Друкувати цей розділДрукувати цей розділ

19. ЕЛЕМЕНТИ IVА ГРУПИ. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА

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.