Кремний открыл и получил в 1823 году шведский химик Йенс Якоб Берцелиус.

Второй по распространённости элемент в земной коре после кислорода (27,6% по массе). Встречается в соединениях.

Строениеатома кремния в основном состоянии 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2

Строение атома кремния в возбуждённомсостоянии 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3 Степени окисления: +4, -4.

Аллотропия кремния

Известен аморфный и кристаллический кремний.

Поликристаллический кремний

Кристаллический – тёмно-серое вещество с металлическим блеском, большая твёрдость, хрупок, полупроводник; ρ = 2,33 г/см 3 , t°пл. =1415°C; t°кип. = 2680°C.

Имеет алмазоподобную структуру и образует прочные ковалентные связи. Инертен.

Аморфный - бурый порошок, гигроскопичен, алмазоподобная структура, ρ = 2 г/см 3 , более реакционноспособен.

Получение кремния

1) Промышленность – нагревание угля с песком:

2C + SiO 2 t ˚ → Si + 2CO

2) Лаборатория – нагревание песка с магнием :

2Mg + SiO 2 t ˚ → Si + 2MgO Опыт

Химические свойства

Типичный неметалл, инертен.

Как восстановитель:

1) С кислородом

Si 0 + O 2 t ˚ → Si +4 O 2

2) С фтором (без нагревания)

Si 0 + 2F 2 →SiF 4 ­

3) С углеродом

Si 0 + C t ˚ → Si +4 C

(SiC - карборунд - твёрдый; используется для точки и шлифовки)

4) С водородом не взаимодействует.

Силан (SiH 4) получают разложением силицидов металлов кислотой:

Mg 2 Si + 2H 2 SO 4 → SiH 4 ­ + 2MgSO 4

5) С кислотами не реагирует (т олько с плавиковой кислотой Si +4 HF = SiF 4 +2 H 2 )

Растворяется только в смеси азотной и плавиковой кислот:

3Si + 4HNO 3 + 18HF →3H 2 + 4NO­ + 8H 2 O

6) Со щелочами (при нагревании):

Как окислитель:

7) С металлами (образуются силициды):

Si 0 + 2Mg t ˚ →Mg 2 Si -4

Кремний широко используется в электронике как полупроводник. Добавки кремния к сплавам повышают их коррозионную стойкость. Силикаты, алюмосиликаты и кремнезем – основное сырье для производства стекла и керамики, а также для строительной промышленности.
Кремний в технике
Применение кремния и его соединений

Силан - SiH 4

Физические свойства: Бесцветный газ, ядовит, t°пл. = -185°C, t°кип. = -112°C.

Получение кремниевой кислоты

Действие сильных кислот на силикаты - Na 2 SiO 3 + 2HCl → 2NaCl + H 2 SiO 3 ↓

Химические свойства:

При нагревании разлагается: H 2 SiO 3 t ˚ → H 2 O + SiO 2

Соли кремниевой кислоты - силикаты .

1) с кислотами

Na 2 SiO 3 +H 2 O+CO 2 =Na 2 CO 3 +H 2 SiO 3

2) с солями

Na 2 SiO 3 +CaCl 2 =2NaCl+CaSiO 3 ↓

3) Силикаты, входящие в состав минералов, в природных условиях разрушаются под действием воды и оксида углерода (IV) - выветривание горных пород:

(K 2 O Al 2 O 3 6SiO 2)(полевой шпат) + CO 2 + 2H 2 O → (Al 2 O 3 2SiO 2 2H 2 O)(каолинит (глина)) + 4SiO 2 (кремнезём (песок)) + K 2 CO 3

Применение соединений кремния

Природные соединения кремния - песок (SiO 2) и силикаты используются для производства керамики, стекла и цемента.

Керамика
Фарфор = каолин+ глина + кварц + полевой шпат. Родина фарфора – Китай, где фарфор известен уже в 220г. В 1746 г – налажено производство фарфора в России	Фаянс - от названия итальянского города Фаэнца. Где в 14-15веках было развито керамическое ремесленничество. Фаянс – отличается от фарфора большим содержанием глины (85%), более низкой температурой обжига.

Один из самых распространенных в природе элементов - это silicium, или кремний. Такое широкое расселение говорит о важности и значимости данного вещества. Это быстро поняли и усвоили люди, которые научились правильно использовать в своих целях кремний. Применение его основано на особых свойствах, о которых и поговорим дальше.

Кремний - химический элемент

Если давать характеристику данного элемента по положению в периодической системе, то можно обозначить следующие важные пункты:

1. Порядковый номер - 14.
2. Период - третий малый.
3. Группа - IV.
4. Подгруппа - главная.
5. Строение внешней электронной оболочки выражается формулой 3s 2 3p 2 .
6. Элемент кремний обозначается химическим символом Si, который произносится как "силициум".
7. Степени окисления, которые он проявляет: -4; +2; +4.
8. Валентность атома равна IV.
9. Атомная масса кремния равна 28,086.
10. В природе существует три устойчивых изотопа данного элемента с массовыми числами 28, 29 и 30.

Таким образом, атом кремния с химической точки зрения - достаточно изученный элемент, описано множество различных его свойств.

История открытия

Так как в природе очень популярны и массовы по содержанию именно различные соединения рассматриваемого элемента, издревле люди использовали и знали о свойствах именно многих из них. Чистый же кремний долгое время оставался за гранью познаний человека в химии.

Наиболее популярными соединениями, которыми пользовались в быту и промышленности народы древних культур (египтяне, римляне, китайцы, русичи, персы и прочие), были драгоценные и поделочные камни на основе оксида кремния. К ним относятся:

• опал;
• горный хрусталь;
• топаз;
• хризопраз;
• оникс;
• халцедон и другие.

Также издревле принято использовать кварц и в строительном деле. Однако сам элементарный кремний оставался нераскрытым вплоть до XIX века, хотя многие ученые тщетно пытались выделить его из разных соединений, используя для этого и катализаторы, и высокие температуры, и даже электрический ток. Это такие светлые умы, как:

• Карл Шееле;
• Гей-Люссак;
• Тенар;
• Гемфри Дэви;
• Антуан Лавуазье.

Осуществить удачно получение кремния в чистом виде удалось Йенсу Якобсу Берцелиусу в 1823 году. Для этого он проводил опыт по сплавлению паров фтористого кремния и металлического калия. В результате получил аморфную модификацию рассматриваемого элемента. Этим же ученым было предложено латинское название открытому атому.

Еще несколько позже, в 1855 году, другой ученый - Сент Клер-Девилль - сумел синтезировать другую аллотропную разновидность - кристаллический кремний. С тех пор знания о данном элементе и его свойствах стали очень быстро пополняться. Люди поняли, что он обладает уникальными особенностями, которые можно очень грамотно использовать для удовлетворения собственных нужд. Поэтому сегодня один из самых востребованных элементов в электронике и технике - это кремний. Применение его лишь расширяет свои границы с каждым годом.

Русское название атому дал ученый Гесс в 1831 году. Именно оно и закрепилось до сегодняшнего дня.

По распространенности в природе кремний занимает второе место после кислорода. Его процентное соотношение в сравнении с другими атомами в составе земной коры - 29,5%. Кроме того, углерод и кремний - это два особых элемента, способных формировать цепи, соединяясь друг с другом. Именно поэтому для последнего известно более 400 различных природных минералов, в составе которых он и содержится в литосфере, гидросфере и биомассе.

Где конкретно содержится кремний?

1. В глубоких слоях почвы.
2. В горных породах, залежах и массивах.
3. На дне водоемов, особенно морей и океанов.
4. В растениях и морских обитателях царства животных.
5. В организме человека и наземных животных.

Можно обозначить несколько самых распространенных минералов и горных пород, в составе которых в большом количестве присутствует кремний. Химия их такова, что массовое содержание чистого элемента в них достигает 75%. Однако конкретная цифра зависит от разновидности материала. Итак, горные породы и минералы с содержанием кремния:

• полевые шпаты;
• слюды;
• амфиболы;
• опалы;
• халцедоны;
• силикаты;
• песчаники;
• алюмосиликаты;
• глины и прочие.

Накапливаясь в панцирях и наружных скелетах морских животных, кремний со временем формирует мощные залежи кремнезема на дне водоемов. Это один из природных источников данного элемента.

Кроме того, было установлено, что силициум может существовать в чистом самородном виде - в виде кристаллов. Но подобные месторождения очень редки.

Физические свойства кремния

Если давать характеристику рассматриваемого элемента по набору физико-химических свойств, то в первую очередь следует обозначить именно физические параметры. Вот несколько основных:

1. Существует в виде двух аллотропных модификаций - аморфный и кристаллический, которые отличаются по всем свойствам.
2. Кристаллическая решетка очень схожа с таковой у алмаза, ведь углерод и кремний в этом отношении практически одинаковы. Однако расстояние между атомами разное (у кремния больше), поэтому алмаз гораздо тверже и прочнее. Тип решетки - кубическая гранецентрированная.
3. Вещество очень хрупкое, при высоких температурах становится пластичным.
4. Температура плавления равна 1415˚С.
5. Температура кипения - 3250˚С.
6. Плотность вещества - 2,33 г/см 3 .
7. Цвет соединения - серебристо-серый, выражен характерный металлический блеск.
8. Обладает хорошими полупроводниковыми свойствами, которые способны варьировать при добавлении тех или иных агентов.
9. Не растворяется в воде, органических растворителях и кислотах.
10. Специфически растворим в щелочах.

Обозначенные физические свойства кремния позволяют людям управлять им и применять для создания различных изделий. Так, например, на свойствах полупроводимости основано использование чистого кремния в электронике.

Химические свойства

Химические свойства кремния очень сильно зависят от условий проведения реакции. Если говорить о при стандартных параметрах, то нужно обозначить очень низкую активность. Как кристаллический, так и аморфный кремний очень инертны. Не взаимодействуют ни с сильными окислителями (кроме фтора), ни с сильными восстановителями.

Это связано с тем, что на поверхности вещества мгновенно формируется оксидная пленка SiO 2 , которая препятствует дальнейшим взаимодействиям. Она способна образоваться под влиянием воды, воздуха, паров.

Если же изменить стандартные условия и произвести нагревание кремния до температуры свыше 400˚С, то его химическая активность сильно возрастет. В этом случае он будет вступать в реакции с:

• кислородом;
• всеми видами галогенов;
• водородом.

При дальнейшем повышении температуры возможно образование продуктов при взаимодействии с бором, азотом и углеродом. Особое значение имеет карборунд - SiC, так как он является хорошим абразивным материалом.

Также химические свойства кремния четко прослеживаются при реакциях с металлами. По отношению к ним он окислитель, поэтому продукты носят название силицидов. Известны подобные соединения для:

• щелочных;
• щелочноземельных;
• переходных металлов.

Необычными свойствами обладает соединение, получаемое при сплавлении железа и кремния. Оно носит название ферросилициевой керамики и успешно применяется в промышленности.

Со сложными веществами кремний во взаимодействие не вступает, поэтому из всех их разновидностей способен растворяться лишь в:

• царской водке (смесь азотной и соляной кислот);
• едких щелочах.

При этом температура раствора должна быть не меньше 60˚С. Все это еще раз подтверждает физическую основу вещества - алмазоподобную устойчивую кристаллическую решетку, придающую ему прочность и инертность.

Способы получения

Получение кремния в чистом виде - процесс достаточно затратный экономически. Кроме того, в силу его свойств любой способ дает лишь на 90-99 % чистый продукт, в то время как примеси в виде металлов и углерода остаются все равно. Поэтому просто получить вещество недостаточно. Его следует еще и качественно очистить от посторонних элементов.

В целом же производство кремния осуществляется двумя основными путями:

1. Из белого песка, который представляет собой чистый оксид кремния SiO 2 . При прокаливании его с активными металлами (чаще всего с магнием) происходит образование свободного элемента в виде аморфной модификации. Чистота такого способа высока, продукт получается с 99,9-процентным выходом.
2. Более широко распространенный способ в промышленных масштабах - это спекание расплава песка с коксом в специализированных термических печах для обжига. Данный способ был разработан русским ученым Бекетовым Н. Н.

Дальнейшая обработка заключается в подвергании продуктов методам очистки. Для этого используются кислоты или галогены (хлор, фтор).

Аморфный кремний

Характеристика кремния будет неполной, если не рассмотреть отдельно каждую его аллотропную модификацию. Первая из них - это аморфная. В таком состоянии рассматриваемое нами вещество представляет собой порошок буро-коричневого цвета, мелкодисперсный. Обладает высокой степенью гигроскопичности, проявляет достаточно высокую химическую активность при нагревании. В стандартных условиях способен взаимодействовать только с сильнейшим окислителем - фтором.

Называть аморфный кремний именно разновидностью кристаллического не совсем правильно. Его решетка показывает, что данное вещество - это лишь форма мелкодисперсного кремния, существующего в виде кристаллов. Поэтому как таковые эти модификации - одно и то же соединение.

Однако свойства их различаются, поэтому и принято говорить об аллотропии. Сам по себе аморфный кремний обладает высокой светопоглотительной способностью. Кроме того, при определенных условиях данный показатель в разы превышает подобный у кристаллической формы. Поэтому его используют в технических целях. В рассматриваемом виде (порошок) соединение легко наносится на любую поверхность, будь то пластик или стекло. Поэтому так удобен для использования именно аморфный кремний. Применение основано на различных размеров.

Хотя износ батарей подобного типа довольно быстрый, что связано с истиранием тонкой пленки вещества, однако применение и востребованность только растет. Ведь даже за короткий срок службы солнечные батареи на основе аморфного кремния способны обеспечить энергией целые предприятия. К тому же производство подобного вещества безотходное, что делает его очень экономным.

Получают такую модификацию путем восстановления соединений активными металлами, например, натрием или магнием.

Кристаллический кремний

Серебристо-серая блестящая модификация рассматриваемого элемента. Именно такая форма является самой распространенной и наиболее востребованной. Это объясняется набором качественных свойств, которыми обладает данное вещество.

Характеристика кремния с кристаллической решеткой включает в себя классификацию его видов, так как их несколько:

1. Электронного качества - самый чистый и максимально высококачественный. Именно такой вид используется в электронике для создания особо чувствительных приборов.
2. Солнечного качества. Само название определяет область использования. Это также достаточно высокий по чистоте кремний, применение которого необходимо для создания качественных и долго работающих солнечных батарей. Фотоэлектрические преобразователи, созданные на основе именно кристаллической структуры, более качественны и износостойки, нежели те, что созданы с использованием аморфной модификации путем напыления на различного типа подложки.
3. Технический кремний. В данную разновидность включаются те образцы вещества, в которых содержится около 98 % чистого элемента. Все остальное уходит на различного рода примеси:

• алюминий;
• хлор;
• углерод;
• фосфор и прочие.

Последняя разновидность рассматриваемого вещества используется с целью получения поликристаллов кремния. Для этого проводятся процессы перекристаллизации. Вследствие этого по чистоте получаются такие продукты, которые можно относить к группам солнечного и электронного качества.

По своей природе поликремний - это промежуточный продукт между аморфной модификацией и кристаллической. С таким вариантом легче работать, он лучше подвергается переработке и очистке фтором и хлором.

Продукты, которые получаются в результате, можно классифицировать так:

• мультикремний;
• монокристаллический;
• профилированные кристаллы;
• кремниевый скрап;
• технический кремний;
• отходы производства в виде осколков и обрезков вещества.

Каждый из них находит применение в промышленности и используется человеком полностью. Поэтому касающиеся кремния, считаются безотходными. Это значительно снижает его экономическую стоимость, при этом не влияя на качество.

Использование чистого кремния

Производство кремния в промышленности налажено достаточно хорошо, а его масштабы довольно объемны. Это связано с тем, что данный элемент, как чистый, так и в виде различных соединений, широко распространен и востребован в разных отраслях науки и техники.

Где же используется кристаллический и аморфный кремний в чистом виде?

1. В металлургии как легирующая добавка, способная менять свойства металлов и их сплавов. Так, он используется при выплавке стали и чугуна.
2. Разные виды вещества уходят на изготовление более чистого варианта - поликремния.
3. Соединения кремния с - это целая химическая отрасль, которая получила особую популярность сегодня. Кремнийорганические материалы используются в медицине, при изготовлении посуды, инструментов и многого другого.
4. Изготовление различных солнечных батарей. Этот способ получения энергии является одним из самых перспективных в будущем. Экологически чисто, экономически выгодно и износостойко - основные достоинства такого получения электричества.
5. Кремний для зажигалок используется уже очень давно. Еще в древности люди использовали кремень для получения искры при розжиге огня. Этот принцип заложен в основу производства зажигалок различного рода. Сегодня встречаются виды, в которых кремень заменен на сплав определенного состава, дающий еще более быстрый результат (искрение).
6. Электроника и солнечная энергетика.
7. Изготовление зеркалец в газовых лазерных устройствах.

Таким образом, чистый кремний имеет массу преимущественных и особенных свойств, позволяющих использовать его для создания важных и нужных продуктов.

Применение соединений кремния

Помимо простого вещества, используются и различные соединения кремния, причем очень широко. Существует целая отрасль промышленности, которая называется силикатной. Именно она основана на использовании различных веществ, в состав которых входит этот удивительный элемент. Какие это соединения и что из них производят?

1. Кварц, или речной песок - SiO 2 . Используется для изготовления таких строительных и декоративных материалов, как цемент и стекло. Где используются эти материалы, всем известно. Ни одно строительство не обходится без данных компонентов, что подтверждает значимость соединений кремния.
2. Силикатная керамика, в которую входят такие материалы, как фаянс, фарфор, кирпич и продукты на их основе. Данные компоненты используются в медицине, при изготовлении посуды, декоративных украшений, предметов быта, в строительстве и прочих бытовых областях деятельности человека.
3. - силиконы, силикагели, силиконовые масла.
4. Силикатный клей - используется как канцелярский, в пиротехнике и строительстве.

Кремний, цена на который варьирует на мировом рынке, но не пересекает сверху вниз отметку в 100 рублей РФ за килограмм (за кристаллический), является востребованным и ценным веществом. Естественно, что и соединения этого элемента так же широко распространены и применимы.

Биологическая роль кремния

С точки зрения значимости для организма кремний немаловажен. Его содержание и распределение по тканям таково:

• 0,002 % - мышечная;
• 0,000017 % - костная;
• кровь - 3,9 мг/л.

Каждый день внутрь должно попадать около одного грамма кремния, иначе начнут развиваться заболевания. Смертельно опасных среди них нет, однако длительное кремниевое голодание приводит к:

• выпадению волос;
• появлению угревой сыпи и прыщей;
• хрупкости и ломкости костей;
• легкой проницаемости капилляров;
• усталости и головным болям;
• появлению многочисленных синяков и кровоподтеков.

Для растений кремний - важный микроэлемент, необходимый для нормального роста и развития. Опыты на животных показали, что лучше растут те особи, которые ежедневно потребляют достаточное количество кремния.

Кремний в свободном виде был выделен в 1811 Ж.Гей-Люссаком и Л.Тенаром при пропускании паров фторида кремния над металлическим калием, однако он не был описан ими как элемент. Шведский химик Й.Берцелиус в 1823 дал описание кремния, полученного им при обработке калиевой соли K 2 SiF 6 металлическим калием при высокой температуре. Новому элементу было дано название "силиций" (от лат. silex - кремень). Русское название "кремний" введено в 1834 году российским химиком Германом Ивановичем Гессом. В переводе c др.-греч. krhmnoz - "утес, гора".

Нахождение в природе, получение:

В природе кремний находится в виде диоксида и силикатов различного состава. Природный диоксид кремния встречается преимущественно в форме кварца, хотя существуют и другие минералы - кристобалит, тридимит, китит, коусит. Аморфный кремнезем встречается в диатомовых отложениях на дне морей и океанов - эти отложения образовались из SiO 2 , входившего в состав диатомовых водорослей и некоторых инфузорий.
Свободный кремний может быть получен прокаливанием с магнием мелкого белого песка, который по химическому составу является почти чистым оксидом кремния, SiO 2 +2Mg=2MgO+Si. В промышленности кремний технической чистоты получают, восстанавливая расплав SiO 2 коксом при температуре около 1800°C в дуговых печах. Чистота полученного таким образом кремния может достигать 99,9% (основные примеси - углерод, металлы).

Физические свойства:

Аморфный кремний имеет вид бурого порошка, плотность которого равна 2.0г/см 3 . Кристаллический кремний - темно-серое, блестящее кристаллическое вещество, хрупкое и очень твердое, кристаллизуется в решетке алмаза. Это типичный полупроводник (проводит электричество лучше, чем изолятор типа каучука, и хуже проводника - меди). 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.

Химические свойства:

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, с хлором, бромом и иодом - с образованием соответствующих легко летучих тетрагалогенидов SiHal 4 . При температуре около 1000°C кремний реагирует с азотом образуя нитрид Si 3 N 4 , с бором - термически и химически стойкие бориды SiB 3 , SiB 6 и SiB 12 . С водородом кремний непосредственно не реагирует.
Для травления кремния наиболее широко используют смесь плавиковой и азотной кислот.
Кремний растворяется в горячих растворах щелочей: Si + 2KOH + H 2 O = K 2 SiO 3 + 2H 2
Для кремния характерны соединения со степенью окисления +4 или -4.

Важнейшие соединения:

Диоксид кремния, SiO 2 - (кремниевый ангидрид), бесцв. крист. вещество, тугоплавкое (1720 С), с высокой твердостью. Кислотный оксид, химически малоактивен, взаимодействует с плавиковой кислотой и растворами щелочей, образуя в последнем случае соли кремниевых кислот - силикаты. Силикаты также образуются при сплавлении оксида кремния с щелочами, основными оксидами и некоторыми солями
SiO 2 + 4NaOH = Na 4 SiO 4 + 2H 2 O; SiO 2 + CaO = CaSiO 3 ;
Na 2 CO 3 + CaCO 3 + 6SiO 2 = Na 2 CaSi 6 O 14 + 2CO 2 (смешанный силикат натрия-кальция, стекло)
Кремниевые кислоты - слабые, нерастворимые, образуются при добавлении кислоты в раствор силиката в виде геля (желатинообразное вещество). H 4 SiO 4 (ортокремниевая) и H 2 SiO 3 (метакремниевая, или кремниевая) существуют только в растворе и необратимо превращаются в SiO 2 при нагревании и высушивании. Получающийся твердый пористый продукт - силикагель , имеет развитую поверхность и используется как адсорбент газов, осушитель, катализатор и носитель катализаторов.
Силикаты - соли кремниевых кислот в большинстве своем (кроме силикатов натрия и калия) нерастворимы в воде. Растворимые силикаты в растворе подвергаются сильному гидролизу.
Водородные соединения - аналоги углеводородов, силаны , соединения, в которых атомы кремния соединены одинарной связью, силены , если атомы кремния соединены двойной связью. Подобно углеводородам эти соединения образуют цепи и кольца. Все силаны могут самовозгораться, образуют взрывчатые смеси с воздухом и легко реагируют с водой: SiH 4 + 2H 2 O = SiO 2 +4H 2
Тетрафторид кремния SiF 4 , газ с неприятным запахом, ядовит, образуется при действии фтороводородной (плавиковой) кислоты на кремний и многие его соединения, в том числе и на стекло:
Na 2 SiO 3 + 6HF = 2NaF + SiF 4 ­ + 3H 2 O
Реагирует с водой, образуя кремниевую и гексафторокремниевую (H 2 SiF 6) кислоты:
3SiF 4 + 3H 2 O = 2H 2 SiF 6 + H 2 SiO 2
H 2 SiF 6 по силе близка к серной кислоте, соли - фторсиликаты.

Применение:

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

Для некоторых организмов кремний является важным биогенным элементом. Он входит в состав опорных образований у растений и скелетных - у животных. В больших количествах кремний концентрируют морские организмы - диатомовые водоросли, радиолярии, губки. Большие количества кремния концентрируют хвощи и злаки, в первую очередь - подсемейства Бамбуков и Рисовидных, в том числе - рис посевной. 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.

Антонов С.М., Томилин К.Г.
ХФ ТюмГУ, 571 группа.

Источники: Кремний. Википедия ; Кремний в Онлайн Энциклопедии "Кругосвет" , ;
Кремний на сайте

Одним из самых востребованных в технике и промышленности элементов является кремний. Этому он обязан своими необычными свойствами. Сегодня существует масса различных соединений данного элемента, которые играют важную роль в синтезе и создании технических продуктов, посуды, стекла, оборудования, строительных и отделочных материалов, ювелирных украшений и в прочих отраслях промышленности.

Общая характеристика кремния

Если рассматривать положение кремния в периодической системе, то можно сказать так:

1. Располагается в IV группе главной подгруппы.
2. Порядковый номер 14.
3. Атомная масса 28,086.
4. Химический символ Si.
5. Название - кремний, или на латыни - silicium.
6. Электронная конфигурация внешнего слоя 4е:2е:8е.

Кристаллическая решетка кремния подобна решетке алмаза. В узлах расположены атомы, тип ее - кубическая гранецентрированная. Однако вследствие большей длины связи физические свойства кремния сильно отличаются от свойств аллотропной модификации углерода.

Физические и химические свойства

Еще несколько вариаций диоксида кремния:

• кварц;
• речной и ;
• кремень;
• полевые шпаты.

Применение кремния в таких видах реализуется в строительных работах, технике, радиоэлектронике, химической отрасли, металлургии. Все вместе перечисленные оксиды относятся к единому веществу - кремнезему.

Карбид кремния и его применение

Кремний и его соединения - это и настоящего. Одним из таких материалов является карборунд или карбид данного элемента. Химическая формула SiC. Встречается в природе в виде минерала муассанита.

В чистом виде соединение углерода и кремния - это красивые прозрачные кристаллы, напоминающие алмазные структуры. Однако в технических целях используются окрашенные в зеленый и черный цвета вещества.

Основные характеристики данного вещества, позволяющие использовать его в металлургии, технике, химической промышленности, следующие:

• полупроводник широкозонный;
• очень высокая степень прочности (7 по шкале Мооса);
• устойчив к действию высоких температур;
• отличная электроустойчивость и теплопроводность.

Все это позволяет использовать карборунд в качестве абразивного материала в металлургии и химических синтезах. А также на его основе изготавливать светодиоды широкого спектра действия, детали для стекловарочных печей, сопла, факелы, ювелирные украшения (муассанит ценится выше фианита).

Силан и его значение

Водородное соединение кремния имеет название силан и не может быть получено прямым синтезом из исходных веществ. Для его получения используют силициды различных металлов, которые подвергаются обработке кислотами. В результате выделяется газообразный силан и формируется соль металла.

Интересно то, что рассматриваемое соединение никогда не образуется в одиночестве. Всегда в результате реакции получается смесь моно-, ди- и трисилана, в которых атомы кремния соединены между собой в цепочки.

По своим свойствам эти соединения - сильные восстановители. Сами при этом легко окисляются кислородом, иногда со взрывом. С галогенами реакции бурные всегда, с большим выбросом энергии.

Области применения силанов следующие:

1. Реакции органических синтезов, в результате которых образуются важные кремнийорганические соединения - силиконы, резины, герметики, смазки, эмульсии и прочие.
2. Микроэлектроника (жидкокристаллические мониторы, интегральные технические схемы и прочее).
3. Получение сверхчистого поликремния.
4. Стоматология при протезировании.

Таким образом, значение силанов в современном мире высоко.

Кремниевая кислота и силикаты

Гидроксид рассматриваемого элемента - это разные кремниевые кислоты. Выделяют:

• мета;
• орто;
• поликремниевые и другие кислоты.

Все их объединяют общие свойства - крайняя неустойчивость в свободном состоянии. Они легко разлагаются под действием температуры. При обычных условиях существуют недолго, превращаясь сначала в золь, а потом в гель. После высыхания такие структуры называют силикагелями. Они используются в качестве адсорбентов в фильтрах.

Важными, с точки зрения промышленности, являются соли кремниевых кислот - силикаты. Они лежат в основе получения таких веществ, как:

• стекло;
• бетон;
• цемент;
• цеолит;
• каолин;
• фарфор;
• фаянс;
• хрусталь;
• керамика.

Силикаты щелочных металлов - растворимы, всех остальных - нет. Поэтому силикат натрия и калия называют жидким стеклом. Обычный канцелярский клей - это и есть натриевая соль кремниевой кислоты.

Но самыми интересными соединениями являются все же стекла. Каких только вариантов этого вещества ни придумали! Сегодня получают цветные, оптические, матовые варианты. Стеклянная посуда поражает своим великолепием и разнообразием. При добавлении определенных оксидов металлов и неметаллов в смесь можно получать самые разные типы стекла. Иногда даже одинаковый состав, но различное процентное содержание компонентов приводит к различию в свойствах вещества. Примером могут служить фарфор и фаянс, формула которых SiO 2 *AL 2 O 3 *K 2 O.

Это форма особо чистого продукта, состав которого описывается как диоксид кремния.

Открытия в области соединений кремния

За последние несколько лет исследований было доказано, что кремний и его соединения - важнейшие участники нормального состояния живых организмов. С недостатком или избытком данного элемента связаны такие заболевания, как:

• туберкулез;
• артриты;
• катаракта;
• проказа;
• дизентерия;
• ревматизм;
• гепатит и другие.

Сами процессы старения организма также связаны с количественным содержанием кремния. Многочисленные опыты на млекопитающих животных доказали, что при недостатке элемента возникают инфаркты, инсульты, рак и активизируется вирус гепатита.

Второй представитель элементов главной подгруппы IV группы (IVА группы) Периодической системы Д. И. Менделеева - кремний Si.

В природе кремний - второй по распространённости после кислорода химический элемент. Земная кора более чем на четверть состоит из его соединений. Наиболее распространённым соединением кремния является оксид кремния (IV) SiO 2 , другое его название - кремнезём.

В природе он образует минерал кварц (рис. 158), многие разновидности которого - горный хрусталь и его знаменитая лиловая форма - аметист, а также агат, опал, яшма, халцедон, сердолик, известны как поделочные и полудрагоценные камни. Из оксида кремния (IV) состоят также обычный и кварцевый песок.

Рис. 158.
Кристаллы кварца, вкраплённые в доломит

Из разновидностей минералов на основе оксида кремния (IV) (кремня, халцедона и др.) первобытные люди изготовляли орудия труда. Именно кремень, этот невзрачный и не очень прочный камень, положил начало каменному веку - веку кремнёвых орудий труда (рис. 159). Причин этому две: распространённость и доступность кремня, а также его способность образовывать при сколе острые режущие края.

Рис. 159.
Орудия каменного века

Второй тип природных соединений кремния - это силикаты. Среди них наиболее распространены алюмосиликаты (понятно, что эти силикаты содержат химический элемент алюминий). К алюмосиликатам относят гранит, различные виды глин, слюды. Силикатом, не содержащим алюминия, является, например, асбест, из которого изготавливают огнеупорные ткани.

Оксид кремния (IV) SiO 2 необходим для жизни растений и животных. Он придаёт прочность стеблям растений и защитным покровам животных (рис. 160). Благодаря ему тростники, камыши и хвощи стоят крепко, как штыки, острые листья осоки режут, как ножи, стерня на скошенном поле колет, как иголки, а стебли злаков настолько крепки, что не позволяют ниве на полях ложиться от дождя и ветра. Чешуя рыб, панцири насекомых, крылья бабочек, перья птиц и шерсть животных прочны, так как содержат кремнезём.

Рис. 160.
Оксид кремния (IV) придаёт прочность стеблям растений и защитным покровам животных

Соединения кремния придают гладкость и прочность волосам и ногтям человека.

Кремний входит и в состав низших живых организмов - диатомовых водорослей и радиолярий, нежнейших комочков живой материи, которые создают свои непревзойдённые по красоте скелеты из кремнезёма (рис. 161).

Рис. 161.
Скелеты диатомовых водорослей (а) и радиолярий (б) состоят из кремнезёма

Свойства кремния . Вы пользуетесь микрокалькулятором с солнечной батарейкой и поэтому имеете представление о кристаллическом кремнии. Это полупроводник. В отличие от металлов, с повышением температуры его электропроводность увеличивается. На спутниках, космических кораблях, станциях и крышах домов (рис. 162) устанавливают солнечные батареи, преобразующие солнечную энергию в электрическую. В них работают кристаллы полупроводников, и в первую очередь кремния. Кремниевые фотоэлементы могут превратить в электрическую до 10% поглощённой солнечной энергии.

Рис. 162.
Солнечная батарея на крыше дома

Кремний горит в кислороде, образуя уже известный вам оксид кремния (IV):

Будучи неметаллом, при нагревании кремний соединяется с металлами с образованием силицидов, например:

Силициды легко разлагаются водой или кислотами, при этом выделяется газообразное водородное соединение кремния - силан:

В отличие от углеводородов, силан на воздухе самовоспламеняется и сгорает с образованием оксида кремния (IV) и воды:

Повышенная реакционная способность силана по сравнению с метаном СН 4 объясняется тем, что размер атома у кремния больше, чем у углерода, поэтому химические связи Si-Н менее прочные, чем связи С-Н.

Кремний взаимодействует с концентрированными водными растворами щелочей, образуя силикаты и водород:

Кремний получают, восстанавливая его из оксида кремния (IV) магнием или углеродом:

Оксид кремния (IV), или диоксид кремния, или кремнезём SiO 2 , как и СO 2 , является кислотным оксидом. Однако в отличие от С02 имеет не молекулярную, а атомную кристаллическую решётку. Поэтому SiO 2 твёрдое и тугоплавкое вещество. Он не растворяется в воде и кислотах, кроме, как вы знаете, плавиковой, но взаимодействует при высоких температурах с щелочами с образованием солей кремниевой кислоты - силикатов:

Силикаты можно получить также сплавлением оксида кремния (IV) с оксидами металлов или с карбонатами:

Силикаты натрия и калия называют растворимым стеклом. Их водные растворы - это хорошо известный силикатный клей.

Из растворов силикатов действием на них более сильных кислот - соляной, серной, уксусной и даже угольной получается кремниевая кислота H 2 SiO 3 (рис. 163):

Рис. 163. Качественная реакция на силикат-ион

Следовательно, H 2 SiO 3 очень слабая кислота. Она нерастворима в воде и выпадает из реакционной смеси в виде студенистого осадка, иногда заполняющего компактно весь объём раствора, превращая его в полутвёрдую массу, похожую на студень, желе. При высыхании этой массы образуется высокопористое вещество - силикагель, широко применяемый в качестве адсорбента - поглотителя других веществ.

Лабораторный опыт № 40
Получение кремниевой кислоты и изучение её свойств

Применение кремния . Вы уже знаете, что кремний применяют для получения полупроводниковых материалов, а также кислотоупорных сплавов. При сплавлении кварцевого песка с углём при высоких температурах образуется карбид кремния SiC, который по твёрдости уступает только алмазу. Поэтому его используют для затачивания резцов металлорежущих станков и шлифовки драгоценных камней.

Из расплавленного кварца изготавливают различную кварцевую химическую посуду, которая может выдерживать высокую температуру и не трескается при резком охлаждении.

Соединения кремния служат основой для производства стекла и цемента.

Обычное оконное стекло имеет состав, который можно выразить формулой Na 2 O СаО 6SiO 2 . Его получают в специальных стекловаренных печах сплавлением смеси соды, известняка и песка.

Отличительная особенность стекла - способность размягчаться и в расплавленном состоянии принимать любую форму, которая сохраняется при застывании стекла. На этом основано производство посуды и других изделий из стекла.

Дополнительные качества стеклу придают различные добавки. Так, введением оксида свинца получают хрустальное стекло, оксид хрома окрашивает стекло в зелёный цвет, оксид кобальта - в синий и т. д. (рис. 164).

Рис. 164.
Изделия из цветного стекла

Стекло - одно из древнейших изобретений человечества. Уже 3-4 тыс. лет назад производство стекла было развито в Египте, Сирии, Финикии и Причерноморье.

Стекло - это материал не только ремесленников, но и художников. Высокого совершенства достигли мастера Древнего Рима, которые умели получать цветные стёкла и делать из их кусочков мозаики.

Рис. 165.
Цветное стекло в витражах собора Нотр-Дам, Шартр

Произведения искусства из стекла являются обязательными атрибутами любого крупного музея, и цветные витражи церквей, мозаичные панно - яркие тому примеры (рис. 165). В одном из помещений Санкт-Петербургского отделения Российской академии наук находится мозаичный портрет Петра I, выполненный М. В. Ломоносовым (рис. 166).

Рис. 166.
Мозаичный портрет Петра I

Области применения стекла очень обширны. Это оконное, бутылочное, ламповое, зеркальное стекло; стекло оптическое - от стёкол очков до стёкол фотокамер; линзы бесчисленных оптических приборов - от микроскопов до телескопов.

Другой важный материал, получаемый на основе соединения кремния, - цемент. Его получают спеканием глины и известняка в специальных вращающихся печах.

Если порошок цемента смешать с водой, то образуется цементное тесто, или, как его называют строители, «цементный раствор», который постепенно затвердевает. При добавлении к цементу песка или щебня в качестве наполнителя получают бетон. Прочность бетона возрастает, если в него вводится железный каркас, - получается железобетон, из которого изготавливают стеновые панели, блоки перекрытий, фермы мостов и т. д.

Производством стекла и цемента занимается силикатная промышленность. Она также выпускает силикатную керамику - кирпич, фарфор (рис. 167), фаянс и изделия из них.

Рис. 167.
Фарфоровые изделия

Открытие кремния . Хотя уже в глубокой древности люди широко использовали в быту соединения кремния, сам кремний был впервые получен в 1824 г. шведским химиком Й. Я. Берцелиусом. Однако за 12 лет до него кремний получили Ж. Гей-Люссак и Л. Тенар, но он был очень загрязнён примесями.

Латинское название силициум берёт своё начало от латинского слова силекс- «кремень». Русское название «кремний» происходит от греческого кремнос - «утёс, скала».

Новые слова и понятия

1. Природные соединения кремния: кремнезём, кварц и его разновидности, силикаты, алюмосиликаты, асбест.
2. Биологическое значение кремния.
3. Свойства кремния: полупроводниковые, взаимодействие с кислородом, металлами, щелочами.
4. Силан.
5. Оксид кремния (IV). Его строение и свойства: взаимодействие с щелочами, основными оксидами, карбонатами и магнием.
6. Кремниевая кислота и её соли. Растворимое стекло.
7. Применение кремния и его соединений.
8. Стекло.
9. Цемент.