Формула и схема строения атома кремния (химия, 9 класс)

Строения атома кремния Химия

После кислорода вторым по распространённости в земной коре является кремний. В естественной среде это вещество находится в составе соединений, а вот в чистом виде встречается крайне редко. Химические свойства силициума получили спрос в промышленности, так как этот неметалл используется в качестве основного сырья для производства силанов. Физические характеристики вещества зависят от распределения электронов и схемы строения атома кремния (химия, 9 класс).

Краткое описание

К категории неметаллов относится кремний (Si), который в определённых условиях может проявлять основные и кислотные свойства. Силициум является полупроводником, из-за чего получил большой спрос в современной электротехнике. Химические и физические свойства Si во многом зависят от аллотропного состояния. Чаще всего силициум пребывает в кристаллической форме, так как в этом случае характеристики неметалла более востребованы в народном хозяйстве. Si обладает несколькими важными свойствами:

Стенки колодцев из кремния

  1. Кремний относится к категории важных макроэлементов в организме человека. Нехватка этого вещества чревата ухудшением общего состояния волос, костной ткани, ногтей, кожного покрова. Неметалл положительно влияет на защитные свойства иммунной системы.
  2. Si является малоактивным, практически не встречается в чистом виде. Это связано с тем, что в воздухе силициум быстро покрывается тонким слоем диоксида и перестаёт реагировать на ток. Под воздействием высокой температуры активность неметалла постепенно увеличивается. В промышленности вместо чистого Si чаще всего используются различные химические соединения.
  3. Стенки колодцев уже не первое столетие продолжают выкладывать из кремния, так как этот материал обладает высокими показателями чистоты, что снижает вероятность заражения человека инфекционными заболеваниями. Многочисленные химические соединения с силициумом используются в качестве основы для серийного производства лекарственных средств, действие которых направлено на борьбу с туберкулёзом, артритом, атеросклерозом.

В лабораторных условиях было доказано, что кремний может образовывать сплавы практически со всеми металлами, благодаря чему можно получить силициды. Эти вещества обладают высокой твёрдостью и тугоплавкостью. Используются силициды в сфере производства нагревателей для печей и газовых труб.

В природе Si накапливается в панцирях и наружных скелетах морских животных, из-за чего со временем формируются большие залежи кремнезёма на дне водоёмов. Это один из основных природных источников силициума. Научными работниками было установлено, что в единичных случаях Si может существовать в чистом виде в форме кристаллов. Свойства и электронную конфигурацию атомов кремния и неона изучают на уроках химии в 9 классе.

Способы получения

Кремний редко используют в чистом виде, так как для его получения нужно прибегнуть к длительным и финансово затратным процессам. Из-за характеристик этого неметалла даже при тщательной обработке сырья в итоге будет доступен материал, который очищен от примесей на 90—98%. Для серийного производства силициума используются 2 основных способа:

Метод спекания расплава песка в больших термических печах

  1. В промышленных масштабах наибольший спрос получил метод спекания расплава песка в больших термических печах, которые предназначены для обжига сырья. Этот вариант получения кремния был разработан известным русским учёным Н. Бекетовым.
  2. Использование белого песка, который представляет собой чистый оксид кремния SiO2. Этот природный материал прокалывают вместе с активными металлами (чаще всего применяется Mg), благодаря чему образуется свободный элемент в виде аморфной модификации. Такой способ получения кремния пользуется большим спросом, так как в конечном счёте силициум обладает высоким качеством.

Дальнейшие этапы обработки неметалла основаны на том, что материал подвергают тщательной очистке. Для этих целей в промышленных условиях используются галогены либо кислоты.

Принцип строения

В периодической таблице Менделеева кремний

В периодической таблице Менделеева кремнию соответствует 14-й порядковый номер. Расположен элемент в IV группе, третьем периоде. В ядре атома силициума 14 протонов и столько же нейронов. Элемент имеет положительный заряд +14. Вокруг ядра расположены 3 электронные оболочки, на которых находятся 14 электронов. Степень окисления кремния составляет +2. Это связано с тем, что 3р-уровень обладает двумя неспаренными электронами.

За счёт наличия вакантной 3d-орбитали силициум может переходить в возбуждённое состояние, но тогда степень окисления будет увеличена до +4. Внешний энергетический уровень Si занимает четыре электрона, от которых зависит валентность элемента. Полную электронную формулу кремния можно записать так: 1s22s22p63s23p2. Дополнительно существует сокращённый вариант: +14Si)2)8)4. Кремний входит в состав аметиста, агата, яшмы и многих других полудрагоценных камней. Он присутствует в породообразующих минералах — алюмосиликатах и силикатах (глина, слюда).

Физические характеристики

Силициум представляет собой твёрдое вещество тёмно-серого цвета с характерным металлическим блеском. Он обладает специфической модификацией, которая по структуре похожа на аллотропное состояние углерода — алмаз. Но связи между атомами Si не такие прочные, как в случае с углеродом. Среди основных физических характеристик кремния можно выделить следующие:

Кристаллическая решётка у силициума

  1. Кристаллическая решётка у силициума практически такая же, как и у алмаза. Но расстояние между атомами разное, из-за чего драгоценный камень обладает большей прочностью, твёрдостью. Решётка у кремния гранецентрированная кубическая.
  2. Силиций существует в виде двух аллотропных модификаций — кристаллической и аморфной, каждая из которых обладает определёнными свойствами.
  3. Плотность неметалла находится в пределах 2.33 г/ см³.
  4. Плавиться Si начинает при температуре +1415 °C, а закипает при +3250 °C.
  5. Кремний растворяется в щелочах.
  6. Неметалл обладает всеми свойствами полупроводника, которые можно легко варьировать с помощью добавления в состав специальных агентов.
  7. Si растворяется в Н2О, кислотах, органических растворителях.

Физические характеристики неметалла повлияли на то, что этот материал начали активно использовать для серийного производства различных товаров. Например, кремний получил большой спрос в качестве выпрямителя переменного тока.

Химические свойства

Si обладает электронным принципом строения, за счёт чего может вступать в реакцию с другими веществами, отдавая либо принимая электроны. Если используются металлы, тогда кремний будет восстановителем. При взаимодействии с неметаллами силициум выступает как окислитель. В обычных условиях кремний реагирует только с фтором: Si + 2F2 → SiF4. При условии воздействия высоких температур Si может реагировать со следующими химическими веществами:

  1. При +2000 °C вступает в реакцию с углеродом: Si + C → SiC.
  2. С кислородом (+600 °C): Si + O2 → SiO2.
  3. С азотом (+1000 °C): 3Si + 2N2 → Si3N4.
  4. С хлором при температуре +400 °C: Si + 2Cl2 → SiCl4.

Силициум может реагировать с концентрированными растворами щелочей с последующим выделением водорода. Графически эту химическую реакцию можно написать так: Si + 2NaOH + H2O → Na2SiO3 + 2H2. В реакциях с металлами кремний используется в качестве окислителя: Si + 2Mg → Mg2Si.

Si не взаимодействует с кислотами и водородом. В категорию исключений входит только водный раствор фтороводорода: HF: Si + 6HF → H2[SiF6] + 2H2 или Si + 4HF → SiF4 + 2H2. При условии соединения с SiH4 можно добиться разложения солей кислоты. Структурная формула: Mg2Si + 2H2SO4 → SiH4­ + 2MgSO4.

Сферы использования

В промышленной отрасли показатель применения кремния достигает высоких отметок. Это связано с тем, что чистый силициум и различные его соединения получили большой спрос в научной среде. Si активно применяется для производства высококачественной техники.

Применения кремния для производства солнечных батарей

Чистый и аморфный кремний используется в следующих целях:

Силициум используется для производства зажигалок

  1. Серийное производство поликремния.
  2. Si как легирующая добавка используется в металлургической отрасли. Этот неметалл может кардинально менять свойства металлов и их сплавов. Чаще всего силициум используется для выплавки чугуна и стали.
  3. Производство солнечных батарей. Этот вариант получения востребованной энергии является одним из самых перспективных в современных условиях. Использование силициума оправдано, так как солнечные батареи получаются экологически чистыми, износоустойчивыми и экономически выгодными.
  4. Больший спрос получили соединения кремния с различными органическими веществами. В медицинской отрасли, при производстве посуды и долговечных инструментов используются кремнийорганические материалы.
  5. Серийное изготовление зеркалец в востребованных газовых (лазерных) устройствах.
  6. Силициум используется для производства зажигалок.
  7. В полевых условиях Si применяется для получения водорода.
  8. Производство полупроводниковых радиоэлементов.
  9. Кремний используется как металлургическая добавка при изготовлении кислотоустойчивых и жаропрочных соединений.

В чистом виде Si обладает отличными физическими и химическими характеристиками, которые получили спрос в народном хозяйстве. Этот материал безопасен для живых организмов и окружающей среды.

Оцените статью
Na5.club
Добавить комментарий

Adblock
detector