Кремний как химический элемент.

Лекция 5 Кремний и его соединения.

План.

1. Кремний как химический элемент.

2. Простые вещества. Аллотропия кремния.

3. Соединения кремния с отрицательной степенью окисления.

4. Оксид кремния.

5. Кремниевая кислота и ее соли.

6. Силикаты в природе. Силикатная промышленность.

Кремний как химический элемент.

Положение в ПС: №14, 3 период, 4 группа, главная подгруппа, А_r = 28. Состав атома: 14p, 14e^-, 14n. Заряд ядра +14, три электронных слоя 2e^-, 6e^-, 4е^-. Электронная формула 1S² 2S² 2P⁶ 3S² 3P² .

На внешнем слое 4 электрона, слой не завершен, но заполнен на половину. Радиус атома кремния больше чем у углерода, эти валентные электроны находятся дальше от ядра, чем в атоме углерода => не очень высокая ЭО; кремний – неметалл, но нетипичный. В невозбужденном состоянии у него два неспаренных электрона, но валентность II кремний в соединениях не проявляет. Наличие свободной р-орбитали делает возможным переход S-электрона на нее и появление четырех неспаренных e^-, и => характерной для него валентности - (IV). Возможна отрицательная с.о. -4, она проявляется в соединениях с металлами – силицидах. Но это формально. В реальности состав многих из них переменный и не отвечает обычным степеням окисления. В школьной программе силициды не изучаются. Итак, кремний проявляет во всех соединениях с неметаллами степень окисления +4. Простейшее ЛВС – силан SiН₄, очень неустойчив. А вот оксид SiO₂ и все соли кремниевой кислоты – наоборот очень прочные соединения.

Распространение в природе: кремний имеет 20 ат.% на Земле, т.е. по распространению на Земле уступает только кислороду. Встречается только в виде различных кислородных соединений – оксид и силикаты. Земная кора более чем наполовину состоит именно из этих соединений. Это объясняется способностью его атомов образовывать особо прочные связи с кислородом.

2. Простое вещество.Для кремния возможна аллотропия как и для углерода, но нографитоподобная (аморфная) модификация (порошок коричневого цвета) крайне неустойчива при н.у.

Алмазоподобная модификация кремния: кристаллическая решетка – атомная, все четыре связи одинаковы и направлены к вершинам тетраэдра. Твердое мелкие кристаллы темно-серого цвета с металлическим блеском. В природе не встречаются. Кристаллы тугоплавкие (1428^оС), очень твердые, в воде не растворяются.  Кристаллический кремний — полупроводник, его электропроводность значительно возрастает при освещении или нагревании. Его проводимость очень сильно зависит от наличия определенных примесей (например примеси Р дают п-Si, а добавление В дают р- Si. Кремний как полупроводник широко используется в микроэлектронике.

Кремний химически малоактивен. С простыми веществами (кроме фтора) взаимодействует только при нагревании. Кремний - неметалл, он может быть и окислителем, и восстановителем.

Как окислитель кремний взаимодействует с металлами:

Si + Са → Са₂Si (силицид кальция), при повышенной температуре

Как восстановитель, кремний при нагревании взаимодействует с кислородом и другими активными неметаллами, с оксидами. Эти реакции протекают гораздо легче, т.е. восстановительные свойства для него более характерны, чем окислительные. Например:

1) Si + О₂ → SiО₂

2) Si + С→ SiС (карборунд – прозрачные, очень твердые кристаллы, с высоким коэффициентом преломления и химически стойкие, похожи на алмаз или монокристалл оксида алюминия. Из него изготавливают шлифовальную бумагу и круги, плиты для пола, футеровку печей)

3) Fe₂O₃ + Si→ SiО₂ + Fe

Соединения кремния с водородом нельзя получить при непосредственном взаимодействии простых веществ. Их общее название – силаны. Они очень неустойчивы, самовоспламеняются на воздухе.

Получение. Из кварцевого песка при высокой температуре кремний восстанавливается активными металлами или коксом. Но такой кремний не проводит электрический ток, т.к. он содержит 5-3%примесей. Для нужд радиоэлектроники полученный кремний очищают специальными методами (зонной плавкой).

С + SiО₂ →СО₂ + Si