19. ЕЛЕМЕНТИ IVА ГРУПИ. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА

19.4. Силіцій. Кремній

Силіцій (лат. silex – кремінь) Si – типовий неметал і найближчий електронний аналог Карбону; знаходиться у IVА підгрупі ІІІ періоду Періодичної системи. Електронна структура зовнішнього енергетичного рівня атома Силіцію 3s²3p²3d⁰:

У сполуках з Оксигеном і неметалами виявляє ступінь окиснення +4 (рідше +2), у сполуках з Гідрогеном –2. Найстійкіший ступінь окиснення +4. У зв’язку зі зростанням атомного радіуса, порівняно з Карбоном, у Силіцію зменшується міцність міжатомних зв’язків, особливо в гомоатомних ланцюгах. На відміну від Карбону, Силіцій практично не утворює кратних зв’язків.

Відомі аморфний і кристалічний кремній, які відрізняються зовнішнім виглядом і властивостями, проте не є алотропними модифікаціями.

Вперше силіцій добув Й. Берцеліус (Швеція) у 1824 р.

Поширення у природі.

Силіцій – другий за поширенням елемент після Оксигену (27,6 % за масою) у Земній корі.

В природі Силіцій перебуває лише у зв’язаному стані: у вигляді силіцій діоксиду SiO₂ (силікатний ангідрид, кремнезем) і у вигляді солей силікатних кислот – силікатів. Чистий SiO₂ – гірський кришталь, кварц, забарвлений домішками оксидів металів – агат, аметист, яшма.

Найпоширеніші алюмосилікати: біла глина Al₂O₃×2SiO₂×2H₂O, польовий шпат K₂O×Al₂O₃×6SiO₂, слюда K₂O×Al₂O₃×6SiO₂×H₂O.

Багато силікатів у чистому вигляді є дорогоцінними каменями – аквамарин, топаз, ізумруд.

Як Карбон, входячи до складу усіх живих речовин, є найважливішим елементом живої природи, так Силіцій – основний елемент неживої природи. Більшість гірських порід містять сполуки Силіцію: граніт, глини, пісок.

У живій природі Силіцій міститься у діатомових водоростях, хвощах, кремнієвих губках, іноді входить до складу пір’я, шерсті.

Одержання.

Кремній одержують прожарюванням білого піску SiO₂ з магнієм:

SiO₂ + 2Mg = Si + 2MgO.

При цьому утворюється аморфний кремній у вигляді білого порошку. Кристалізацією аморфного кремнію добувають кристалічний кремній з металічним блиском.

У промисловості кристалічний кремній одержують відновленням SiO₂ в електропечах:

SiO₂ + C = Si + CO₂.

Найчистіший кремній добувають за реакціями:

SiCl₄ + 2Zn = Si + 2ZnCl₂, SiH₄ = Si + 2H₂.

Фізичні властивості.

Аморфний кремній – бурий порошок з т. пл. 1420 ⁰С, неелектропровідний.

Кристалічний кремній – тверда речовина сірого кольору з металічним блиском, тепло- і електропровідний. Напівпровідникові властивості обумовлені будовою кристалу, яка аналогічна алмазу. Проте зв’язки в кристалі значно слабкіші, ніж в алмазу і за н.у. частина з них розірвані, а тому в кристалі є вільні електрони, наявність яких і зумовлює незначну тепло- і електропровідність. При нагріванні розривається більше зв’язків, тому тепло- і електропровідність зростає.

Хімічні властивості.

За н.у. кремній – інертний елемент, за кімнатної температури реагує лише з фтором:

Si + 2F₂ = SiF₂.

При високих температурах реагує практично з усіма неметалами (C, O₂, S, N₂, Cl₂, Br₂) з утворенням відповідних бінарних сполук:

Si + C = SiC, 3Si + 2N₂ = Si₃N₄, Si + O₂ = SiO₂,

Si + 2S = SiS₂, Si + 2Cl₂ = SiCl₄.

Галогеніди кремнію гідролізують у водних розчинах лугів:

6SiF₄ + 12NaOH = 4Na₂SiF₆ + 2Na₂SiO₃ + 6H₂O.

Кремній не реагує з кислотами і водою, розчиняється лише у суміші HF і HNO₃:

3Si + 12HF + 4HNO₃ = 3SiF₄ + 4NO + 8H₂O,

та у розчинах лугів:

Si + 2KOH + H₂O = K₂SiO₃ + 2H₂.

У цих реакціях Силіцій – відновник.

При сплавленні з металами кремній утворює силіциди, виступаючи при цьому окисником:

2Mg + Si = Mg₂Si.

При дії хлоридної кислоти на Mg₂Si утворюється силан:

Mg₂Si + 4HCl = 2MgCl₂ + SiH₄.

Силан SiH₄ – безбарвний отруйний газ, самозаймається на повітрі:

SiH₄ + 2О₂ = SiО₂ + 2Н₂О.

Застосування.

У техніці кремній використовують для виготовлення напівпровідників. Сплав заліза з кремнієм (феросиліцій) використовують у виготовленні деталей заводської жаро- та хімічностійкої апаратури.

Високотвердий сплав кремнію з графітом – карборунд – з кристалічною граткою алмазу використовують для виготовлення наждачного паперу і точильних кругів. Відкрив карборунд випадково Е. Ачесон (США) (1856 – 1931) при спробі добути алмаз шляхом нагрівання вугілля у присутності глини при високій температурі.

Натрій гексафторосилікат Na₂SiF₆ – отруйна речовина, використовують як інсектицид (отрута для боротьби з комахами).

Фторосилікати магнію, цинку, алюмінію використовують у будівництві для створення водонепроникного шару на поверхні будматеріалів.