Кремний: Химия кремния и его соединений. Электронная конфигурация атома кремния (Si)

История

В истории открытия неметалла много знаменитых имен. Ж. Гей-Люссак и Л. Тенар нашли новый элемент и выделили его в чистом виде. Берцелиус получил новый элемент хорошей чистоты и назвал его «силиций». А русский химик Гесс предложил называть новый элемент кремнием (от древне-греческого кремнос — гора).

Поликристаллический кремний (99,9 %)

Что такое кремний

Для начала давайте остановимся на общей характеристике кремния. От 27,6 до 29,5% массы земной коры составляет кремний. В морской воде концентрация элемента тоже изрядная – до 3 мг/л.

По распространенности в литосфере кремний занимает второе почетное место после кислорода. Однако наиболее известная его форма – кремнезем, является диоксидом, и именно его свойства и стали основой для столь широкого применения.

Понятие и особенности

Кремний – неметалл, однако при разных условиях может проявлять и кислотные, и основные свойства. Является типичным полупроводником и чрезвычайно широко используется в электротехнике. Физические и химические его свойства во многом определяются аллотропным состоянием. Чаще всего дело имеют с кристаллической формой, поскольку ее качества более востребованы в народном хозяйстве.

• Кремний – один из базовых макроэлементов в человеческом теле. Его нехватка губительно сказывается на состоянии костной ткани, волос, кожи, ногтей. Кроме того, кремний оказывает влияние на работоспособность иммунной системы.
• В медицине элемент, вернее говоря, его соединения нашли свое первое применение именно в этом качестве. Вода из колодцев, выложенных кремнием, отличались не только чистотой, но и положительно сказывалась на стойкости к инфекционным болезням. Сегодня соединение с кремнием служат основой для препаратов против туберкулеза, атеросклероза, артрита.
• В целом неметалл малоактивен, однако и в чистом виде встретить его сложно. Связано это с тем, что на воздухе он быстро пассивируется слоем диоксида и перестает реагировать. При нагревании химическая активность увеличивается. В результате человечество гораздо ближе знакомо с соединениями вещества, а не с ним самим.

Так, кремний образует сплавы практически со всеми металлами – силициды. Все они отличаются тугоплавкостью и твердостью и применяются на соответствующих участках: газовые турбины, нагреватели печей.

Размещается неметалл в таблице Д. И. Менделеева в 6 группе вместе с углеродом, германием, оловом, что указывает на определенную общность с этими веществами. Так, с углеродом его «роднит» способность к образованию соединений по типу органических. При этом кремний, как и германий может проявить свойства металла в некоторых химических реакциях, что используется в синтезе.

Свойства

Кремний (Silicium, силициум, Si — обозначение в химических соединениях и реакциях). Это не металл, хотя по внешним характеристикам (металлический блеск, цвет) его сложно отличить от настоящих металлов. Он относится к полуметаллам (металлоидам). По типу проводимости относится к полупроводникам.

Существует в двух модификациях (видах): аморфной и кристаллической.

Классификация

Физические свойства

Химические свойства Кремния

Тут много конечно можно сказать, но остановлюсь на самом интересном. В соединениях Si (аналогично углероду) 4-валентен.
На воздухе кремний благодаря образованию защитной оксидной пленки устойчив даже при повышенных температурах. В кислороде окисляется начиная с 400 °С, образуя оксид кремния (IV) SiO2.

Кремний устойчив к кислотам и растворяется только в смеси азотной и фтористоводородной кислот, легко растворяется в горячих растворах щелочей с выделением водорода.

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, а так же для производства огнеупоров. Высокой твердостью, а также термической и химической стойкостью отличаются соединения Кремния с углеродом (карбид кремния SiC) и с бором (SiB3, SiB6, SiB12).

Оптические свойства

Кристаллография

Электронное строение кремния

Электронная конфигурация  кремния восновном состоянии:

+14Si 1s22s22p63s23p2    

Электронная конфигурация  кремния ввозбужденном состоянии:

+14Si* 1s22s22p63s13p3    

Атом кремния содержит на внешнем энергетическом уровне 2 неспаренных электрона и 1 неподеленную электронную пару в основном энергетическом состоянии и 4 неспаренных электрона в возбужденном энергетическом состоянии.

Степени окисления атома кремния — от -4 до +4. Характерные степени окисления -4, 0, +2, +4.

Нахождение в природе кремния

Кремний — второй по распространенности элемент на Земле после кислорода. Встречается только в виде соединений. Оксид кремния SiO2 образует большое количество природных веществ – горный хрусталь, кварц, кремнезем.

Простое вещество кремний – атомный кристалл темно-серого цвета с металлическим блеском, довольно хрупок. Температура плавления 1415 °C, плотность 2,33 г/см3. Полупроводник.

Запасы, руды, минералы

Основной минерал кремния — песок. Кроме него, существуют:

• кварц;
• кварциты;
• полевые шпаты;
• силикаты;
• алюмосиликаты.

Нашего героя в земной коре очень много (до 30% по массе). После углерода это второй элемент (по распространенности на планете).

Многие кремниевые соединения являются драгоценными и полудрагоценными камнями. Это аквамарин, изумруд, топаз, аметист, яшмы и топазы.

Сплавы, получение кремния

Silicium не может образовывать сплавы, это привилегия металлов. Зато он способен растворять многие металлы. Такие соединения, силициды, используют в промышленности.

К ним относят:

• силумин;
• ферросилиций;
• сплав РС-1004;
• сплав РС 1714;
• сплав РС 4800;
• сплав РС 5406.

Способы получения кремния:

1. В печах шахтного типа восстановлением SiO2 коксом (технически чистый Silicium).
2. Дальнейшую очистку продукта проводят по реакции SiCl4+2H2 = Si+4HCl (восстановление тетрахлорида водородом при высокой температуре).

Сверхчистый продукт (поликремний) для производства полупроводников и солнечных элементов очищают дополнительно.

Плюсы и минусы

Достоинств у кремния предостаточно. Это:

1. Доступность в добыче минералов, легкость получения продукта.
2. Наш герой нетоксичен, это дает возможность использовать его в любой отрасли промышленности.
3. Электро-и радиотехника не может обойтись без полупроводниковых свойств неметалла.
4. Кремний способен образовывать множество полезных и разнообразных соединений.

К недостаткам отнесем хрупкость неметалла при хорошей твердости.

Производство неметалла

Получить чистый кремний не так уж и просто, учитывая инертность его соединений и высокую температуру плавления большинства из них. В промышленности чаще всего прибегают к восстановлению углеродом из диоксида. Проводят реакцию в дуговых печах при температуре 1800 С. Таким образом получают неметалл чистотой в 99,9%, что для его применения недостаточно.

Полученный материал хлорируют с тем, чтобы получить хлориды и гидрохлориды. Затем соединения очищают всеми возможными методами от примесей и восстанавливают водородом.

Очистить вещество можно и за счет получения силицида магния. Силицид подвергают действию соляной или уксусной кислоты. Получают силан, а последний очищают различными способами – сорбционным, ректификацией и так далее. Затем силан разлагают на водород и кремний при температуре в 1000 С. В этом случае получают вещество с долей примеси 10-8–10-6%.

Применение

Области применения кремния трудно перечислить:

• стекла;
• цемент;
• зажигалки;
• оптоволокно;
• керамика;
• микропроцессоры.

В любой зубной пасте есть Е551 — аморфный диоксид кремния.

На основе кремниевых полупроводников устроены почти все электронные приборы.

Большинство наших домов на 20-40%% состоят из кремниевых минералов.

Нитриты и карбиды кремния — одни из самых твердых соединений. Они входят в состав особой жаропрочной и твердой керамики. Ее используют в производстве бронежилетов, абразивы (абразивные диски для всем известных болгарок). Рекомендуем:  УРАН — металл для мира и войны

Как сырье технической чистоты Silicium применяют:

1. В металлургии (как присадки, как раскислители в производстве чугуна и сталей).
2. В производстве силанов и кремнийорганических материалов.
3. В производстве солнечных батарей.

Синтетические SiC под названием муассанита с успехом заменяют алмазы в ювелирной промышленности.

Продукцией из песка, соды и извести стеклом — пользуются миллионы людей.

Красота и здоровье: полуметалл необходим человеческому организму для костей, волос, здоровой кожи. А силикон — материал, с помощью которого женщины исправляют свои формы.

Валентные электроны кремния

Количество валентных электронов в атоме кремния — 4.

Ниже приведены их квантовые числа (N — главное, L — орбитальное, M — магнитное, S — спин)

ОрбитальNLMS

Степени окисления, которые может проявлять кремний: -4, -3, -2, -1, +1, +2, +3, +4

Оксид кремния (IV)

Физические свойства и нахождение в природе

Оксид кремния (IV)  –  это твердое вещество с атомной кристаллической решеткой. В природе встречается в виде кварца, речного песка, кремнезема и прочих модификаций:

Химические свойства

Оксид кремния (IV) – типичный кислотный оксид. За счет кремния со степенью окисления +4 проявляет слабые  окислительные свойства.

• 1. Как кислотный оксид, диоксид кремния (IV) взаимодействует с растворами и расплавами щелочейи в расплаве с основными оксидами. При этом образуются силикаты.

Например, диоксид кремния взаимодействует с гидроксидом калия:

SiO2   +  2KOH   →    K2SiO3   +   H2O 

Еще пример: диоксид кремния взаимодействует с оксидом кальция.

SiO2   +   CaO   →   CaSiO3

• 2. Оксид кремния (IV) не взаимодействуетс водой, т.к. кремниевая кислота нерастворима.
• 3. Оксид кремния (IV) реагирует при сплавлении скарбонатами щелочных металлов. При этом работает правило: менее летучий оксид вытесняет более летучий оксид из солей при сплавлении.

Например, оксид кремния (IV) взаимодействует с карбонатом калия. При этом образуется силикат калия и углекислый газ:

SiO2 + K2CO3  → K2SiO3 + CO2

• 4. Из кислот диоксид кремния реагирует только с плавиковойили с газообразным фтороводородом:

SiO2 + 6HF(г) = SiF4 + H2O

SiO2 + 6HF(р-р) → H2[SiF6] + 2H2O

• 5. При температуре выше 1000 °С оксид кремния реагирует с активными металлами, при этом образуется кремний.

Например, оксид кремния взаимодействует с магнием с образованием кремния и оксида магния:

SiO2 + 2Mg → Si + 2MgO

Видеоопытвзаимодействия оксида кремния (IV) с магнием можно посмотреть здесь.

При избытке восстановителя образуются силициды:

SiO2 + 4Mg → Mg2Si + 2MgO

• 6. Оксид кремния (IV) взаимодействует с неметаллами.

Например, оксид кремния (IV) реагирует с водородом в жестких условиях. При этом оксид кремния проявляет окислительные свойства:

SiO2 + 2Н2 → Si + 2Н2O

Ещепример: оксид кремния взаимодействует с углеродом. При этом образуется карборунд и угарный газ:

SiO2   +   3С → SiС   +   2СО

При сплавлении оксид кремния взаимодействует с фосфатом кальция и углем:

3SiO2     +   Ca3(PO4)2    +   5C   →     3CaSiO3    +    5CO    +   2P

Биологическая роль и функции кремния в организме

Для чего нужен кремний организму? Как мы уже и говорили в начале статьи, Si играет важную роль в формировании и поддержании здоровья костной ткани, кожного покрова, волос, ногтей, а также кровеносных сосудов.

Количество кремния в костных тканях взрослого среднестатистического человека 17⋅10−4 %, в мышечных тканях — (1-2) ⋅10−2 %, в крови — 3,9 мг/л, а также гипофизе, щитовидной железе, надпочечниках, ногтях и волосах.

В нашем организме кремний больше всего содержится в щитовидной железе, надпочечниках, гипофизе. Самая высокая концентрация его обнаружена в волосах и ногтях.

Применение кремния в других сферах человеческой жизни

• Прежде всего, Si используют в качестве полупроводников для изготовления электроники, особенно микрочипов, транзисторов, диодов, солнечных панелей и прочих.
• В металлургии он пользуется успехом в качестве дополнительного материала в сплавах меди, алюминия, магния и прочих металлов, предавая сплавам более высокую прочность.
• Его добавляют в производстве кремнийорганических соединений – для изготовления пластика, искусственного каучука, технических силикатных смазок и масел.
• Используется и для производства неорганических материалов – керамики, стекла, изоляции, пьезокристаллов.
• В медицинской практике – для лечения остеопороза.

Кремний — суточная потребность

Суточная потребность в кремнии среднестатистического взрослого человека составляет 5 мг2. Максимальная суточная доза в Si – 10 мг. Хотя, некоторые источники утверждают, что суточная доза Silicium должна составлять от 20 до 50 мг.

Суточная доза кремния повышается при беременности, пременопаузе, после хирургического лечения, при переломах, высоких физических нагрузках на организм.

Терапевтической дозой кремния является до 12 мг в сутки3.

Нехватка кремния — симптомы

Дефицит Si может вызывать следующие нарушения в работе организма:

• Дряблость и сухость кожи, а также склонность к рецидивирующим кожным болезням – экземе, дерматиту, дерматозу, рожистым воспалениям и прочим. Раны заживают медленнее;
• Волосы становятся тусклыми, секутся и выпадают в повышенном количестве;
• Ногти также становятся более ломкими, периодически слоятся;
• Со временем развивается остеомаляция костей (размягчение костной ткани), остеопороз, артриты, склонность к переломам;
• Появляется ряд зубных болезней – кариес, пародонтоз;
• Развивается ряд заболеваний сердца и сосудов – артериальная гипертензия (гипертония), атеросклероз, ишемическая болезнь сердца, тромбофлебит, варикозное расширение вен, склонность к инфаркту и инсульту;
• Снижение аппетита;
• Повышенное утомление, периодическая слабость и апатия;
• Склонность к инфекционным болезням;
• Замедление роста ребенка;
• Бесплодие;
• Сосуды теряют свою эластичность, из-за чего при небольшом ушибе на коже появляются синяки, а также периодическое формирование сосудистых «звездочек».
• Кроме того, замечена связь между недостаточным количеством кремния в организме и наличием в это время следующих болезней – катаракта, сахарный диабет, дисбактериоз, гепатит, наличие камней в желчном пузыре (ЖКБ) и почках (ПКБ), злокачественные опухоли (рак).

Причины переизбытка Si в организме

Злоупотребление препаратами, в которых содержится этот химический элемент;

Работа на производстве по обработке кремня – пылевые частицы с кремнием попадают на слизистые дыхательных путей и пищеварительного тракта, вызывая в местах оседания воспалительные процессы, а также развитие силикоза.