Кремний. Немного химии

Нахождение в природе. Кремний после кислорода - самый распространенный элемент в земной коре. В отличие от углерода в свободном состоянии кремний в природе не встречается. Наиболее распространенными его соединениями являются оксид кремния (IV) SiO₂ и соли кремниевых кислот - силикаты. Они образуют оболочку земной коры. Соединения кремния содержатся в организмах растений и животных.

Природные силикаты имеют сложный состав и строение. Вот состав некоторых природных силикатов: полевой шпат К₂О× Аl₂O₃× 6SiO₂, асбест 3MgО× 2SiO₂× 2H₂O, cлюда К₂О× 3Аl₂O_3× 6SiO₂× 2H₂O, каолинит 3Аl₂O₃× 2SiO₂× 2H₂O.

Силикаты, содержащие в своем составе также оксид алюминия, называются алюмосиликатами. Из названных выше силикатов алюмосиликатами являются полевой шпат, каолинит и слюда. В природе наиболее распространены именно алюмосиликаты, например полевые шпаты. Распространены также смеси различных силикатов. Так, горные породы - граниты и гнейсы - состоят из кристалликов кварца, полевого шпата и слюды.
Основным продуктом разрушения является минерал каолинит — главная составная часть белой глины. В результате выветривания горных пород образовались залежи глины, песка и солей.
Получение. В промышленности кремний получают восстановлением SiO₂ коксом в электрических печах:
В промышленности кремний получают восстановлением SiO₂ коксом в электрических печах: SiO₂+2C=Si+2CO. В лаборатории в качестве восстановителей используют магний или алюминий: SiO₂+2Mg=Si+2MgO или 3SiO₂+4Al=3Si+2Al₂O₃
Наиболее чистый кремний получают восстановлением тетрахлорида кремния парами цинка: SiCl₄+2Zng=Si+2ZnCl₂

Кроме солнечной энергетики, кремний используют в металлургии для получения кремнистых сталей, обладающих высокой жаростойкостью и кислотоупорностью.

Физические свойства. Кристаллический кремний — вещество темно-серого цвета со стальным блеском. Структура кремния аналогична структуре алмаза. В его кристалле каждый атом окружен тетраэдрически четырьмя другими и связан с ними ковалентной связью, которая значительно слабее, чем между атомами углерода в алмазе. В кристалле кремния даже при обычных условиях часть ковалентных связей разрушается. Поэтому в нем имеются свободные электроны, которые обусловливают небольшую электрическую проводимость. При освещении и нагревании увеличивается число разрушаемых связей, а значит, увеличивается число свободных электронов и возрастает электрическая проводимость. Этим и объясняются полупроводниковые свойства кремния.
Кремний очень хрупок, его плотность 2,33 г/см³. Как и уголь, относится к тугоплавким веществам. Кремний состоит из трех стабильных изотопов: ²⁸₁₄Si (92,27%), ²⁹₁₄Si (4,68%) и ³⁰₁₄Si (3,05%).

Химические свойства. По химическим свойствам кремний, как и углерод, является неметаллом, но его неметалличность выражена слабее, так как он имеет больший атомный радиус. Поскольку у атомов кремния на внешнем энергетическом уровне находится 4 электрона, то для кремния характерна степень окисления как -4, так и +4 (известно соединение кремния, где его степень окисления равна +2).
Кремний при обычных условиях довольно инертен, что следует объяснить прочностью его кристаллической решетки. Непосредственно он взаимодействует только со фтором: Si+F₂=SiF₄

Кислоты (кроме смеси плавиковой HF и азотной HNO₃) на кремний не действуют. Однако он растворяется в гидроксидах щелочных металлов, образуя силикат и водород: Si+2OH^-+H₂O=SiO₃^2-+2H₂ 8
Из двух аллотропных модификаций кремния — кристаллической и аморфной — химически более активным является аморфный кремний. Он реагирует с кислородом при нагревании, образуя SiO₂: Si+O₂=SiO₂ , а также со всеми галогенами, например: Si+Cl₂=SiCl₄
При высокой температуре кремний соединяется с углеродом, образуя карборунд SiC: Si+C=SiC
Карборунд имеет алмазоподобную кристаллическую решетку, в которой каждый атом кремния окружен четырьмя атомами углерода и наоборот, а ковалентные связи очень прочны, как в алмазе. Поэтому по твердости он близок к алмазу. Из карбида кремния изготовляют точильные камни и шлифовальные круги.
Силицид магния. В реакциях с активными металлами, протекающих с образованием силицидов, кремний выступает в роли окислителя:
В реакциях с активными металлами, протекающих с образованием силицидов, кремний выступает в роли окислителя: 2Mg+Si=Mg₂Si
При высоких температурах кремний восстанавливает многие металлы из их оксидов.
Силан. При действии на силициды соляной кислоты получают простейшее водородное соединение кремния силан SiH₄: Mg₂Si+4HCl=2MgCl₂+SiH₄ Силан — ядовитый газ с неприятным запахом, самовоспламеняется на воздухе: SiH₄+2O₂=SiO₂+2H₂O
Оксид кремния (IV) называют также кремнеземом. Это твердое тугоплавкое вещество (температура плавления 1700°С), широко распространенное в природе в двух видах: 1) кристаллический кремнезем — в виде минерала кварца и его разновидностей (горный хрусталь, халцедон, агат, яшма, кремень); кварц составляет основу кварцевых песков, широко используемых в строительстве и в силикатной промышленности; — в виде минерала кварца и его разновидностей (горный хрусталь, халцедон, агат, яшма, кремень); кварц составляет основу кварцевых песков, широко используемых в строительстве и в силикатной промышленности; 2) аморфный кремнезем — в виде минерала опала состава SiO — в виде минерала опала состава SiO₂× п H₂O; землистыми формами аморфного кремнезема являются диатомит, трепел (инфузорная земля); примером искусственного аморфного безводного кремнезема может служить силикагель, который получается из метасиликата натрия: Na₂SiO₃+2HCl=2NaCl+H₂SiO₃, H₂SiO₃=H₂O+SiO₂

Силикагель имеет развитую поверхность, а поэтому хорошо адсорбирует влагу. При 1710° кварц плавится. При быстром охлаждении расплавленной массы образуется кварцевое стекло. Оно имеет очень малый коэффициент расширения, благодаря чему раскаленное кварцевое стекло не трескается при быстром охлаждении водой. Из кварцевого стекла изготовляют лабораторную посуду и приборы для научных исследований. Простейшая формула оксида кремния (IV) SO₂ аналогична формуле оксида углерода (IV) СO₂. Между тем физические свойства их резко отличаются (SiO₂ - твердое вещество, CO₂ - газ). Это различие объясняется строением кристаллических решеток. С0₂ кристаллизуется в молекулярной решетке, SiO₂ - в атомной. Структуру SiO2 в плоскостном изображении можно представить так:

Координационное число атома углерода в твердом СO₂ равно 2, а кремния в SiO₂ равно 4. Каждый атом кремния заключен в тетраэдр из 4 атомов кислорода. При этом атом кремния находится в центре, а по вершинам тетраэдра расположены атомы кислорода. Весь кусок кремнезема можно рассматривать как кристалл, формула которого (SiO₂)n. Такое строение оксида кремния (IV) обусловливает его высокую твердость и тугоплавкость.

По химическим свойствам оксид кремния (IV) SiO₂ относится к кислотным оксидам. При сплавлении его с твердыми щелочами, основными оксидами и карбонатами образуются соли кремниевой кислоты: SiO₂+CaO=CaSiO₃, SiO₂+NaCO₃=Na₂SiO₃+CO₂ 8
С оксидом кремния (IV) взаимодействует только плавиковая кислота: SiO₂+4HF=SiF₃+2H₂O
С помощью этой реакции производится травление стекла.
В воде оксид кремния (IV) не растворяется и с ней химически не взаимодействует. Поэтому кремниевую кислоту получают косвенным путем, действуя кислотой на раствор силиката калия или натрия: SiO₃^2-+2H⁺=H₂SiO₃
При этом кремниевая кислота (в зависимости от концентрации исходных растворов соли и кислоты) может быть получена как в виде студнеобразной массы, содержащей воду, так и в виде коллоидного раствора (золя).
Кремниевые кислоты. SiO₂ является ангидридом ряда кремниевых кислот, состав которых можно выразить общей формулой xSiO₂ × yH₂O, где х и у — целые числа:
1) х = 1, у = 1: SiO₂ × H₂O, т. е. H₂SiO₃ — метакремниевая кислота;
2) х = 1, у = 2: SiO₂ × 2H₂O, т. е. H₄SiO₄ — ортокремниевая кислота;
(в зависимости от концентрации исходных растворов соли и кислоты) может быть получена как в виде студнеобразной массы, содержащей воду, так и в виде коллоидного раствора (золя).
SiO₂ является ангидридом ряда кремниевых кислот, состав которых можно выразить общей формулой xSiO₂ × yH₂O, где х и у — целые числа:
3) х = 2, у = 1: = 2, у = 1: 2SiO₂ × H₂O, т. е. H₂Si₂O₅ — двуметакремниевая кислота.
Кремниевая кислота построена из тетраэдрических структурных звеньев (в каждом таком звене атом кремния находится в центре тетраэдра, а по вершинам расположены атомы кислорода). Структурные звенья, объединяясь в цепи, образуют более устойчивые поликремниевые кислоты:
Состав такого соединения можно выразить формулой (H₂SiO₃)_n. Однако обычно кремниевую кислоту изображают формулой H₂SiO₃. H₂SiO₃
— кислота очень слабая, в воде мало растворима. При нагревании легко распадается аналогично угольной кислоте: H₂SiO₃=H₂O+SiO₂

Все кремниевые кислоты очень слабые (слабее угольной).
Силикаты. Соли всех кремниевых кислот называют силикатами, хотя, как правило, в учебной литературе под силикатами подразумевают соли метакремниевой кислоты. Их состав обычно изображают формулой в виде соединений оксидов элементов. Например, силикат кальция CaSiO₃ можно выразить так: СаО× SiO₂.
Силикаты состава R₂О× nSiO₂, где R₂O — оксиды натрия или калия, называются растворимым стеклом, а их концентрированные водные растворы — жидким стеклом. Наибольшее значение имеет натриевое растворимое стекло.
При стоянии на воздухе растворы силикатов мутнеют, так как находящийся в воздухе оксид углерода (IV) вытесняет кремниевую кислоту из ее солей: Na₂SiO₃+CO₂+H₂O=Na₂CO₃+H₂SiO₃ ↓
Кремниевая кислота практически нерастворима в воде — это свойство используют как качественную реакцию на ион SiO₃₂- .

Силикаты получают сплавлением оксида кремния с щелочами или карбонатами: SiO₂+2NaOH=Na₂SiO₂+H₂O
Применение силикатов. Наиболее широко используются силикаты натрия и калия. Концентрированные растворы этих солей называют жидким стеклом; они имеют сильнощелочную реакцию вследствие гидролиза. Жидкое стекло используют при изготовлении клея и водонепроницаемых тканей. Жидкое стекло применяется в качестве связующего при изготовлении кислотоупорных бетонов, а также для изготовления замазок, конторского клея. Им пропитывают ткани, дерево и бумагу для придания им огнестойкости и водонепроницаемости.