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:
- 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.
- 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.
- 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:
- 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.
- 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 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 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.
- Силиций существует в виде двух аллотропных модификаций — кристаллической и аморфной, каждая из которых обладает определёнными свойствами.
- Плотность неметалла находится в пределах 2.33 г/ см³.
- Плавиться Si начинает при температуре +1415 °C, а закипает при +3250 °C.
- Кремний растворяется в щелочах.
- Неметалл обладает всеми свойствами полупроводника, которые можно легко варьировать с помощью добавления в состав специальных агентов.
- 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:
- При +2000 °C вступает в реакцию с углеродом: Si + C → SiC.
- С кислородом (+600 °C): Si + O2 → SiO2.
- С азотом (+1000 °C): 3Si + 2N2 → Si3N4.
- 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.
Чистый и аморфный кремний используется в следующих целях:
- Серийное производство поликремния.
- 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.
- 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.
- Больший спрос получили соединения кремния с различными органическими веществами. В медицинской отрасли, при производстве посуды и долговечных инструментов используются кремнийорганические материалы.
- Серийное изготовление зеркалец в востребованных газовых (лазерных) устройствах.
- Силициум используется для производства зажигалок.
- В полевых условиях Si применяется для получения водорода.
- Производство полупроводниковых радиоэлементов.
- 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.
