Соединения кремния

Кремний и его соединения: формулы

Соединения кремния

Кремний (Si) – второй элемент основной (А) подгруппы 4 группы Периодической системы, учрежденной Дмитрием Ивановичем Менделеевым. Кремний очень распространен в природе, поэтому он занимает второе (после кислорода) место по распространенности.

Так, без кремния и его соединений не существовало бы Земной коры, которая более чем на четверть состоит из соединений этого химического элемента.

В чем же особенности кремния? Каковы формулы его соединений и их применение? Какие важнейшие вещества имеют в своем составе кремний? Попробуем разобраться.

Элемент кремний и его свойства

Кремний существует в природе в нескольких аллотропных модификациях – наиболее распространенными являются кремний в кристаллическом виде и аморфный кремний. Рассмотрим каждую из данных модификаций в отдельности.

Кристаллический кремний

Кремний в данной модификации является темно-серым достаточно твердым и хрупким веществом со стальным блеском.

Такой кремний является полупроводником; его полезное свойство заключается в том, что, в отличие от металлов, его электропроводность увеличивается при повышении температуры.

Температура плавления такого кремния составляет 1415 °С. К тому же, кристаллический кремний не способен растворяться в воде и различных кислотах.

Применение кремния и его соединений в кристаллической модификации невероятно многообразно. Например, кристаллический кремний входит в состав солнечных батарей, устанавливаемых на космических кораблях и крышах домов. Кремний является полупроводником и способен преобразовывать солнечную энергию в электрическую.

Помимо солнечных батарей, кристаллический кремний используется для создания многих электронных приборов и кремнистых сталей.

Аморфный кремний

Аморфный кремний – бурый/темно-коричневый порошок алмазоподобной структуры. В отличие от кристаллического кремния, данная аллотропная модификация элемента не имеет строго упорядоченной кристаллической решетки.

Несмотря на то, что аморфный кремний плавится при температуре, приблизительно равной 1400 °С, он является гораздо более активным по сравнению с кристаллическим.

Аморфный кремний не проводит ток и имеет плотность около 2 г/см³.

Такой кремний чаще всего применяется в пищевой промышленности и при изготовлении лекарственных препаратов.

Химические свойства кремния

    Основное химическое свойство кремния – горение в кислороде, в результате которого образуется крайне распространенное соединение – оксид кремния:

Si + O2 → SiO2 (при температуре).

    При нагревании кремний как неметалл образует соединения с различными металлами. Такие соединения называются силицидами. Например:

2Ca + Si → Ca2Si (при температуре).

    Силициды, в свою очередь, без затруднений разлагаются при помощи воды или некоторых кислот. В результате данной реакции образуется особое водородное соединение кремния – газ силан (SiH4):

Mg2Si + 4HCl → 2MgCl2 + SiH4↑.

    Кремний также способен взаимодействовать с фтором (при нормальных условиях):

Si + 2F2 → SiF4.

    А при нагревании кремний взаимодействует с другими неметаллами:

Si + 2Cl2 → SiCl4 (400–600°).

3Si + 2N2 → Si3N4 (1000°).

Si + C → SiC (2000°).

    Также кремний, взаимодействуя со щелочами и водой, образует соли, называемые силикатами, и газ водород:

Si + 2KOH + H2O → K2SiO3 + H2.

Однако большинство химических свойств данного элемента мы разберем, рассматривая кремний и его соединения, так как именно они являются основными веществами, на которых основано применение и взаимодействие кремния с другими химическими элементами. Итак, какие же соединения кремния являются наиболее распространенными?

Соединения кремния

Ранее мы выяснили, каким элементом является кремний и какими свойствами он обладает. Теперь рассмотрим формулы соединений кремния.

При участии кремния образуется огромное количество различных соединений. Первое место по распространенности занимают кислородные соединения кремния. К данному разряду относится SiO2 и нерастворимая кремниевая кислота.

Кислотный остаток кремниевой кислоты образует различные силикаты (например, CaSiO3 или Al2O3•SiO2). В таких солях и представленных выше соединениях кремния с кислородом элемент имеет типичную для него степень окисления +4.

Также достаточно распространены соли кремния – силициды (Mg2Si, NaSi, CoSi) и соединения кремния с водородом (например, газ силан). Силан, как известно, самовоспламеняется на воздухе с возникновением ослепительной вспышки, а силициды легко разлагаются как при помощи воды, так и различных кислот.

Рассмотрим поподробнее кремний и его соединения, считающиеся самыми распространенными.

Диоксид кремния

Другое название данного оксида – кремнезем. Это твердое и тугоплавкое вещество, которое не растворяется в воде и кислотах и имеет атомную кристаллическую решетку. В природе оксид кремния образует такие минералы и драгоценные камни, как кварц, аметист, опал, агат, халцедон, яшма, кремень и некоторые другие.

Стоит отметить, что именно из кремния первобытные люди изготавливали свои орудия труда и охоты. Кремень положил начало так называемому каменному веку благодаря его повсеместной доступности и способности образовывать острые режущие края при сколе.

Именно оксид кремния делает прочными стебли таких растений, как камыши, тростники и хвощи, листья осоки и стебли злаков. В защитных наружных покровах некоторых животных также содержится кремнезем.

К тому же, он лежит в основе силикатного клея, благодаря которому создается силиконовый герметик и силиконовый каучук.

Химические свойства оксида кремния

Диоксид кремния взаимодействует с огромным количеством химических элементов – как металлов, так и неметаллов. Например:

    При высоких температурах кремнезем взаимодействует со щелочами, образуя при этом соли:

SiO2 + 2KOH → K2SiO3 + H2O (при температуре).

    Как типичный кислотный оксид, данное соединение дает силикаты в результате взаимодействия с оксидами различных металлов:

SiO2 + CaO → CaSiO3 (при температуре).

    Или с карбонатными солями:

SiO2 + K2CO3 → K2SiO3 + CO2↑ (при температуре).

    Одно из важнейших химических свойств диоксида кремния – это возможность получения из него чистого кремния. Это можно осуществить двумя способами – при взаимодействии диоксида с магнием или углеродом:

SiO2 + 2Mg → 2MgO + Si (при температуре).

SiO2 + 2C → Si + 2CO↑ (при температуре)

Кремниевая кислота

Кремниевая кислота является очень слабой. Она нерастворима в воде и при реакциях образует студенистый осадок, который иногда способен заполнить весь объем раствора. Когда данная смесь высыхает, можно увидеть образовавшийся силикагель, который применяется как адсорбент (поглотитель других веществ).

Наиболее доступный и распространенный способ получения кремниевой кислоты можно выразить при помощи формулы:

K2SiO3 + 2HCl → 2KCl + H2SiO3↓.

Силициды

Рассматривая кремний и его соединения, очень важно сказать о таких его солях, как силициды. Такие соединения кремний образует с металлами, приобретая, как правило, при этом степень окисления -4. Однако такие металлы, как ртуть, цинк, бериллий, золото и серебро не способны взаимодействовать с кремнием и образовывать силициды.

Наиболее распространенными силицидами являются Mg2Si, Ca2Si, NaSi и некоторые другие.

Силикаты

Такие соединения, как силикаты занимают второе место по распространенности после диоксида кремния. Соли-силикаты считаются достаточно сложными веществами, так как имеют непростую структуру строения, а также они входят в состав большинства минералов и горных пород.

К наиболее распространенным в природе силикатам – алюмосиликатам – относят гранит, слюды, различные виды глин. Также известным силикатом является асбест, из которого изготавливаются огнестойкие ткани.

Применение кремния

В первую очередь, кремний применяется для получения материалов-полупроводников и кислотоупорных сплавов. Карбид кремния (SiC) часто используют для затачивания резцов станков и шлифовки ценных камней.

Из расплавленного кварца изготавливается устойчивую и крепкую кварцевую посуду.

Соединения кремния лежат в основе производства стекла и цемента.

Стекла отличаются друг от друга по составу, в котором обязательно присутствует кремний. Например, помимо оконных, существуют тугоплавкие, хрустальные, кварцевые, цветные, фотохромные, оптические, зеркальные и другие стекла.

При смешивании цемента с водой образуется особое вещество – цементный раствор, из которого впоследствии получают такой строительный материал, как бетон.

Производством этих веществ занимается силикатная промышленность. Помимо стекла и цемента, в силикатной промышленности получают кирпич, фарфор, фаянс и различные изделия из них.

Заключение

Итак, мы выяснили, что кремний является важнейшим химическим элементом, широко распространенным в природе. Кремний применяется при строительстве и художественной деятельности, а также незаменим для живых организмов. Многие вещества, начиная от простого стекла и заканчивая ценнейшим фарфором, имеют в своем составе кремний и его соединения.

Изучение химии позволяет познать окружающий наш мир и понять, что не все вокруг, даже самое великолепное и дорогое, настолько таинственно и загадочно, как могло показаться. Желаем успехов в научном познании и изучении такой прекрасной науки, как химия!

Источник

Источник: http://www.obovsyom.ru/post/kremniy-i-ego-soedineniya-formulyi

№14 Кремний

Соединения кремния

Кремниевые пластины – основа солнечных батарей

Кремний в свободном виде был выделен в 1811 Ж.Гей-Люссаком и Л.Тенаром при пропускании паров фторида кремния над металлическим калием, однако он не был описан ими как элемент. Шведский химик Й.

Берцелиус в 1823 дал описание кремния, полученного им при обработке калиевой соли K2SiF6 металлическим калием при высокой температуре. Новому элементу было дано название “силиций” (от лат. silex – кремень). Русское название “кремний” введено в 1834 году российским химиком Германом Ивановичем Гессом.

В переводе c др.-греч. krhmnoz – “утес, гора”.

Нахождение в природе, получение:

В природе кремний находится в виде диоксида и силикатов различного состава. Природный диоксид кремния встречается преимущественно в форме кварца, хотя существуют и другие минералы – кристобалит, тридимит, китит, коусит.

Аморфный кремнезем встречается в диатомовых отложениях на дне морей и океанов – эти отложения образовались из SiO2, входившего в состав диатомовых водорослей и некоторых инфузорий.

Свободный кремний может быть получен прокаливанием с магнием мелкого белого песка, который по химическому составу является почти чистым оксидом кремния, SiO2+2Mg=2MgO+Si.

В промышленности кремний технической чистоты получают, восстанавливая расплав SiO2 коксом при температуре около 1800°C в дуговых печах. Чистота полученного таким образом кремния может достигать 99,9% (основные примеси – углерод, металлы).

Физические свойства:

Аморфный кремний имеет вид бурого порошка, плотность которого равна 2.0г/см3. Кристаллический кремний – темно-серое, блестящее кристаллическое вещество, хрупкое и очень твердое, кристаллизуется в решетке алмаза.

Это типичный полупроводник (проводит электричество лучше, чем изолятор типа каучука, и хуже проводника – меди). Кремний хрупок, только при нагревании выше 800 °C он становится пластичным веществом.

Интересно, что кремний прозрачен к инфракрасному излучению, начиная с длины волны 1.1 микрометр.

Химические свойства:

Химически кремний малоактивен. При комнатной температуре реагирует только с газообразным фтором, при этом образуется летучий тетрафторид кремния SiF4. При нагревании до температуры 400-500 °C кремний реагирует с кислородом с образованием диоксида, с хлором, бромом и иодом – с образованием соответствующих легко летучих тетрагалогенидов SiHal4.

При температуре около 1000°C кремний реагирует с азотом образуя нитрид Si3N4, с бором – термически и химически стойкие бориды SiB3, SiB6 и SiB12.С водородом кремний непосредственно не реагирует. Для травления кремния наиболее широко используют смесь плавиковой и азотной кислот.Отношение к щелочам …

Для кремния характерны соединения со степенью окисления +4 или -4.

Важнейшие соединения:

Диоксид кремния, SiO2 – (кремниевый ангидрид) … …

Кремниевые кислоты – слабые, нерастворимые, образуются при добавлении кислоты в раствор силиката в виде геля (желатинообразное вещество).

H4SiO4 (ортокремниевая) и H2SiO3 (метакремниевая, или кремниевая) существуют только в растворе и необратимо превращаются в SiO2 при нагревании и высушивании.

Получающийся твердый пористый продукт – силикагель, имеет развитую поверхность и используется как адсорбент газов, осушитель, катализатор и носитель катализаторов.

Силикаты – соли кремниевых кислот в большинстве своем (кроме силикатов натрия и калия) нерастворимы в воде. Свойства ….
Водородные соединения – аналоги углеводородов, силаны, соединения, в которых атомы кремния соединены одинарной связью, силены, если атомы кремния соединены двойной связью. Подобно углеводородам эти соединения образуют цепи и кольца. Все силаны могут самовозгораться, образуют взрывчатые смеси с воздухом и легко реагируют с водой.

Применение:

– Наибольшее применение кремний находит в производстве сплавов для придания прочности алюминию, меди и магнию и для получения ферросилицидов, имеющих важное значение в производстве сталей и полупроводниковой техники.

Кристаллы кремния применяют в солнечных батареях и полупроводниковых устройствах – транзисторах и диодах. Кремний служит также сырьем для производства кремнийорганических соединений, или силоксанов, получаемых в виде масел, смазок, пластмасс и синтетических каучуков.

Неорганические соединения кремния используют в технологии керамики и стекла, как изоляционный материал и пьезокристаллы

https://www.youtube.com/watch?v=BT8e4JmalNI

Для некоторых организмов кремний является важным биогенным элементом. Он входит в состав опорных образований у растений и скелетных – у животных. В больших количествах кремний концентрируют морские организмы – диатомовые водоросли, радиолярии, губки.

Большие количества кремния концентрируют хвощи и злаки, в первую очередь – подсемейства Бамбуков и Рисовидных, в том числе – рис посевной. Мышечная ткань человека содержит (1-2)·10-2% кремния, костная ткань – 17·10-4%, кровь – 3,9 мг/л.

С пищей в организм человека ежедневно поступает до 1 г кремния.

Антонов С.М., Томилин К.Г.
ХФ ТюмГУ, 571 группа.

Источники: Википедия, Онлайн Энциклопедия Кругосвет, сайт http://periodictable.ru/
Прочитать также: “Серой тенью среди прочих…”

КонТрен – Химия для школьников, студентов, учителей …подготовка к экзаменам и олимпиадам

   

Источник: http://www.kontren.narod.ru/x_el/info14.htm

Кремний и его соединения. Кремний в природе. Применение кремния

Соединения 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:

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.

Источник: http://fb.ru/article/180365/kremniy-i-ego-soedineniya-kremniy-v-prirode-primenenie-kremniya

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.

    ×
    Рекомендуем посмотреть