Кремний как химический элемент и простое вещество

I. Общая характеристика.

Кремний находится в IV группе главной (А) подгруппе, в третьем периоде, третьем ряду периодической системы. О нем в периодической системе имеются сведения: Si — химический знак (две буквы латинского названия, показывающие, что это кремний, один его атом и 28 мае. ч); >4_r(Si) = 28 показывает, что масса атома кремния в 28 раз больше массы 1 а.е.м., а в ядре атома содержится 28 нуклонов; номер кремния — 14, т. е. в ядре атома содержится 14 протонов, а в электронной оболочке 14 электронов. М (Si) = 28 г/моль.

Изобразите схему, электронную и электронно-графическую формулы атома.

Краткие электронные и графические формулы, объясняющие валентные состояния:

Кремний проявляет С.О. = -4, 0, +4.

II. Физические свойства.

Кремний — твердое вещество, которое может находиться в кристаллическом или аморфном состояниях; р[5Наморф)] = 2,33 г/см³; p[Si (K) = 2,4 г/см³.

Кристаллический кремний имеет решетку, подобную таковой для алмаза. Это тугоплавкое вещество (/^ = 1480 °С) с металлическим блеском и полупроводниковыми свойствами.

III. Химические свойства.

1. Кремний взаимодействует с металлами, образуя силициды:

2. Реагирует с неметаллами (кислородом, фтором и т. д.):

3. Кремний взаимодействует с щелочами, образуя силикаты:

4. Реагирует с фтороводородной кислотой (с другими кислотами не взаимодействует) при обычных условиях, так как тетрафторид кремния — газ и прочное химическое соединение (принципиальное отличие кремния от других неметаллов):

Установлено, что аморфный кремний реакционноспособнее, чем кристаллический.

IV. Получение.

В лаборатории кремний, как правило, не получают.

В промышленности получают как аморфный, так и кристаллический кремний.

1. При действии на кремнезем (диоксид кремния) магнием получают аморфный кремний:

2. При взаимодействии кремнезема с углеродом получается кристаллический кремний:

V. Применение.

Кремний используют в электронике, так как он обладает полупроводниковыми свойствами. Его применяют как легирующий компонент при изготовлении особых сортов стали (кислотостойких сталей), для получения некоторых соединений кремния, для изготовления солнечных батарей и т. д.

VI. Нахождение в природе, экологическая роль.

Кремний — «царь» неорганической природы. Он занимает второе (после кислорода) место по распространению в литосфере (29,5% по массе). Встречается в виде соединений. Наиболее распространенное соединение — диоксид кремния Si0₂ в форме различных природных модификаций (кварцевый песок, диатомит, горный хрусталь и т. д.). Кремний входит в состав гранита, каолина, глин, различных видов слюды, силикатных и алюмосиликатных минералов. Кремний также входит в состав живых организмов, например диатомовых водорослей, образуя их скелет; после гибели этих водорослей накапливаются месторождения диатомита или трепела. Много кремния содержится в тканях хвощей.

Кремний образует большое разнообразие химических соединений, в том числе и органических, которые называются кремнийорганическими соединениями.

VII. Краткая характеристика силана.

С водородом кремний образует различные соединения, простейшим из которых является силан SiH₄. Это вещество по строению и свойствам похоже на метан, но оно химически менее стойко. Это сильный восстановитель. Напишите уравнения взаимодействия силана с кислородом, а также его разложения. Получают силан действием кислоты на силицид:

У силана есть гомологи. Из силана можно получить кремнийорганические вещества.

• ? Задания для самостоятельной работы
• 1. Поясните, чем атом углерода отличается от атома кремния и как это отражается на свойствах последнего.
• 2. Поясните, почему химическая активность аморфного кремния больше таковой для кристаллического.
• 3. Приведите три примера, иллюстрирующих химические свойства кремния.
• 4. Поясните, почему кремний реагирует с плавиковой кислотой.
• 5. Приведите два обоснованных примера, иллюстрирующих применение кремния.
• 6. Приведите три обоснованных примера, иллюстрирующих роль кремния, экологическую роль кремния.