Кремний: применение, химические и физические свойства. Углерод и кремний в природе

Углерод и кремний являются химическими элементами IVA-группы периодической системы. Находятся во 2 и 3 периоде соответственно. Углерод и креУглерод и кремний являются химическими элементами IVA-группы
периодической системы. Находятся во 2 и 3 периоде соответственно.
Углерод и кремний – элементы неметаллы.

У углерода на внешнем энергетическом уровне 4 электрона – 2s22p2, как и у кремния – 3s23p2.

Вследствие этого, в соединениях с другими элементами
атомы углерода и кремния чаще всего проявляют степени
окисления -4, +2, +4. В простом веществе степень окисления
элементов равна 0.

История открытия

C
В 1791 году английский химик Теннант
первым получил свободный углерод; он
пропускал пары фосфора над прокалённым
мелом, в результате чего образовывались
фосфат кальция и углерод. То, что алмаз
при сильном нагревании сгорает без
остатка, было известно давно. Ещё в 1751 г.
германский император Франц I согласился
дать алмаз и рубин для опытов по
сжиганию, после чего эти опыты даже
вошли в моду. Оказалось, что сгорает лишь
алмаз, а рубин (окись алюминия с
примесью хрома) выдерживает без
повреждения длительное нагревание в
фокусе зажигательной линзы. Лавуазье
поставил новый опыт по сжиганию алмаза с
помощью большой зажигательной машины
и пришёл к выводу, что алмаз представляет
собой кристаллический углерод. Второй
аллотроп углерода - графит - в
алхимическом периоде считался
видоизменённым свинцовым блеском и
назывался plumbago; только в 1740 г. Потт
обнаружил отсутствие в графите какойлибо примеси свинца.
Si
В чистом виде он был впервые
выделен в 1811 году
французскими учёными
Жозефом Луи Гей-Люссаком и
Луи Жаком Тенаром.

Происхождение названия

C
В начале XIX века в русской
химической литературе иногда
применялся термин «углетвор»
(Шерер, 1807; Севергин, 1815); с
1824 года Соловьёв ввёл название
«углерод». Соединения углерода
имеют в названии часть карб(он)
- от лат. carbō (род. п. carbōnis)
«уголь».
Si
В 1825 году шведский химик Йёнс
Якоб Берцелиус действием
металлического калия на
фтористый кремний SiF4 получил
чистый элементарный кремний.
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. κρημνός - «утёс, гора».

Физические свойства простых веществ углерода и кремния.

Углерод
существует во множестве аллотропных модификаций с очень
разнообразными физическими свойствами. Разнообразие модификаций
обусловлено способностью углерода образовывать химические связи разного
типа.
Известны следующие аллотропные модификации углерода: графит, алмаз, карбин
и фуллерены.
a) алмаз
b) графит
c) лонсдейлит
d) фуллерен - бакибол C60
e) фуллерен C540
f) фуллерен C70
g) аморфный углерод
h) углеродная нанотрубка

Алмаз –бесцветное (иногда желтоватое, коричневатое, зеленое, черное, синее, красноватое) прозрачное вещество, очень сильно преломляющее лу

Алмаз –бесцветное (иногда желтоватое, коричневатое, зеленое, черное, синее, красноватое)
прозрачное вещество, очень сильно преломляющее лучи света.
По твердости превосходит все известные природные вещества. Но обладает хрупкостью.
Химически инертен, плохо проводит тепло и электрический ток.
Плотность 3,5 г/см3.
Каждый атом углерода в структуре алмаза расположен в центре тетраэдра, вершинами
которого служат четыре ближайших атома. Именно прочная связь атомов углерода объясняет
высокую твердость алмаза.
Графит –наиболее распространенная форма.
Это очень мягкое черное вещество с металлическим блеском, хорошо проводит
электрический ток и тепло. Жирный на ощупь, при трении расслаивается на отдельные
чешуйки.
tплавл = 3750 °С (плавится при давлении 10 МПа, при обычном давлении возгоняется).
Плотность 2,22 г/см3.
Структура графита образована параллельными слоями сеток, состоящих из
шестиугольников с атомами углерода в вершинах. Атомы в каждом отдельно взятом слое
связаны достаточно прочно, а между слоями связь слабая.

Карбин –синтетическая модификация углерода. Черный мелкокристаллический порошок. Плотность 1,9–2 г/см3. Полупроводник.

Фуллерены представляют собой шарообразные молекулы, образованные пяти- и шестиугольниками из атомов углерода, соединенных между собой. Вн

Фуллерены представляют собой шарообразные молекулы,
образованные пяти- и шестиугольниками из атомов углерода,
соединенных между собой. Внутри молекулы полые. В
настоящее время получены фуллерены состава С60, С70 и др.

10. Кремний. Кристаллический кремний – вещество темно-серого цвета с металлическим блеском, имеет кубическую структуру алмаза, но значительн

Кремний.
Кристаллический кремний – вещество темно-серого цвета с металлическим
блеском, имеет кубическую структуру алмаза, но значительно уступает ему по
твердости, довольно хрупок. Температура плавления 1415 °C, температура
кипения 2680 °C, плотность 2,33 г/см3. Обладает полупроводниковыми
свойствами, его сопротивление понижается при повышении температуры.
Аморфный кремний – порошок бурого цвета на основе сильно разупорядоченной
алмазоподобной структуры. Обладает большей реакционной способностью, чем
кристаллический кремний.

11. Химические свойства

С
Взаимодействие с неметаллами
С + 2S = CS2. С + О2 = СО2, С + 2F2 = CF4. C + 2H2 = CH4.
не взаимодействует с азотом и фосфором.
Взаимодействие с металлами
Способен взаимодействовать с металлами, образуя карбиды:
Ca + 2C = CaC2.
Взаимодействие с водой
C + H2O = CO + H2.
Углерод способен восстанавливать многие металлы из их
оксидов:
2ZnO + C = 2Zn + CO2.
Концентрированные серная и азотная кислоты при нагревании
окисляют углерод до оксида углерода (IV):
C + 2H2SO4 = CO2 + 2SO2 + 2H2O;

12.

Si
Взаимодействие с неметаллами
Si + 2F2 = SiF4. Si + 2Cl2 = SiCl4. Si + O2 = SiO2.
Si + C = SiC Si + 3B = B3Si. 3Si + 2N2 = Si3N4.
С водородом не взаимодействует.
Взаимодействие с галогеноводородами
Si + 4HF = SiF4 + 2H2,
Взаимодействие с металлами
2Ca + Si = Ca2Si.
Взаимодействие с кислотами
3Si + 4HNO3 + 18HF = 3H2 + 4NO + 8H2O.
Взаимодействие со щелочами
Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + H2.

13. Нахождение в природе В виде углекислого газа углерод входит в состав атмосферы (0,03% по объему). Уголь, торф, нефть и природный газ - продукты

Нахождение в природе
В виде углекислого газа углерод входит в состав атмосферы (0,03% по
объему).
Уголь, торф, нефть и природный газ - продукты разложения
растительного мира Земли древнейших времен.

14.

Природные неорганические соединения
углерода – карбонаты. Минерал кальцит
CaCO3 является основой осадочных
горных пород – известняков. Другие
модификации карбоната кальция
известны как мрамор и мел

15. Кремний в природе

Он широко распространен в виде кремнезема SiO2 и различных
силикатов.
Например, гранит содержит более 60% кремнезема, а кристаллический
кварц является самым чистым из природных соединений кремния с
кислородом.
{
Листья крапивы покрыты колючими волосками из чистого оксида
кремния(IV), которые представляют собой полые трубочки длинной 1-2 мм.
Трубочки заполнены жидкостью, содержащей муравьиную кислоту.

16. Применение углерода

Графит используется в карандашной промышленности. Также его используют в
качестве смазки при особо высоких или низких температурах.
Алмаз, благодаря исключительной твердости, незаменимый абразивный материал.
Алмазным напылением обладают шлифовальные насадки бормашин. Кроме этого,
ограненные алмазы - бриллианты используются в качестве драгоценных камней в
ювелирных украшениях. Благодаря редкости, высоким декоративным качествам и
стечению исторических обстоятельств, бриллиант неизменно является самым
дорогим драгоценным камнем.
{
В фармакологии и медицине широко используются различные соединения
углерода - производные угольной кислоты и карбоновых кислот.
Карболен (активированный уголь), применяется для абсорбции и выведения из
организма различных токсинов.

17. Применение кремния

Кремний находит применение в полупроводниковой
технике и микроэлектронике, в металлургии в качестве
добавки к сталям и в производстве сплавов.
Соединения кремния служат основой для производства
стекла и цемента. Производством стекла и цемента
занимается силикатная промышленность. Она также
выпускает силикатную керамику - кирпич, фарфор,
фаянс и изделия из них.
Широко известен силикатный клей, применяемый в
строительстве как сиккатив, а в пиротехнике и в быту
для склеивания бумаги.

Один из самых распространенных в природе элементов - это silicium, или кремний. Такое широкое расселение говорит о важности и значимости данного вещества. Это быстро поняли и усвоили люди, которые научились правильно использовать в своих целях кремний. Применение его основано на особых свойствах, о которых и поговорим дальше.

Кремний - химический элемент

Если давать характеристику данного элемента по положению в периодической системе, то можно обозначить следующие важные пункты:

Порядковый номер - 14.
Период - третий малый.
Группа - IV.
Подгруппа - главная.
Строение внешней электронной оболочки выражается формулой 3s 2 3p 2 .
Элемент кремний обозначается химическим символом Si, который произносится как "силициум".
Степени окисления, которые он проявляет: -4; +2; +4.
Валентность атома равна IV.
Атомная масса кремния равна 28,086.
В природе существует три устойчивых изотопа данного элемента с массовыми числами 28, 29 и 30.

Таким образом, атом кремния с химической точки зрения - достаточно изученный элемент, описано множество различных его свойств.

История открытия

Так как в природе очень популярны и массовы по содержанию именно различные соединения рассматриваемого элемента, издревле люди использовали и знали о свойствах именно многих из них. Чистый же кремний долгое время оставался за гранью познаний человека в химии.

Наиболее популярными соединениями, которыми пользовались в быту и промышленности народы древних культур (египтяне, римляне, китайцы, русичи, персы и прочие), были драгоценные и поделочные камни на основе оксида кремния. К ним относятся:

опал;
горный хрусталь;
топаз;
хризопраз;
оникс;
халцедон и другие.

Также издревле принято использовать кварц и в строительном деле. Однако сам элементарный кремний оставался нераскрытым вплоть до XIX века, хотя многие ученые тщетно пытались выделить его из разных соединений, используя для этого и катализаторы, и высокие температуры, и даже электрический ток. Это такие светлые умы, как:

Карл Шееле;
Гей-Люссак;
Тенар;
Гемфри Дэви;
Антуан Лавуазье.

Осуществить удачно получение кремния в чистом виде удалось Йенсу Якобсу Берцелиусу в 1823 году. Для этого он проводил опыт по сплавлению паров фтористого кремния и металлического калия. В результате получил аморфную модификацию рассматриваемого элемента. Этим же ученым было предложено латинское название открытому атому.

Еще несколько позже, в 1855 году, другой ученый - Сент Клер-Девилль - сумел синтезировать другую аллотропную разновидность - кристаллический кремний. С тех пор знания о данном элементе и его свойствах стали очень быстро пополняться. Люди поняли, что он обладает уникальными особенностями, которые можно очень грамотно использовать для удовлетворения собственных нужд. Поэтому сегодня один из самых востребованных элементов в электронике и технике - это кремний. Применение его лишь расширяет свои границы с каждым годом.

Русское название атому дал ученый Гесс в 1831 году. Именно оно и закрепилось до сегодняшнего дня.

По распространенности в природе кремний занимает второе место после кислорода. Его процентное соотношение в сравнении с другими атомами в составе земной коры - 29,5%. Кроме того, углерод и кремний - это два особых элемента, способных формировать цепи, соединяясь друг с другом. Именно поэтому для последнего известно более 400 различных природных минералов, в составе которых он и содержится в литосфере, гидросфере и биомассе.

Где конкретно содержится кремний?

В глубоких слоях почвы.
В горных породах, залежах и массивах.
На дне водоемов, особенно морей и океанов.
В растениях и морских обитателях царства животных.
В организме человека и наземных животных.

Можно обозначить несколько самых распространенных минералов и горных пород, в составе которых в большом количестве присутствует кремний. Химия их такова, что массовое содержание чистого элемента в них достигает 75%. Однако конкретная цифра зависит от разновидности материала. Итак, горные породы и минералы с содержанием кремния:

полевые шпаты;
слюды;
амфиболы;
опалы;
халцедоны;
силикаты;
песчаники;
алюмосиликаты;
глины и прочие.

Накапливаясь в панцирях и наружных скелетах морских животных, кремний со временем формирует мощные залежи кремнезема на дне водоемов. Это один из природных источников данного элемента.

Кроме того, было установлено, что силициум может существовать в чистом самородном виде - в виде кристаллов. Но подобные месторождения очень редки.

Физические свойства кремния

Если давать характеристику рассматриваемого элемента по набору физико-химических свойств, то в первую очередь следует обозначить именно физические параметры. Вот несколько основных:

Существует в виде двух аллотропных модификаций - аморфный и кристаллический, которые отличаются по всем свойствам.
Кристаллическая решетка очень схожа с таковой у алмаза, ведь углерод и кремний в этом отношении практически одинаковы. Однако расстояние между атомами разное (у кремния больше), поэтому алмаз гораздо тверже и прочнее. Тип решетки - кубическая гранецентрированная.
Вещество очень хрупкое, при высоких температурах становится пластичным.
Температура плавления равна 1415˚С.
Температура кипения - 3250˚С.
Плотность вещества - 2,33 г/см 3 .
Цвет соединения - серебристо-серый, выражен характерный металлический блеск.
Обладает хорошими полупроводниковыми свойствами, которые способны варьировать при добавлении тех или иных агентов.
Не растворяется в воде, органических растворителях и кислотах.
Специфически растворим в щелочах.

Обозначенные физические свойства кремния позволяют людям управлять им и применять для создания различных изделий. Так, например, на свойствах полупроводимости основано использование чистого кремния в электронике.

Химические свойства

Химические свойства кремния очень сильно зависят от условий проведения реакции. Если говорить о при стандартных параметрах, то нужно обозначить очень низкую активность. Как кристаллический, так и аморфный кремний очень инертны. Не взаимодействуют ни с сильными окислителями (кроме фтора), ни с сильными восстановителями.

Это связано с тем, что на поверхности вещества мгновенно формируется оксидная пленка SiO 2 , которая препятствует дальнейшим взаимодействиям. Она способна образоваться под влиянием воды, воздуха, паров.

Если же изменить стандартные условия и произвести нагревание кремния до температуры свыше 400˚С, то его химическая активность сильно возрастет. В этом случае он будет вступать в реакции с:

кислородом;
всеми видами галогенов;
водородом.

При дальнейшем повышении температуры возможно образование продуктов при взаимодействии с бором, азотом и углеродом. Особое значение имеет карборунд - SiC, так как он является хорошим абразивным материалом.

Также химические свойства кремния четко прослеживаются при реакциях с металлами. По отношению к ним он окислитель, поэтому продукты носят название силицидов. Известны подобные соединения для:

щелочных;
щелочноземельных;
переходных металлов.

Необычными свойствами обладает соединение, получаемое при сплавлении железа и кремния. Оно носит название ферросилициевой керамики и успешно применяется в промышленности.

Со сложными веществами кремний во взаимодействие не вступает, поэтому из всех их разновидностей способен растворяться лишь в:

царской водке (смесь азотной и соляной кислот);
едких щелочах.

При этом температура раствора должна быть не меньше 60˚С. Все это еще раз подтверждает физическую основу вещества - алмазоподобную устойчивую кристаллическую решетку, придающую ему прочность и инертность.

Способы получения

Получение кремния в чистом виде - процесс достаточно затратный экономически. Кроме того, в силу его свойств любой способ дает лишь на 90-99 % чистый продукт, в то время как примеси в виде металлов и углерода остаются все равно. Поэтому просто получить вещество недостаточно. Его следует еще и качественно очистить от посторонних элементов.

В целом же производство кремния осуществляется двумя основными путями:

Из белого песка, который представляет собой чистый оксид кремния SiO 2 . При прокаливании его с активными металлами (чаще всего с магнием) происходит образование свободного элемента в виде аморфной модификации. Чистота такого способа высока, продукт получается с 99,9-процентным выходом.
Более широко распространенный способ в промышленных масштабах - это спекание расплава песка с коксом в специализированных термических печах для обжига. Данный способ был разработан русским ученым Бекетовым Н. Н.

Дальнейшая обработка заключается в подвергании продуктов методам очистки. Для этого используются кислоты или галогены (хлор, фтор).

Аморфный кремний

Характеристика кремния будет неполной, если не рассмотреть отдельно каждую его аллотропную модификацию. Первая из них - это аморфная. В таком состоянии рассматриваемое нами вещество представляет собой порошок буро-коричневого цвета, мелкодисперсный. Обладает высокой степенью гигроскопичности, проявляет достаточно высокую химическую активность при нагревании. В стандартных условиях способен взаимодействовать только с сильнейшим окислителем - фтором.

Называть аморфный кремний именно разновидностью кристаллического не совсем правильно. Его решетка показывает, что данное вещество - это лишь форма мелкодисперсного кремния, существующего в виде кристаллов. Поэтому как таковые эти модификации - одно и то же соединение.

Однако свойства их различаются, поэтому и принято говорить об аллотропии. Сам по себе аморфный кремний обладает высокой светопоглотительной способностью. Кроме того, при определенных условиях данный показатель в разы превышает подобный у кристаллической формы. Поэтому его используют в технических целях. В рассматриваемом виде (порошок) соединение легко наносится на любую поверхность, будь то пластик или стекло. Поэтому так удобен для использования именно аморфный кремний. Применение основано на различных размеров.

Хотя износ батарей подобного типа довольно быстрый, что связано с истиранием тонкой пленки вещества, однако применение и востребованность только растет. Ведь даже за короткий срок службы солнечные батареи на основе аморфного кремния способны обеспечить энергией целые предприятия. К тому же производство подобного вещества безотходное, что делает его очень экономным.

Получают такую модификацию путем восстановления соединений активными металлами, например, натрием или магнием.

Кристаллический кремний

Серебристо-серая блестящая модификация рассматриваемого элемента. Именно такая форма является самой распространенной и наиболее востребованной. Это объясняется набором качественных свойств, которыми обладает данное вещество.

Характеристика кремния с кристаллической решеткой включает в себя классификацию его видов, так как их несколько:

Электронного качества - самый чистый и максимально высококачественный. Именно такой вид используется в электронике для создания особо чувствительных приборов.
Солнечного качества. Само название определяет область использования. Это также достаточно высокий по чистоте кремний, применение которого необходимо для создания качественных и долго работающих солнечных батарей. Фотоэлектрические преобразователи, созданные на основе именно кристаллической структуры, более качественны и износостойки, нежели те, что созданы с использованием аморфной модификации путем напыления на различного типа подложки.
Технический кремний. В данную разновидность включаются те образцы вещества, в которых содержится около 98 % чистого элемента. Все остальное уходит на различного рода примеси:

алюминий;
хлор;
углерод;
фосфор и прочие.

Последняя разновидность рассматриваемого вещества используется с целью получения поликристаллов кремния. Для этого проводятся процессы перекристаллизации. Вследствие этого по чистоте получаются такие продукты, которые можно относить к группам солнечного и электронного качества.

По своей природе поликремний - это промежуточный продукт между аморфной модификацией и кристаллической. С таким вариантом легче работать, он лучше подвергается переработке и очистке фтором и хлором.

Продукты, которые получаются в результате, можно классифицировать так:

мультикремний;
монокристаллический;
профилированные кристаллы;
кремниевый скрап;
технический кремний;
отходы производства в виде осколков и обрезков вещества.

Каждый из них находит применение в промышленности и используется человеком полностью. Поэтому касающиеся кремния, считаются безотходными. Это значительно снижает его экономическую стоимость, при этом не влияя на качество.

Использование чистого кремния

Производство кремния в промышленности налажено достаточно хорошо, а его масштабы довольно объемны. Это связано с тем, что данный элемент, как чистый, так и в виде различных соединений, широко распространен и востребован в разных отраслях науки и техники.

Где же используется кристаллический и аморфный кремний в чистом виде?

В металлургии как легирующая добавка, способная менять свойства металлов и их сплавов. Так, он используется при выплавке стали и чугуна.
Разные виды вещества уходят на изготовление более чистого варианта - поликремния.
Соединения кремния с - это целая химическая отрасль, которая получила особую популярность сегодня. Кремнийорганические материалы используются в медицине, при изготовлении посуды, инструментов и многого другого.
Изготовление различных солнечных батарей. Этот способ получения энергии является одним из самых перспективных в будущем. Экологически чисто, экономически выгодно и износостойко - основные достоинства такого получения электричества.
Кремний для зажигалок используется уже очень давно. Еще в древности люди использовали кремень для получения искры при розжиге огня. Этот принцип заложен в основу производства зажигалок различного рода. Сегодня встречаются виды, в которых кремень заменен на сплав определенного состава, дающий еще более быстрый результат (искрение).
Электроника и солнечная энергетика.
Изготовление зеркалец в газовых лазерных устройствах.

Таким образом, чистый кремний имеет массу преимущественных и особенных свойств, позволяющих использовать его для создания важных и нужных продуктов.

Применение соединений кремния

Помимо простого вещества, используются и различные соединения кремния, причем очень широко. Существует целая отрасль промышленности, которая называется силикатной. Именно она основана на использовании различных веществ, в состав которых входит этот удивительный элемент. Какие это соединения и что из них производят?

Кварц, или речной песок - SiO 2 . Используется для изготовления таких строительных и декоративных материалов, как цемент и стекло. Где используются эти материалы, всем известно. Ни одно строительство не обходится без данных компонентов, что подтверждает значимость соединений кремния.
Силикатная керамика, в которую входят такие материалы, как фаянс, фарфор, кирпич и продукты на их основе. Данные компоненты используются в медицине, при изготовлении посуды, декоративных украшений, предметов быта, в строительстве и прочих бытовых областях деятельности человека.
- силиконы, силикагели, силиконовые масла.
Силикатный клей - используется как канцелярский, в пиротехнике и строительстве.

Кремний, цена на который варьирует на мировом рынке, но не пересекает сверху вниз отметку в 100 рублей РФ за килограмм (за кристаллический), является востребованным и ценным веществом. Естественно, что и соединения этого элемента так же широко распространены и применимы.

Биологическая роль кремния

С точки зрения значимости для организма кремний немаловажен. Его содержание и распределение по тканям таково:

0,002 % - мышечная;
0,000017 % - костная;
кровь - 3,9 мг/л.

Каждый день внутрь должно попадать около одного грамма кремния, иначе начнут развиваться заболевания. Смертельно опасных среди них нет, однако длительное кремниевое голодание приводит к:

выпадению волос;
появлению угревой сыпи и прыщей;
хрупкости и ломкости костей;
легкой проницаемости капилляров;
усталости и головным болям;
появлению многочисленных синяков и кровоподтеков.

Для растений кремний - важный микроэлемент, необходимый для нормального роста и развития. Опыты на животных показали, что лучше растут те особи, которые ежедневно потребляют достаточное количество кремния.

Введение

2.1.1 Степень окисления +2

2.1.2 Степень окисления +4

2.3 Карбиды металлов

Глава 3. Соединения кремния

Список литературы

Введение

Химия - одна из отраслей естествознания, предметом изучения которой являются химические элементы (атомы), образуемые ими простые и сложные вещества (молекулы), их превращения и законы, которым подчиняются эти превращения.

По определению Д.И. Менделеева (1871), "химию в современном ее состоянии можно... назвать учением об элементах".

Происхождение слова "химия" выяснено не окончательно. Многие исследователи полагают, что оно происходит от старинного наименования Египта - Хемиа (греческое Chemia, встречается у Плутарха), которое производится от "хем" или "хаmе" - черный и означает "наука черной земли" (Египта), "египетская наука" .

Современная химия тесно связана, как с другими естественными науками, так и со всеми отраслями народного хозяйства.

Качественная особенность химической формы движения материи, и ее переходов в другие формы движения обуславливает разносторонность химической науки и ее связи с областями знания, изучающими и более низшие, и более высшие формы движения. Познание химической формы движения материи обогащает общее учение о развитии природы, эволюции вещества во Вселенной, содействует становлению целостной материалистической картины мира. Соприкосновение химии с другими науками порождает специфические области взаимного их проникновения. Так, области перехода между химией и физикой представлены физической химиейи химической физикой. Между химией и биологией, химией и геологией возникли особые пограничные области - геохимия, биохимия, биогеохимия, молекулярная биология. Важнейшие законы химии формулируются на математическом языке, и теоретическая химия не может развиваться без математики. Химия оказывала и оказывает влияние на развитие философии, и сама испытывала и испытывает её влияние.

Исторически сложились два основных раздела химии: неорганическая химия, изучающая в первую очередь химические элементы и образуемые ими простые и сложные вещества (кроме соединений углерода), и органическая химия, предметом изучения которой являются соединения углерода с др. элементами (органические вещества).

До конца 18 века термины "неорганическая химия" и "органическая химия" указывали лишь на то, из какого "царства" природы (минерального, растительного или животного) получались те или иные соединения. Начиная с 19 в. эти термины стали указывать на присутствие или отсутствие углерода в данном веществе. Затем они приобрели новое, более широкое значение. Неорганическая химия соприкасается прежде всего с геохимией и далее с минералогией и геологией, т.е. с науками о неорганической природе. Органическая химия представляет отрасль химии, которая изучает разнообразные соединения углерода вплоть до сложнейших биополимерных веществ. Через органическую и биоорганическую химию химия граничит с биохимией и далее с биологией, т.е. с совокупностью наук о живой природе. На стыке между неорганической и органической химией находится область элементоорганических соединений.

В химии постепенно сформировались представления о структурных уровнях организации вещества. Усложнение вещества, начиная от низшего, атомарного, проходит ступени молекулярных, макромолекулярных, или высокомолекулярных, соединений (полимер), затем межмолекулярных (комплекс, клатрат, катенан), наконец, многообразных макроструктур (кристалл, мицелла) вплоть до неопределённых нестехиометрических образований. Постепенно сложились и обособились соответствующие дисциплины: химия комплексных соединений, полимеров, кристаллохимия, учения о дисперсных системах и поверхностных явлениях, сплавах и др.

Изучение химических объектов и явлений физическими методами, установление закономерностей химических превращений, исходя из общих принципов физики, лежит в основе физической химии. К этой области химии относится ряд в значительной мере самостоятельных дисциплин: термодинамика химическая, кинетика химическая, электрохимия, коллоидная химия, квантовая химия и учение о строении и свойствах молекул, ионов, радикалов, радиационная химия, фотохимия, учения о катализе, химических равновесиях, растворах и др. Самостоятельный характер приобрела аналитическая химия, методы которой широко применяются во всех областях химии и химической промышленности. В областях практического приложения химии возникли такие науки и научные дисциплины, как химическая технология с множеством её отраслей, металлургия, агрохимия, медицинская химия, судебная химия и др.

Как уже было сказано выше, химия рассматривает химические элементы и образуемые ими вещества, а также законы, которым подчиняются эти превращения. Один из этих аспектов (а именно, химические соединения на основе кремния и углерода) и будет рассмотрен мной в данной работе.

Глава 1. Кремний и углерод - химические элементы

1.1 Общие сведения об углероде и кремнии

Углерод (С) и кремний (Si) входят в группу IVA.

Углерод не принадлежит к числу очень распространенных элементов. Несмотря на это, значение его огромно. Углерод-основа жизни на земле. Он входит в состав весьма распространенных в природе карбонатов (Са, Zn, Mg, Fe и др.), в атмосфере существует в виде СО 2 , встречается в виде природных углей (аморфного графита), нефти и природного газа, а также простых веществ (алмаза, графита).

Кремний по распространенности в земной коре занимает второе место (после кислорода). Если углерод - основа жизни, то кремний-основа земной коры. Он встречается в громадном многообразии силикатов (рис 4) и алюмосиликатов, песка.

Аморфный кремний - порошок бурого цвета. Последний легко получить в кристаллическом состоянии в виде серых твердых, но довольно хрупких крис таллов. Кристаллический кремний - полупроводник.

Таблица 1. Общие химические данные об углероде и кремнии.

Устойчивая при обычной температуре модификация углерода - графит - представляет собой непрозрачную, серую жирную массу. Алмаз - самое твердое вещество на земле - бесцветен и прозрачен. Кристаллические структуры графита и алмаза приведены на рис.1.

Рисунок 1. Структура алмаза (а); структура графита (б)

Углерод и кремний имеют свои определенные производные.

Таблица 2. Наиболее характерные производные углерода и кремния

1.2 Получение, химические свойства и применение простых веществ

Кремний получают восстановлением оксидов углеродом; для получения в особо чистом состояний после восстановления вещество переводят в тетрахлорид и снова восстанавливают (водородом). Затем сплавляют в слитки и подвергают очистке методом зонной плавки. Слиток металла нагревают с одного конца так, чтобы в нем образовалась зона расплавленного металла. При перемещении зоны к другому концу слитка примесь, растворяясь в расплавленном металле лучше, чем в твердом, выводится, и тем самым металл очищается.

Углерод инертен, но при очень высокой, температуре (в аморфном состоянии) взаимодействует с большинством металлов с образованием твердых растворов или карбидов (СаС 2 , Fе 3 С и т.д.), а также со многими металлоидами, например:

2С+ Са = СaC 2, С + 3Fe = Fe 3 C,

Кремний более реакционно способен. С фтором он реагирует уже при обычной температуре: Si+2F 2 =SiF 4

У кремния очень большое сродство также и к кислороду:

Реакция с хлором и серой протекает около 500 К. При очень высокой температуре кремний взаимодействует с азотом и углеродом:

С водородом кремний непосредственно не взаимодействует. Кремний растворяется в щелочах:

Si+2NaOH+H 2 0=Na 2 Si0 3 +2H 2 .

Кислоты, кроме плавиковой, на него не действуют. С HF идет реакция

Si+6HF=H 2 +2H 2 .

Углерод в составе различных углей, нефти, природных (в основном СН4), а также искусственно полученных газов - важнейшая топливная база нашей планеты

Графит широко используется для изготовления тиглей. Стержни из графита применяются как электроды. Много графита идет на производство карандашей. Углерод и кремний применяются для производства различных сортов чугуна. В металлургии углерод используется как восстановитель, а кремний из-за большого сродства к кислороду-как раскислитель. Кристаллический кремний в особо чистом состоянии (не более 10 -9 ат.% примеси) используется как полупроводник в различных устройствах и приборах, в том числе в качестве транзисторов и термисторов (приборов для очень тонких измерений температур), а также в фотоэлементах, работа которых основана на способности полупроводника при освещении проводить ток.

Глава 2. Химические соединения углерода

Для углерода характерны прочные ковалентные связи между собственными атомами (С-С) и с атомом водорода (С-Н), что нашло отражение в обилии органических соединений (несколько сот миллионов). Кроме прочных связей С-Н, С-С в различных классах органических и неорганических соединений, широко представлены связи углерода с азотом, серой, кислородом, галогенами, металлами (см. табл.5). Столь высокие возможности образования связей обусловлены малыми размерами атома углерода, позволяющими его валентным орбиталям 2s 2 , 2p 2 максимально перекрываться. Важнейшие неорганические соединения описаны в таблице 3.

Среди неорганических соединений углерода уникальными по составу и строению являются азотсодержащие производные.

В неорганической химии широко представлены производные уксусной СНзСООН и щавелевой H 2 C 2 О 4 кислот - ацетаты (типа М"СНзСОО) и оксалаты (типа M I 2 C 2 О 4).

Таблица 3. Важнейшие неорганические соединения углерода.

2.1 Кислородные производные углерода

2.1.1 Степень окисления +2

Оксид углерода СО (угарный газ): по строению молекулярных орбиталей (табл.4).

СО аналогичен молекуле N 2 . Подобно азоту СО обладает высокой энергией диссоциации (1069 кДж/ моль), имеет низкую Т пл (69 К) и Т кип (81,5 К), плохо растворим в воде, инертен в химическом отношении. В реакции СО вступает лишь при высоких температурах, в том числе:

СО+Сl 2 =СОСl 2 (фосген),

СО+Вг 2 =СОВг 2, Сг+6СО=Сг (СО) 6 -карбонил хрома,

Ni+4CO=Ni (CO) 4 - карбонил никеля

СО+Н 2 0 пар =НСООН (муравьиная кислота).

Вместе с тем молекула СО имеет большое сродство к кислороду:

СО +1/202 =С0 2 +282 кДж/моль.

Из-за большого сродства к кислороду оксид углерода (II) используется как восстановитель оксидов многих тяжелых металлов (Fe, Co, Pb и др.). В лаборатории оксид СО получают обезвоживанием муравьиной кислоты

В технике оксид углерода (II) получают восстановлением С0 2 углем (С+С0 2 =2СО) или окислением метана (2СН 4 +ЗО 2 = =4Н 2 0+2СО).

Среди производных СО представляют большой теоретический и определенный практический интерес карбонилы металлов (для получения чистых металлов).

Химические связи в карбонилах образуются в основном по донорно-акцепторному механизму за счет свободных орбиталей d- элемента и электронной пары молекулы СО, имеет место также л-перекрывание по дативному механизму (металл СО). Все карбонилы металлов - диамагнитные вещества, характеризующиеся невысокой прочностью. Как и оксид углерода (II), карбонилы металлов токсичны.

Таблица 4. Распределение электронов по орбиталям молекулы СО

2.1.2 Степень окисления +4

Диоксид углерода С0 2 (углекислый газ). Молекула С0 2 линейна. Энергетическая схема образования орбиталей молекулы С0 2 приведена на рис.2. Оксид углерода (IV) может взаимодействовать с аммиаком по реакции.

При нагревании этой соли получают ценное удобрение - карбамид СО (МН 2) 2:

Мочевина разлагается водой

CO (NH 2) 2 +2HaO= (МН 4) 2СОз.

Рисунок 2. Энфгетическая диаграмма образования молекулярных орбиталей С0 2.

В технике оксид СО 2 получают разложением карбоната кальция или гидрокарбоната натрия:

В лабораторных условиях его обычно получают по реакции (в аппарате Киппа)

СаСОз+2НС1=СаС12+С02+Н20.

Важнейшими производными С0 2 являются слабая угольная кислота Н 2 СО з и ее соли: M I 2 СОз и M I НСОз (карбонаты и гидрокарбонаты соответственно).

Большинство карбонатов нерастворимо в воде. Растворимые в воде карбонаты подвергаются значительному гидролизу:

COз 2- +H 2 0 COз-+OH - (I ступень).

Из-за полного гидролиза из водных растворов нельзя выделить карбонаты Cr 3+ , ai 3 +, Ti 4+ , Zr 4+ и др.

Практически важными являются Ка 2 СОз (сода), К 2 СОз (поташ) и СаСОз (мел, мрамор, известняк). Гидрокарбонаты в отличие от карбонатов растворимы в воде. Из гидрокарбонатов практическое применение находит NaHCО 3 (питьевая сода). Важными основными карбонатами являются 2СиСОз-Си (ОН) 2 , РЬСО 3 Х ХРЬ (ОН) 2 .

Свойства галогенидов углерода приведены в табл.6. Из галогенидов углерода самое большое значение имеет-бесцветная, достаточно токсичная жидкость. В обычных условиях ССІ 4 химически инертен. Его применяют как невоспламеняющийся и негорючий растворитель смол, лаков, жиров, а также для получения фреона CF 2 CІ 2 (Т кип = 303 К):

Другой используемый в практике органический растворитель - сероуглерод CSa (бесцветная, летучая жидкость с Ткип=319 К) – реакционно способное вещество:

CS 2 +30 2 =C0 2 +2S0 2 +258 ккал/моль,

CS 2 +3Cl 2 =CCl 4 -S 2 Cl 2, CS 2 +2H 2 0==C0 2 +2H 2 S, CS 2 +K 2 S=K 2 CS 3 (соль тиоугольной кислоты Н 2 СSз).

Пары сероуглерода ядовиты.

Циановодородная (синильная) кислота HCN (H-C = N) - бесцветная легко подвижная жидкость, кипящая при 299,5 К. При 283 К она затвердевает. HCN и ее производные чрезвычайно ядовиты. HCN можно получить по реакции

В воде синильная кислота растворяется; при этом она слабо диссоциирует

HCN=H++CN-, К=6,2.10- 10 .

Соли синильной кислоты (цианиды) в некоторых реакциях напоминают хлориды. Например СН -- -ион с ионами Ag+ дает плохо растворимый в минеральных кислотах белый осадок цианида серебра AgCN. Цианиды щелочных и щелочноземельных металлов растворимы в воде. Из-за гидролиза их растворы пахнут синильной кислотой (запах горького миндаля). Цианиды тяжелых металлов плохо растворимы в воде. CN - -сильный лиганд, важнейшими комплексными соединениями являются K 4 и Кз [Ре (СN) 6 ].

Цианиды - непрочные соединения, при длительном воздействии содержащегося в воздухе СO 2 цианиды разлагаются

2KCN+C0 2 +H 2 0=K 2 C0 3 +2HCN.

(CN) 2 - дициан (N=C-C=N) –

бесцветный ядовитый газ; с водой взаимодействует с образованием циановой (HOCN) и синильной (HCN) кислот:

(HCN) кислот:

(CN) 2 +H 2 0==HOCN+HCN.

В этой, как и в реакции, приведенной ниже, (CN) 2 похож на галоген:

СО+ (CN) 2 =CO (CN) 2 (аналог фосгена).

Циановая кислота известна в двух таутомерных формах:

H-N=C=O==H-0-C=N.

Изомером является кислота H-0=N=C (гремучая кислота). Соли HONC взрывают (используются как детонаторы). Родановодородная кислота HSCN - бесцветная, маслянистая, летучая, легко затвердевающая (Тпл=278 К) жидкость. В чистом состоянии очень неустойчива, при ее разложении выделяется HCN. В отличие от синильной кислоты HSCN достаточно сильная кислота (К=0,14). Для HSCN характерно таутомерное равновесие:

H-N = С = S=H-S-C =N.

SCN - ион кроваво-красного цвета (реактив на ион Fe 3+). Производные от HSCN соли-роданиды - легко получить из цианидов путем присоединения серы:

Большинство роданидов растворимо в воде. Нерастворимы в воде соли Hg, Au, Ag, Си. Ион SCN-, как и CN-, склонен давать комплексы типа Мз 1 M" (SCN) 6 , где M""Cu, Mg и некоторые другие. Диродан (SCN) 2 -светло-желтые кристаллы, плавящиеся - 271 К. Получают (SCN) 2 по реакции

2AgSCN+Br 2 ==2AgBr+ (SCN) 2 .

Из других азотсодержащих соединений следует указать цианамид

и его производное - цианамид кальция CaCN 2 (Ca=N-C=N), который используется в качестве удобрения .

2.3 Карбиды металлов

Карбидами называют продукты взаимодействия углерода с металлами, кремнием и бором. Карбиды по растворимости разделяются на два класса: карбиды, растворимые в воде (или в разбавленных кислотах), и карбиды, нерастворимые в воде (или в разбавленных кислотах).

2.3.1 Карбиды, растворимые в воде и разбавленных кислотах

А. Карбиды, при растворении образующие C 2 H 2 К этой группе относятся карбиды металлов первых двух главных групп; близки к ним и карбиды Zn, Cd, La, Се, Th состава MC 2 (LaC 2 , CeC 2 , ТhC 2 .)

CaC 2 +2H 2 0=Ca (OH) 2 +C 2 H 2, ThC 2 +4H 2 0=Th (OH) 4 +H 2 C 2 +H 2 .

АНСз+ 12Н 2 0=4Аl (ОН) з+ЗСН 4, Ве 2 С+4Н 2 0=2Ве (ОН) 2 +СН 4 . По свойствам к ним близок Мn з С:

Мn з С+6Н 2 0=ЗМn (ОН) 2 +СН 4 +Н 2 .

В. Карбиды, при растворении образующие смесь углеводородов и водород. К ним относятся большинство карбидов редкоземельных металлов.

2.3.2 Карбиды, нерастворимые в воде и в разбавленных кислотах

К этой группе относится большинство карбидов переходных металлов (W, Мо, Та и др.), а также SiC, B 4 C.

Они растворяются вокислительных средах, например:

VC + 3HN0 3 + 6HF = HVF 6 + СO 2 + 3NO + 4Н 2 0, SiC+4KOH+2C0 2 =K 2 Si0 3 +K 2 C0 3 +2H 2 0.

Рисунок 3. Икосаэдр B 12

Практически важными являются карбиды переходных металлов, а также карбиды кремния SiC и бора B 4 C. SiC - карборунд - бесцветные кристаллы с решеткой алмаза, по твердости приближающийся к алмазу (технический SiC за счет примесей имеет темную окраску). SiC очень огнеупорен, теплопроводен и при высокой температуре электропроводен, химически чрезвычайно инертен; его можно разрушить только при сплавлении на воздухе со щелочами.

B 4 C - полимер. Решетка карбида бора построена из линейно расположенных трех атомов углерода и групп, содержащих 12 атомов В, расположенных в форме икосаэдра (рис.3); твердость B4C превышает твердость SiC.

Глава 3. Соединения кремния

Отличие химии кремния от углерода в основном обусловлено большими размерами его атома и возможностью использования свободных Зй-орбиталей. Из-за дополнительного связывания (по донорно-акцепторному механизму) связи кремния с кислородом Si-О-Si и фтором Si-F (табл.17.23) более прочны, чем у углерода, а из-за большего размера атома Si по сравнению с атомом С связи Si-Н и Si-Si менее прочны, чем у углерода. Атомы кремния практически не способны давать цепи. Аналогичный углеводородам гомологический ряд кремневодородов SinH2n+2 (си-ланы) получен лишь до состава Si4Hio. Из-за большего размера у атома Si слабо выражена и способность к л-перекрыванию, поэтому не только тройные, но и двойные связи для него малохарактерны.

При взаимодействии кремния с металлами образуются силициды (Ca 2 Si, Mg 2 Si, BaSi 2 , Cr 3 Si, CrSi 2 и др.), похожие во многом на карбиды. Силициды не характерны для элементов I группы (кроме Li). Галогениды кремния (табл.5) более прочные соединения, чем галогениды углерода; вместе с тем водой они разлагаются.

Таблица 5. Прочность некоторых связей углерода и кремния

Наиболее прочным галогенидом кремния является SiF 4 (разлагается только под действием электрического разряда), но так же, как и другие галогениды, подвергается гидролизу. При взаимодействии SiF 4 с HF образуется гексафторокремниевая кислота:

SiF 4 +2HF=H 2 .

H 2 SiF 6 по силе близка к H 2 S0 4 . Производные этой кислоты - фторосиликаты, как правило, растворимы в воде. Плохо растворимы фторосиликаты щелочных металлов (кроме Li и NH 4). Фторосиликаты используются как ядохимикаты (инсектициды).

Практически важным галогенидом является SiCO 4 . Он используется для получения кремнийорганических соединений. Так, SiCL 4 легко взаимодействует со спиртами с образованием эфиров кремниевой кислоты HaSiO 3:

SiCl 4 +4C 2 H 5 OH=Si (OC 2 H 5) 4 +4HCl 4

Таблица 6. Галогениды углерода и кремния

Эфиры кремниевой кислоты, гидролизуясь, образуют силиконы - полимерные вещества цепочечного строения:

(R-органический радикал), которые нашли применение для получения каучуков, масел и смазок.

Сульфид кремния (SiS 2) n-полимерное вещество; при обычной температуре устойчив; разлагается водой:

SiS 2 + ЗН 2 О = 2H 2 S + H 2 SiO 3 .

3.1 Кислородные соединения кремния

Важнейшим кислородным соединением кремния является диоксид кремния SiO 2 (кремнезем), имеющий несколько кристаллических модификаций.

Низкотемпературная модификация (до 1143 К) называется кварцем. Кварц обладает пьезоэлектрическими свойствами. Природные разновидности кварца: горный хрусталь, топаз, аметист. Разновидностями кремнезема являются халцедон, опал, агат,. яшма, песок.

Кремнезем химически стоек; на него действуют лишь фтор, плавиковая кислота и растворы щелочей. Он легко переходит в стеклообразное состояние (кварцевое стекло). Кварцевое стекло хрупко, химически и термически весьма стойко. Отвечающая SiO 2 кремниевая кислота не имеет определенного состава. Обычно кремниевую кислоту записывают в виде xH 2 O-ySiO 2 . Выделены кремниевые кислоты: H 2 SiO 3 (H 2 O-SiO 2) - метакремниевая (три-оксокремниевая), H 4 Si0 4 (2H 2 0-Si0 2) - ортокремниевая (тетра-оксокремниевая), H 2 Si2O 5 (H 2 O * SiO 2) - диметакремниевая.

Кремниевые кислоты - плохо растворимые вещества. В соответствии с менее металлоидным характером кремния по сравнению с углеродом H 2 SiO 3 как электролит слабее Н 2 СОз.

Отвечающие кремниевым кислотам соли-силикаты-в воде нерастворимы (кроме силикатов щелочных металлов). Растворимые силикаты гидролизуются по уравнению

2SiOз 2 -+H 2 0=Si 2 O 5 2 -+20H-.

Концентрированные растворы растворимых силикатов называют жидким стеклом. Обычное оконное стекло-силикат натрия и кальция-имеет состав Na 2 0-CaO-6Si0 2 . Его получают по реакции

Известно большое разнообразие силикатов (точнее, оксосиликатов). В строении оксосиликатов наблюдается определенная закономерность: все состоят из тетраэдров Si0 4 , которые через атом кислорода соединены друг с другом. Наиболее распространенными сочетаниями тетраэдров являются (Si 2 O 7 6 -), (Si 3 O 9) 6 - , (Si 4 0 l2) 8- , (Si 6 O 18 12 -), которые как структурные единицы могут объединяться в цепочки, ленты, сетки и каркасы (рис 4).

Важнейшими природными силикатами являются, например, тальк (3MgO * H 2 0-4Si0 2) и асбест (SmgO*H 2 O*SiO 2). Как и для SiO 2 , для силикатов характерно стеклообразное (аморфное) состояние. При управляемой кристаллизации стекла можно получить мелкокристаллическое состояние (ситаллы). Ситаллы характеризуются повышенной прочностью.

Кроме силикатов в природе широко распространены алюмосиликаты. Алюмосиликаты - каркасные оксосиликаты, в которых часть атомов кремния заменена на трехвалентный Аl; например Na 12 [ (Si, Al) 0 4 ] 12 .

Для кремниевой кислоты характерно коллоидное состояниепри воздействии на ее соли кислот H 2 SiO 3 выпадает не сразу. Коллоидные растворы кремниевой кислоты (золи) при определенных условиях (например, при нагревании) можно перевести в прозрачную, однородную студнеобразную массу-гель кремниевой кислоты. Гели - высокомолекулярные соединения с пространственной, весьма рыхлой структурой, образованной молекулами Si0 2 , пустоты которой заполнены молекулами H 2 O. При обезвоживании гелей кремниевой кислоты получают силикагель - пористый продукт, обладающий высокой адсорбционной способностью.

Рисунок 4. Строение силикатов.

Выводы

Рассмотрев в своей работе химические соединения на основе кремния и углерода, я пришла к выводу, что углерод, являясь не очень распространённым количественно элементом есть важнейшим составляющим земной жизни, существуют его соединения в воздухе, нефти а также в таких простых веществах как алмаз и графит. Одной из важнейших характеристик углерода есть прочные ковалентные связи между атомами, а также атомом водорода. Важнейшими неорганическими соединениями углерода являются: оксиды, кислоты, соли, галогениды, азотосодержащие производные, сульфиды, карбиды.

Говоря о кремнии необходимо отметить большие количества его запасов на земле, он является основой земной коры и встречается в огромном многообразии силикатов, песка и т.д. В настоящее время использование кремния из-за его качеств полупроводника возврастает. Он используется в электронике при производстве компьютерных процессоров, микросхем и чипов. Соединения кремния с металлами образуют силициды, важнейшим кислородным соединением кремния есть оксид кремния SiO 2 (кремнезем) В природе есть большое разнообразие силикатов - это тальк, асбест, также распространены алюмосиликаты.

Список литературы

1. Большая советская энциклопедия. Третье издание. Т.28. - М.: Советская энциклопедия, 1970.

2. Жиряков В.Г. Органическая химия.4-е изд. - М., "Химия", 1971.

3. Краткая химическая энциклопедия. - М. "Советская энциклопедия", 1967.

4. Общая химия / Под ред. Е.М. Соколовской, Л.С. Гузея.3-е изд. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1989.

5. Мир неживой природы. - М., "Наука", 1983.

6. Потапов В.М., Татаринчик С.Н. Органическая химия. Учебник.4-е изд. - М.: "Химия", 1989.

Обозначение - Si (Silicon);
Период - III;
Группа - 14 (IVa);
Атомная масса - 28,0855;
Атомный номер - 14;
Радиус атома = 132 пм;
Ковалентный радиус = 111 пм;
Распределение электронов - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 ;
t плавления = 1412°C;
t кипения = 2355°C;
Электроотрицательность (по Полингу/по Алпреду и Рохову) = 1,90/1,74;
Степень окисления: +4, +2, 0, -4;
Плотность (н. у.) = 2,33 г/см 3 ;
Молярный объем = 12,1 см 3 /моль.

Соединения кремния:

В чистом виде впервые кремний был выделен в 1811 году (французы Ж. Л. Гей-Люссак и Л. Ж. Тенар). Чистый элементарный кремний был получен в 1825 г. (швед Й. Я. Берцелиус). Свое название "кремний" (в переводе с древнегреческого - гора) химический элемент получил в 1834 году (российский химик Г. И. Гесс).

Кремний является самым распространенным (после кислорода) химическим элементом на Земле (содержание в земной коре 28-29% по массе). В природе кремний чаще всего присутствует в виде кремнезема (песок, кварц, кремень, полевые шпаты), а также в силикатах и алюмосиликатах. В чистом виде кремний встречается чрезвычайно редко. Многие природные силикаты в чистом виде являются драгоценными камнями: изумруд, топаз, аквамари - это все кремний. Чистый кристаллический оксид кремния (IV) встречается в виде горного хрусталя и кварца. Оксид кремния, в котором присутствуют различные примеси, образует драгоценные и полудрагоценные камни - аметист, агат, яшма.

Рис. Строение атома кремния.

Электронная конфигурация кремния - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 (см. Электронная структура атомов). На внешнем энергетическом уровне у кремния находятся 4 электрона: 2 спаренных на 3s-подуровне + 2 неспаренных на p-орбиталях. При переходе атома кремния в возбужденное состояние один электрон с s-подуровня "покидает" свою пару и переходит на p-подуровень, где имеется одна свободная орбиталь. Т. о., в возбужденном состоянии электронная конфигурация атома кремния приобретает следующий вид: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3 .

Рис. Переход атома кремния в возбужденное состояние.

Т. о., кремний в соединениях может проявлять валентность 4 (чаще всего) или 2 (см. Валентность). Кремний (так же, как и углерод), реагируя с другими элементами, образует химические связи в которых может как отдавать свои электроны, так и принимать их, но при этом способность принимать электроны у атомов кремния выражена слабее, чем у атомов углерода , по причине большего размера атома кремния.

Степени окисления кремния:

-4 : SiH 4 (силан), Ca 2 Si, Mg 2 Si (силикаты металлов);
+4 - наиболее устойчивая: SiO 2 (оксид кремния), H 2 SiO 3 (кремниевая кислота), силикаты и галогениды кремния;
0 : Si (простое вещество)

Кремний, как простое вещество

Кремний представляет из себя темно-серое кристаллическое вещество с металлическим блеском. Кристаллический кремний является полупроводником.

Кремний образует только одну аллотропную модификацию, подобную алмазу, но при этом не такую прочную, т. к. связи Si-Si не так прочны, как в алмазной молекуле углерода (См. Алмаз).

Аморфный кремний - порошок бурого цвета, с температурой плавления 1420°C.

Кристаллический кремний получают из аморфного путем его перекристаллизации. В отличие от аморфного кремния, который является достаточно активным химическим веществом, кристаллический кремний более инертен в плане взаимодействия с другими веществами.

Строение кристаллической решетки кремния повторяет структуру алмаза, - каждый атом окружен четырьмя другими атомами, расположенными в вершинах тетраэдра. Атомы связываются друг с другом ковалентными связями, которые не так прочны, как углеродные связи в алмазе. По этой причине, даже при н.у. некоторые ковалентные связи в кристаллическом кремнии разрушаются, в результате чего высвобождается некоторая часть электронов, благодаря чему кремний обладает небольшой электропроводностью. По мере нагревания кремния, на свету или при добавлении некоторых примесей, кол-во разрушаемых ковалентных связей увеличивается, вследствие чего и увеличивается кол-во свободных электронов, следовательно, растет и электропроводность кремния.

Химические свойства кремния

Как и углерод, кремний может быть и восстановителем, и окислителем, в зависимости от того, с каким веществом вступает в реакцию.

При н.у. кремний взаимодействует только с фтором, что объясняется достаточно прочной кристаллической решеткой кремния.

В реакцию с хлором и бромом кремний вступает при температурах, превышающих 400°C.

С углеродом и азотом кремний взаимодействует только при очень высоких температурах.

В реакциях с неметаллами кремний выступает в роли восстановителя :
- при нормальных условиях из неметаллов кремний реагирует только с фтором, образуя галогенид кремния:
  Si + 2F 2 = SiF 4
- при высоких температурах кремний реагирует с хлором (400°C), кислородом (600°C), азотом (1000°C), углеродом (2000°C):
  - Si + 2Cl 2 = SiCl 4 - галогенид кремния;
  - Si + O 2 = SiO 2 - оксид кремния;
  - 3Si + 2N 2 = Si 3 N 4 - нитрид кремния;
  - Si + C = SiC - карборунд (карбид кремния)
В реакциях с металлами кремний является окислителем (образуются салициды :
Si + 2Mg = Mg 2 Si
В реакциях с концентрированными р-рами щелочей кремний реагирует с выделением водорода, образуя растворимые соли кремниевой кислоты, называемые силикатами :
Si + 2NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 2H 2
С кислотами (за исключением HF) кремний не реагирует.

Получение и применение кремния

Получение кремния:

в лаборатории - из кремнезема (алюмотерапия):
3SiO 2 + 4Al = 3Si + 2Al 2 O 3
в промышленности - восстановлением оксида кремния коксом (технически чистый кремний) при высокой температуре:
SiO 2 + 2C = Si + 2CO
самый чистый кремний получают восстановлением тетрахлорида кремния водородом (цинком) при высокой температуре:
SiCl 4 +2H 2 = Si+4HCl

Применение кремния:

изготовление полупроводниковых радиоэлементов;
в качестве металлургических добавок при производстве жаропрочных и кислотоустойчивых соединений;
в производстве фотоэлементов для солнечных батарей;
в качестве выпрямителей переменного тока.

Кремний - химический элемент IV группы Периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Открыт в 1811 г. Ж. Гей-Люсаком и Л. Тернаром. Его порядковый номер 14, атомная масса 28,08, атомный объем 12,04 10 -6 м 3 /моль. Кремний - металлоид, принадлежит к подгруппе углерода. Его валентность по кислороду +2 и +4. По распространенности в природе кремний уступает только кислороду. Его массовая доля в земной коре составляет 27,6 %. Земная кора, по мнению В.И. Вернадского, более чем на 97 % состоит из кремнезема и силикатов. Кислородные и органические соединения кремния входят также в состав растений и животных.

Искусственно полученный кремнии может быть как аморфным, так и кристаллическим. Аморфный кремний - коричневый, тонко дисперсный, сильно гигроскопичный порошок, по рентгеноструктурным данным, состоит из мельчайших кристалликов кремния. Он может быть получен восстановлением при высоких температурах SiCl 4 парами цинка.

Кристаллический кремний имеет серо-стальной цвет и отличается металлическим блеском. Плотность кристаллического кремния при 20°С составляет 2,33 г/см 3 , жидкого кремния при 1723-2,51, а при 1903К — 2,445 г/см 3 . Температура плавления кремния - 1690 К, кипения - 3513 К. В соответствии с данными, давление паров кремния при Т = 2500÷4000 К описывается уравнением lg p Si = -20130/ Т + 7,736, кПа. Теплота возгонки кремния 452610, плавления 49790, испарения 385020 Дж/моль.

Поликристаллы кремния отличаются высокой твердостью (при 20°С HRC = 106). Однако кремний очень хрупок, поэтому имеет высокую прочность при сжатии (σ СЖ В ≈690 МПа) и очень низкое сопротивление разрыву (σ В ≈ 16,7 МПа).

При комнатной температуре кремний инертен, реагирует только со фтором, образуя летучий 81Р4. Из кислот реагирует только с азотной в смеси с плавиковой кислотой. Со щелочами, однако, кремний реагирует довольно легко. Одна из его реакции со щелочами

Si + NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 2H 2

используется для получения водорода. Вместе с этим с неметаллами кремний способен давать большое количество химически прочных соединений. Из подобных соединений необходимо отметить галогениды (от SiX 4 до Si n X 2n+2 , где X - галоген, а n ≤ 25), их смешанные соединения SiCl 3 B, SiFCl 3 и др., оксихлориды Si 2 OCl 3 , Si 3 O 2 Cl 3 и др., нитриды Si 3 N 4 , Si 2 N 3 , SiN и гидриды с общей формулой Si n H 2n+2 , а из соединений, встречающихся при производстве ферросплавов, - летучие сульфиды SiS и SiS 2 и тугоплавкий карбид SiC.

Кремний способен также давать соединения с металлами - силициды, наиболее важными из них являются силициды железа, хрома, марганца, молибдена, циркония, а также РЗМ и ЩЗМ. Это свойство кремния - способность давать химически очень прочные соединения и растворы с металлами - широко используется в технике производства низкоуглеродистых ферросплавов, а также при восстановлении легкокипящих щелочноземельных (Са, Mg, Ва) и трудновосстановимых металлов (Zr, Al и др.).

Сплавы кремния с железом изучены П.В. Гельдом и его школой, особое внимание было обращено на часть системы Fe-Si, относящуюся к сплавам с его высоким содержанием. Это связано с тем, что, как видно из диаграммы Fe-Si (рисунок 1), в сплавах этого состава происходит целый ряд превращений, значительно влияющих на качество ферросилиция различных марок. Так, дисилицид FeSi 2 стабилен только при низких температурах (< 918 или 968 °С, см. рисунок 1). При высоких температурах устойчива его высокотемпературная модификация - лебоит. Содержание кремния в этой фазе колеблется в пределах 53-56 %. В дальнейшем лебоит будем обозначать химической формулой Fe 2 Si 5 , что практически соответствует максимальной концентрации кремния в лебоите.

При охлаждении сплавов с содержанием > 55,5 % Si лебоит при Т < 1213 К разлагается по эвтектоидной реакции

Fe 2 Si 5 → FeSi 2 +Si (2)

а сплавов 33,86-50,07 % Si при Т < 1255 К - по перитектоидной реакции

Fe 2 Si 5 + FeSi = ЗFeSi 2 (3)

Cплавы промежуточного состава (50,15-55,5 % Si) сначала при 1255 К претерпевают перитектоидное (3), а затем при 1213 К - эвтектоидное (2) превращения. Эти превращения Fe 2 Si 5 по реакциям (2) и (3) сопровождаются изменениями объема силицида. Особенно велико подобное изменение в ходе реакции (2) - примерно 14 %, поэтому сплавы, содержащие лебоит, теряют сплошность, растрескиваются и даже рассыпаются. При медленной, равновесной кристаллизации (см. рисунок 1) лебоит может выделяться при кристаллизации как сплава ФС75, так и ФС45.

Однако растрескивание, связанное с эвтектоидным распадом лебоита, лишь одна из причин рассыпания. Второй причиной, по-видимому главной, является то, что образование трещин по границам зерна создает возможность ликватам, выделяющимся по этим границам - фосфору, мышьяку, сульфидам и карбидам алюминия и др., - реагировать с влагой воздуха по реакциям, в результате которых в атмосферу выделяются H 2 , PH 3 , PH 4 , AsH 4 и т.п., а в трещинах — рыхлые оксиды Al 2 O 3 , SiO 2 и другие соединения, распирающие их. Предотвратить рассыпание сплавов можно их модифицированием магнием, легированием добавками элементов, измельчающих зерно (V, Ti, Zг и др.) или делающих его более пластичным. Измельчение зерна уменьшает на его границах концентрацию примесей и их соединений и влияет на свойства сплавов так же, как общее понижение в сплаве концентрации примесей (P, Al, Ca), способствующих рассыпанию. Термодинамические свойства сплавов Fe-Si (теплота смешения, активность, растворимость углерода) изучены подробно, их можно найти в работах. Сведения о растворимости углерода в сплавах Fe-Si приведены на рисунке 2, об активности кремния - в таблице 1.

Рисунок 1. — Диаграмма состояния системы Fe-Si

Физико-химические свойства кислородных соединений кремния изучал П.В. Гельд с сотрудниками. Несмотря на важность системы Si-O, ее диаграмма до сих пор не построена. В настоящее время известны два кислородных соединения кремния - кремнезем SiO 2 и монооксид SiO. В литературе имеются также указания о существовании и других кислородных соединений кремния - Si 2 O 3 и Si 3 O 4 , однако сведения об их химических и физических свойствах отсутствуют.

В природе кремний представлен только кремнеземом SiO 2 . Это соединение кремния отличается:

1) высокой твердостью (по шкале Мооса 7) и тугоплавкостью (T пл = 1996 К);

2) высокой температурой кипения (Т КИП = 3532 К). Давление паров кремнезема может бьггь описано уравнениями (Па):

3) образованием большого количества модификаций:

Особенностью аллотропных превращений SiO 2 является то, что они сопровождаются значительными изменениями плотности и объема вещества, что может вызвать растрескивание и измельчение породы;

4) высокой склонностью к переохлаждению. Поэтому имеется возможность в результате быстрого охлаждения зафиксировать структуру как жидкого расплава (стекло), так и высокотемпературных модификаций в-кристобалита и тридимита. Наоборот, при быстром нагревании можно расплавить кварц, минуя структуры тридимита и кристобалита. Температура плавления SiO 2 при этом понижается примерно на 100 °С;

5) высоким электросопротивлением. Например, при 293 К оно составляет 1 10 12 Ом*м. Однако с повышением температуры электросопротивление SiO 2 понижается, а в жидком состоянии кремнезем — неплохой проводник;

6) высокой вязкостью. Так, при 2073 К вязкость равна 1 10 4 Па с, а при 2273 К - 280 Па с.

Последнее, по мнению Н.В. Соломина, объясняется тем, что SiO 2 , подобно органическим полимерам, способен образовывать цепочки, которые при 2073 К состоят из 700, а при 2273 К — из 590 молекул SiO 2 ;

7) высокой термической устойчивостью. Энергия Гиббса образования SiO 2 из элементов с учетом агрегатного их состояния в соответствии с данными с высокой точностью описывается уравнениями:

Эти данные, как видно из таблицы 2, несколько отличаются от данных авторов. Для термодинамических расчетов могут использоваться и двухчленные уравнения:

Монооксид кремния SiO обнаружен в 1895 г. Поттером в газовой фазе электропечей. В настоящее время надежно установлено, что SiO существует и в конденсированных фазах. По исследованиям П.В. Гельда, оксид отличается невысокой плотностью (2,15 г/см 3), высоким электросопротивлением (10 5 -10 6 Ом*м). Конденсированный оксид хрупок, его твердость по шкале Мооса ∼ 5. Температуру плавления вследствие высокой его летучести экспериментально определить не удалось. По данным О. Кубашевского, она равна 1875 К, по мнению Бережного, - 1883 К. Теплота плавления SiO в несколько раз выше ΔH 0 SiO2 по данным она равна 50242 Дж/моль. По-видимому, вследствие летучести она завышена. Имеет стекловидный излом, его цвет изменяется от белого до шоколадного, что связано, вероятно, с его окислением кислородом воздуха. Свежий излом SiO обычно имеет гороховатый цвет с жирным блеском. Термодинамически стабилен оксид только при высоких температурах в виде SiO (Г) . При охлаждении оксид диспропорционирует по реакции

2SiO (Г) = SiO (Ж) + SiO 2 (6)

Температуру кипения SiO можно ориентировочно оценить из уравнения:

Газообразный оксид кремния термодинамически очень стоек. Энергию Гиббса его образования можно описать уравнениями (см. таблицу 2):

из которых видно, что химическая прочность SiO подобно CO с ростом температуры повышается, что делает его прекрасным восстановителем для многих веществ.

Для термодинамического анализа можно использовать и двухчленные уравнения:

Состав газов над SiO 2 оценивался И.С. Куликовым. В зависимости от температуры содержание SiO над SiO 2 описывается уравнениями:

Карбид кремния, как и SiO, является одним из промежуточных соединений, образующихся в ходе восстановления SiO 2 . Карбид отличается высокой температурой плавления.

В зависимости от давления он стоек вплоть до 3033-3103 К (рисунок 3). При высоких температурах карбид кремния сублимирует. Однако давление паров Si (Г) , Si 2 C (Г) , SiC 2(Г) над карбидом при Т < 2800К невелико, что следует из уравнения

Карбид существует в виде двух модификаций - кубической низкотемпературной β-SiC и гексагональной высокотемпературной α-SiC. В ферросплавных печах обычно встречается лишь β-SiC. Как показали расчеты с использованием данных, энергия Гиббса образования описывается уравнениями:

которые заметно отличаются от данных. Из этих уравнений следует, что карбид термически стоек до 3194 К. По физическим свойствам карбид отличается высокой твердостью (~ 10), высоким электросопротивлением (при 1273К p≈0,13 ⋅ 10 4 мкОм ⋅ м), повышенной плотностью (3,22 г/см 3) и высокой стойкостью как в восстановительной, так и в окислительной атмосфере.

По внешнему виду чистый карбид бесцветен, обладает полупроводниковыми свойствами, которые сохраняются и при высоких температурах. Технический карбид кремния содержит примеси и поэтому окрашен в зеленый или черный цвет. Так, зеленый карбид содержит 0,5-1,3 % примесей (0,1-0,3 % C, 0,2-1,2 % Si + SiO 2 , 0,05-0,20 % Fe 2 O 3 , 0,01- 0,08 % Al 2 O 3 и др.). В черном карбиде содержание примесей более высокое (1-2 %).

В качестве восстановителя при производстве сплавов кремния применяют углерод. Он же является основным веществом, из которого изготавливают электроды и футеровки электропечей, выплавляющих кремний и его сплавы. Углерод довольно распространен в природе, его содержание в земной коре составляет 0,14 %. В природе он встречается как в свободном состоянии, так и в виде органических и неорганических соединений (в основном карбонатов).

Углерод (графит) имеет гексагональную кубическую решетку. Рентгеновская плотность графита 2,666 г/см 3 , пикнометрическая — 2,253 г/см 3 . Он отличается высокими температурами плавления (~ 4000 °С) и кипения (~ 4200 °С), повышающимся с ростом температуры электросопротивлением (при 873 К p≈9,6 мкОм⋅м, при 2273 К p≈ 15,0 мкОм⋅м), довольно прочен. Его временное сопротивление на усах может составить 480-500 МПа. Однако электродный графит имеет σ в = 3,4÷17,2 МПа. Твердость графита по шкале Мооса ~ 1.

Углерод - прекрасный восстановитель. Это связано с тем, что прочность одного из его кислородных соединений (СО) повышается с ростом температуры. Это видно из энергии Гиббса его образования, которая, как показали наши расчеты с использованием данных, хорошо описывается как трехчленным

так и двухчленными уравнениями:

Диоксид углерода СO 2 термодинамически прочен лишь до 1300 К. Энергия Гиббса образования CO 2 описывается уравнениями: