Кремний – химический элемент IV группы периодической системы Менделеева, атомный номер 14, масса атома 28,0855. Какими же свойствами обладает кремний, и каковы его характеристики?
Общая химическая характеристика кремния
Кремний – это элемент третьего периода IVА группы, р-элемент. В атоме кремния есть пять незанятых d-орбиталей. С их участием кремний образует соединения, в которых его координационное число равно 6. Для кремния характерно образование цепей, в которых чередуются атомы кремния и кислорода, соединенные прочными связями.
Рис. 1. Кремний.
Кремний в природе встречается в связанном виде: земная кора более чем наполовину состоит из кремнезема SiO 2 , силикатных алюмосиликатных пород типа каолинита Al 2 O 3 *2SiO 2 *2H 2 O, главных составных частей песка и глины.
Название этот элемент получил от минерала с латинским названием silisium (silex – означает кремень). Русское название «кремний» введено в 1834 году. академиком Г. И. Гессом.
Физические свойства
Известен аморфный и кристаллический кремний. Характер кристаллического кремния состоит в том, что это темно-серое с металлическим блеском, тугоплавкое, хрупкое кристаллическое вещество, обладающее незначительной проводимостью.
Расположение атомов Si такое же, как атомов С в алмазе. Каждый атом кремния находится в центре тетраэдра и связан ковалентно с четырьмя другими атомами кремния. Аморфный кремний – бурый порошок, который является более реакционноспособным.
У кремния в природе встречаются три стабильных изотопа
Рис. 2. Изотопы кремния.
Химические свойства
Так как у атома кремния на внешнем энергетическом уровне имеется четыре электрона, то характерными степенями окисления его являются +4 и -4.
Соединения, содержащие кремний со степенью окисления +2, встречаются редко.
В соединениях кремний проявляет валентность IV, вступая при нагревании во взаимодействие с простыми веществами (фтором, хлором, кислородом, углеродом).
При обычных условиях из простых веществ кремний реагирует лишь с фтором:
Si+2F 2 =SiF 4 (тетрафторид кремния)
Рис. 3. Тетрафторид кремния.
С кислородом и фтором реакции протекают при +400-+600 градусах:
Si+O 2 =SiO 2
Si+2Cl=SiCl 4 (тетрахлорид кремния)
С кислотами кремний не реагирует. Только аморфный кремний, измельченный в порошок, реагирует с фтороводородной кислотой.
Кремний взаимодействует с горячими растворами щелочей, образуя силикаты и водород:
Si+2NaOH+H 2 O=Na 2 SiO 3 +2H 2
Со многими металлами кремний химически взаимодействует, образуя силициды:
2Ca+Si=Ca 2 Si (силицид кальция)
2Mg+Si=Mg 2 Si (силицид магния)
При действии соляной кислоты на силицид магния Mg 2 Si образуется силан SiH 4:
Mg 2 Si+4HCl=SiH 4 +2MgCl 2
Силан – бесцветный ядовитый газ, аналог метана, самовоспламеняющийся на воздухе и сгорающий с образованием оксида кремния и воды:
SiH 4 +2O 2 =SiO 2 +2H 2 O
Что мы узнали?
В статье описываются физические и химические характеристики элемента кремния. Валентность кремния почти всегда IV , и лишь в некоторых соединениях проявляется валентность II. Кремний при нагревании температуры способен реагировать с металлами, неметаллами и щелочами.
Тест по теме
Оценка доклада
Средняя оценка: 4.1 . Всего получено оценок: 62.
Силиконовый минерал кремний
разновидность кремнезёма - черный, темно-серый или светлый - довольно часто встречается в природе, и человек хорошо знаком с ним. Но о целебных свойствах кремния стало известно совсем недавно: в конце 70-х годов XX века. Хотя человечество познакомилось с кремнием очень давно.
Кремень - камень, положивший начало человеческой цивилизации. На всём протяжении каменного века кремень служил материалом для изготовления орудий труда и охоты, с его помощью добывали огонь. О целебных свойствах кремня упоминается в трактатах древних философов. Его использовали для срезания бородавок, для отделки стен в помещениях, где хранилось мясо, для присыпки ран в виде порошка, что предотвращало гангрену, кремниевые жернова на мельницах позволяли получать муку с отменными хлебопекарными и вкусовыми качествами. Издавна кремнием выкладывали дно и внутреннюю поверхность колодцев, так как было замечено, что люди, употреблявшие воду из таких колодцев, меньше болеют, и такая вода необыкновенно прозрачная, вкусная и целебная.
В природе кремний встречается в виде широко распространенных минералов - кварца, халцедона, опала и др. В группу этих минералов входят и сердолик , и яшмы , горный хрусталь , агат , опал , аметист и многие другие камни. Основа этих минералов - диоксид кремния или кремнезём, а вот плотность, цвет, некоторые другие свойства - разные. В состав кремней, кроме кремнезёма, входят около 20 химических элементов, основные из которых - Mg, Ca, P, Sr, Mn, Cu, Zn и др. Отсюда и столько названий. Но самый известный среди представителей этого семейства, бесспорно, кремень. Большая часть земной коры состоит из неорганических соединений кремния (28 об.%).
Кремний (Silicium - лат.) химический элемент, атомный номер 14, IV группа периодической системы. Атомы кремния составляют основу глины, песка и скал. Можно сказать, что весь неорганический мир связан с кремнием. В природных условиях кремниевые минералы находятся в кальцитах и меле.
Кремний является вторым после кислорода по объему запасов в земной коре элементом и составляет около трети всего ее веса. Каждый 6 атом в коре земной оболочки - атом кремния. В морской воде кремния содержится даже больше чем фосфора, столь необходимого для жизни на Земле.
В нашем организме кремний содержится в щитовидной железе, надпочечниках, гипофизе. Самая высокая концентрация его обнаружена в волосах и ногтях.
Кремний также входит в состав коллагена - основного белка соединительной ткани. Основная его роль - участие в химической реакции, скрепляющие отдельные волокна коллагена и эластина, придавая соединительной ткани прочность и упругость. Кремний также входит в состав коллагена волос и ногтей, играет важную роль в срастании костей при переломах.
Особая роль у кремния в жизни и здоровье людей, а также растительного и животного мира. Кремний поглощается растениями в виде растворенных кремниевых кислот, силикатов и коллоидного кремнезема. Отсутствие кремния неблагоприятно влияет на всхожесть, рост и урожайность зерновых, в основном, риса, а также сахарного тростника, подсолнечника, таких культур, как картофель, свекла, морковь, огурцы и томаты. С овощами, фруктами, молоком, мясом и другими продуктами человек ежедневно должен потреблять 10-20 мг кремния. Это количество необходимо для нормальной жизнедеятельности, роста и развития организма.
Научные исследования о роли кремния для здоровья людей освещены в монографиях В. Кривенко и др. "Литотерапия", М., 1994, Э. Михеевой "Целительские свойства кремния", С-П, 2002, трудах М. Воронкова и И. Кузнецова (АН СССР, Сиб. отд., 1984), А. Паничева, Л. Зардашвили, Н. Семеновой и др. Показано, что кремний участвует в обмене фтора, магния, алюминия, и других минеральных соединений, но особенно тесно взаимодействует со стронцием и кальцием. Один из механизмов воздействия кремния состоит в том, что благодаря своим химическим свойствам он создает электрические заряженные коллоидные системы, которые обладают свойством адсорбировать вирусы и болезнетворные микроорганизмы, несвойственные человеку.
Некоторые растения способны концентрировать кремний. Это топинамбур
, редис
, олив
а, смородина
, полевой хвощ
и др. Много кремния накапливается в зерновых культурах, особенно в семенной оболочке (отрубях): рисе, овсе, просе, ячмене, сое. При размоле зерен на мельнице их освобождают от оболочки, чем лишают кремния и этим обесценивают.
Богаты кремнием и минеральные воды. А вот рафинированный сахар практически лишен кремния. Только неочищенный желтый сахар имеет кремний и поэтому представляет большую ценность.
Высоким содержанием кремния отличаются хвощи - широко распространенные растения отечественной флоры, применяемые все чаще в последнее время в народной медицине. В этом отношении хорошо зарекомендовали себя масляный экстракт лопуха, экстракт хвоща, органические соединения кремния (керамиды), входящие в состав лекарства под названием масло репейное с экстрактом хвоща (с керамидами). Специальные исследования показали, что это лекарство:
Рекомендации по применению : при нарушении структуры волос, обусловленном внешними или внутренними факторами, а также при истончении и тусклом внешнем виде волос.
Способ применения : теплое масло нанести на волосы и кожу головы, мягко и тщательно втирать не менее 15 минут (при этом избегать резких и интенсивных движений, так как при этом ломаются и выдергиваются волосы), затем равномерно распределить масло по всей длине волос. Аппликацию проводить в течение 1 часа, после чего смыть мягким шампунем.
Также кремний отвечает за обеспечение защитных функций, процессов обмена веществ и дезинтоксикации. Он работает как биологический «сшивающий» агент, участвующий в образовании молекулярной «архитектуры» полисахаридов и их комплексов с белками, придает эластичность соединительным тканям, входит в состав эластина кровеносных сосудов, придает прочность, эластичность и непроницаемость их стенкам и препятствует проникновению липидов в плазму крови.
Исследования показали, что в воде кремний подавляет бактерии, вызывающие брожение и гниение, осаждает тяжелые металлы, нейтрализует хлор, сорбирует радионуклиды. В живом организме биологически активные вещества кремния вместе с белковыми структурами способствуют образованию ферментов, аминокислот, гормонов. Кремний особенно необходим в соединительной ткани, он содержится в щитовидной железе, надпочечниках, гипофизе. Много кремния в волосах. Самая высокая концентрация его обнаружена в волосах и ногтях.
Кремний:
Нехватка кремния в организме приводит к:
Обнаружена зависимость между концентрацией кремния в питьевой воде и сердечнососудистыми заболеваниями. Туберкулез, диабет, проказа, гепатит, гипертония, катаракта, артриты, рак сопровождаются понижением концентрации кремния в тканях и органах, либо нарушениями его обмена.
Между тем наш организм ежедневно теряет кремний - в среднем в сутки с пищей и водой мы потребляем 3,5 мг кремния, а теряем около 9 мг!
Причины дефицита кремния в организме:
Обычно снижение содержания кремния происходит на фоне общей минеральной недостаточности и сопровождается дефицитом магния и кальция.
Признаки дефицита кремния :
Известно, что биологический возраст человека определяется скоростью протекания обменных процессов, т.е. скоростью обновления как отдельных клеток. И если проблему увлажнения и защиты в той или иной степени способны решать многие косметические препараты, то проблема ускорения обмена веществ требует более интенсивной смены внешнего слоя кожи.
Замедление процессов регенерации кожи начинается приблизительно с 30 лет. К этому времени организм уже начинает ощущать недостаток кремния. Самостоятельно восстановить дефицит кремния наш организм не может, поскольку окружающие нас природные соединения кремния в большинстве своём биологически неактивны и не способны участвовать в биохимических реакциях внутри клетки.
Кремний - прекрасное косметическое средство. Оно очищает кожу от гнойничковых образований. Особенно полезно умываться кремниевой водой, а также принимать ее внутрь при юношеских прыщах. В процессе исследований учёными был создан новый класс органических соединений кремния, способных ускорять обменные процессы в коже и, участвуя в синтезе белков соединительной ткани эластина и коллагена, повышать упругость кожи и ликвидировать образовавшиеся морщины.
Запатентованные компанией WGN кремнийсодержащие соединения ускоряют обменные процессы в клетках, регенерируют эластиновые и коллагеновые волокна. Результаты создания активных соединений нанокремния легли в основу разработки линии так называемых «нанокремниевых» косметических препаратов NewAge.
Биоактивный нанокремний проникает в глубокие слои кожи, очищает их и обеспечивает защиту, сохраняющую естественную проницаемость и дыхательную способность кожи. Нонокремний, стимулируя процессы пролиферации и регенерации, ускоряет обновление эпидермиса и восстанавливает функции клеток дермы - фибробластов.
Достоинствами кремниевой косметики являются дерматологическая совместимость компонентов; возможность использования для любого типа кожи, включая чувствительную; высокая эффективность действия, мягкая стимуляция естественных биохимических механизмов функционального состояния кожи.
При взаимодействии с водой кремень изменяет её свойства. Активированная кремнем вода действует губительно на микроорганизмы, подавляет бактерии, вызывающие гниение и брожение, в ней происходит активное осаждение соединений тяжёлых металлов, вода становится чистой на вид и приятной на вкус, она долгое время не портится и приобретает многие другие целебные качества.
Кремень относится к минералам семейства кварцев или халцедонов. В группу этих минералов входят и сердолик, и яшмы, горный хрусталь, агат, опал, аметист и многие другие камни. Основа этих минералов - диоксид кремния SiO2 или кремнезём, а вот плотность, цвет, некоторые другие свойства - разные. В состав кремней, кроме кремнезёма, входят около 20 химических элементов, основные из которых - Mg, Ca, P, Sr, Mn, Cu, Zn и др. Отсюда и столько названий. Но самый известный среди представителей этого семейства, бесспорно, кремень.
Причины и механизм взаимодействия кремня с водой не выяснен окончательно. Возможно, целительное действие кремния объясняется способностью его образовывать с водой особые ассоциаты - коллоиды, поглощающие из среды грязь и постороннюю микрофлору.
Говоря о полезных для организма свойствах кремния мы в первую очередь вспоминаем воду. В человеческом организме около 70% воды, и поэтому трудно представить жизнь без неё. А если учесть, что все виды обмена веществ осуществляются через водную среду, что именно вода является проводником преобладающего большинства физиологических жизненные процессы, что без неё невозможна ни одна форма жизни - углеродная, кремниевая или любая другая, то становится ясно, что активированная кремнем вода приобретает особенное значение.
«...в системе кремень - водные растворы неорганических солей происходит интенсивное оседание ряда металлов: алюминия, железа, кадмия, цезия, цинка, свинца, стронция.» - П. Аладовский, руководитель лаборатории Центрального НИИ использования водных ресурсов, д.х.н. Другими словами, кремень вытесняет из воды вредные металлы, очищая её. Они остаются на дне, а сверху оказывается чистая вода.
«Вода, обработанная кремнем оказывает влияние на адсорбционную способность радионуклидов. Это, возможно, позволит использовать её для решения некоторых радиохимических задач на загрязнённой радионуклидами территории Беларусии.» - д.х.н. Ю. Давыдов - руководитель лаборатории Института радиологических проблем Национальной академии наук Республики Беларусь.
«Кремниевая вода, начиная с пятого дня хранения, обладает способностью укреплять гемостатические возможности крови, увеличивает её способность к свёртыванию». Е. Иванов - директор Института гематологии и переливания крови Министерства здравоохранения Республики Беларусь, д.м.н. На память сразу приходит гемофилия - болезнь, при которой кровь сворачивается плохо. А это значит, что человек, получивший даже маленькую царапину, может умереть от потери крови.
«На протяжении нескольких лет мной не наблюдалось раковых заболеваний у множества больных, которые употребляли активированную кремнем воду (АКБ). Нами установлено, что на 5-6 день приёма АКБ (6-8 раз в сутки) у больных с многочисленными трофическими язвами нижних конечностей увеличивается количество Т- и В-лимфоцитов. А это свидетельствует о способности возобновлять утраченный и ослабленный иммунитет. Кроме того, АКБ снижает количество холестерина в крови, особенно при ожирении. Таким образом, АКБ служит для профилактики атеросклероза» - М. Синявский профессор кафедры медицинской подготовки Могилёвского государственного университета им. А.А. Кулешова.
Что же это такое - кремниевая вода ? Кремниевая вода - это настойка на тёмно-коричневом кремне, которую применяют внутрь и наружно. Методика приготовления кремневой воды достаточно простая. В 2-3 литровую емкость, желательно, стеклянную, вносят 40-50 г мелких камешков кремня желательно интенсивно-ярко-коричневого (но не чёрного) цвета, вливают воду из водопроводной сети, но лучше после обычного фильтрования, и ставят её в защищенное от прямых солнечных лучей место и вне земных патогенных излучений.
Такая вода для питья будет готова через 2-3 суток. При соблюдении этой же технологии, но если завязать горловину 2-3 слоями марли и поставить воду на светлое место при температуре выше 5оС на 5-7 дней, то эта вода по своим свойствам может использоваться не только в качестве питьевой, но и для лечебно-профилактических целей. Её полезно употреблять для приготовления пищи - чая, супов и т.п. Пить кремениевую воду можно без ограничений (в норме 1,5-2 л в день). Если нет возможности, то хотя бы 3-5 раз в день по полстакана и всегда маленькими глотками и желательно в прохладном виде.
Применять кремень, как уже упоминалось, только ярко-коричневого (не черного) цвета.
Использовать нужно только природные минералы. Дело в том, что в кремне содержатся остатки микроорганизмов, которые в свое время из ила мелового и более древних эпох сформировался кремень.
После одно- двукратного использования камень нужно промыть прохладной водой и 2 часа проветривать на свежем воздухе. При появлении на поверхности камешков наслоений или налетов необходимо их погрузить в 2% раствор уксусной кислоты или подсоленную воду на 2 часа; затем сполоснуть 2-3 раза обычной водой и опустить на 2 часа в раствор питьевой соды и снова сполоснуть.
Специфические свойства кремниевой воды позволяют заниматься профилактикой многих заболеваний. Кремниевая вода положительно влияет на общее состояние организма в целом.
Если вы пьёте активированную кремнем воду или готовите на ней пищу происходит:
- укрепление иммунной системы, увеличивается количество Т- и В- лимфоцитов крови;
Улучшается состояние людей, страдающих заболеваниями печени, т.к. вода помогает оттоку желчи;
Быстрое заживление ожогов, порезов, ушибов, трофических язв;
Помогает при расстройстве желудка, снимает воспалительные процессы в ЖКТ и при гастрите;
Снижение уровня сахара в крови, а также веса, предрасположенных к полноте диабетиков;
Снижение уровня холестерина в крови, особенно при ожирении, профилактика - атеросклероза и улучшение работы почек;
Нормализует состояние больных, страдающих гипертонией;
Нормализует обмен веществ;
Повышается общий тонус.
При наружном применении кремниевая вода стимулирует процессы восстановления организма при:
- лечении ангины, насморка, воспаления дёсен (полоскания горла и рта после еды);
При вирусных заболеваниях полости рта, стоматитах и гингивитах;
Лечении аллергии, фурункулов, диатеза, дерматита, различных кожных раздражений (примочки и умывание);
При конъюктивите снимает зуд и воспаление;
Умывание такой водой способствует улучшению состояния кожи, уменьшению количества морщин и предотвращение появления новых, способствует устранению неровностей, угрей, прыщей;
Ополаскивание головы и волос, втирание в кожу головы способствует укреплению и росту волос;
При некоторых заболеваниях кожи (простой пузырьковый, опоясывающий и розовый лишай).
- При выпадающих и "секущихся" волосах промывать голову "кремневой" водой;
Для снятия раздражения после бритья, ополаскивать лицо такой же водой;
При "юношеских прыщах" умываться и применять внутрь "воду";
Кусочками льда протирать кожу лица, замороженной "кремневой" водой;
Для профилактики парадантоза ополаскивать дёсны "водой" при чистке зубов.
Применение в лечебно-профилактических целях "кременевой" воды способствует быстрому заживлению ран, предотвращению образования опухолей при регулярном приеме воды, улучшению состава крови, восстановлению функции надпочечников, снятию воспалительных процессов в желудочно-кишечном тракте и при гастритах, нормализации содержания сахара в крови, снижению веса, излечиванию при переломах (кости срастаются быстрее и без осложнений), улучшению работы почек и обмену веществ, отделению и выводу желчи. Кремниевая вода убивает вирусы; для профилактики в период респираторных эпидемий рекомендуется "воду" закапывать в нос. Это помогает при бессоннице.
В домашнем хозяйстве рекомендуется поливать цветы, что удлиняет срок цветения; ускоряет срок плодоношения фруктовых деревьев и овощных культур; повышает урожайность на 10%. Убивает плесень, серую гниль, в частности на клубнике, и другие грибки. Замачивание семян в такой воде повышает всхожесть. Цветы лучше хранить в ёмкости, где находятся кремниевые камешки, срок их хранения резко возрастает. В аквариуме кремень предотвращает цветение воды. Помогает кремний и очищать воду в походе, что важно знать туристам.
Кремниевую воду также полезно пить при атеросклерозе (сосуды очищаются от склеротических отложений), различного рода нарушения обмена веществ, ангине, гриппе, фарингите (полоскание кремниевой водой заметно снижает длительность этих заболеваний - ведь кремний здесь действует как антибиотик), ревматизм, болезнь Боткина (кремний убивает патогенные вирусы), болезни зубов и суставов (ибо кремний восстанавливает целостность костных тканей).
И теперь самый важный момент - противопоказания. Кремниевая вода имеет противопоказания, и обращаться с ней нужно очень осторожно. Врачи заметили, что тем, кто имеет предрасположенность к онкологическим заболеваниям, лучше совсем от нее отказаться.
Характеристика элемента
14 Si 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2
Изотопы: 28 Si (92.27 %); 29 Si (4.68 %); 30 Si (3,05 %)
Кремний - второй после кислорода по распространенности в земной коре элемент (27,6 % по массе). В свободном состоянии в природе не встречается, находится преимущественно в виде SiO 2 или силикатов.
Соединения Si токсичны; вдыхание мельчайших частиц SiO 2 и др. соединений кремния (например, асбеста) вызывает опасную болезнь - силикоз
В основном состоянии атом кремния имеет валентность = II, а в возбужденом состоянии = IV.
Наиболее устойчивой степенью окисления Si является +4. В соединениях с металлами (силицидах) С.О. -4.
Способы получения кремния
Самым распространенным природным соединением кремния является кремнезем (диоксид кремния) SiО 2 . Он является основным сырьем для получения кремния.
1) Восстановление SiO 2 углеродом в дуговых печах при 1800"С: SiO 2 + 2С = Si + 2СО
2) Высокочистый Si из технического продукта получают согласно схеме:
a) Si → SiCl 2 → Si
б) Si → Mg 2 Si → SiH 4 → Si
Физические свойства кремния. Аллотропные модификации кремния
1) Кристаллический кремний - вещество серебристо - серого цвета с металлическим блеском, кристаллическая решетка типа алмаза; т. пл. 1415"С, т. кип. 3249"С, плотность 2,33 г/см3; является полупроводником.
2) Аморфный кремний - порошок бурого цвета.
Химические свойства кремния
В большинстве реакций Si выступает в роли восстановителя:
При низких температурах кремний химически инертен, при нагревании его реакционная способность резко возрастает.
1. С кислородом взаимодействует при Т выше 400°С:
Si + О 2 = SiO 2 оксид кремния
2. С фтором реагирует уже при комнатной температуре:
Si + 2F 2 = SiF 4 тетрафторид кремня
3. С остальными галогенами реакции идут при температуре = 300 - 500°С
Si + 2Hal 2 = SiHal 4
4. С парами серы при 600°С образует дисульфид:
5. Реакция с азотом происходит выше 1000°С:
3Si + 2N 2 = Si 3 N 4 нитрид кремния
6. При температуре = 1150°С реагирует с углеродом:
SiO 2 + 3С = SiС + 2СО
По твердости карборунд близок к алмазу.
7. С водородом кремний непосредственно не реагирует.
8. Кремний стоек к действию кислот. Взаимодействует только со смесью азотной и фтороводородной (плавиковой) кислот:
3Si + 12HF + 4HNO 3 = 3SiF 4 + 4NO + 8H 2 O
9. реагирует с растворами щелочей с образованием силикатов и выделением водорода:
Si + 2NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 2H 2
10. Восстановительные свойства кремния используют для выделения металлов из их оксидов:
2MgO = Si = 2Mg + SiO 2
В реакциях с металлами Si - окислитель:
Кремний образует силициды с s-металлами и большинством d-металлов.
Состав силицидов данного металла может быть различен. (Например, FeSi и FeSi 2 ; Ni 2 Si и NiSi 2 .) Один из наиболее известных силицидов - силицид магния, который можно получать прямым взаимодействием простых веществ:
2Mg + Si = Mg 2 Si
Силан (моносилан) SiH 4
Силаны (кремневодороды) Si n H 2n + 2 , (ср. с алканами), где п = 1-8. Силаны - аналоги алканов, отличаются от них неустойчивостью цепей -Si-Si-.
Моносилан SiH 4 - бесцветный газ с неприятным запахом; растворяется в этаноле, бензине.
Способы получения:
1. Разложение силицида магния соляной кислотой: Mg 2 Si + 4HCI = 2MgCI 2 + SiH 4
2. Восстановление галогенидов Si алюмогидридом лития: SiCl 4 + LiAlH 4 = SiH 4 + LiCl + AlCl 3
Химические свойства.
Силан - сильный восстановитель.
1.SiH 4 окисляется кислородом даже при очень низких температурах:
SiH 4 + 2O 2 = SiO 2 + 2Н 2 О
2. SiH 4 легко гидролизуется, особенно в щелочной среде:
SiH 4 + 2Н 2 О = SiO 2 + 4Н 2
SiH 4 + 2NaOH + Н 2 О = Na 2 SiO 3 + 4Н 2
Оксид кремния (IV) (кремнезем) SiO 2
Кремнезем существует в виде различных форм: кристаллической, аморфной и стеклообразной. Наиболее распространенной кристаллической формой является кварц. При разрушении кварцевых горных пород образуются кварцевые пески. Монокристаллы кварца - прозрачны, бесцветны (горный хрусталь) или окрашены примесями в различные цвета (аметист, агат, яшма и др.).
Аморфный SiO 2 встречается в виде минерала опала: искусственно получают силикагель, состоящий из коллоидных частиц SiO 2 и являющийся очень хорошим адсорбентом. Стеклообразный SiO 2 известен как кварцевое стекло.
Физические свойства
В воде SiO 2 растворяется очень незначительно, в органических растворителях также практически не растворяется. Кремнезем является диэлектриком.
Химические свойства
1. SiO 2 - кислотный оксид, поэтому аморфный кремнезем медленно растворяется в водных растворах щелочей:
SiO 2 + 2NaOH = Na 2 SiO 3 + Н 2 О
2. SiO 2 взаимодействует также при нагревании с основными оксидами:
SiO 2 + К 2 О = K 2 SiO 3 ;
SiO 2 + СаО = CaSiO 3
3. Будучи нелетучим оксидом, SiO 2 вытесняет углекислый газ из Na 2 CO 3 (при сплавлении):
SiO 2 + Na 2 CO 3 = Na 2 SiO 3 + CO 2
4. Кремнезем реагирует с фтороводородной кислотой, образуя кремнефтористоводородную кислоту H 2 SiF 6:
SiO 2 + 6HF = H 2 SiF 6 + 2Н 2 О
5. При 250 - 400°С SiO 2 взаимодействует с газообразным HF и F 2 , образуя тетрафторсилан (тетрафторид кремния):
SiO 2 + 4HF (газ.) = SiF 4 + 2Н 2 О
SiO 2 + 2F 2 = SiF 4 + O 2
Кремниевые кислоты
Известны:
Ортокремниевая кислота H 4 SiО 4 ;
Метакремниевая (кремниевая) кислота H 2 SiO 3 ;
Ди- и поликремниевые кислоты.
Все кремниевые кислоты малорастворимы в воде, легко образуют коллоидные растворы.
Способы по-лучения
1. Осаждение кислотами из растворов силикатов щелочных металлов:
Na 2 SiO 3 + 2HCl = H 2 SiO 3 ↓ + 2NaCl
2. Гидролиз хлорсиланов: SiCl 4 + 4Н 2 О = H 4 SiO 4 + 4HCl
Химические свойства
Кремниевые кислоты - очень слабые кислоты (слабее угольной кислоты).
При нагревании они дегидратируются с образованием в качестве конечного продукта кремнезема
H 4 SiО 4 → H 2 SiO 3 → SiO 2
Силикаты - соли кремниевых кислот
Поскольку кремниевые кислоты чрезвычайно слабые, их соли в водных растворах сильно гидро лизованы:
Na 2 SiO 3 + Н 2 О = NaHSiO 3 + NaOH
SiO 3 2- + Н 2 О = HSiO 3 - + ОН - (щелочная среда)
По этой же причине при пропускании углекислого газа через растворы силикатов происходит вытеснение из них кремниевой кислоты:
K 2 SiO 3 + СO 2 + Н 2 О = H 2 SiO 3 ↓ + K 2 СO 3
SiO 3 + СO 2 + Н 2 О = H 2 SiO 3 ↓ + СO 3
Данную реакцию можно рассматривать как качественную реакцию на силикат-ионы.
Среди силикатов хорошо растворимыми являются только Na 2 SiO 3 и K 2 SiO 3 , которые называются растворимым стеклом, а их водные растворы - жидким стеклом.
Стекло
Обычное оконное стекло имеет состав Na 2 O СаО 6SiO 2 , т. е. является смесью силикатов натрия и кальция. Его получают сплавлением соды Na 2 CO 3 , известняка СаСO 3 и песка SiO 2 ;
Na 2 CO 3 + CaCO 3 + 6SiO 2 = Na 2 O СаО 6SiO 2 + 2СO 2
Цемент
Порошкообразный вяжущий материал, образующий при взаимодействии с водой пластичную массу, превращающуюся со временем в твердое камневидное тело; основной строительный материал.
Химический состав наиболее распространенного портланд-цемента (в % по массе) - 20 - 23% SiO 2 ; 62 - 76 % СаО; 4 - 7 % Al 2 O 3 ; 2-5% Fe 2 O 3 ; 1- 5% МgО.
- характеристика элемента кремния: электронное строение, возможные степени окисления, основные соединения: оксид, гидроксид. Аморфный и кристаллический кремний.
Кремний – элемент 3-го периода и IVA-группы Периодической системы, порядковый номер 14. Электронная формула атома 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 = [ 10 Ne]3s 2 3p 2 . Характерная степень окисления в соединениях +IV.
Шкала степеней окисления кремния:
Электроотрицательность кремния невысока для неметаллов (2,25). Проявляет неметаллические (кислотные) свойства; образует оксиды, кремниевые кислоты, очень большое число солей – силикатов в виде цепей, лент и трехмерных сеток тетраэдров , бинарные соединения. В настоящее время широко развивается химия органических соединений кремния со связями Si – С и кремнийорганических полимеров – силиконов и силиконовых каучуков со связями Si – Si, Si – О и Si – С.
Важнейший элемент неживой природы, второй по химической распространенности. Встречается только в связанном виде. Жизненно важный элемент для многих организмов.
Кремний Si – Простое вещество. Крупнокристаллический – темно-серый, с металлическим блеском, весьма твердый, очень хрупкий, непрозрачный, тугоплавкий, распространенный полупроводник. Кристаллическая решетка – атомная, связи Si – Si очень прочные. Аморфный – белый или желто-коричневый (с примесями, в основном Fe), химически более активен. Устойчив на воздухе (покрыт прочной оксидной пленкой), не реагирует с водой. Реагирует с HF (конц.), щелочами. Окисляется кислородом, хлором. Восстанавливается магнием. Спекается с графитом. Промышленно важным является сплав с железом – ферросилиций (12–90 % Si). Применяется как легирующая добавка в стали и сплавы цветных металлов, компонент полупроводниковых материалов для микроэлектроники, основа силиконов.
Уравнения важнейших реакций:
Получение в промышленности: восстановление SiCl 4 или SiO 2 при прокаливании:
SiCl 4 + 2Zn = Si + 2ZnCl 2
SiO 2 + 2Mg = Si + 2MgO
(последняя реакция может быть осуществлена и в лаборатории, после обработки соляной кислотой остается аморфный кремний).
Диоксид кремния SiO 2 – Кислотный оксид. Белый порошок (кварцевый песок) и прозрачные кристаллы, природный продукт окрашен примесями (кремнезём) – в виде обычного песка и камня(кремень). Кристаллическая решетка атомная, каждый атом кремния окружен четырьмя атомами кислорода , а каждый атом кислорода – двумя атомами кремния . Имеет несколько кристаллических модификаций (все минералы), важнейшие - кварц, тридимити кристобалит, редко встречающиеся и искусственно полученные - китит, коэсит, стишовит, меланофлогит, волокнистый кремнезём.Тугоплавкий , при медленном охлаждении расплава образуется аморфная форма – кварцевое стекло (в природе минерал лешательеит). Наиболее химически активна аморфная форма.
Практически не реагирует с водой (из раствора осаждается гидрат SiO 2 nН 2 O), распространенными кислотами. Кварцевое стекло разъедается в HF (конц.). Реагирует со щелочами в растворе (образуетортосиликаты) и при сплавлении (продукты - метасиликаты). Легко хлорируется в присутствии кокса. Восстанавливается коксом, магнием, железом (в доменном процессе).
Применяется как промышленное сырье в производстве кремния, обычного, термо– и химически стойкого стекла,
фарфора, керамики, абразивов и адсорбентов, наполнитель резины, смазок, клеев и красок, компонент строительных связующих растворов, в виде монокристаллов кварца – основа генераторов ультразвука и точного хода кварцевых часов. Разновидности кварца (горный хрусталь, розовый кварц, аметист, дымчатый кварц, халцедон, оникси др.) – драгоценные, полудрагоценные или поделочные камни.
Уравнения важнейших реакций:
Полигидрат диоксида кремнияSiO 2 nH 2 O – Кремниевые кислоты с переменным содержанием SiO 2 и Н 2 O. Белый, аморфный (стекловидный) полимер с цепочечным, ленточным, листовым, сетчатым и каркасным строением. При нагревании постепенно разлагается. Очень мало растворим в воде. Над осадком в растворе существует мономерная слабая ортокремниевая кислота H 4 SiO 4 (тетраэдрическое строение, sр 3 -гибридизация), растворимость 0,00673 г/100 г Н 2 O при 20 °C. При стоянии раствора идет поликонденсация и медленно образуются вначале кремниевые кислоты H 6 Si 2 O 7 , H 2 Si 2 O 5 , H 10 Si 2 O 9 , затем гидрозоль n (золь метакремниевой кислоты) и, наконец, гидрогель SiO 2 nН 2 O (n < 2). При высушивании гидрогель переходит в силикагель SiO 2 nН 2 O (n < 1). Скорость гелеобразования максимальна в слабокислотной среде.
Переводится в раствор действием концентрированных щелочей. По остальным химическим свойствам подобен SiO 2 . В природе – минералы опал и халцедон (агат, яшма). Мономерная метакремниевая кислота H 2 SiO 3 не получена.
Уравнения важнейших реакций:
Получение : вытеснение сильной кислотой из раствора силиката, например:
K 2 SiO 3 + 2НCl + (n – 1) Н 2 O = 2КCl + SiO 2 nН 2 O ↓
Метасиликат натрияNa 2 SiO 3 – Оксосоль. Белый, при нагревании плавится без разложения. Растворяется в холодной воде (сильный гидролиз по аниону). Концентрированный раствор – коллоидный («жидкое стекло», содержит гидрозоль SiO 2 nН 2 O). Разлагается в горячей воде, реагирует с кислотами, щелочами, углекислым газом.
Применяется как компонент шихты в производстве стекла, специальных цементов и бетонов, входит в состав силикатных красок и клея, холодных глазурей, алюмосиликатных катализаторов, при изготовлении бумаги и картона, силикагеля, синтетических цеолитов. Уравнения важнейших реакций:
Получение : сплавление соды с песком
Na 2 SiO 3 + SiO 2 = СO 2 + Na 2 SiO 3 (1150 °C)
Силикаты. Кремний в степени окисления +IV находится, помимо SiO 2 , в весьма многочисленных и часто очень сложных по составу и строению силикат-ионах (так, кроме жетасиликат-иона SiO 3 2- иортосиликат-иона SiO 4 4- известны ионы Si 2 O 7 6- , Si 3 O 9 6- , Si 2 O 10 4- и др.). Для простоты записи все силикаты изображают как содержащие ион SiO 3 2- .
Насыщенный раствор силикатов натрия и калия (вязкое «жидкое стекло») используется как силикатный клей.
Силикаты натрия и кальция входят в состав стекла; его получают сплавлением кварца SiO 2 , известняка СаСO 3 и соды Na 2 CO 3:
Часто состав стекла выражают через оксиды, например, обычное стекло Na 2 O СаО 6SiO 2 .
Среди силикатных минералов отметим глины (алюмосиликаты ), очень чистая глина - каолин Al 2 O 3 2SiO 2 2Н 2 O используется для изготовления фарфора.
Силикаты и алюмосиликаты применяют в промышленности при производстве керамики, цемента, бетона и других строительных материалов.
Тетрахлорид кремнияSiCl 4 . Бинарное соединение. Бесцветная жидкость, обладает широким интервалом жидкого состояния. Молекула имеет тетраэдрическое строение (sр 3 -гибридизация). Термически устойчив. «Дымит» во влажном воздухе. Полностью гидролизуется водой. Разлагается щелочами. Восстанавливается водородом, натрием, цинком. Хлорирует оксид алюминия.
Применяется в производстве особо чистого кремния для полупроводниковой техники.
Уравнения важнейших реакций:
Получение в промышленности – хлорирование кремния или кварцевого песка SiO 2 .
Кристаллический кремний - это основная форма, в которой используется кремний при производстве фотоэлектрических преобразователей и твердотельных электронных приборов методами планарной технологии. Активно развивается использование кремния в виде тонких плёнок (эпитаксиальных слоёв) кристаллической и аморфной структуры на различных подложках.
Содержание статьи
КРЕМНИЙ, Si (silicium), химический элемент IVA подгруппы (C, Si, Ge, Sn и Pb) периодической системы элементов, неметалл. 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 K 2 SiF 6 металлическим калием при высокой температуре, однако лишь в 1854 кремний был получен в кристаллической форме А.Девилем. Кремний – второй по распространенности (после кислорода) элемент в земной коре, где он составляет более 25% (масс.). Встречается в природе в основном в виде песка, или кремнезема, который представляет собой диоксид кремния, и в виде силикатов (полевые шпаты M (M = Na, K, Ba), каолинит Al 4 (OH) 8 , слюды). Кремний можно получить прокаливанием измельченного песка с алюминием или магнием; в последнем случае его отделяют от образующегося MgO растворением оксида магния в соляной кислоте. Технический кремний получают в больших количествах в электрических печах путем восстановления кремнезема углем или коксом. Полупроводниковый кремний получают восстановлением SiCl 4 или SiHCl 3 водородом с последующим разложением образующегося SiH 4 при 400–600° С. Высокочистый кремний получают выращиванием монокристалла из расплава полупроводникового кремния по методу Чохральского или методом бестигельной зонной плавки кремниевых стержней . Элементный кремний получают в основном для полупроводниковой техники, в остальных случаях он используется как легирующая добавка в производстве сталей и сплавов цветных металлов (например, для получения ферросилиция FeSi, который образуется при прокаливании смеси песка, кокса и оксида железа в электрической печи и применяется как раскислитель и легирующая добавка в производстве сталей и как восстановитель в производстве ферросплавов).
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.
|
СВОЙСТВА КРЕМНИЯ |
|
| Атомный номер | 14 |
| Атомная масса | 28,086 |
| Изотопы | |
| стабильные | 28, 29, 30 |
| нестабильные | 25, 26, 27, 31, 32, 33 |
| Температура плавления, °С | 1410 |
| Температура кипения, °С | 2355 |
| Плотность, г/см 3 | 2,33 |
| Твердость (по Моосу) | 7,0 |
| Содержание в земной коре, % (масс.) | 27,72 |
| Степени окисления | –4, +2, +4 |
Свойства.
Кремний – темносерое, 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). При высокой температуре кремний весьма реакционноспособен и взаимодействует с большинством элементов, образуя силициды, например силицид магния Mg 2 Si, и другие соединения, например SiO 2 (диоксид кремния), SiF 4 (тетрафторид кремния) и SiC (карбид кремния, карборунд). Кремний растворяется в горячем растворе щелочи с выделением водорода: Si + NaOH ® Na 4 SiO 4 + 2H 2 . 4 (тетрахлорид кремния) получают из SiO 2 и CCl 4 при высокой температуре; это бесцветная жидкость, кипящая при 58° С, легко гидролизуется, образуя хлороводородную (соляную) кислоту HCl и ортокремниевую кислоту H 4 SiO 4 (это свойство используют для создания дымовых надписей: выделяющаяся HCl в присутствии аммиака образует белое облако хлорида аммония NH 4 Cl). Тетрафторид кремния SiF 4 образуется при действии фтороводородной (плавиковой) кислоты на стекло:
Na 2 SiO 3 + 6HF ® 2NaF + SiF 4 + 3H 2 O
SiF 4 гидролизуется, образуя ортокремниевую и гексафторокремниевую (H 2 SiF 6) кислоты. H 2 SiF 6 по силе близка к серной кислоте. Многие фторосиликаты металлов растворимы в воде (соли натрия, бария, калия, рубидия, цезия малорастворимы), поэтому HF используют для перевода минералов в раствор при выполнении анализов. Сама кислота H 2 SiF 6 и ее соли ядовиты.
Кремниевые кислоты.
Две оксокислоты кремния H 4 SiO 4 (ортокремниевая) и H 2 SiO 3 (метакремниевая, или кремниевая) существуют только в растворе и необратимо превращаются в SiO 2 , если выпарить воду. Другие кремниевые кислоты получаются за счет различного количества воды в их составе: H 6 Si 2 O 7 (пирокремниевая кислота из двух молекул ортокремниевой кислоты), H 2 Si 2 O 5 и H 4 Si 3 O 8 (ди- и трикремниевая кислоты из двух и соответственно трех молекул метакремниевой кислоты). Все кислоты кремния слабые. При добавлении в раствор силиката серной кислоты образуется гель (желатинообразное вещество), при нагревании и высушивании которого остается твердый пористый продукт – силикагель, имеющий развитую поверхность и используемый как адсорбент газов, осушитель, катализатор и носитель катализаторов.
