Характеристика элемента кремния и его свойства

Элемент кремний Химия

Периодическая таблица Д. И. Менделеева содержит более ста различных по своим свойствам элементов. Из всех них около десятка являются наиболее распространенными на планете Земля. Характеристика элемента кремния и физико-химические свойства его соединений играют важную роль в развитии современных технологий.

Атомная структура

Для тех, кто знает хотя бы немного химию, не является секретом тот факт, что химические свойства рассматриваемого элемента зависят полностью от его расположения в периодической системе. Эта особенность таблицы Д. И. Менделеева объясняется связью между положением в ней элемента и его атомным строением.

Кремний находится в третьем периоде и занимает 14-ю клетку между алюминием (Al) и фосфором (P). Поскольку первый из них является металлом, а второй — это неметалл, то о Si часто говорят, что он яркий представитель полуметаллов или металлоидов. Это означает, что кремний может реагировать как с металлическими соединениями, проявляя свойства окислителя, так и с неметаллическими, реализуя свойства восстановителя в соответствующих химических реакциях.

Возможные изотопы

Так как химический элемент Si является 14-м, то в его атомном ядре содержится 14 протонов. Количество нейтронов может слегка варьироваться, однако, в 92,23% случаев оно также составляет 14. В 4,67% их 15, и в 3,1% атомных ядер Si содержится 16 нейтронов. Таким образом, существует 3 стабильных изотопа кремния. Относительная атомная масса для самого легкого стабильного изотопа составляет 28 а. е. м.

Существуют также нестабильные изотопы, содержащие в своих ядрах большее количество нейтронов. Например, Si-32 имеет период полураспада 132 года. Распад его ядра осуществляется с испусканием бета-лучей (электронов) и с образованием нестабильного атома фосфора P-32.

Электронные уровни и валентность

В химии принято электронные формулы элементов выражать кратко с использованием уже заполненных орбиталей благородных газов. В случае элемента Si применяют следующее обозначение строения его электронных уровней:

Si = [Ne] 3s2 3p2.

Электронные уровни и валентность кремния

То есть на третьем уровне, который состоит из двух s- орбиталей, шести p-орбиталей и десяти d-орбиталей находится всего 4 электрона. Упрощенно формула показывает, что из всех них заполненными полностью оказываются четыре (две s и две p). Это говорит о двух возможных вариантах проявления валентности кремния в его соединениях:

  1. Два (II).
  2. Четыре (IV).

Поскольку энергетически не существует барьера между переходами электронов по p-орбиталям, то они могут легко распариться. Появляется два свободных электрона, которые могут участвовать в образовании химических связей.

Электроны на 3s орбиталях лежат ненамного ниже по энергии, чем 3p, поэтому любое незначительное возбуждение извне (небольшой приток энергии) приводит к их распариванию и переходу на свободную 3p-орбиталь. Кремний с его 4-мя свободными электронами начинает проявлять валентность IV. Она является наиболее частой в соединениях Si, что делает его похожим на углерод, который находится в той же группе в периодической системе.

Физические характеристики

В сообщении о характеристиках кремния в первую очередь следует сказать, что он может существовать в нескольких формах. Если перечислять основные возможные варианты, то они будут следующими:

  • монокристаллический;
  • поликристаллический;
  • аморфный.

Кристаллическая структура кремния

В общем описании для первых двух вариантов следует сказать о кристаллической структуре элемента. Поскольку он имеет четыре электрона, способных участвовать в образовании ковалентной связи, то их он использует для создания кристаллической молекулярной структуры. В ней каждый атом соединяется с четырьмя атомами Si. В пространстве такая структура выглядит в виде периодически повторяющихся октаэдров.

Если с помощью трех конкретных векторов можно попасть из произвольного атома решетки путем его трансляции в любой другой ее узел, то говорят о монокристаллическом строении. В противном случае речь ведут о поликристаллах, в которых имеются межзеренные границы с нарушенным порядком в расположении атомов. Кристаллы кремния имеют серо-синий цвет с характерным металлическим блеском.

Кристаллический Si является достаточно твердым. Его 7 по шкале твердости Мооса позволяет ему царапать стекло, которое имеет 5−7 единиц в зависимости от сорта. Кристаллы плавятся при температуре 1411 С, расплав кипит при 2355 С. Со своими 2,33 г/см3 Si не является слишком плотным веществом, он даже легче одного из самых легких металлов — алюминия (2,7 г/см3). Его полупроводниковые свойства активно используются в настоящее время в электронной индустрии.

Если говорит о том, какой еще может быть кремний, то следует упомянуть аморф. По определению аморф — это структура, в которой пространственный порядок в расположении атомов наблюдается лишь в ближайшем окружении. Применительно к кремнию можно упрощенно сказать, что его аморфная структура представляет собой октаэдры, которые произвольным образом ориентированы друг относительно друга. Аморфный Si имеет коричневато-желтый цвет.

Химические свойства

Рассматриваемый полуметалл в природе в чистом виде практически не существует. Большая его часть сосредоточена в земной коре. Он является основой для следующих веществ и минералов:

  • песок (оксид кремния) и глины (силикаты магния, кальция и алюминия);
  • кварц и различные его разновидности, например, яшма;
  • полудрагоценные камни топаз, турмалин и гранат.

Чистый Si в промышленных масштабах

Получают чистый Si в промышленных масштабах путем его восстановления из оксида SiO2 в результате нагрева в восстановительной среде углерода или магния.

Кремний устойчив ко многим кислотам, однако, при высоких температурах охотно вступает в реакцию с кислородом с образованием оксида и с галогенами. Так, реагируя с плавиковой кислотой (HF), он образует газообразное соединение SiF4. При высоких температурах элемент вступает в реакцию с хлором и азотом, окисляясь в обоих случаях.

При взаимодействии с сильными щелочами кремний проявляет неметаллические свойства. Так, при растворении в гидроксиде натрия, он образует силикаты с выделением газообразного водорода.

Удивительной особенностью кремния является его возможность участвовать в образовании живых организмов. Этот факт до настоящего времени является лишь теоретическим. Дело в том, что рассматриваемый элемент в периодической таблице находится строго под углеродом, то есть он имеет равные ему свойства и обладает возможностью образовывать длинные цепочки соединений с ковалентной связью.

Использование кремния

Поскольку рассматриваемый элемент обладает свойствами металлов и неметаллов, то его применение в различных сферах производства весьма разнообразное. Основное использование кремния следующее:

Использование кремния

  1. В качестве огнеупорного материала его применяют при производстве эмалей, стекол и керамики. Используют элемент при производстве цемента. Одним из важных соединений является Ca2Si — белит (полное название — силикат кальция), который обладает низкой скоростью гидратации.
  2. В агрокультуре в качестве удобрения.
  3. При производстве различных марок сталей для их легирования с целью придания необходимых свойств.
  4. В производстве стекол различного назначения.
  5. Карбид кремния является одним из часто применяемых абразивных камней.
  6. Полупроводниковая природа элемента позволяет ему излучать электромагнитные волны в инфракрасном диапазоне, поэтому его используют при производстве лазеров этого типа излучения.
  7. В медицине в качестве имплантатов для груди и при изготовлении глазных линз.

Производство сталей

Производство сталей

Поскольку сталь является основным конструкционным и инструментальным материалом, то использование кремния для производства некоторых марок является важным для получения специальных свойств. Как правило, сталь содержит до 0,3% Si. Если в расплав Fe-C добавить чистый кремний, то после цикла термической обработки получаются марки, содержащие до 4% Si. Они используются для изготовления обмотки электрических трансформаторов, так как характеризуются низким гистерезисом, что снижает электрические потери и увеличивает КПД преобразования энергии.

Еще одна сталь, имеющая специфические характеристики, называется дурирон. Она содержит 15% Si, является твердой, хрупкой и чрезвычайно устойчивой практически к любому типу коррозии. Используют ее в качестве конструктивного материала, который контактирует с агрессивными химическими веществами.

Полупроводниковая индустрия

Поскольку кремний является полупроводником, то его проводимость лежит между металлической и диэлектрической (изоляторы). Однако, самое интересное заключается в том, что это физическое свойство кремния можно изменять в значительных пределах с помощью небольших добавок к нему трехвалентных или пятивалентных химических элементов — доноров.

Кремниевая подложка для микросхем

Элемент Si широко используется для производства монокристаллических подложек для электронных микросхем. Его применяют при изготовлении транзисторов, диодов и других элементов микроэлектроники. Широкое использование кремний находит при производстве солнечных батарей. Хотя в последние десятилетия начинают развиваться направления бескремниевых солнечных батарей на основе галлия, германия и других элементов, использование Si все же остается на высоком уровне из-за его распространенности на Земле и низкой стоимости.

Таким образом, химический элемент Si благодаря своим металлическим и неметаллическим характеристикам используется в широком спектре производства. Человечество имеет большие планы на его применение, о чем говорит создание крупной научной зоны в США Кремниевая (Силиконовая) долина.

Оцените статью
Na5.club
Добавить комментарий

Adblock
detector