Кремний и его соединения играют важную роль в современной науке и технике. От полупроводниковых приборов до оптического стекла - во многих областях трудно обойтись без этого элемента. Понимание химических свойств кремния, в том числе его степеней окисления, крайне важно для эффективного использования его соединений.
Физические и химические свойства кремния
Кремний - элемент с атомным номером 14, расположенный в 4-й группе периодической системы. По распространенности в земной коре он занимает второе место после кислорода. В свободном виде кремний представляет собой тугоплавкий полупроводник серого цвета.
Основные физические характеристики кремния:
- Плотность - 2,33 г/см3
- Температура плавления - 1415°C
- Температура кипения - 2900°C
- Теплопроводность - 95,5 Вт/(м·К)
- Удельное электросопротивление - 2,3·103 Ом·м
Химические свойства кремния во многом определяются наличием на его поверхности тонкой оксидной пленки, придающей кремнию относительную инертность. При высоких температурах кремний активно взаимодействует с металлами и неметаллами. В соединениях кремний чаще всего проявляет степени окисления +4 и -4.
Кремний: степень окисления и валентность в соединениях
Прежде чем перейти к обзору конкретных степеней окисления кремния, давайте уточним эти понятия.
Степень окисления - это условный заряд атома в молекуле, выражающийся целым числом. Она показывает, сколько электронов атом отдал на образование химических связей или принял из окружения.
В то время как валентность отражает реальное число ковалентных связей, образованных атомом в молекуле или кристаллической решетке.
Степень окисления кремния в элементарном состоянии равна нулю, так как атом не отдал и не принял электронов для связывания с другими атомами. Рассмотрим теперь, какие степени окисления проявляет кремний в различных классах соединений.
В неорганических соединениях кремний может иметь степень окисления от -4 до +4. Наиболее распространены соединения, где кремний проявляет высшую степень окисления +4, например:
- Диоксид кремния SiO2
- Тетрахлорид кремния SiCl4
- Ортокремниевая кислота H4SiO4
Низшая степень окисления кремния равна -4, она реализуется в некоторых силицидах, таких как Mg2Si и CaSi.
В органических соединениях наиболее часто встречается степень окисления +4, реже +2. Примером соединения с Si(+2) может служить диметилсилилен (CH3)2Si:.
Получение соединений кремния
Возможные степени окисления кремния в конечном продукте во многом зависят от условий синтеза. Рассмотрим основные методы получения неорганических и органических соединений этого элемента.
Элементарный кремний для нужд микроэлектроники и солнечной энергетики получают восстановлением оксида кремния углеродом в электропечах или путем разложения газообразных соединений, таких как хлорсиланы и силаны.
Оксид кремния SiO2 является одним из наиболее распространенных соединений в природе в виде минералов кварца, кремнезема, а также песка. В лаборатории и промышленности SiO2 получают реакцией кремния или его соединений с кислородом или окислителями.
Синтез галогенидов
Взаимодействие кремния с галогенами позволяет получить четыреххлористый (SiCl4), четырехфтористый (SiF4) и другие галогениды кремния в высшей степени окисления +4. Их активно используют в качестве исходных реагентов для последующего синтеза.
Получение кремнийорганических соединений
Для синтеза органосиланов часто применяют реакции галогенидов кремния с органическими соединениями, содержащими активные атомы водорода, такими как спирты, амины и углеводороды. Например:
SiCl4 + 4C2H5OH → Si(OC2H5)4 + 4HCl
Также "возможно" применение реакций гидрирования, дегидроконденсации, дегидрохлорирования и других для синтеза кремнийорганики.
Анализ соединений кремния: Гравиметрический анализ
Для определения содержания кремния в образце часто используют метод гравиметрии. Суть его заключается в осаждении кремния в виде труднорастворимого соединения, высушивании осадка и взвешивании. В качестве осадителя обычно применяют гидроксид аммония:
H2SiO3 + 2NH4OH → Si(OH)4↓ + 2NH4+
По массе полученного оксигидроксида кремния рассчитывают процентное содержание элемента в пробе. Гравиметрический метод обладает высокой точностью, но требует значительных затрат времени.
Спектральные методы
Для быстрого экспресс-анализа соединений кремния используют различные спектральные методы. Например, атомно-эмиссионная и атомно-абсорбционная спектроскопия позволяют количественно определить содержание элемента в образце по интенсивности аналитических спектральных линий.
Хроматографические методы
Для идентификации и определения состава кремнийорганических соединений широко применяют различные варианты хроматографии, в том числе газовую и жидкостную. Эти методы также дают возможность разделить смеси органосиланов и исследовать каждое вещество в отдельности.
Биологическая роль кремния
Соединения кремния играют важную роль в процессах жизнедеятельности многих организмов. Особенно много кремния содержится в растениях семейства злаков, а также в одноклеточных организмах - диатомовых водорослях и радиоляриях. Доказана необходимость кремния для роста соединительных тканей и костей у животных и человека.
Роль кремния в организме человека: Потребность в кремнии
Организм человека нуждается в постоянном поступлении небольших количеств кремния. Суточная потребность составляет 20-50 мг этого микроэлемента. Особенно велика потребность в кремнии у детей, беременных и кормящих женщин, пожилых людей, при переломах костей.
Источники кремния
Кремний поступает в организм человека главным образом с растительной пищей. Много кремния содержится в злаках, орехах, овощах и фруктах. Животные продукты не являются хорошим источником этого элемента.
Роль кремния в организме
В организме человека кремний стимулирует рост и регенерацию костной и соединительной ткани, укрепляет стенки сосудов, улучшает состояние кожи, ногтей и волос. Кремний участвует в синтезе коллагена, обеспечивает усвоение кальция.
Недостаток кремния
Дефицит кремния в организме может привести к нарушениям роста и развития костей, деформации скелета, ломкости ногтей и выпадению волос, преждевременному появлению морщин. Кремний необходим для профилактики остеопороза.
Избыток кремния
При избыточном поступлении соединений кремния возможно развитие кремниевой интоксикации с симптомами головной боли, тошноты, рвоты. Вдыхание пыли диоксида кремния вызывает силикоз легких.
Применение соединений кремния
Кремний в электронике и оптике
Благодаря уникальным полупроводниковым свойствам, кремний является базовым материалом всей твердотельной электроники. Из монокристаллов кремния изготавливают чипы для компьютеров, смартфонов, приборов бытовой техники.
В оптике кремний широко используется для производства линз и окон, прозрачных в инфракрасном диапазоне.
Кремнийсодержащие материалы
Добавки кремния позволяют улучшить эксплуатационные характеристики многих материалов. Он входит в состав легированных сталей, алюминиевых и медных сплавов.
Широко используются кремнийорганические полимеры, кремнийсодержащие лаки, краски, герметики.
Стекло, керамика, цемент
Основным сырьем для производства стекла, фарфора, фаянса и других силикатных материалов является кварцевый песок, состоящий из диоксида кремния с примесями. Кремнезем также входит в состав всех видов строительного цемента.
