Второй по распространённости элемент в земной коре после кислорода (27,6% по массе). Встречается в соединениях.
Строение атома кремния в основном состоянии
1s22s22p63s23p2
|
Строение атома кремния в возбуждённом состоянии
1s22s22p63s13p3 Степени окисления: +4, -4. |
Аллотропия кремния
Известен аморфный и кристаллический кремний.
Кристаллический – тёмно-серое вещество с металлическим блеском, большая твёрдость, хрупок, полупроводник; ρ = 2,33 г/см3, t°пл. =1415°C; t°кип. = 2680°C.
Имеет алмазоподобную структуру и образует прочные ковалентные связи. Инертен.
Аморфный — бурый порошок, гигроскопичен, алмазоподобная структура, ρ = 2 г/см3, более реакционноспособен.
Получение кремния
1) Промышленность – нагревание угля с песком:
2C + SiO2 t˚→ Si + 2CO
2) Лаборатория – нагревание песка с магнием:
2Mg + SiO2 t˚→ Si + 2MgO
Химические свойства
Типичный неметалл, инертен.
Как восстановитель:
1) С кислородом
Si0 + O2 t˚→ Si+4O2
2) С фтором (без нагревания)
Si0 + 2F2 → SiF4
3) С углеродом
Si0 + C t˚→ Si+4C
(SiC — карборунд — твёрдый; используется для точки и шлифовки)
4) С водородом не взаимодействует.
Силан (SiH4) получают разложением силицидов металлов кислотой:
Mg2Si + 2H2SO4 → SiH4 + 2MgSO4
5) С кислотами не реагирует (только с плавиковой кислотой Si+4HF=SiF4+2H2)
Растворяется только в смеси азотной и плавиковой кислот:
3Si + 4HNO3 + 18HF → 3H2[SiF6] + 4NO + 8H2O
6) Со щелочами (при нагревании):
Si0 + 2NaOH + H2O t˚→ Na2Si+4O3+ 2H2
Как окислитель:
7) С металлами (образуются силициды):
Si0 + 2Mg t˚→ Mg2Si-4
Применение кремния
Кремний широко используется в электронике как полупроводник. Добавки кремния к сплавам повышают их коррозионную стойкость. Силикаты, алюмосиликаты и кремнезем – основное сырье для производства стекла и керамики, а также для строительной промышленности.
Силан — SiH4
Физические свойства: Бесцветный газ, ядовит, t°пл. = -185°C, t°кип. = -112°C.
Получение: Mg2Si + 4HCl → 2MgCl2 + SiH4↑
Химические свойства:
1) Окисление: SiH4 + 2O2 t˚→ SiO2 + 2H2O
2) Разложение: SiH4 → Si + 2H2
Оксид кремния (IV) — (SiO2)n
SiO2 — кварц, горный хрусталь, аметист, агат, яшма, опал, кремнезём (основная часть песка):
Кристаллическая решётка оксида кремния (IV) – атомная и имеет такое строение:
Al2O3 • 2SiO2 • 2H2O — каолинит (основная часть глины)
K2O • Al2O3 • 6SiO2 — ортоклаз (полевой шпат)
Химические свойства:
Кислотный оксид. При сплавлении взаимодействует с основными оксидами, щелочами, а также с карбонатами щелочных и щелочноземельных металлов:
1) С основными оксидами:
SiO2 + CaO t˚→ CaSiO3
2) Со щелочами:
SiO2 + 2NaOH t˚→ Na2SiO3 + H2O
3) С водой не реагирует
4) С солями:
SiO2 + CaCO3 t˚→ CaSiO3 + CO2
SiO2 + K2CO3 t˚→ K2SiO3 + CO2
5) С плавиковой кислотой:
SiO2 + 4HF t˚→ SiF4 + 2H2O
SiO2 + 6HF t˚→ H2[SiF6] (гексафторкремниевая кислота) + 2H2O
(реакции лежат в основе процесса травления стекла).
Применение:
1. Изготовление силикатного кирпича
2. Изготовление керамических изделий
3. Получение стекла
Кремниевые кислоты
x • SiO2 • y H2O
x = 1, y = 1 H2SiO3 — метакремниевая кислота
x = 1, y = 2 H4SiO4 — ортокремниевая кислота и т.д.
Физические свойства: H2SiO3 — очень слабая (слабее угольной), непрочная, в воде малорастворима (образует коллоидный раствор), не имеет кислого вкуса.
Получение:
Действие сильных кислот на силикаты — Na2SiO3 + 2HCl → 2NaCl + H2SiO3↓
Химические свойства:
При нагревании разлагается: H2SiO3 t˚→ H2O + SiO2
Соли кремниевой кислоты — силикаты.
1) с кислотами
Na2SiO3+H2O+CO2=Na2CO3+H2SiO3
2) с солями
Na2SiO3+CaCl2=2NaCl+CaSiO3↓
3) Силикаты, входящие в состав минералов, в природных условиях разрушаются под действием воды и оксида углерода (IV) — выветривание горных пород:
(K2O • Al2O3 • 6SiO2)(полевой шпат) + CO2 + 2H2O → (Al2O3 • 2SiO2 • 2H2O)(каолинит (глина)) + 4SiO2(кремнезём (песок)) + K2CO3
Силикаты:
ли кремниевой кислоты – силикаты. Обычно они нерастворимы в воде, исключения составляют силикаты натрия и калия, их называют «жидким стеклом». Силикаты широко распространены в природе. Свойства силикатов различны в зависимости от их состава и строения, очень часто они имеют красивую окраску, некоторые из них используются в ювелирном деле (гранат, топаз, изумруд).
Гранат – общая формула: R2+3 R3+2 [SiO4]3, где R2+ — Mg, Fe, Mn, Ca; R3+ — Al, Fe, Cr
Топаз – Al2[SiO4](F, OH)2 + примеси Fe2+, Fe3+, Ti, Cr, V и др
Изумруд – Be3Al2Si6O18 + примеси Fe2O3, V2O3, Cr2O3
Состав обычного оконного стекла: Na2O·CaO·6SiO2.
Стекло получают при сплавлении в специальных печах смеси соды Na2CO3, известняка CaCO3 и белого песка SiO2:
6SiO2 + Na2CO3 + CaCO3 → Na2O·CaO·6SiO2 + 2CO2
Для получения специального стекла вводят различные добавки, так стекло содержащее ионы:
Pb2+ – хрусталь;
Cr3+ – имеет зеленую окраску,
Fe3+ – коричневое бутылочное стекло,
Co2+ – дает синий цвет,
Mn2+ – красновато–лиловый