (см. СИЛИКАТЫ) и алюмосиликатов (см. АЛЮМОСИЛИКАТЫ) . Широко распространен и кремнезем, или кремния диоксид (см. КРЕМНИЯ ДИОКСИД) SiO 2 (речной песок (см. ПЕСОК) , кварц (см. КВАРЦ) , кремень (см. КРЕМЕНЬ) и др.), составляющий около 12% земной коры (по массе). В свободном виде кремний в природе не встречается.
Получение
В промышленности кремний получают, восстанавливая расплав SiO 2 коксом при температуре около 1800°C в дуговых печах. Чистота полученного таким образом кремния составляет около 99,9%. Так как для практического использования нужен кремний более высокой чистоты, полученный кремний хлорируют. Образуются соединения состава SiCl 4 и SiCl 3 H. Эти хлориды далее очищают различными способами от примесей и на заключительном этапе восстанавливают чистым водородом. Возможна также очистка кремния за счет предварительного получения силицида магния Mg 2 Si. Далее из силицида магния с помощью соляной или уксусной кислот получают летучий моносилан SiH 4 . Моносилан очищают далее ректификацией, сорбционными и др. методами, а затем разлагают на кремний и водород при температуре около 1000°C. Содержание примесей в получаемом этими методами кремнии снижается до 10 -8 -10 -6 % по массе.
Физические и химические свойства
Кристаллическая решетка кремния кубическая гранецентрированная типа алмаза, параметр а = 0,54307 нм (при высоких давлениях получены и другие полиморфные модификации кремния), но из-за большей длины связи между атомами Si-Si по сравнению с длиной связи С-С твердость кремния значительно меньше, чем алмаза.
Плотность кремния 2,33 кг/дм 3 . Температура плавления 1410°C, температура кипения 2355°C. Кремний хрупок, только при нагревании выше 800°C он становится пластичным веществом. Интересно, что кремний прозрачен к инфракрасному (ИК)-излучению.
Элементарный кремний - типичный полупроводник (см. ПОЛУПРОВОДНИКИ) . Ширина запрещенной зоны при комнатной температуре 1,09 эВ. Концентрация носителей тока в кремнии с собственной проводимостью при комнатной температуре 1,5·10 16 м -3 . На электрофизические свойства кристаллического кремния большое влияние оказывают содержащиеся в нем микропримеси. Для получения монокристаллов кремния с дырочной проводимостью в кремний вводят добавки элементов III-й группы - бора (см. БОР (химический элемент)) , алюминия (см. АЛЮМИНИЙ) , галлия (см. ГАЛЛИЙ) и индия (см. ИНДИЙ) , с электронной проводимостью - добавки элементов V-й группы - фосфора (см. ФОСФОР) , мышьяка (см. МЫШЬЯК) или сурьмы (см. СУРЬМА) . Электрические свойства кремния можно варьировать, изменяя условия обработки монокристаллов, в частности, обрабатывая поверхность кремния различными химическими агентами.
Химически кремний малоактивен. При комнатной температуре реагирует только с газообразным фтором, при этом образуется летучий тетрафторид кремния SiF 4 . При нагревании до температуры 400-500°C кремний реагирует с кислородом с образованием диоксида SiO 2 , с хлором, бромом и иодом - с образованием соответствующих легко летучих тетрагалогенидов SiHal 4 .
С водородом кремний непосредственно не реагирует, соединения кремния с водородом - силаны (см. СИЛАНЫ) с общей формулой Si n H 2n+2 - получают косвенным путем. Моносилан SiH 4 (его часто называют просто силаном) выделяется при взаимодействии силицидов металлов с растворами кислот, например:
Ca 2 Si + 4HCl = 2CaCl 2 + SiH 4
Образующийся в этой реакции силан SiH 4 содержит примесь и других силанов, в частности, дисилана Si 2 H 6 и трисилана Si 3 H 8 , в которых имеется цепочка из атомов кремния, связанных между собой одинарными связями (-Si-Si-Si-).
С азотом кремний при температуре около 1000°C образует нитрид Si 3 N 4 , с бором - термически и химически стойкие бориды SiB 3 , SiB 6 и SiB 12 . Соединение кремния и его ближайшего аналога по таблице Менделеева - углерода - карбид кремния SiС (карборунд (см. КАРБОРУНД) ) характеризуется высокой твердостью и низкой химической активностью. Карборунд широко используется как абразивный материал.
При нагревании кремния с металлами возникают силициды (см. СИЛИЦИДЫ) . Силициды можно подразделить на две группы: ионно-ковалентные (силициды щелочных, щелочноземельных металлов и магния типа Ca 2 Si, Mg 2 Si и др.) и металлоподобные (силициды переходных металлов). Силициды активных металлов разлагаются под действием кислот, силициды переходных металлов химически стойки и под действием кислот не разлагаются. Металлоподобные силициды имеют высокие температуры плавления (до 2000°C). Наиболее часто образуются металлоподобные силициды составов MSi, M 3 Si 2 , M 2 Si 3 , M 5 Si 3 и MSi 2 . Металлоподобные силициды химически инертны, устойчивы к действию кислорода даже при высоких температурах.
Диоксид кремния SiO 2 - кислотный оксид, не реагирующий с водой. Существует в виде нескольких полиморфных модификаций (кварц (см. КВАРЦ) , тридимит, кристобалит, cтеклообразный SiO 2). Из этих модификаций наибольшее практическое значение имеет кварц. Кварц обладает свойствами пьезоэлектрика (см. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ) , он прозрачен для ультрафиолетового (УФ) излучения. Характеризуется очень низким коэффициентом теплового расширения, поэтому изготовленная из кварца посуда не растрескивается при перепадах температуры до 1000 градусов.
Кварц химически стоек к действию кислот, но реагирует с плавиковой кислотой:
SiO 2 + 6HF =H 2 + 2H 2 O
и газообразным фтороводородом HF:
SiO 2 + 4HF =SiF 4 + 2H 2 O
Эти две реакции широко используют для травления стекла.
При сплавлении SiO 2 с щелочами и основными оксидами, а также с карбонатами активных металлов образуются силикаты (см. СИЛИКАТЫ) - соли не имеющих постоянного состава очень слабых нерастворимых в воде кремниевых кислот (см. КРЕМНИЕВЫЕ КИСЛОТЫ) общей формулы xH 2 O·ySiO 2 (довольно часто в литературе не очень точно пишут не о кремниевых кислотах, а о кремниевой кислоте, хотя фактически речь при этом идет об одном и том же). Например, может быть получен ортосиликат натрия:
SiO 2 + 4NaOH = (2Na 2 O)·SiO 2 +2H 2 O,
метасиликат кальция:
SiO 2 + СаО = СаО·SiO 2
или смешанный силикат кальция и натрия:
Na 2 CO 3 + CaCO 3 + 6SiO 2 = Na 2 O·CaO·6SiO 2 + 2CO 2
Из силиката Na 2 O·CaO·6SiO 2 изготовляют оконное стекло.
Следует отметить, что большинство силикатов не имеет постоянного состава. Из всех силикатов растворимы в воде только силикаты натрия и калия. Растворы этих силикатов в воде называют растворимым стеклом. Из-за гидролиза эти растворы характеризуются сильно щелочной средой. Для гидролизованных силикатов характерно образование не истинных, а коллоидных растворов. При подкислении растворов силикатов натрия или калия выпадает студенистый белый осадок гидратированных кремниевых кислот.
Главным структурным элементом как твердого диоксида кремния, так и всех силикатов выступает группа , в которой атом кремния Si окружен тетраэдром из четырех атомов кислорода О. При этом каждый атом кислорода соединен с двумя атомами кремния. Фрагменты могут быть связаны между собой по-разному. Среди силикатов по характеру связи в них фрагментов выделяют островные, цепочечные, ленточные, слоистые, каркасные и другие.
При восстановлении SiO 2 кремнием при высоких температурах образуется монооксид кремния состава SiO.
Для кремния характерно образование кремнийорганических соединений (см. КРЕМНИЙОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ) , в которых атомы кремния соединены в длинные цепочки за счет мостиковых атомов кислорода -О-, а к каждому атому кремния, кроме двух атомов О, присоединены еще два органических радикала R 1 и R 2 = CH 3 , C 2 H 5 , C 6 H 5 , CH 2 CH 2 CF 3 и др.
Применение
Кремний используют как полупроводниковый материал. Кварц находит применение как пьезоэлектрик, как материал для изготовления жаропрочной химической (кварцевой) посуды, ламп УФ-излучения. Силикаты находят широкое применение как строительные материалы. Оконные стекла представляют собой аморфные силикаты. Кремнийорганические материалы характеризуются высокой износостойкостью и широко используются на практике в качестве силиконовых масел, клеев, каучуков, лаков.
Биологическая роль
Для некоторых организмов кремний является важным биогенным элементом (см. БИОГЕННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ) . Он входит в состав опорных образований у растений и скелетных - у животных. В больших количествах кремний концентрируют морские организмы - диатомовые водоросли (см. ДИАТОМОВЫЕ ВОДОРОСЛИ) , радиолярии (см. РАДИОЛЯРИИ) , губки (см. ГУБКИ) . Мышечная ткань человека содержит (1-2)·10 -2 % кремния, костная ткань - 17·10 -4 %, кровь - 3,9 мг/л. С пищей в организм человека ежедневно поступает до 1 г кремния.
Соединения кремния не ядовиты. Но очень опасно вдыхание высокодисперсных частиц как силикатов, так и диоксида кремния, образующихся, например, при взрывных работах, при долблении пород в шахтах, при работе пескоструйных аппаратов и т. д. Микрочастицы SiO 2 , попавшие в легкие, в них кристаллизуются, а возникающие кристаллики разрушают легочную ткань и вызывают тяжелую болезнь - силикоз (см. СИЛИКОЗ) . Чтобы не допустить попадания в легкие этой опасной пыли, следует использовать для защиты органов дыхания респиратор.

Энциклопедический словарь . 2009 .

Синонимы :

Смотреть что такое "кремний" в других словарях:

- (символ Si), широко распространенный серый химический элемент IV группы периодической таблицы, неметалл. Впервые был выделен Иенсом БЕРЦЕЛИУСОМ в 1824 г. Кремний встречается только в соединениях, таких как КРЕМНЕЗЕМ (диоксид кремния) или в… … Научно-технический энциклопедический словарь

Кремний - получают почти исключительно карботермальным восстановлением диоксида кремния с использованием электродуговых печей. Является плохим проводником тепла и электричества, тверже стекла, обычно имеет вид порошка или чаще бесформенных кусков… … Официальная терминология

КРЕМНИЙ - хим. элемент, неметалл, символ Si (лат. Silicium), ат. н. 14, ат. м. 28,08; известны аморфный и кристаллический кремний (который построен из кристаллов того же типа, что и алмаз). Аморфный К. бурый порошок кубической структуры в высокодисперсном… … Большая политехническая энциклопедия

- (Silicium), Si, химический элемент IV группы периодической системы, атомный номер 14, атомная масса 28,0855; неметалл, tпл 1415шC. Кремний второй после кислорода по распространенности на Земле элемент, содержание в земной коре 27,6% по массе.… … Современная энциклопедия

Si (лат. Silicium * a. silicium, silicon; н. Silizium; ф. silicium; и. siliseo), хим. элемент IV группы периодич. системы Менделеева, ат. н. 14, ат. м. 28,086. B природе встречаются 3 стабильных изотопа 28Si (92,27), 29Si (4,68%), 30Si (3 … Геологическая энциклопедия

После кислорода кремний является самым распространенным элементом в земной коре. Он имеет 2 устойчивых изотопа: 28 Si , 29 Si , 30 Si . В свободном виде кремний в природе не встречается.

Наиболее часто встречающиеся: соли кремниевых кислот и оксид кремний (кремнезем, песок, кварц). Они входят в состав минеральных солей, слюды, талька, асбеста.

Аллотропия кремния.

У кремния есть 2 аллотропные модификации:

Кристаллическая (светло-серые кристаллы. Структура подобна кристаллической решетке алмаза, где атом кремния ковалентно связан с 4 одинаковыми атомами , а сам находится в sp 3 - гибридизации);

Аморфная (порошок бурого цвета, более активная форма чем кристаллическая).

Свойства кремния.

При температуре кремний реагируют с кислородом воздуха:

Si + O 2 = SiO 2 .

Если кислорода не хватает (недостаток), то может иметь место такая реакция:

2 Si + O 2 = 2 SiO ,

Где SiO - монооксид, который также может образовываться при реакции:

Si + SiO 2 = 2 SiO .

В нормальных условиях кремний может реагировать с F 2 , при нагревании - с Cl 2 . Если повышать температуру дальше, то Si будет способен провзаимодействовать с N и S :

4Si + S 8 = 4SiS 2 ;

Si + 2F 2 = SiF 4 .

Кремний способен реагировать с углеродом , давая карборунд :

Si + C = SiC .

Кремний растворим в смеси концентрированной азотной и фтороводородной кислот:

3Si + 4HNO 3 + 12HF = 3SiF 4 + 4NO + 8H 2 O.

Кремний растворяется в водных растворах щелочей:

Si + 2NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + H 2 .

При нагревании с оксидами кремний диспропорционирует:

2 MgO + 3 Si = Mg 2 Si + 2 SiO .

При взаимодействии с металлами, кремний выступает в качестве окислителя:

2 Mg + Si = Mg 2 Si .

Применение кремния.

Наибольшее применение кремний находит в производстве сплавов для придания прочности алюминию, меди и магнию и для получения ферросилицидов, имеющих важное значение в производстве сталей и полупроводниковой техники. Кристаллы кремния применяют в солнечных батареях и полупроводниковых устройствах - транзисторах и диодах.

Кремний служит также сырьем для производства кремнийорганических соединений, или силоксанов, получаемых в виде масел, смазок, пластмасс и синтетических каучуков. Неорганические соединения кремния используют в технологии керамики и стекла, как изоляционный материал и пьезокристаллы.

Углерод способен образовывать несколько аллотропных модификаций. Это алмаз (наиболее инертная аллотропная модификация), графит, фуллерен и карбин.

Древесный уголь и сажа представляют собой аморфный углерод. Углерод в таком состоянии не имеет упорядоченной структуры и фактически состоит из мельчайших фрагментов слоев графита. Аморфный углерод, обработанный горячим водяным паром, называют активированным углем. 1 грамм активированного угля из-за наличия в нем множества пор имеет общую поверхность более трехсот квадратных метров! Благодаря своей способности поглощать различные вещества активированный уголь находит широкое применение как наполнитель фильтров, а также как энтеросорбент при различных видах отравлений.

С химической точки зрения аморфный углерод является наиболее активной его формой, графит проявляет среднюю активность, а алмаз является крайне инертным веществом. По этой причине, рассматриваемые ниже химические свойства углерода следует прежде всего относить к аморфному углероду.

Восстановительные свойства углерода

Как восстановитель углерод реагирует с такими неметаллами как, например, кислород, галогены, сера.

В зависимости от избытка или недостатка кислорода при горении угля возможно образование угарного газа CO или углекислого газа CO 2:

При взаимодействии углерода со фтором образуется тетрафторид углерода:

При нагревании углерода с серой образуется сероуглерод CS 2:

Углерод способен восстанавливать металлы после алюминия в ряду активности из их оксидов. Например:

Также углерод реагирует и с оксидами активных металлов, однако в этом случае наблюдается, как правило, не восстановление металла, а образование его карбида:

Взаимодействие углерода с оксидами неметаллов

Углерод вступает в реакцию сопропорционирования с углекислым газом CO 2:

Одним из наиболее важных с промышленной точки зрения процессов является так называемая паровая конверсия угля . Процесс проводят, пропуская водяной пар через раскаленный уголь. При этом протекает следующая реакция:

При высокой температуре углерод способен восстанавливать даже такое инертное соединение как диоксид кремния. При этом в зависимости от условия возможно образование кремния или карбида кремния (карборунда ):

Также углерод как восстановитель реагирует с кислотами окислителями, в частности, концентрированными серной и азотной кислотами:

Окислительные свойства углерода

Химический элемент углерод не отличается высокой электроотрицательностью, поэтому образуемые им простые вещества редко проявляют окислительные свойства по отношению к другим неметаллам.

Примером таких реакций является взаимодействие аморфного углерода с водородом при нагревании в присутствии катализатора:

а также с кремнием при температуре 1200-1300 о С:

Окислительные свойства углерод проявляет по отношению к металлам. Углерод способен реагировать с активными металлами и некоторыми металлами средней активности. Реакции протекают при нагревании:

Карбиды активных металлов гидролизуются водой:

а также растворами кислот-неокислителей:

При этом образуются углеводороды, содержащие углерод в той же степени окисления, что и в исходном карбиде.

Химические свойства кремния

Кремний может существовать, как и углерод в кристаллическом и аморфном состоянии и, также, как и в случае углерода, аморфный кремний существенно более химически активен, чем кристаллический.

Иногда аморфный и кристаллический кремний, называют его аллотропными модификациями, что, строго говоря, не совсем верно. Аморфный кремний представляет собой по сути конгломерат беспорядочно расположенных друг относительно друга мельчайших частиц кристаллического кремния.

Взаимодействие кремния с простыми веществами

неметаллами

При обычных условиях кремний ввиду своей инертности реагирует только со фтором:

С хлором, бромом и йодом кремний реагирует только при нагревании. При этом характерно, что в зависимости от активности галогена, требуется и соответственно различная температура:

Так с хлором реакция протекает при 340-420 о С:

С бромом – 620-700 о С:

С йодом – 750-810 о С:

Все галогениды кремния легко гидролизуются водой:

а также растворами щелочей:

Реакция кремния с кислородом протекает, однако требует очень сильного нагревания (1200-1300 о С) ввиду того, что прочная оксидная пленка затрудняет взаимодействие:

При температуре 1200-1500 о С кремний медленно взаимодействует с углеродом в виде графита с образованием карборунда SiC – вещества с атомной кристаллической решеткой подобной алмазу и почти не уступающего ему в прочности:

С водородом кремний не реагирует.

металлами

Ввиду своей низкой электроотрицательности кремний может проявлять окислительные свойства лишь по отношению к металлам. Из металлов кремний реагирует с активными (щелочными и щелочноземельными), а также многими металлами средней активности. В результате такого взаимодействия образуются силициды:

Силициды активных металлов легко гидролизуются водой или разбавленными растворами кислот-неокислителей:

При этом образуется газ силан SiH 4 – аналог метана CH 4 .

Взаимодействие кремния со сложными веществами

С водой кремний не реагирует даже при кипячении, однако аморфный кремний взаимодействует с перегретым водяным паром при температуре около 400-500 о С. При этом образуется водород и диоксид кремния:

Из всех кислот кремний (в аморфном состоянии) реагирует только с концентрированной плавиковой кислотой:

Кремний растворяется в концентрированных растворах щелочей. Реакция сопровождается выделением водорода.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Кремний - четырнадцатый элемент Периодической таблицы. Обозначение - Si от латинского «silicium». Расположен в третьем периоде, IVА группе. Относится к неметаллам. Заряд ядра равен 14.

Кремний - один из самых распространенных в земной коре элементов. Он составляет 27% (мас.) доступной нашему исследованию части земной коры, занимая по распространенности второе место после кислорода. В природе кремний встречается только в соединениях: в виде диоксида кремния SiO 2 , называемого кремниевым ангидридом или кремнеземом, в виде солей кремниевых кислот (силикатов). Наиболее широко в природе распространены алюмосиликаты, т.е. силикаты, в состав которых входит алюминий. К ним относятся полевые шпаты, слюды, каолин и др.

Как углерод, входя в состав всех органических веществ, кремний является важнейшим элементом растительного и животного царства.

В обычных условиях кремний представляет собой вещество темно-серого цвета (рис. 1). По внешнему виду похож на металл. Тугоплавок - температура плавления равна 1415 o С. Характеризуется высокой твердостью.

Рис. 1. Кремний. Внешний вид.

Атомная и молекулярная масса кремния

Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Поскольку в свободном состоянии кремний существует в виде одноатомных молекул Si, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 28,084.

Аллотропия и аллотропные модификации кремния

Кремний может существовать в виде двух аллотропных модификаций: алмазоподобной (кубической) (устойчивая) и графитоподобной (неустойчивая). Алмазоподобный кремний находится в твердом агрегатном состоянии, а графитоподобный - в аморфном. Они также различаются по внешнему виду и химической активности.

Кристаллический кремний представляет собой вещество темно-серого цвета с металлическим блеском, а аморфный - порошок бурого цвета. Вторая модификация обладает большей реакционной способностью, чем первая.

Изотопы кремния

Известно, что в природе кремний может находиться в виде трех стабильных изотопов 28 Si, 29 Si и 30 Si. Их массовые числа равны 28, 29 и 30 соответственно. Ядро атома изотопа кремния 28 Si содержит четырнадцать протонов и четырнадцать нейтронов, а изотопов 29 Si и 30 Si - такое же количество протонов, пятнадцать и шестнадцать нейтронов соответственно.

Существуют искусственные изотопы кремния с массовыми числами от 22- х до 44-х, среди которых наиболее долгоживущим является 32 Si с периодом полураспада равным 170 лет.

Ионы кремния

На внешнем энергетическом уровне атома кремния имеется четыре электрона, которые являются валентными:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3р 2 .

В результате химического взаимодействия кремний может отдавать свои валентные электроны, т.е. являться их донором и превращаться в положительно заряженный ион, или принимать электроны от другого атома, т.е. быть акцептором, и превращается в отрицательно заряженный ион:

Si 0 -4e → Si 4+ ;

Si 0 +4e → Si 4- .

Молекула и атом кремния

В свободном состоянии кремний существует в виде одноатомных молекул Si. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу кремния:

Сплавы кремния

Кремний используется в металлургии. Он служит составной частью многих сплавов. Важнейшие из них - это сплавы на основе железа, меди и алюминия.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Сколько потребуется оксида кремния (IV), содержащего 0,2 массовых примесей, чтобы получить 6,1 г силиката натрия.
Решение	Запишем уравнение реакции получения силиката натрия из оксида кремния (IV): SiO 2 + 2NaOH = Na 2 SiO 3 + H 2 O. Найдем количество вещества силиката натрия: n(Na 2 SiO 3) = m (Na 2 SiO 3) / M(Na 2 SiO 3); n(Na 2 SiO 3) = 6,1 / 122 = 0,05моль. Согласно уравнению реакции n(Na 2 SiO 3) :n(SiO 2) = 1:1, т.е. n(Na 2 SiO 3) = n(SiO 2) = 0,05 моль. Масса оксида кремния (IV) (без примесей) будет равна: M(SiO 2) = Ar(Si) + 2×Ar(O) = 28 + 2×16 = 28 + 32 = 60 г/моль. m pure (SiO 2) = n(SiO 2) ×M(SiO 2) = 0,05×60 = 3г. Тогда масса оксида кремния (IV), необходимая для реакции будет равна: m(SiO 2) =m pure (SiO 2)/w impurity = 3 / 0,2 = 15 г.
Ответ	15 г

ПРИМЕР 2

Задание	Какую массу силиката натрия можно получить при сплавлении оксида кремния (IV) с 64,2 г соды, массовая доля примесей в которой составляет 5%?
Решение	Запишем уравнение реакции получения силиката натрия путем сплавления соды и оксида кремния (IV): SiO 2 + Na 2 CO 3 = Na 2 SiO 3 + CO 2 -. Определим теоретическую массу соды (рассчитывается по уравнению реакции): n(Na 2 CO 3) = 1 моль. M(Na 2 CO 3) = 2×Ar(Na) + Ar(C) + 3×Ar(O) = 2×23 + 12 + 3×16 = 106 г/моль. m(Na 2 CO 3) = n(Na 2 CO 3) ×M(Na 2 CO 3) = 1×106 = 106г. Найдем практическую массу соды: w pure (Na 2 CO 3) = 100% — w impurity = 100% — 5% = 95% = 0,95. m pure (Na 2 CO 3) = m(Na 2 CO 3) ×w pure (Na 2 CO 3); m pure (Na 2 CO 3) = 64,2 × 0,95 = 61 г. Рассчитаем теоретическую массу силиката натрия: n(Na 2 SiO 3) = 1 моль. M(Na 2 SiO 3) = 2×Ar(Na) + Ar(Si) + 3×Ar(O) = 2×23 + 28 + 3×16 = 122 г/моль. m(Na 2 SiO 3) = n(Na 2 SiO 3) ×M(Na 2 SiO 3) = 1×122 = 122г. Пусть практическая масса силиката натрия равна х г. Составим пропорцию: 61 г Na 2 CO 3 - х г Na 2 SiO 3 ; 106 г Na 2 CO 3 - 122 г Na 2 SiO 3 . Отсюда х будет равен: х = 122 × 61 / 106 = 70,2 г. Значит масса выделившегося силиката натрия равна 70,2 г.
Ответ	70,2 г

28,0855 а. е. м. ( /моль) Радиус атома 132 пм Энергия ионизации
(первый электрон) 786,0(8,15) кДж /моль (эВ) Электронная конфигурация 3s 2 3p 2 Химические свойства Ковалентный радиус 111 пм Радиус иона 42 (+4e) 271 (-4e) пм Электроотрицательность
(по Полингу) 1,90 Электродный потенциал 0 Степени окисления +4, −4, +2 Термодинамические свойства простого вещества Плотность 2,33 /см ³ Молярная теплоёмкость 20,16 Дж /( ·моль) Теплопроводность 149 Вт /( ·) Температура плавления 1688 Теплота плавления 50,6 кДж /моль Температура кипения 2623 Теплота испарения 383 кДж /моль Молярный объём 12,1 см ³/моль Кристаллическая решётка простого вещества Структура решётки кубическая, алмазная Параметры решётки 5,4307 Отношение c/a — Температура Дебая 625

Si	14
28,0855
3s 2 3p 2
Кремний

История

В чистом виде кре́мний был выделен в 1811 г. французскими учеными Жозефом Луи Гей-Люссаком и Луи Жаком Тенаром.

Происхождение названия

В 1825 году шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус действием металлического калия на фтористый кремний SiF 4 получил чистый элементарный кремний. Новому элементу было дано название «силиций» (от лат. silex — кремень). Русское название «кремний» введено в 1834 году российский химиком Германом Ивановичем Гессом. В переводе c греческого kremnos — «утес, гора».

Нахождение в природе

По распространённости в земной коре кремний среди всеххимических элементов занимает второе место (после кислорода). Масса земной коры на 27,6—29,5 % состоит из кремния. Кремний входит в состав нескольких сотен различных природных силикатов и алюмосиликатов. Больше всего распространен кремнезём — многочисленные формы диоксида кремния (IV) SiO2 (речной песок, кварц, кремень и др.), составляющий около 12 % земной коры (по массе). В свободном виде кремний в природе не встречается, хотя одна четвертая земли состоит из кремния.

Получение

В промышленности кремний получают, восстанавливая расплав SiO 2 коксом при температуре около 1800 °C в дуговых печах . Чистота полученного таким образом кремния составляет около 99,9 %. Так как для практического использования нужен кремний более высокой чистоты, полученный кремний хлорируют. Образуются соединения состава SiCl 4 и SiCl 3 H. Эти хлориды далее очищают различными способами от примесей и на заключительном этапе восстанавливают чистым водородом . Возможна также очистка кремния за счет предварительного получения силицида магния Mg 2 Si. Далее из силицида магния с помощью соляной или уксусной кислот получают летучий моносилан SiH 4 . Моносилан очищают далее ректификацией , сорбционными и др. методами, а затем разлагают на кремний и водород при температуре около 1000 °C. Содержание примесей в получаемом этими методами кремнии снижается до 10 −8 -10 −6 % по массе.

Способ получения кремния в чистом виде разработан Николаем Николаевичем Бекетовым. Крупнейшим производителем кремния в России является ОК Русал — кремний производится на заводах в г. Каменск-Уральский (Свердловская область) и г. Шелехов (Иркутская область).

Физические свойства

Кристаллическая структура кремния.

Кристаллическая решетка кремния кубическая гранецентрированная типа алмаза , параметр а = 0,54307 нм (при высоких давлениях получены и другие полиморфные модификации кремния), но из-за большей длины связи между атомами Si—Si по сравнению с длиной связи С—С твердость кремния значительно меньше, чем алмаза. Кремний хрупок, только при нагревании выше 800 °C он становится пластичным веществом. Интересно, что кремний прозрачен к инфракрасному излучению , начиная с длины волны 1.1 микрометр.

Электрофизические свойства

Элементарный кремний — типичный непрямозонный полупроводник . Ширина запрещенной зоны при комнатной температуре 1,12 эВ, а при Т = 0 К составляет 1,21 эВ. Концентрация носителей заряда в кремнии с собственной проводимостью при комнатной температуре 1,5·10 16 м −3 . На электрофизические свойства кристаллического кремния большое влияние оказывают содержащиеся в нем микропримеси. Для получения монокристаллов кремния с дырочной проводимостью в кремний вводят добавки элементов III-й группы — бора , алюминия , галлия и индия , с электронной проводимостью — добавки элементов V-й группы — фосфора , мышьяка или сурьмы . Электрические свойства кремния можно варьировать, изменяя условия обработки монокристаллов, в частности, обрабатывая поверхность кремния различными химическими агентами.

1. Подвижность электронов: 1300-1400 см²/(в*c).
2. Подвижность дырок: 500 см²/(в*c).
3. Ширина запрещенной зоны 1,205-2,84*10(^-4)*T
4. Продолжительность жизни электрона: 50 — 500 мксек
5. Длина свободного пробега электрона: 0,1 см
6. Длина свободного пробега дырки: 0,02 — 0,06 см

Химические свойства

В соединениях кремний склонен проявлять степень окисления +4 или −4, так как для атома кремния более характерно состояние sp³-гибридизации орбиталей. Поэтому во всех соединениях, кроме оксида кремния (II) SiO, кремний четырёхвалентен.

Химически кремний малоактивен. При комнатной температуре реагирует только с газообразным фтором , при этом образуется летучий тетрафторид кремния SiF 4 . При нагревании до температуры 400—500 °C кремний реагирует с кислородом с образованием диоксида SiO 2 , с хлором , бромом и иодом — с образованием соответствующих легко летучих тетрагалогенидов SiHal 4 .

С водородом кремний непосредственно не реагирует, соединения кремния с водородом — силаны с общей формулой Si n H 2n+2 — получают косвенным путем. Моносилан SiH 4 (его часто называют просто силаном) выделяется при взаимодействии силицидов металлов с растворами кислот , например:

Ca 2 Si + 4HCl → 2CaCl 2 + SiH 4 .

Образующийся в этой реакции силан SiH 4 содержит примесь и других силанов, в частности, дисилана Si 2 H 6 и трисилана Si 3 H 8 , в которых имеется цепочка из атомов кремния, связанных между собой одинарными связями (—Si—Si—Si—).

С азотом кремний при температуре около 1000 °C образует нитрид Si 3 N 4 , с бором — термически и химически стойкие бориды SiB 3 , SiB 6 и SiB 12 . Соединение кремния и его ближайшего аналога по таблице Менделеева — углерода — карбид кремния SiC (карборунд) характеризуется высокой твердостью и низкой химической активностью. Карборунд широко используется как абразивный материал.