Кремній і його з’єднання. Кремній в природі. Застосування кремнію

Навчання 02 липня 2022 Перегляди: 82

Одним з найбільш затребуваних в техніці і промисловості елементів є кремній. Цьому він зобов’язаний своїми незвичайними властивостями. Сьогодні існує маса різних сполук даного елемента, які відіграють важливу роль у синтезі та створенні технічних продуктів, посуду, скла, обладнання, будівельних та оздоблювальних матеріалів, ювелірних прикрас та в інших галузях промисловості.

Загальна характеристика кремнію

Якщо розглядати положення кремнію в періодичній системі, то можна сказати так:

1. Розташовується в IV групі головної підгрупи.
2. Порядковий номер 14.
3. Атомна маса 28,086.
4. Хімічний символ Si.
5. Назва — кремній, або латиною — silicium.
6. Електронна конфігурація зовнішнього шару 4е:2е:8є.

Кристалічна решітка кремнію подібна до ґрат алмазу. У вузлах розташовані атоми, тип її — кубічна гранецентрована. Однак внаслідок більшої довжини зв’язку фізичні властивості кремнію сильно відрізняються від властивостей аллотропної модифікації вуглецю.

Фізичні та хімічні властивості

Існує дві аллотропні модифікації цього елемента: аморфна і кристалічна. Вони дуже схожі. Однак, як і у випадку з іншими речовинами, головна відмінність між ними — кристалічна решітка кремнію.

При цьому обидві модифікації — це порошки різного кольору.

1. Кристалічний кремній являє собою темно-сірий блискучий порошок, схожий на метал. Структура його відповідає алмазу, однак властивості відмінні. Він володіє:

• крихкістю;
• невисокою твердістю;
• напівпровідниковими властивостями;
• температурою плавлення 1415⁰S;
• щільністю 2,33 г/см³;
• температурою кипіння 2700⁰

Його хімічна активність невисока порівняно з іншою аллотропною формою.

2. Аморфний кремній — буро-коричневий порошок, володіє структурою сильнорозупорядкованого алмазу. Хімічна активність досить висока.

Загалом слід зауважити, що вступати в реакції кремній не любить. Щоб змусити його реагувати, потрібна температура не менше 400-500⁰S. За цих умов утворюються різні хімічні сполуки кремнію. Такі як:

• оксиди;
• галогеніди;
• силіциди;
• нітриди;
• боріди;
• карбіди.

Можлива взаємодія кремнію з азотною кислотою або лужею, що має назву процесу травлення. Широко поширені кремнійорганічні з’єднання, які сьогодні отримують все більше поширення.

Перебування в природі

Кремній в природі міститься в досить вагомій кількості. Стоїть на другому місці після кисню за поширеністю. Його масова частка становить близько 30%. Морська вода також містить даний елемент у приблизній концентрації 3 мг/л. Тому не можна сказати, що кремній в природі — це рідкісний елемент.

Навпаки, існує маса різних порід і мінералів, у складі яких він зустрічається і з яких його можна добувати. Найпоширеніші природні сполуки кремнію такі:

1. Кремнезем. Хімічна формула SiO₂. Існує досить велика різноманітність форм мінералів і гірських порід на його основі: пісок, кремінь, польові шпати, кварц, гірський кришталь, аметист, халцедон, сердолік, опал, яшма та інші.
2. Силікати та алюмосилікати. Каолін, шпати, слюда, солі кремнієвої кислоти, азбест, тальк.

Таким чином, поширення в природі кремнію широко, а його з’єднання користуються популярністю і попитом у людей для застосування в технічних цілях.

Кремній і його з’єднання

Оскільки в чистому вигляді розглянутий елемент існувати не може, тому важливе значення мають різні його з’єднання. З хімічної точки зору він може проявляти три ступені окислення: +2, +4, -4. Виходячи з цього, а також зі своєї інертності, але особливої по будові кристалічної решітки, він формує такі основні види речовин:

• бінарні сполуки з неметаллами (силан, карбід, нітрид, фосфід тощо;
• оксиди;
• кремнієву кислоту;
• силікати металів.

Розгляньмо детальніше, яке значення має кремній і його з’єднання, що є найпоширенішими і затребуваними для людей.

Оксиди кремнію

Існує два різновиди цієї речовини, що виражаються формулами:

• SiO;
• SiO₂.

Однак найбільше поширення має діоксид. Він існує в природі у вигляді дуже красивих напівдорогоцінних каменів:

• агат;
• халцедон;
• опал;
• сердолік;
• яшма;
• аметист;
• гірський кришталь.

Застосування кремнію в такій формі знайшло своє застосування у виробництві ювелірних виробів. Неймовірно красиві золоті і срібні прикраси виготовляються з цими напівдорогоцінними і поробочими каменями.

Ще кілька варіацій діоксиду кремнію:

• кварц;
• річковий і кварцевий пісок;
• кремінь;
• польові шпати.

Застосування кремнію в таких видах реалізується в будівельних роботах, техніці, радіоелектроніці, хімічній галузі, металургії. Всі разом перераховані оксиди відносяться до єдиної речовини — кремнезему.

Карбід кремнію і його застосування

Кремній і його з’єднання — це матеріали майбутнього і сьогодення. Одним з таких матеріалів є карборунд або карбід даного елемента. Хімічна формула SiC. Зустрічається в природі у вигляді мінералу муассаніта.

У чистому вигляді з’єднання вуглецю і кремнію — це красиві прозорі кристали, що нагадують алмазні структури. Однак у технічних цілях використовуються пофарбовані в зелений і чорний кольори речовини.

Основні характеристики цієї речовини, що дозволяють використовувати її в металургії, техніці, хімічній промисловості, наступні:

• напівпровідник широкозонний;
• дуже високий ступінь міцності (7 за шкалою Мооса);
• стійкий до дії високих температур;
• відмінна електростійкість і теплопровідність.

Все це дозволяє використовувати карборунд в якості абразивного матеріалу в металургії і хімічних синтезах. А також на його основі виготовляти світлодіоди широкого спектру дії, деталі для скловарочних печей, сопла, смолоскипи, ювелірні прикраси (муассаніт цінується вище фіаніту).

Сілан і його значення

Водневе з’єднання кремнію має назву силан і не може бути отримано прямим синтезом з вихідних речовин. Для його отримання використовують силіциди різних металів, які піддаються обробці кислотами. В результаті виділяється газоподібний силан і формується сіль металу.

Цікаво те, що з «єднання ніколи не утворюється на самоті. Завжди в результаті реакції виходить суміш моно-, ді- і трисилана, в яких атоми кремнію з’єднані між собою в ланцюжки.

За своїми властивостями ці з’єднання — сильні відновлювачі. Самі при цьому легко окисляються киснем, іноді з вибухом. З галогенами реакції бурхливі завжди, з великим викидом енергії.

Області застосування силанів наступні:

1. Реакції органічних синтезів, в результаті яких утворюються важливі кремнійорганічні сполуки — силікони, гуми, герметики, мастили, емульсії та інші.
2. Мікроелектроніка (рідкокристалічні монітори, інтегральні технічні схеми та інше).
3. Отримання надчистого полікремнію.
4. Стоматологія при протезуванні.

Таким чином, значення силанів у сучасному світі високе.

Кремнієва кислота і силікати

Гідроксид розглянутого елемента — це різні кремнієві кислоти. Виділяють:

• мета;
• орто;
• полікремнієві та інші кислоти.

Всі їх об’єднують загальні властивості — крайня нестійкість у вільному стані. Вони легко розкладаються під дією температури. За звичайних умов існують недовго, перетворюючись спочатку на золь, а потім на гель. Після висихання такі структури називають силікагелями. Вони використовуються як адсорбенти у фільтрах.

Важливими, з точки зору промисловості, є солі кремнієвих кислот — силікати. Вони лежать в основі отримання таких речовин, як:

• скло;
• бетон;
• цемент;
• цеоліт;
• каолін;
• фарфор;
• фаянс;
• кришталь;
• кераміка.

Силікати лужних металів — розчинні, всіх інших — ні. Тому силікат натрію і калію називають рідким склом. Звичайний канцелярський клей — це і є натрієва сіль кремнієвої кислоти.

Але найцікавішими сполуками є все ж скло. Яких тільки варіантів цієї речовини не придумали! Сьогодні отримують кольорові, оптичні, матові варіанти. Скляний посуд вражає своєю пишністю і різноманітністю. При додаванні певних оксидів металів і неметалів у суміш можна отримувати різні типи скла. Іноді навіть однаковий склад, але різний процентний вміст компонентів призводить до відмінності у властивостях речовини. Прикладом можуть служити фарфор і фаянс, формула яких SiO₂ * AL₂O₃ * K₂O.

Кварцеве скло — це форма особливо чистого продукту, склад якого описується як діоксид кремнію.

Відкриття в області з’єднань кремнію

За останні кілька років досліджень було доведено, що кремній і його з’єднання — найважливіші учасники нормального стану живих організмів. З нестачею або надлишком даного елемента пов’язані такі захворювання, як:

• рак;
• туберкульоз;
• артрити;
• катаракта;
• проказа;
• дизентерія;
• ревматизм;
• гепатит та інші.

Самі процеси старіння організму також пов’язані з кількісним змістом кремнію. Численні досліди на ссавців тварин довели, що при нестачі елемента виникають інфаркти, інсульти, рак і активізується вірус гепатиту.