Кремній та його сполуки. Кремній в природі. Застосування кремнію

Одним з найбільш затребуваних в техніці і промисловості елементів є кремній. Цьому він зобов`язаний своїми незвичайними властивостями. Сьогодні існує маса різних сполук даного елемента, які відіграють важливу роль у синтезі і створенні технічних продуктів, посуду, скла, обладнання, будівельних та оздоблювальних матеріалів, ювелірних прикрас і в інших галузях промисловості.

Загальна характеристика кремнію

Якщо розглядати положення кремнію в періодичній системі, то можна сказати так:

1. Розташовується в IV групі головної підгрупи.
2. Порядковий номер 14.
3. Атомна маса 28,086.
4. Хімічний символ Si.
5. Назва - кремній, або на латині - silicium.
6. Електронна конфігурація зовнішнього шару 4е: 2е: 8е.

Кристалічна решітка кремнію подібна решітці алмазу. У вузлах розташовані атоми, тип її - кубічна гранецентрированная. Однак внаслідок більшої довжини зв`язку фізичні властивості кремнію сильно відрізняються від властивостей аллотропной модифікації вуглецю.

Фізичні і хімічні властивості

Існує дві аллотропние модифікації даного елемента: аморфна і кристалічна. Вони дуже схожі. Однак, як і у випадку з іншими речовинами, головна відмінність між ними - кристалічна решітка кремнію.

При цьому обидві модифікації - це порошки різного кольору.

1. Кристалічний кремній являє собою темно-сірий блискучий порошок, схожий на метал. Структура його відповідає алмазу, однак властивості відмінні. Він володіє:

• крихкістю;
• невисокою твердістю;
• напівпровідниковими властивостями;
• температурою плавлення 1415⁰С;
• щільністю 2,33 г / см³;
• температурою кипіння 2700⁰С.

Його хімічна активність невисока в порівнянні з іншою аллотропной формою.

2. Аморфний кремній - буро-коричневий порошок, має структурою сільноразупорядоченного алмазу. Хімічна активність досить висока.

В цілому слід зауважити, що вступати в реакції кремній не любить. Щоб змусити його реагувати, потрібна температура не менше 400-500⁰С. При цих умовах утворюються різні хімічні сполуки кремнію. Такі як:

• оксиди;
• галогеніди;
• силіциди;
• нітриди;
• бориди;
• карбіди.

Можлива взаємодія кремнію з азотною кислотою або лугом, що має назву процесу травлення. Широко поширені кремнійорганічні сполуки, які сьогодні набувають все більшого поширення.

Знаходження в природі

Кремній в природі міститься в досить вагомому кількості. Стоїть на другому місці після кисню за поширеністю. Його масова частка становить близько 30%. Морська вода також містить даний елемент у приблизною концентрації 3 мг / л. Тому не можна сказати, що кремній в природі - це рідкісний елемент.

Навпаки, існує маса різних порід та мінералів, у складі яких він зустрічається і з яких його можна добувати. Найпоширеніші природні сполуки кремнію наступні:

1. Кремнезем. Хімічна формула SiO₂. Існує досить велика різноманітність форм мінералів і гірських порід на його основі: пісок, кремінь, польові шпати, кварц, гірський кришталь, аметист, халцедон, сердолік, опал, яшма та інші.
2. Силікати і алюмосилікати. Каолін, шпати, слюда, солі кремнієвої кислоти, азбест, тальк.

Таким чином, поширення в природі кремнію широко, а його сполуки користуються популярністю і попитом у людей для застосування в технічних цілях.

Кремній та його сполуки

Так як у чистому вигляді розглянутий елемент існувати не може, тому важливе значення мають різні його сполуки. З хімічної точки зору він може проявляти три ступені окислення: +2, +4, -4. Виходячи з цього, а також зі своєї інертності, але особливою за будовою кристалічної решітки, він формує наступні основні види речовин:

• бінарні сполуки з неметалами (силан, карбід, нітрид, фосфід і так далі;
• оксиди;
• кремнієву кислоту;
• силікати металів.

Розглянемо докладніше, яке значення має кремній і його сполуки, що є найпоширенішими і затребуваними для людей.

Оксиди кремнію

Існує два різновиди даної речовини, що виражаються формулами:

• SiO;
• SiO₂.

Однак найбільше поширення має діоксид. Він існує в природі у вигляді дуже красивих напівкоштовних каменів:

• агат;
• халцедон;
• опал;
• сердолік;
• яшма;
• аметист;
• Горний кришталь.

Застосування кремнію в такій формі знайшло своє застосування у виробництві ювелірних виробів. Неймовірно красиві золоті та срібні прикраси виготовляються з цими напівдорогоцінним і каменями.

Ще кілька варіацій діоксиду кремнію:

• кварц;
• річковий і кварцовий пісок;
• кремінь;
• польові шпати.

Застосування кремнію в таких видах реалізується в будівельних роботах, техніці, радіоелектроніці, хімічній галузі, металургії. Всі разом перераховані оксиди відносяться до єдиного речовині - кремнезему.

Карбід кремнію і його застосування

Кремній та його сполуки - це матеріали майбутнього і сьогодення. Одним з таких матеріалів є карборунд або карбід даного елемента. Хімічна формула SiC. Зустрічається в природі у вигляді мінералу муассаніта.

У чистому вигляді з`єднання вуглецю і кремнію - це красиві прозорі кристали, що нагадують алмазні структури. Однак в технічних цілях використовуються пофарбовані в зелений і чорний кольори речовини.

Основні характеристики даної речовини, що дозволяють використовувати його в металургії, техніці, хімічній промисловості, наступні:

• напівпровідник ширококутного;
• дуже високий ступінь міцності (7 за шкалою Мооса);
• стійкий до дії високих температур;
• відмінна електроустойчівость і теплопровідність.

Все це дозволяє використовувати карборунд як абразивного матеріалу в металургії та хімічних синтезах. А також на його основі виготовляти світлодіоди широкого спектру дії, деталі для стекловарочних печей, сопла, факели, ювелірні прикраси (муассаніт цінується вище фіаніту).

Сілан і його значення

Водневе з`єднання кремнію має назву силан і не може бути отримано прямим синтезом з вихідних речовин. Для його отримання використовують силіциди різних металів, які піддаються обробці кислотами. У результаті виділяється газоподібний силан і формується сіль металу.

Цікаво те, що аналізованих з`єднання ніколи не утворюється на самоті. Завжди в результаті реакції виходить суміш моно-, ди- і трісілана, в яких атоми кремнію з`єднані між собою в ланцюжки.

За своїми властивостями ці сполуки - сильні відновники. Самі при цьому легко окислюються киснем, іноді з вибухом. З галогенами реакції бурхливі завжди, з великим викидом енергії.

Області застосування силанов наступні:

1. Реакції органічних синтезів, в результаті яких утворюються важливі кремнійорганічні сполуки - силікони, гуми, герметики, мастила, емульсії та інші.
2. Мікроелектроніка (рідкокристалічні монітори, інтегральні технічні схеми та інше).
3. Отримання надчистого полікремнію.
4. Стоматологія при протезуванні.

Таким чином, значення силанов в сучасному світі високо.

Кремнієва кислота і силікати

Гідроксид розглянутого елемента - це різні кремнієві кислоти. Виділяють:

• мета;
• орто;
• полікремнієві та інші кислоти.

Всі їх об`єднують загальні властивості - крайня нестійкість у вільному стані. Вони легко розкладаються під дією температури. При звичайних умовах існують недовго, перетворюючись спочатку в золь, а потім в гель. Після висихання такі структури називають силикагелями. Вони використовуються в якості адсорбентів у фільтрах.

Важливими, з точки зору промисловості, є солі кремнієвих кислот - силікати. Вони лежать в основі отримання таких речовин, як:

• скло;
• бетон;
• цемент;
• цеоліт;
• каолін;
• фарфор;
• фаянс;
• кришталь;
• кераміка.

Силікати лужних металів - розчинні, всіх інших - ні. Тому силікат натрію і калію називають рідким склом. Звичайний канцелярський клей - це і є натрієва сіль кремнієвої кислоти.

Але найцікавішими сполуками є все ж скла. Яких тільки варіантів цієї речовини ні придумали! Сьогодні отримують кольорові, оптичні, матові варіанти. Скляний посуд вражає своєю пишністю і різноманітністю. При додаванні певних оксидів металів і неметалів в суміш можна отримувати самі різні типи скла. Іноді навіть однаковий склад, але різне процентний вміст компонентів призводить до відмінності у властивостях речовини. Прикладом можуть служити фарфор і фаянс, формула яких SiO₂* AL₂O₃* K₂O.

Кварцові скло - це форма особливо чистого продукту, склад якого описується як діоксид кремнію.

Відкриття в галузі сполук кремнію

За останні кілька років досліджень було доведено, що кремній та його сполуки - найважливіші учасники нормального стану живих організмів. З нестачею або надлишком даного елемента пов`язані такі захворювання, як:

• рак;
• туберкульоз;
• артрити;
• катаракта;
• проказа;
• дизентерія;
• ревматизм;
• гепатит та інші.

Самі процеси старіння організму також пов`язані з кількісним вмістом кремнію. Численні досліди на ссавців тварин довели, що при недоліку елемента виникають інфаркти, інсульти, рак і активізується вірус гепатиту.