Кремний и его соединения. Кремний в природе. Применение кремния

Одним из самых востребованных в технике и промышленности элементов является кремний. Этому он обязан своими необычными свойствами. Сегодня существует масса различных соединений данного элемента, которые играют важную роль в синтезе и создании технических продуктов, посуды, стекла, оборудования, строительных и отделочных материалов, ювелирных украшений и в прочих отраслях промышленности.

Общая характеристика кремния

Если рассматривать положение кремния в периодической системе, то можно сказать так:

1. Располагается в IV группе главной подгруппы.
2. Порядковый номер 14.
3. Атомная масса 28,086.
4. Химический символ Si.
5. Название - кремний, или на латыни - silicium.
6. Электронная конфигурация внешнего слоя 4е:2е:8е.

Кристаллическая решетка кремния подобна решетке алмаза. В узлах расположены атомы, тип ее - кубическая гранецентрированная. Однако вследствие большей длины связи физические свойства кремния сильно отличаются от свойств аллотропной модификации углерода.

Физические и химические свойства

Существует две аллотропные модификации данного элемента: аморфная и кристаллическая. Они очень схожи. Однако, как и в случае с другими веществами, главное различие между ними - кристаллическая решетка кремния.

При этом обе модификации - это порошки разного цвета.

1. Кристаллический кремний представляет собой темно-серый блестящий порошок, похожий на металл. Структура его соответствует алмазу, однако свойства отличны. Он обладает:

• хрупкостью;
• невысокой твердостью;
• полупроводниковыми свойствами;
• температурой плавления 1415⁰С;
• плотностью 2,33 г/см³;
• температурой кипения 2700⁰С.

Его химическая активность невысока по сравнению с другой аллотропной формой.

2. Аморфный кремний - буро-коричневый порошок, обладает структурой сильноразупорядоченного алмаза. Химическая активность достаточно высока.

В целом следует заметить, что вступать в реакции кремний не любит. Чтобы заставить его реагировать, нужна температура не меньше 400-500⁰С. При этих условиях образуются различные химические соединения кремния. Такие как:

• оксиды;
• галогениды;
• силициды;
• нитриды;
• бориды;
• карбиды.

Возможно взаимодействие кремния с азотной кислотой или щелочью, что имеет название процесса травления. Широко распространены кремнийорганические соединения, которые сегодня получают все большее распространение.

Нахождение в природе

Кремний в природе содержится в достаточно весомом количестве. Стоит на втором месте после кислорода по распространенности. Его массовая доля составляет около 30%. Морская вода также содержит данный элемент в примерной концентрации 3 мг/л. Поэтому нельзя сказать, что кремний в природе - это редкий элемент.

Напротив, существует масса различных пород и минералов, в составе которых он встречается и из которых его можно добывать. Самые распространенные природные соединения кремния следующие:

1. Кремнезем. Химическая формула SiO₂. Существует достаточно большое разнообразие форм минералов и горных пород на его основе: песок, кремень, полевые шпаты, кварц, горный хрусталь, аметист, халцедон, сердолик, опал, яшма и другие.
2. Силикаты и алюмосиликаты. Каолин, шпаты, слюда, соли кремниевой кислоты, асбест, тальк.

Таким образом, распространение в природе кремния широко, а его соединения пользуются популярностью и спросом у людей для применения в технических целях.

Кремний и его соединения

Так как в чистом виде рассматриваемый элемент существовать не может, поэтому важное значение имеют разные его соединения. С химической точки зрения он может проявлять три степени окисления: +2, +4, -4. Исходя из этого, а также из своей инертности, но особенной по строению кристаллической решетки, он формирует следующие основные виды веществ:

• бинарные соединения с неметаллами (силан, карбид, нитрид, фосфид и так далее;
• оксиды;
• кремниевую кислоту;
• силикаты металлов.

Рассмотрим подробнее, какое значение имеет кремний и его соединения, являющиеся самыми распространенными и востребованными для людей.

Оксиды кремния

Существует две разновидности данного вещества, выражаемые формулами:

• SiO;
• SiO₂.

Однако наибольшее распространение имеет диоксид. Он существует в природе в виде очень красивых полудрагоценных камней:

• агат;
• халцедон;
• опал;
• сердолик;
• яшма;
• аметист;
• горный хрусталь.

Применение кремния в такой форме нашло свое применение в производстве ювелирных изделий. Невероятно красивые золотые и серебряные украшения изготавливаются с этими полудрагоценными и поделочными камнями.

Еще несколько вариаций диоксида кремния:

• кварц;
• речной и кварцевый песок;
• кремень;
• полевые шпаты.

Применение кремния в таких видах реализуется в строительных работах, технике, радиоэлектронике, химической отрасли, металлургии. Все вместе перечисленные оксиды относятся к единому веществу - кремнезему.

Карбид кремния и его применение

Кремний и его соединения - это материалы будущего и настоящего. Одним из таких материалов является карборунд или карбид данного элемента. Химическая формула SiC. Встречается в природе в виде минерала муассанита.

В чистом виде соединение углерода и кремния - это красивые прозрачные кристаллы, напоминающие алмазные структуры. Однако в технических целях используются окрашенные в зеленый и черный цвета вещества.

Основные характеристики данного вещества, позволяющие использовать его в металлургии, технике, химической промышленности, следующие:

• полупроводник широкозонный;
• очень высокая степень прочности (7 по шкале Мооса);
• устойчив к действию высоких температур;
• отличная электроустойчивость и теплопроводность.

Все это позволяет использовать карборунд в качестве абразивного материала в металлургии и химических синтезах. А также на его основе изготавливать светодиоды широкого спектра действия, детали для стекловарочных печей, сопла, факелы, ювелирные украшения (муассанит ценится выше фианита).

Силан и его значение

Водородное соединение кремния имеет название силан и не может быть получено прямым синтезом из исходных веществ. Для его получения используют силициды различных металлов, которые подвергаются обработке кислотами. В результате выделяется газообразный силан и формируется соль металла.

Интересно то, что рассматриваемое соединение никогда не образуется в одиночестве. Всегда в результате реакции получается смесь моно-, ди- и трисилана, в которых атомы кремния соединены между собой в цепочки.

По своим свойствам эти соединения - сильные восстановители. Сами при этом легко окисляются кислородом, иногда со взрывом. С галогенами реакции бурные всегда, с большим выбросом энергии.

Области применения силанов следующие:

1. Реакции органических синтезов, в результате которых образуются важные кремнийорганические соединения - силиконы, резины, герметики, смазки, эмульсии и прочие.
2. Микроэлектроника (жидкокристаллические мониторы, интегральные технические схемы и прочее).
3. Получение сверхчистого поликремния.
4. Стоматология при протезировании.

Таким образом, значение силанов в современном мире высоко.

Кремниевая кислота и силикаты

Гидроксид рассматриваемого элемента - это разные кремниевые кислоты. Выделяют:

• мета;
• орто;
• поликремниевые и другие кислоты.

Все их объединяют общие свойства - крайняя неустойчивость в свободном состоянии. Они легко разлагаются под действием температуры. При обычных условиях существуют недолго, превращаясь сначала в золь, а потом в гель. После высыхания такие структуры называют силикагелями. Они используются в качестве адсорбентов в фильтрах.

Важными, с точки зрения промышленности, являются соли кремниевых кислот - силикаты. Они лежат в основе получения таких веществ, как:

• стекло;
• бетон;
• цемент;
• цеолит;
• каолин;
• фарфор;
• фаянс;
• хрусталь;
• керамика.

Силикаты щелочных металлов - растворимы, всех остальных - нет. Поэтому силикат натрия и калия называют жидким стеклом. Обычный канцелярский клей - это и есть натриевая соль кремниевой кислоты.

Но самыми интересными соединениями являются все же стекла. Каких только вариантов этого вещества ни придумали! Сегодня получают цветные, оптические, матовые варианты. Стеклянная посуда поражает своим великолепием и разнообразием. При добавлении определенных оксидов металлов и неметаллов в смесь можно получать самые разные типы стекла. Иногда даже одинаковый состав, но различное процентное содержание компонентов приводит к различию в свойствах вещества. Примером могут служить фарфор и фаянс, формула которых SiO₂*AL₂O₃*K₂O.

Кварцевое стекло - это форма особо чистого продукта, состав которого описывается как диоксид кремния.

Открытия в области соединений кремния

За последние несколько лет исследований было доказано, что кремний и его соединения - важнейшие участники нормального состояния живых организмов. С недостатком или избытком данного элемента связаны такие заболевания, как:

• рак;
• туберкулез;
• артриты;
• катаракта;
• проказа;
• дизентерия;
• ревматизм;
• гепатит и другие.

Сами процессы старения организма также связаны с количественным содержанием кремния. Многочисленные опыты на млекопитающих животных доказали, что при недостатке элемента возникают инфаркты, инсульты, рак и активизируется вирус гепатита.