Кремний. Физические и химические свойства кремния
Кремний - элемент главной подгруппы четвёртой группы третьего периода периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, с атомным номером 14. Обозначается символом Si (лат. Silicium), неметалл. Физические свойства: кристаллический кремний обладает металлическим блеском, тугоплавкий, очень твердый, полупроводник. 2. Химические свойства: кремний малоактивен: а) при повышенных температурах (400-600
- б) из сложных веществ кремний реагирует со щелочами
- в) реагирует с металлами с образованием силицидов
Кремнезем, его свойства и применение. Природные и промышленные силикаты. Их применение в строительстве
Oксид кремния (IV) (диоксид кремния, кремнезём SiO2 ) - бесцветные кристаллы, tпл 1713--1728 °C, обладают высокой твёрдостью и прочностью.
Диоксид кремния применяют в производстве стекла, керамики, абразивов, бетонных изделий, для получения кремния, как наполнитель в производстве резин, при производстве кремнезёмистых огнеупоров, в хроматографии и др. Кристаллы кварца обладают пьезоэлектрическими свойствами и поэтому используются в радиотехнике, ультразвуковых установках, в зажигалках. Диоксид кремния - главный компонент почти всех земных горных пород, в частности, кизельгура. Из кремнезёма и силикатов состоит 87 % массы литосферы. Аморфный непористый диоксид кремния применяется в пищевой промышленности в качестве вспомогательного вещества E551, препятствующего слёживанию и комкованию, парафармацевтике (зубные пасты), в фармацевтической промышленности в качестве вспомогательного вещества (внесён в большинство Фармакопей), а также пищевой добавки или лекарственного препарата в качестве энтеросорбента. Искусственно полученные плёнки диоксида кремния используются в качестве изолятора при производстве микросхем и других электронных компонентов. Также используется для производства волоконно-оптических кабелей. Используется чистый плавленый диоксид кремния с добавкой в него некоторых специальных ингредиентов. Кремнезёмная нить также используется в нагревательных элементах электронных сигарет, так как хорошо впитывает жидкость и не разрушается под нагревом спирали. Крупные прозрачные кристаллы кварца используются в качестве полудрагоценных камней; бесцветные кристаллы называют горным хрусталём, фиолетовые - аметистами, жёлтые - цитрином. В микроэлектронике диоксид кремния является одним из основных материалов. Его применяют в качестве изолирующего слоя, а также в качестве защитного покрытия. Получают в виде тонких плёнок термическим окислением кремния, химическим осаждением из газовой фазы, магнетронным распылением. Диоксид кремния SiO2 - кислотный оксид, не реагирующий с водой. Химически стоек к действию кислот, но реагирует с газообразным фтороводородом
и плавиковой кислотой:
Эти две реакции широко используют для травления стекла. При сплавлении SiO2 с щелочами и основными оксидами, а также с карбонатами активных металлов образуются силикаты - соли не имеющих постоянного состава очень слабых, нерастворимых в воде кремниевых кислот общей формулы xH2O·ySiO2 (довольно часто в литературе упоминаются не кремниевые кислоты, а кремниевая кислота, хотя фактически речь при этом идет об одном и том же веществе).
Например, может быть получен ортосиликат натрия:
метасиликат кальция:
или смешанный силикат кальция и натрия:
Из силиката
Na2CaSi6O14 (Na2O·CaO·6SiO2)
изготовляют оконное стекло. Большинство силикатов не имеет постоянного состава. Из всех силикатов растворимы в воде только силикаты натрия и калия. Растворы этих силикатов в воде называют жидким 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 четырёх 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. Силикаты - это обширный класс соединений, образованных диоксидом кремния (кремнеземом) и оксидами других элементов. СИЛИКАТЫ В ПРИРОДЕ. Для того чтобы понять роль силикатов в жизни человека, остановимся сначала на строении земного шара . По современным представлениям земной шар состоит из ряда оболочек. Наружная оболочка Земли, земная кора, или литосфера, образована гранитной и базальтовой оболочками и тонким осадочным слоем. Гранитная оболочка в основном состоит из гранита - плотных сростков из полевых шпатов, слюды, амфиболов и пироксенов, а базальтовая - из таких гранитоподобных, но более тяжелых силикатных пород, как габбро, диабазы и базальты. Осадочные горные породы образуются при разрушении других пород под влиянием условий, характерных для поверхности Земли. Составной частью осадочного слоя являются, в частности, глины, основа которых - силикатный минерал каолинит. Литосфера на 95 мас. % образована силикатами. Ее средняя мощность в области материков составляет 30-40 км. Затем располагается симатическая оболочка, или верхняя мантия, среди минералов которой, вероятно, преобладают силикаты железа и магния. Эта оболочка охватывает земной шар сплошь и распространяется до глубины 1200 км. Далее от 1200 до 2900 км располагается промежуточная оболочка. Ее состав спорен, но и в ней предполагается существование силикатов. Под этой оболочкой на глубине от 2900 до 6370 км находится ядро. В последнее время высказано предположение, что ядро имеет также силикатный состав. При движении от поверхности Земли к ее центру возрастают плотность и основность слагающих пород (увеличивается соотношение между содержанием оксидов металлов и кремнезема), давление и температура. Древнейшие орудия труда были изготовлены человеком из кремня - плотного агрегата из халцедона, кварца и опала (800-60 тыс. лет до н.э.). Позднее для этого стали использовать яшмы, горный хрусталь, агаты, обсидиан (вулканическое силикатное стекло), нефрит.ля силикатных минералов нет общепринятой систематики (минералогической номенклатуры), их названия чаще всего происходят от внешнего вида кристаллов, их физических свойств, места нахождения или имени ученого, их открывшего. Плагиоклаз в переводе с греческого означает косо раскалывающийся, а пироксен - тугоплавкий, что отвечает свойствам этих минералов. Минералы кварца в зависимости от природы примесей имеют широкий спектр окраски, которая и определяет их названия: аметист - фиолетовый, цитрин - желтый, горный хрусталь - лед. Модификации кремнезема стишовита и коэсита и минерала биотита произошли от фамилий ученых, их открывших, С.М. Стишова, Л. Коэса и Ж.Б. Био, а минерал каолинит получил свое название от горы Каолинг в Китае, где издавна добывалась глина для производства фарфора. Природные силикаты и сам кремнезем играют важную роль в качестве сырья и конечных продуктов в промышленных процессах. Алюмосиликаты - плагиоклазы, калиевый полевой шпат и кремнезем используются как сырье в керамической, стекольной и цементной промышленности. Для изготовления несгораемых и обладающих электроизоляционными свойствами текстильных изделий (ткани, шнуры, канаты) широко используются асбесты, относящиеся к гидросиликатам - амфиболам. Некоторые виды асбестов обладают высокой кислотостойкостью и применяются в химической промышленности. Биотиты, представители группы слюд, используются как электро- и теплоизоляционные материалы в строительстве и приборостроении. Пироксены применяются в металлургии и каменно-литейном производстве, а пироксен LiAl - для получения металлического лития. Пироксены являются составной частью доменных шлаков и шлаков цветной металлургии, которые, в свою очередь, также используются в народном хозяйстве. Такие горные породы, как граниты, базальты, габбро, диабазы, являются прекрасными строительными материалами. СИЛИКАТЫ ИСКУССТВЕННОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ. Без силикатных материалов - различных видов цемента, бетона, шлакобетона, керамики, стекла, покрытий в виде эмалей и глазурей едва ли можно представить себе нашу повседневную жизнь. Масштабы производства силикатных материалов представляются внушительными цифрами. В статье мы не будем касаться природы и применения стекол. Эти вопросы уже были рассмотрены в .Наиболее древними силикатными материалами являются керамические, получаемые из глин и их смесей с различными минеральными добавками, обожженными до камневидного состояния. В древнем мире керамические изделия были распространены по всей территории Земли. Со второй половины XIX века и до настоящего времени индустриальная керамическая промышленность неизмеримо расширила выпуск и ассортимент керамики. Примером искусственного силикатного материала является портландцемент, один из наиболее распространенных видов минеральных вяжущих веществ. Цемент используется для связывания строительных деталей при получении массивных строительных блоков, плит, труб и кирпича. Цемент является основой таких широко применяемых строительных материалов, как бетон, шлакобетон, железобетон. Строительство любого масштаба не может существовать без цемента. В школьном курсе по химии даны основные представления о химическом составе и технологии цемента, поэтому остановимся лишь на некоторых уточняющих деталях. Прежде всего, цементным клинкером называется продукт обжига смеси глины и известняка, а цементом - мелкоизмельченный клинкер с минеральными добавками, регулирующими его свойства. Цемент применяется в смеси с песком и водой. Его вяжущие свойства обусловлены способностью цементных минералов взаимодействовать с H2O и SiO2 и при этом затвердевать, образуя прочную камневидную структуру. При схватывании цемента происходят сложные процессы: гидратация минералов с образованием гидросиликатов и гидроалюминатов, гидролиз, образование коллоидных растворов и их кристаллизация. Исследования процессов твердения цементного раствора и минералов цементного клинкера сыграли большую роль в становлении науки о силикатах и их технологии. Наши стройки в больших количествах потребляют цемент, кирпич, облицовочные плиты, черепицу, канализационные трубы, стекло и различные природные строительные материалы.
Кремний - очень редкий минеральный вид из класса самородных элементов. На самом деле это удивительно, как редко химический элемент кремний, составляющий в связанном виде не менее 27,6% массы земной коры, встречается в природе в чистом виде. Но кремний прочно связывается с кислородом и почти всегда находится в виде кремнезёма — диоксида кремния, SiO 2 (семейство кварца) или в составе силикатов (SiO 4 4-). Самородный кремний как минерал был найден в продуктах вулканических испарений и как мельчайшие включения в самородном золоте.
Смотрите так же:
СТРУКТУРА
Кристаллическая решётка 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 твёрдость кремния значительно меньше, чем алмаза. Имеет объемную структуру. Ядра атомов вместе с электронами на внутренних оболочках обладают положительным зарядом 4, который уравновешивается отрицательными зарядами четырех электронов на внешней оболочке. Вместе с электронами соседних атомов они образуют ковалентные связи на кристаллической решетке. Таким образом, на внешней оболочке находятся четыре своих электрона и четыре электрона, заимствованные у четырех соседних атомов. При температуре абсолютного нуля все электроны внешних оболочек участвуют в ковалентных связях. При этом кремний является идеальными изолятором, так как не имеет свободных электронов, создающих проводимость.
СВОЙСТВА
Кремний хрупок, только при нагревании выше 800 °C он становится пластичным веществом. Он прозрачен для инфракрасного излучения начиная с длины волны 1,1 мкм. Собственная концентрация носителей заряда - 5,81·10 15 м −3 (для температуры 300 K).Температура плавления 1415 °C, температура кипения 2680 °C, плотность 2,33 г/см 3 . Обладает полупроводниковыми свойствами, его сопротивление понижается при повышении температуры.
Аморфный кремний – порошок бурого цвета на основе сильно разупорядоченной алмазоподобной структуры. Обладает большей реакционной способностью, чем кристаллический кремний.
МОРФОЛОГИЯ
Чаще всего в природе кремний встречается в виде кремнезёма - соединений на основе диоксида кремния (IV) SiO 2 (около 12 % массы земной коры). Основные минералы и горные породы, образуемые диоксидом кремния, - это песок (речной и кварцевый), кварц и кварциты, кремень, полевые шпаты. Вторую по распространённости в природе группу соединений кремния составляют силикаты и алюмосиликаты.
Отмечены единичные факты нахождения чистого кремния в самородном виде.
ПРОИСХОЖДЕНИЕ
Содержание кремния в земной коре составляет по разным данным 27,6-29,5 % по массе. Таким образом по распространённости в земной коре кремний занимает второе место после кислорода. Концентрация в морской воде 3 мг/л. Отмечены единичные факты нахождения чистого кремния в самородном виде — мельчайшие включения (наноиндивиды) в ийолитах Горячегорского щелочно-габброидного массива (Кузнецкий Алатау, Красноярский край); в Карелии и на Кольском п-ове (по мат. изучения Кольской сверхглубокой скважины); микроскопические кристаллы в фумаролах вулканов Толбачик и Кудрявый (Камчатка).
ПРИМЕНЕНИЕ
Сверхчистый кремний преимущественно используется для производства одиночных электронных приборов (нелинейные пассивные элементы электрических схем) и однокристальных микросхем. Чистый кремний, отходы сверхчистого кремния, очищенный металлургический кремний в виде кристаллического кремния являются основным сырьевым материалом для солнечной энергетики.
Монокристаллический кремний - помимо электроники и солнечной энергетики, используется для изготовления зеркал газовых лазеров.
Соединения металлов с кремнием - силициды - являются широко употребляемыми в промышленности (например, электронной и атомной) материалами с широким спектром полезных химических, электрических и ядерных свойств (устойчивость к окислению, нейтронам и др.). Силициды ряда элементов являются важными термоэлектрическими материалами.
Соединения кремния служат основой для производства стекла и цемента. Производством стекла и цемента занимается силикатная промышленность. Она также выпускает силикатную керамику - кирпич, фарфор, фаянс и изделия из них. Широко известен силикатный клей, применяемый в строительстве как сиккатив, а в пиротехнике и в быту для склеивания бумаги. Получили широкое распространение силиконовые масла и силиконы - материалы на основе кремнийорганических соединений.
Технический кремний находит следующие применения:
- сырьё для металлургических производств: компонент сплава (бронзы, силумин);
- раскислитель (при выплавке чугуна и сталей);
- модификатор свойств металлов или легирующий элемент (например, добавка определённого количества кремния при производстве трансформаторных сталей уменьшает коэрцитивную силу готового продукта) и т. п.;
- сырьё для производства более чистого поликристаллического кремния и очищенного металлургического кремния (в литературе «umg-Si»);
- сырьё для производства кремний органических материалов, силанов;
- иногда кремний технической чистоты и его сплав с железом (ферросилиций) используется для производства водорода в полевых условиях;
- для производства солнечных батарей;
- антиблок (антиадгезивная добавка) в промышленности пластмасс.
Кремний (англ. Silicon) — Si
КЛАССИФИКАЦИЯ
| Strunz (8-ое издание) | 1/B.05-10 |
| Nickel-Strunz (10-ое издание) | 1.CB.15 |
| Dana (7-ое издание) | 1.3.6.1 |
| Dana (8-ое издание) | 1.3.7.1 |
| Hey’s CIM Ref. | 1.28 |
КРЕМНИЙ (латинский Silicium), Si, химический элемент IV группы короткой формы (14-й группы длинной формы) периодической системы; атомный номер 14, атомная масса 28,0855. Природный кремний состоит из трёх стабильных изотопов: 28 Si (92,2297%), 29 Si (4,6832%), 30 Si (3,0872%). Искусственно получены радиоизотопы с массовыми числами 22-42.
Историческая справка . Широко распространённые на земле соединения кремния использовались человеком с каменного века; например, с глубокой древности до железного века кремень применяли для выделки каменных орудий труда. Переработка соединений кремния - изготовление стекла - началась в 4-м тысячелетии до нашей эры в Древнем Египте. Элементарный кремний получен в 1824-25 Й. Берцелиусом при восстановлении фторида SiF 4 металлическим калием. Новому элементу было дано название «силиций» (от латинского silex - кремень; русское название «кремний», введённое в 1834 Г. И. Гессом, также происходит от слова «кремень»).
Распространённость в природе . По распространённости в земной коре кремний - второй химический элемент (после кислорода): содержание кремния в литосфере составляет 29,5% по массе. В свободном состоянии в природе не встречается. Важнейшие минералы, содержащие кремний, - алюмосиликаты и силикаты природные (амфиболы природные, полевые шпаты, слюды и др.), а также кремнезёма минералы (кварц и другие полиморфные модификации кремния диоксида).
Свойства . Конфигурация внешней электронной оболочки атома кремния 3s 2 3р 2 . В соединениях проявляет степень окисления +4, редко +1, +2, +3, -4; электроотрицательность по Полингу 1,90, потенциалы ионизации Si 0 → Si + →Si 2+ → Si 3+ →Si 4+ соответственно равны 8,15, 16,34, 33,46 и 45,13 эВ; атомный радиус 110 пм, радиус иона Si 4+ 40 пм (координационное число 4), 54 пм (координационное число 6).
Кремний - тёмно-серое твёрдое хрупкое кристаллическое вещество с металлическим блеском. Кристаллическая решётка кубическая гранецентрированная; t пл 1414 °С, t кип 2900 °С, плотность 2330 кг/м 3 (при 25 °С). Теплоёмкость 20,1 Дж/(моль∙К), теплопроводность 95,5 Вт/(м∙К), диэлектрическая проницаемость 12; твёрдость по Моосу 7. При обычных условиях кремний - хрупкий материал; заметная пластическая деформация наблюдается при температурах выше 800 °С. Кремний прозрачен для ИК-излучения с длиной волны больше 1 мкм (коэффициент преломления 3,45 при длине волны 2-10 мкм). Диамагнитен (магнитная восприимчивость - 3,9∙10 -6). Кремний - полупроводник, ширина запрещённой зоны 1,21 эВ (0 К); удельное электрическое сопротивление 2,3∙10 3 Ом∙м (при 25 °С), подвижность электронов 0,135-0,145, дырок - 0,048-0,050 м 2 /(В с). Электрические свойства кремния очень сильно зависят от наличия примесей. Для получения монокристаллов кремния с проводимостью р-типа используют легирующие добавки В, Al, Ga, In (акцепторные примеси), с проводимостью n-типа - Р, As, Sb, Bi (донорные примеси).
Кремний на воздухе покрывается оксидной плёнкой, поэтому при низких температурах химически инертен; при нагревании выше 400 °С взаимодействует с кислородом (образуются оксид SiO и диоксид SiO 2), галогенами (кремния галогениды), азотом (кремния нитрид Si 3 N 4), углеродом (кремния карбид SiC) и др. Соединения кремния с водородом - силаны - получают косвенным путём. Кремний взаимодействует с металлами с образованием силицидов.
Мелкодисперсный кремний - восстановитель: при нагревании взаимодействует с парами воды с выделением водорода, восстанавливает оксиды металлов до свободных металлов. Кислоты-неокислители пассивируют кремний вследствие образования на его поверхности нерастворимой в кислотах оксидной плёнки. Кремний растворяется в смеси концентрированной HNO 3 с HF, при этом образуется кремнефтороводородная кислота: 3Si + 4HNO 3 + 18HF = 3Н 2 + 4NO + 8Н 2 О. Кремний (особенно мелкодисперсный) взаимодействует со щелочами с выделением водорода, например: Si + 2NaOH + Н 2 О = Na 2 SiO 3 + 2Н 2 . Кремний образует различные кремнийорганические соединения.
Биологическая роль. Кремний относится к микроэлементам. Суточная потребность человека в кремнии 20-50 мг (элемент необходим для правильного роста костей и соединительных тканей). В организм человека кремний попадает с пищей, а также с вдыхаемым воздухом в виде пылеобразного SiO 2 . При длительном вдыхании пыли, содержащей свободный SiO 2 , возникает силикоз.
Получение . Кремний технической чистоты (95-98%) получают восстановлением SiO 2 углеродом или металлами. Высокочистый поликристаллический кремний получают восстановлением SiCl 4 или SiHCl 3 водородом при температуре 1000-1100 °С, термическим разложением Sil 4 или SiH 4 ; монокристаллический кремний высокой чистоты - зонной плавкой или по методу Чохральского. Объём мирового производства кремния около 1600 тысяч т/год (2003).
Применение . Кремний - основной материал микроэлектроники и полупроводниковых приборов; используется при изготовлении стёкол, прозрачных для ИК-излучения. Кремний является компонентом сплавов железа и цветных металлов (в малых концентрациях кремний повышает коррозионную стойкость и механическую прочность сплавов, улучшает их литейные свойства; в больших концентрациях может вызвать хрупкость); наибольшее значение имеют железные, медные и алюминиевые кремнийсодержащие сплавы. Кремний применяют в качестве исходного вещества для получения кремнийорганических соединений и силицидов.
Лит.: Баранский П. И., Клочков В. П., Потыкевич И. В. Полупроводниковая электроника. Свойства материалов: Справочник. К., 1975; Дроздов А. А., Зломанов В. П., Мазо Г. Н., Спиридонов Ф. М. Неорганическая химия. М., 2004. Т. 2; Шрайвер Д., Эткинс П. Неорганическая химия. М., 2004. Т. 1-2; Кремний и его сплавы. Екатеринбург, 2005.
Министерство образования науки России
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
"МАТИ - Российский государственный технический университет имени К.Э. Циолковского" (МАТИ)
Кафедра "Испытания летательных аппаратов"
Реферат
По курсу "Химия"
Тема: "Кремний"
Студент: Акбаев Дауыт Ринатович
Группа: 2ИЛА-1ДС-298
Преподаватель: Евдокимов Сергей Васильевич
Москва 2014
Кремний в живых организмах
История открытия и использование
Распространение в природе
Строение атома и основные химические и физические свойства
Получение
Применение
Соединения
Приложение
1. Кремний в живых организмах
Кремний (лат. Silicium), Si, химический элемент IV группы периодической системы Менделеева; атомный номер 14, атомная масса 28,086. В природе элемент представлен тремя стабильными изотопами: 28 Si (92,27%), 29 Si (4,68%) и 30 Si (3,05%)
Кремний в организме находится в виде различных соединений, участвующих главным образом в образовании твёрдых скелетных частей и тканей. Особенно много кремния могут накапливать некоторые морские растения (например, диатомовые водоросли) и животные (например, кремнероговые губки, радиолярии), образующие при отмирании на дне океана мощные отложения двуокиси кремния.
В холодных морях и озёрах преобладают биогенные илы, обогащенные кремнием, в тропических морях - известковые илы с низким содержанием кремния. Среди наземных растений много кремния накапливают злаки, осоки, пальмы, хвощи. У позвоночных животных содержание двуокиси кремния в зольных веществах 0,1-0,5%. В наибольших количествах кремний обнаружен в плотной соединительной ткани, почках, поджелудочной железе. В суточном рационе человека содержится до 1 г кремния.
При высоком содержании в воздухе пыли двуокиси кремния она попадает в лёгкие человека и вызывает заболевание - силикоз (от лат. silex - кремень), заболевание человека, вызываемое длительным вдыханием пыли, содержащей свободную двуокись кремния, относится к профессиональным болезням. Встречается у рабочих горнорудной, фарфорофаянсовой, металлургической, машиностроительной промышленности. Силикоз - наиболее неблагоприятно протекающее заболевание из группы пневмокониозов; чаще, чем при других заболеваниях, отмечаются присоединение туберкулёзного процесса (т. н. силикотуберкулёз) и другие осложнения.
2. История открытия и использование
Историческая справка. Соединения кремния, широко распространённые на земле, были известны человеку с каменного века. Использование каменных орудий для труда и охоты продолжалось несколько тысячелетий. Применение соединений кремния, связанное с их переработкой, - изготовление стекла - началось около 3000 лет до н. э. (в Древнем Египте). Раньше других известное соединение кремния - двуокись SiO2 (кремнезём). В 18 в. кремнезём считали простым телом и относили к "землям" (что и отражено в его названии). Сложность состава кремнезёма установил И.Я. Берцелиус.
В свободном состоянии кремний впервые был получен в 1811 году французским учёным Ж. Гей-Люссаком и О. Тенаром.
В 1825 году шведский минералог и химик Иенс Якоб Берцелиус получил аморфный кремний. Бурый порошок аморфного кремния был получен восстановлением металлическим калием газообразного тетрафторида кремния:
4 + 4K = Si + 4KF
Позже была получена кристаллическая форма кремния. Перекристаллизацией кремния из расплавленных металлов были получены серого цвета твёрдые, но хрупкие кристаллы с металлическим блеском. Русские названия элемента кремния ввёл в обиход Г.И. Гесс в 1834 году.
. Распространение в природе
Кремний после кислорода - самый распространённый элемент (27,6%) на земле. Это элемент, который входит в большинство минералов и горных пород, составляющих твёрдую оболочку земной коры. В земной коре кремний играет такую же первостепенную роль, как углерод в животном и растительном мире. Для геохимии К. важна исключительно прочная связь его с кислородом. Наиболее широко распространённые соединения кремния - оксид кремния SiO2 и производные кремниевых кислот, называемые силикатами. Оксид кремния (IV) встречается в виде минерала кварца (кремнезем, кремень). В природе из этого соединения сложены целые горы. Попадаются очень крупные, массой до 40 тонн, кристаллы кварца. Обычный песок состоит из мелкого кварца, загрязнённого различными примесями. Ежегодное мировое потребление песка достигает 300 млн. тонн.
Из силикатов наиболее широко в природе распространены алюмосиликаты (каолин Al2O3*2SiO2*2H2O, асбест CaO*3MgO*4SiO2, ортоклаз K2O*Al2O3*6SiO2 и др.). Если в состав минерала кроме оксидов кремния и алюминия входят оксиды натрия, калия или кальция, то минерал носит название полевого шпата (белая слюда и др.). На долю полевых шпатов приходится около половины известных в природе силикатов. Горные породы гранит и гнейс включают кварц, слюду, полевой шпат.
В состав растительного и животного мира кремний входит в незначительных количествах. Его содержат стебли некоторых видов овощей и хлебных злаков. Этим объясняется повышенная прочность стеблей этих растений. Панцири инфузорий, тела губок, яйца и перья птиц, шерсть животных, волосы, стекловидное тело глаза также содержат кремний.
Анализ образцов лунного грунта, доставленного кораблями показали присутствие оксида кремния в количестве более 40 процентов. В составе каменных метеоритов содержание кремния достигает 20 процентов.
. Строение атома и основные химические и физические свойства
Кремний образует тёмно-серые с металлическим блеском кристаллы, имеющие кубическую гранецентрированную решётку типа алмаза с периодом а = 5,431Å, плотностью 2,33 г/см³. При очень высоких давлениях получена новая (по-видимому, гексагональная) модификация с плотностью 2,55 г/см³. К. плавится при 1417°С, кипит при 2600°С. Удельная теплоёмкость (при 20-100°С) 800 дж/(кг×К), или 0,191 кал/(г×град); теплопроводность даже для самых чистых образцов не постоянна и находится в пределах (25°С) 84-126 вт/(м×К), или 0,20-0,30 кал/(см×сек×град). Температурный коэффициент линейного расширения 2,33×10-6 К-1; ниже 120K становится отрицательным. Кремний прозрачен для длинноволновых ИК-лучей; показатель преломления (для l=6 мкм) 3,42; диэлектрическая проницаемость 11,7. Кремний диамагнитен, атомная магнитная восприимчивость -0,13×10-6 . Твёрдость кремния по Моосу 7,0, по Бринеллю 2,4 Гн/м² (240 кгс/мм²), модуль упругости 109 Гн/м² (10890 кгс/мм²), коэффициент сжимаемости 0,325×10-6 см² /кг. Кремний хрупкий материал; заметная пластическая деформация начинается при температуре выше 800°С.
Кремний - полупроводник, находящий всё большее применение. Электрические свойства К. очень сильно зависят от примесей. Собственное удельное объёмное электросопротивление кремния при комнатной температуре принимается равным 2,3×103 ом×м (2,3×105 ом×см).
Полупроводниковый кремний с проводимостью р-типа (добавки В, Al, In или Ga) и n-типа (добавки Р, Bi, As или Sb) имеет значительно меньшее сопротивление. Ширина запрещенной зоны по электрическим измерениям составляет 1,21 эв при 0 К и снижается до 1,119 эв при 300 К.
В соответствии с положением кремния в периодической системе Менделеева 14 электронов атома кремния распределены по трём оболочкам: в первой (от ядра) 2 электрона, во второй 8, в третьей (валентной) 4; конфигурация электронной оболочки 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 . Последовательные потенциалы ионизации (эв): 8,149; 16,34; 33,46 и 45,13. Атомный радиус 1,33Å, ковалентный радиус 1,17Å, ионные радиусы Si4+ 0,39Å, Si4- 1,98Å.
В соединениях кремния (аналогично углероду) 4-валентен. Однако, в отличие от углерода, кремний наряду с координационым числом 4 проявляет координационное число 6, что объясняется большим объёмом его атома (примером таких соединений являются кремнефториды, содержащие группу 2-).
Химическая связь атома кремния с другими атомами осуществляется обычно за счёт гибридных sp3-орбиталей, но возможно также вовлечение двух из его пяти (вакантных) 3d-орбиталей, особенно когда кремний является шестикоординационным. Обладая малой величиной электроотрицательности, равной 1,8 (против 2,5 у углерода; 3,0 у азота и т. д.), кремний в соединениях с неметаллами электроположителен, и эти соединения носят полярный характер. Большая энергия связи с кислородом Si-O, равная 464 кдж/моль (111 ккал/моль), обусловливает стойкость его кислородных соединений (SiO2 и силикатов). Энергия связи Si-Si мала, 176 кдж/моль (42 ккал/моль); в отличие от углерода, для К. не характерно образование длинных цепей и двойной связи между атомами Si. На воздухе кремний благодаря образованию защитной окисной плёнки устойчив даже при повышенных температурах. В кислороде окисляется начиная с 400°С, образуя кремния двуокись SiO2. Известна также моноокись SiO, устойчивая при высоких температурах в виде газа; в результате резкого охлаждения может быть получен твёрдый продукт, легко разлагающийся на тонкую смесь Si и SiO2. Кремний устойчив к кислотам и растворяется только в смеси азотной и фтористоводородной кислот; легко растворяется в горячих растворах щелочей с выделением водорода. Кремний реагирует с фтором при комнатной температуре, с остальными галогенами - при нагревании с образованием соединений общей формулы SiX4 (см. Кремния галогениды). Водород непосредственно не реагирует с кремнием, и кремневодороды (силаны) получают разложением силицидов. Известны кремневодороды от SiH4 до Si8H18 (по составу аналогичны предельным углеводородам). Кремний образует 2 группы кислородсодержащих силанов - силоксаны и силоксены. С азотом кремний реагирует при температуре выше 1000°С. Важное практическое значение имеет нитрид Si3N4, не окисляющийся на воздухе даже при 1200°С, стойкий по отношению к кислотам (кроме азотной) и щелочам, а также к расплавленным металлам и шлакам, что делает его ценным материалом для химической промышленности, для производства огнеупоров и др. Высокой твёрдостью, а также термической и химической стойкостью отличаются соединения кремния с углеродом (кремния карбид SiC) и с бором (SiB3, SiB6, SiB12). При нагревании кремний реагирует (в присутствии металлических катализаторов, например меди) с хлорорганическими соединениями (например, с CH3Cl) с образованием органогалосиланов [например, Si(CH3)3CI], служащих для синтеза многочисленных кремнийорганических соединений.
5. Получение
Наиболее простым и удобным лабораторным способом получения кремния является восстановление оксида кремния SiO2 при высоких температурах металлами-востановителями. Вследствие устойчивости оксида кремния для восстановления применяют такие активные восстановители, как магний и алюминий:
SiO2 + 4Al = 3Si + 2Al2O3
При восстановлении металлическим алюминием получают кристаллический кремний. Способ восстановления металлов из их оксидов металлическим алюминием открыл русский физикохимик Н.Н. Бекетов в 1865 году. При восстановлении оксида кремния алюминием выделяющейся теплоты не хватает для расплавления продуктов реакции - кремния и оксида алюминия, который плавится при 205°С. Для снижения температуры плавления продуктов реакции в реакционную смесь добавляют серу и избыто алюминия. При реакции образуется легкоплавкий сульфид алюминия:
2Al + 3S = Al2S3
Капли расплавленного кремния опускаются на дно тигля.
Кремний технической чистоты (95-98%) получают в электрической дуге восстановлением кремнезёма SiO2 между графитовыми электродами.
2+2C=Si+2CO
В связи с развитием полупроводниковой техники разработаны методы получения чистого и особо чистого кремния. Это требует предварительного синтеза чистейших исходных соединений кремния, из которых кремний извлекают путём восстановления или термического разложения.
Чистый полупроводниковый кремний получают в двух видах: поликристаллический (восстановлением SiCl4 или SiHCl3 цинком или водородом, термическим разложением SiСl4 и SiH4) и монокристаллический (бестигельной зонной плавкой и "вытягиванием" монокристалла из расплавленного кремния - метод Чохральского).
Путём хлорирования технического кремния получают тетрахлорид кремния. Старейшим методом разложения тетрахлорида кремния является метод выдающегося русского химика академика Н.Н. Бекетова. Метод этот можно представить уравнением:
4+Zn=Si+2ZnCl2.
Здесь пары тетрахлорида кремния, кипящего при температуре 57,6°C, взаимодействуют с парами цинка.
В настоящее время тетрахлорид кремния восстанавливают водородом. Реакция протекает по уравнению:
SiCl4+2Н2=Si+4НCl.
Кремний получается в порошкообразном виде. Применяют и йодидный способ получения кремния, аналогичный описанному ранее йодидному методу получения чистого титана.
Чтобы получить чистыми кремний, его очищают от примесей зонной плавкой аналогично тому, как получают чистый титан.
Для целого ряда полупроводниковых приборов предпочтительны полупроводниковые материалы, получаемые в виде монокристаллов, так как в поликристаллическом материале имеют место неконтролируемые изменения электрических свойств.
При вращении монокристаллов пользуются методом Чохральского, заключающимся в следующем: в расплавленный материал опускают стержень, на конце которого имеется кристалл данного материала; он служит зародышем будущего монокристалла. Стержень вытягивают из расплава с небольшой скоростью до 1-2 мм/мин. В результате постепенно выращивают монокристалл нужного размера. Из него вырезают пластинки, используемые в полупроводниковых приборах.
. Применение
Специально легированный кремний широко применяется как материал для изготовления полупроводниковых приборов (транзисторы, термисторы, силовые выпрямители тока, управляемые диоды - тиристоры; солнечные фотоэлементы, используемые в космических кораблях, и т. д.). Поскольку кремний прозрачен для лучей с длиной волны от 1 до 9 мкм, его применяют в инфракрасной оптике.
Кремний имеет разнообразные и всё расширяющиеся области применения. В металлургии кремний используется для удаления растворённого в расплавленных металлах кислорода (раскисления). Кремний является составной частью большого числа сплавов железа и цветных металлов. Обычно кремний придаёт сплавам повышенную устойчивость к коррозии, улучшает их литейные свойства и повышает механическую прочность; однако при большем его содержании кремний может вызвать хрупкость. Наибольшее значение имеют железные, медные и алюминиевые сплавы, содержащие кремний. Всё большее количество кремния идёт на синтез кремнийорганических соединений и силицидов. Кремнезём и многие силикаты (глины, полевые шпаты, слюды, тальки и т. д.) перерабатываются стекольной, цементной, керамической, электротехнической и др. отраслями промышленности.
Силицирование, поверхностное или объёмное насыщение материала кремнием. Производится обработкой материала в парах кремния, образующихся при высокой температуре над кремниевой засыпкой, или в газовой среде, содержащей хлорсиланы, восстанавливающиеся водородом, например, по реакции
l4 + 2H2 = Si + 4HC1.
Применяется преимущественно как средство защиты тугоплавких металлов (W, Mo, Ta, Ti и др.) от окисления. Стойкость к окислению обусловливается образованием при С. плотных диффузионных "самозалечивающихся" силицидных покрытий (WSi2, MoSi2 и др.). Широкое применение находит силицированный графит.
. Соединения
Силициды
Силициды (от лат. Silicium - кремний), химические соединения кремния с металлами и некоторыми неметаллами. Силициды по типу химической связи могут быть подразделены на три основные группы: ионно-ковалентные, ковалентные и металлоподобные. Ионно-ковалентные силициды образуются щелочными (за исключением натрия и калия) и щёлочноземельными металлами, а также металлами подгрупп меди и цинка; ковалентные - бором, углеродом, азотом, кислородом, фосфором, серой, их называют также боридами, карбидами, нитридами кремния) и т. д.; металлоподобные - переходными металлами.
Получают силициды сплавлением или спеканием порошкообразной смеси Si и соответствующего металла: нагреванием окислов металлов с Si, SiC, SiO2 и силикатами природными или синтетическими (иногда в смеси с углеродом); взаимодействием металла со смесью SiCl4 и H2; электролизом расплавов, состоящих из K2SiF6 и окисла соответствующего металла. Ковалентные и металлоподобные силициды тугоплавки, стойки к окислению, действию минеральных кислот и различных агрессивных газов. Силициды используются в составе жаропрочных металлокерамических композиционных материалов для авиационной и ракетной техники. MoSi2 служит для производства нагревателей печей сопротивления, работающих на воздухе при температуре до 1600 °С. FeSi2, Fe3Si2, Fe2Si входят в состав ферросилиция, применяемого для раскисления и легирования сталей. Карбид кремния - один из полупроводниковых материалов.
Силицированный графит
Силицированный графит, графит, насыщенный кремнием. Производится обработкой пористого графита в кремниевой засыпке при 1800-2200 °С (при этом пары кремния осаждаются в порах). Состоит из графитовой основы, карбида кремния и свободного кремния. Сочетает свойственную графиту высокую термостойкость и прочность при повышенных температурах с плотностью, газонепроницаемостью, высокой стойкостью к окислению при температурах до 1750°С и эрозионной стойкостью. Применяется для футеровки высокотемпературных печей, в устройствах для разливки металла, в нагревательных элементах, для изготовления деталей авиационной и космической техники, работающих в условиях высоких температур и эрозии
Силал
Силал (от лат. Silicium - кремний и англ. alloy - сплав), жаростойкий чугун с повышенным содержанием кремния (5-6%). Из силала изготовляют относительно дешёвые литые детали, работающие в условиях высоких температур (800-900 °С), например дверки мартеновских печей, колосники, детали паровых котлов.
Силумин
Силумин (от лат. Silicium - кремний и Aluminium - алюминий), общее название группы литейных сплавов на основе алюминия, содержащих кремний (4-13%, в некоторых марках до 23%). В зависимости от желательного сочетания технологических и эксплуатационных свойств силумин легируют Cu, Mn, Mg, иногда Zn, Ti, Be и другими металлами. Силумины обладают высокими литейными и достаточно высокими механическими свойствами, уступая, однако, по механическим свойствам литейным сплавам на основе системы Al - Cu. К достоинствам силуминов относится их повышенная коррозионная стойкость во влажной и морской атмосферах. Силумины применяются при изготовлении деталей сложной конфигурации, главным образом в авто- и авиастроении.
Силикомарганец
Силикомарганец ферросплав основные компоненты которого - кремний имарганец; выплавляется в рудно-термических печах углевосстановительным процессом. Силикомарганец с 10-26% Si (остальное Mn, Fe и примеси), получаемый из марганцевой руды, марганцевого шлака и кварцита, используется при выплавке стали как раскислитель и легирующая присадка, а также для выплавки ферромарганца с пониженным содержанием углерода силикотермическим процессом. Силикомарганец с 28-30% Si (сырьём для которого служит специально получаемый высокомарганцевый низкофосфористый шлак) применяется в производстве металлического марганца.
Силикохром
Силикохром, ферросиликохром, ферросплав, основные компоненты которого - кремний и хром; выплавляется в рудно-термической печи углевосстановительным процессом из кварцита и гранулированного передельного феррохрома или хромовой руды. Силикохром с 10-46% Si (остальное Cr, Fe и примеси) используется при выплавке низколегированной стали, а также для получения феррохрома с пониженным содержанием углерода силикотермическим процессом. Силикохром с 43-55% Si применяется в производстве безуглеродистого феррохрома и при выплавке нержавеющей стали.
Сильхром (от лат. Silicium - кремний и Chromium - хром), общее название группы жаростойких и жаропрочных сталей, легированных Cr (5-14%) и Si (1-3%). В зависимости от требуемого уровня эксплуатационных свойств сильхром дополнительно легируют Mo (до 0,9%) или Al (до 1,8%). Сильхромы устойчивы против окисления на воздухе и в содержащих серу средах до 850-950 °С; применяются главным образом для изготовления клапанов двигателей внутреннего сгорания, а также деталей котельных установок, колосников и др. При повышенных механических нагрузках детали из сильхрома надёжно работают в течение длительного срока при температурах до 600-800 °С.
Кремния галогениды
Кремния галогениды, соединения кремния с галогенами. Известны кремния галогениды следующих типов (Х-галоген): SiX4, SiHnX4-n (галогенсиланы), SinX2n+2 и смешанные галогениды, например SiClBr3 . При обычных условиях SiF4 - газ, SiCl4 и SiBr4 - жидкости (tпл - 68,8 и 5°С), SiI4 - твёрдое тело (tnл 124°С). Соединения SiX4 легко подвергаются гидролизу:
SiX4 +2H2O=SiO2 +4HX;
на воздухе дымят вследствие образования очень мелких частиц SiO2; тетрафторид кремния реагирует иначе:
SiF4 +2H2O=SiO2 +2H2SiF6
Хлорсиланы (SiHnX4-n), например SiHCl3 (получается действием газообразного HCl на Si), при действии воды образуют полимерные соединения с прочной силоксановой цепью Si-O-Si. Отличаясь большой реакционной способностью, хлорсиланы служат исходными веществами для получения кремнийорганических соединений. Соединения типа SinX2n+2, содержащие цепи атомов Si, при Х - хлор, дают ряд, включая Si6Cl14 (tnл 320°С); остальные галогены образуют только Si2X6. Получены соединения типов (SiX2)n и (SiX)n . Молекулы SiX2 и SiX существуют при высокой температуре в виде газа и при резком охлаждении (жидким азотом) образуют твёрдые полимерные вещества, нерастворимые в обычных органических растворителях.
Тетрахлорид кремния SiCl4 используется при производстве смазочных масел, электроизоляций, теплоносителей, гидрофобизирующих жидкостей и т. д. кремний силикат кварц кристалл
Карбид кремния
Кремния карбид, карборунд, SiC, соединение кремния с углеродом; один из важнейших карбидов, применяемых в технике. В чистом виде кремния карбид - бесцветный кристалл с алмазным блеском; технический продукт зелёного или сине-чёрного цвета. Карбид кремния существует в двух основных кристаллических модификациях - гексагональной (a-SiC) и кубической (b-SiC), причём гексагональная является "гигантской молекулой", построенной по принципу своеобразной структурно-направленной полимеризации простых молекул. Слои из атомов углерода и кремния в a-SiC размещены относительно друг друга по-разному, образуя много структурных типов. Переход b-SiC в a-SiC происходит при температуре 2100-2300°С (обратный переход обычно не наблюдается). Карбид кремния тугоплавок (плавится с разложением при 2830°С), имеет исключительно высокую твёрдость (микротвёрдость 33400 Мн/м² или 3,34 тс/мм²), уступая только алмазу и бора карбиду B4 C; хрупок; плотность 3,2 г/см³. Карбид кремния устойчив в различных химических средах, в том числе при высоких температурах.
Карбид кремния получают в электропечах при 2000-2200°С из смеси кварцевого песка (51-55%), кокса (35-40%) с добавкой NaCI (I-5%) и древесных опилок (5-10%). Благодаря высокой твёрдости, химической устойчивости и износостойкости карбид кремния широко применяется как абразивный материал (при шлифовании), для резания твёрдых материалов, точки инструментов, а также для изготовления различных деталей химической и металлургической аппаратуры, работающей в сложных условиях высоких температур. Карбид кремния, легированный различными примесями, используется в технике полупроводников, особенно при повышенных температурах. Интересно использование карбида кремния в электротехнике - для изготовления нагревателей высокотемпературных электропечей сопротивления (силитовые стержни), грозоразрядников для линий передачи электрического тока, нелинейных сопротивлений, в составе электроизолирующих устройств и т. д.
Кремния диоксид
Кремния диоксид (кремнезем), SiO2, кристаллы. Наиболее распространенный минерал - кварц; обычный песок - также кремния диоксид. Используют в производстве стекла, фарфора, фаянса, бетона, кирпича, керамики, как наполнитель резины, адсорбент в хроматографии, в электронике, акустооптике и др. Кремнезёма минералы, ряд минеральных видов, представляющих собой полиморфные модификации двуокиси кремния; устойчивы при определённых интервалах температуры в зависимости от давления.
Основу кристаллической структуры кремнезема составляет трёхмерный каркас, построенный из соединяющихся через общие кислороды тетраэдров (5104). Однако симметрия их расположения, плотность упаковки и взаимная ориентировка различны, что отражается на симметрии кристаллов отдельных минералов и их физических свойствах. Исключение представляет стишовит, основу структуры которого составляют октаэдры (SiO6), образующие структуру, подобную рутилу. Все кремнеземы (за исключением некоторых разновидностей кварца) обычно бесцветны. Твердость по минералогической шкале различна: от 5,5 (a-тридимит) до 8-8,5 (стишовит).
Кремнезем обычно встречаются в виде очень мелких зёрен, скрытокристаллических волокнистых (a-кристобалит, т. н. люссатит) и иногда сфероидальных образований. Реже - в виде кристалликов таблитчатого или пластинчатого облика (тридимит), октаэдрического, дипирамидального (a- и b-кристобалит), тонкоигольчатого (коэсит, стишовит). Большинство Кремнезем (кроме кварца) очень редки и в условиях поверхностных зон земной коры неустойчивы. Высокотемпературные модификации SiO2 - b-тридимит, b-кристобалит - образуются в мелких пустотах молодых эффузивных пород (дациты, базальты, липариты и др.). Низкотемпературный a-кристобалит, наряду с a-тридимитом, является одной из составных частей агатов, халцедонов, опалов; отлагается из горячих водных растворов, иногда из коллоидного SiO2. Стишовит и коэсит встречены в песчаниках метеорного кратера Каньон Дьявола в Аризоне (США), где они образовались за счёт кварца при мгновенном сверхвысоком давлении и при повышении температуры во время падения метеорита. В природе также встречаются: кварцевое стекло (т. н. лешательерит), образующееся в результате плавления кварцевого песка от удара молний, и меланофлогит - в виде мелких кубических кристалликов и корочек (псевдоморфозы, состоящие из опаловидного и халцедоновидного кварца), наросших на самородную серу в месторождениях Сицилии (Италия). Китит в природе не встречен.
Кварц (нем. Quarz), минерал; под названием кварца известны две кристаллической модификации двуокиси кремния SiO2: гексагональный кварц (или a-кварц), устойчивый при давлении в 1 атм (или 100 кн/м²) в интервале температур 870-573 °С, и тригональный (b-кварц), устойчивый при температуре ниже 573 °С. b-кварц наиболее широко встречается в природе. Он кристаллизуется в классе тригонального трапецоэдра тригональной системы. Кристаллическая структура каркасного типа построена из кремне-кислородных тетраэдров, расположенных винтообразно (с правым или левым ходом винта) по отношению к главной оси кристалла. В зависимости от этого различают правые и левые структурно-морфологические формы кристаллов, различающиеся внешне по симметрии расположения некоторых граней (например, трапецоэдра и др.). Отсутствие плоскостей и центра симметрии у кристаллов кварца обусловливает наличие пьезоэлектрических и пироэлектрических свойств.
Наиболее часто кристаллы кварца имеют удлиненно-призматический облик с преимущественным развитием граней гексагональной призмы и двух ромбоэдров (головка кристалла). Реже кристаллы принимают облик псевдогексагональной дипирамиды. Внешне правильные кристаллы кварца обычно сложно сдвойникованы, образуя наиболее часто двойниковые участки по т.н. бразильскому или дофинейскому законам. Последние возникают не только при росте кристаллов, но и в результате внутренней структурной перестройки при термических a - b переходах, сопровождаемых сжатием, а также при механических деформациях. Цвет кристаллов, зёрен, агрегатов кварца самый разнообразный: наиболее обычны бесцветные, молочно-белые или серые кварцы. Прозрачные или полупрозрачные красивоокрашенные кристаллы, называются особо: бесцветные, прозрачные - горный хрусталь; фиолетовые - аметист; дымчатые - раухтопаз; чёрные - морион; золотисто-жёлтые - цитрин. Различные окраски обычно обусловлены структурными дефектами при замене Si4+ на Fe3+ или Al3+ с одновременным вхождением в решётку Na1+, Li1+ или (ОН)1-. Встречаются также сложно окрашенные кварцы за счёт микровключений посторонних минералов: зелёный празем - включения микрокристалликов актинолита или хлорита; золотистый мерцающий авантюрин - включения слюды или гематита, и др. Скрытокристаллические разновидности кварца - агат и халцедон - состоят из тончайших волокнистых образований. Кварц оптически одноосный, положительный. Показатели преломления (для дневного света l=589,3): ne=1,553; no=1,544. Прозрачен для ультрафиолетовых и частично инфракрасных лучей. При пропускании светового плоскополяризованного луча по направлению оптической оси левые кристаллы кварца вращают плоскость поляризации влево, а правые - вправо. В видимой части спектра значение угла вращения (на толщину пластинки кварца в 1 мм) меняется от 32,7 (для l 486 нм) до 13,9° (728 нм). Значение диэлектрической проницаемости (eij), пьезоэлектрического модуля (djj) и упругих коэффицентов (Sij) следующие (при комнатной температуре): e11 = 4,58; e33 = 4,70; d11 = -6,76*10-8 ; d14 = 2,56*10-8 ; S11 = 1,279; S12 = - 0,159; S13 = -0,110; S14 = -0,446; S33 = 0,956; S44 = 1,978. Коэффиценты линейного расширения составляют: перпендикулярно оси 3-го порядка 13,4*10-6 и параллельно оси 8*10-6. Теплота превращения b - a К. равна 2,5 ккал/моль (10,45 кдж/моль). Твёрдость по минералогической шкале 7; плотность 2650 кг/м³ . Плавится при температуре 1710 °С и застывает при охлаждении в т. н. кварцевое стекло. Плавленный кварц - хороший изолятор; сопротивление кубика с ребром в 1 см при 18 °С равно 5*1018 ом/см, коэффицент линейного расширения 0,57*10-6 см/ °С. Разработана экономически выгодная технология выращивания монокристаллов синтетический К., который получают из водных растворов SiO2 при повышенных давлениях и температурах (гидротермальный синтез). Кристаллы синтетического К. обладают стабильными пьезоэлектрическими свойствами, радиационной устойчивостью, высокой оптической однородностью и др. ценными техническими свойствами.
Природный кварц- очень широко распространённый минерал, является существенной составной частью многих горных пород, а также месторождений полезных ископаемых самого разнообразного генезиса. Наиболее важные для промышленности кварцевые материалы - кварцевые пески, кварциты и кристаллический монокристальный кварц. Последний встречается редко и очень высоко ценится. Главнейшие месторождения кристаллов кварца - на Урале, на Памире, в бассейне р. Алдан; за рубежом - месторождения в Бразилии и Малагасийской Республике. Кварцевые пески - важное сырьё для керамической и стекольной промышленности. Монокристаллы кварца находят применение в радиотехнике (пьезоэлектрические стабилизаторы частоты, фильтры, резонаторы, пьезопластинки в ультразвуковых установках и т.д.); в оптическом приборостроении (призмы для спектрографов, монохроматоров, линзы для ультрафиолетовой оптики и т.д.). Плавленый кварц применяют для изготовления специальной химической посуды. К. также используется для получения химически чистого кремния. Прозрачные, красивоокрашенные разновидности кварца являются полудрагоценными камнями и широко применяются в ювелирном деле.
Кварцевое стекло, однокомпонентное силикатное стекло, получаемое плавлением природных разновидностей кремнезёма - горного хрусталя, жильного кварца и кварцевого песка, а также синтетической двуокиси кремния. Различают два вида промышленного кварцевого стекла: прозрачное (оптическое и техническое) и непрозрачное. Непрозрачность кварцевому стеклу придает большое количество распределенных в нем мелких газовых пузырьков (диаметром от 0,03 до 0,3 мкм), рассеивающих свет. Оптическое прозрачное кварцевое стекло, получаемое плавлением горного хрусталя, совершенно однородно, не содержит видимых газовых пузырьков; обладает наименьшим среди силикатных стекол показателем преломления (nD = 1,4584) и наибольшим свето-пропусканием, особенно для ультрафиолетовых лучей. Для кварцевого стекла характерна высокая термическая и химическая стойкость; температура размягчения К. с. 1400 °С. Кварцевое стекло хороший диэлектрик, удельная электрическая проводимость при 20 °С-10-14 - 10-16 ом-1 м-1, тангенс угла диэлектрических потерь при температуре 20 °С и частоте 106 гц - 0,0025-0,0006. Кварцевое стекло применяют для изготовления лабораторной посуды, тиглей, оптических приборов, изоляторов (особенно для высоких температур), изделий, стойких к температурным колебаниям.
Силаны
Силаны (от лат. Silicium - кремний), соединения кремния с водородом общей формулы SinH2n+2. Получены силаны вплоть до октасилана Si8H18. При комнатной температуре первые два соединения кремния - моносилан SiH4 и дисилан Si2H6 - газообразны, остальные - летучие жидкости. Все соединения кремния имеют неприятный запах, ядовиты. Силаны гораздо менее устойчивы, чем алканы, на воздухе самовоспламеняются, например
Si2H6 +7O2 =4SiO2 +6H2O.
Водой разлагаются:
3H8 +6H2O=3SiO2 +10H2
В природе силаны не встречаются. В лаборатории действием разбавленных кислот на силицид магния получают смесь различных К., её сильно охлаждают и разделяют (путём дробной перегонки при полном отсутствии воздуха).
Кремниевые кислоты
Кремниевые кислоты, производные кремниевого ангидрида SiO2; очень слабые кислоты, малорастворимые в воде. В чистом виде были получены метакремниевая кислота H2SiO3 (точнее её полимерная форма H8Si4O12) и H2Si2O5. Аморфная двуокись кремния (аморфный кремнезём) в водном растворе (растворимость около 100 мг в 1 л) образует преимущественно ортокремниевую кислоту H4SiO4. В полученных разными способами пересыщенных растворах кремниевые кислоты изменяются с формированием коллоидных частиц (молярная масса до 1500), на поверхности которых находятся группы OH. Образованный т. о. золь в зависимости от водородного показателя pH может быть устойчивым (pH около 2) или может агрегировать, переходя в гель (pH 5-6). Устойчивые высококонцентрированные золи кремниевые кислоты, содержащие специальные вещества - стабилизаторы, применяют при производстве бумаги, в текстильной промышленности, для очистки воды. Кремнефтористоводородная кислота, H2SiF6, сильная неорганическая кислота. Существует лишь в водном растворе; в свободном виде распадается на тетрафторид кремния SiF4 и фтористый водород HF. Применяется как сильно дезинфицирующее средство, но главным образом - для получения солей кремниевых кислот - кремнефторидов.
Силикаты
Силикаты, соли кислот кремния. Наиболее широко распространены в земной коре (80% по массе); известно более 500 минералов, среди них - драгоценные камни, например изумруд, берилл, аквамарин. Силикаты - основа цементов, керамики, эмалей, силикатного стекла; сырье в производстве многих металлов, клеев, красок и др.; материалы радиоэлектроники и т.д. Кремнефториды, фторсиликаты, соли кремнефтористоводородной кислоты H2SiF6 . При нагревании распадаются, например
6 = CaF2 + SiF4
Соли Na, К, Rb, Cs и Ba трудно растворимы в воде и образуют характерные кристаллы, что используется в количественном и микрохимическом анализе. Наибольшее практическое значение имеет кремнефторид натрия Na2SiF6 (в частности, в производстве кислотоупорных цементов, эмалей и т.д.). Значительную долю Na2SiF6 перерабатывают на NaF. Получают Na2SiF6 из содержащих SiF4 отходов суперфосфатных заводов. Хорошо растворимые в воде кремнефториды Mg, Zn и Al (техническое название флюаты) применяют для придания водонепроницаемости строительному камню. Все силикаты (а также H2SiF6) ядовиты.
Приложение
Рис.1 Правый и левый кварц.
Рис.2 Кремнезёма минералы.
Рис.3 Кварц (структура)
Репетиторство
Нужна помощь по изучению какой-либы темы?
Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку
с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.
Кремний (Si) - это неметалл, стоящий на 2 месте после кислорода по запасам и нахождению на Земле(25,8% в Земной коре). В чистом виде он практически не встречается, в основном присутствует на планете в виде соединений.
Характеристика кремния
Физические свойства
Кремний - это хрупкий светло-серый материал с металлическим оттенком или порошкообразный материал коричневого цвета. Строение кристалла кремния однотипно с алмазом, но из-за различий в длине связи между атомами твердость алмаза значительно выше.
Кремний - неметалл, доступный для электромагнитного излучения. Благодаря некоторым качествам, он находится в середине между неметаллами и металлами:
При увеличении температуры до 800 °C становится гибким и пластичным;
При нагревании до 1417 °С плавится;
Начинает кипеть при температуре свыше 2600 °С;
Меняет плотность при высоком давлении;
Обладает свойством намагничиваться против направления внешнего магнитного поля (диамагнит).
Кремний - полупроводник, и примеси, входящие в его сплавы определяют электрические характеристики будущих соединений.
Химические свойства
При разогревании Si вступает в реакцию с кислородом, бромом, йодом, азотом, хлором и различными металлами. При соединении с углеродом получаются твердые сплавы с термо - и химио - стойкостью.
Кремний никак не воздействует с водородом, поэтому все возможные смеси c ним получают другим путем.
При обычных условиях он слабо реагирует со всеми веществами, кроме газообразного фтора. С ним образуется тетрафторид кремния SiF4. Такая неактивность объясняется тем, что на поверхности неметалла из-за реакции с кислородом, водой, ее парами и воздухом ложится пленка диоксида кремния и окутывает его. Поэтому химическое воздействие замедленно и незначительно.
Для удаления этого слоя используют смесь фтороводородной и азотной кислот или водные растворы щелочей. Некоторые специальные жидкости для этого предусматривают добавление хромового ангидрида и иных веществ.
Нахождение кремния в природе
Кремний для Земли столь же важен как углерод для растений и животных. Ее кора почти наполовину состоит из кислорода, а если добавить к этому кремний, получится 80% массы. Эта связь очень важна для перемещения химических элементов.
75% литосферы содержат различные соли кремневых кислот и минералов (песок, кварциты, кремень, слюды, полевые шпаты и т. д.). Во время образования магмы и разных магматических пород Si накапливается в гранитах и в ультраосновных породах (плутонических и вулканических).
В теле человека 1 г кремния. Большинство содержится в костях, сухожилиях, кожном и волосяном покрове, лимфоузлах, аорте и трахее. Он участвует в процессе роста соединительной и костной тканей, а так же поддерживает эластичность сосудов.
Норма употребления в день для взрослого - 5 - 20 мг. Избыток вызывает силикоз.
Применение кремния в промышленности
С каменного века этот неметалл известен человеку и широко используется до сих пор.
Применение:
Он хороший восстановитель, поэтому его используют в металлургии для получения металлов.
В определенных условиях кремний способен проводить электричество, поэтому его применяют в электронике.
Оксид кремния используется в изготовлении стекол и силикатных материалов.
Специальные сплавы используется для производства полупроводниковых приборов.