Кремний

Кремний - неметаллический элемент IVa группы периодической таблицы Д.И. Менделеева. Второй после кислорода элемент по распространенности в земной коре.

В чистом виде в природе практически отсутствует. Чаще всего встречается в виде кремнезема - SiO₂ - песок, песчаник, кварц, глина.

Кремниевая (силиконовая) долина

Регион в штате Калифорния (США), отличающийся большой плотностью высоко технологичных компаний, связанных с производством компьютеров и микропроцессоров.

Кремний является природным полупроводником, используется как основной материал для производства микросхем. Кремний ближе, чем вы думаете: внутри гаджета, которым вы пользуетесь ;)

Основное и возбужденное состояние кремния

При возбуждении атома кремния электроны на s-подуровне распариваются и один из них переходит на p-подуровень.

Природные соединения

В природе кремний встречается в виде следующих соединений:

• SiO₂ - кварц, кремнезем, гранит, песчаник, песок, глина
• SiO₂ с примесью Fe³⁺ - цитрин
• SiO₂ с примесью Fe²⁺ и Fe³⁺ - аметист

Получение

В промышленности кремний получают путем восстановления кремнезема в электрических печах, алюминотермией.

SiO₂ + C → (t) Si + CO₂↑

SiO₂ + Al → (t) Si+ Al₂O₃

В лабораторных условиях мелкий белый песок прокаливают с магнием:

SiO₂ + Mg → (t) MgO + Si

Химические свойства

• Реакции с неметаллами

При обычных условиях без нагревания кремний реагирует только со фтором.

Si + F₂ → SiF₄

При нагревании кремний вступает в реакции с остальными галогенами (Cl, Br, I), углеродом, кислородом. При очень высоких температурах (1200 °C) кремний с кислородом образует оксид кремния II - несолеобразующий оксид.

Si + Cl₂ → (t) SiCl₄

Si + C → (t) SiC

Si + O₂ → (t) SiO₂

Si + O₂ → (t = 1200 °C) SiO


• Реакции с металлами

В подобных реакциях кремния проявляет свои окислительные способности.

Ca + Si → Ca₂Si (силицид кальция)

• Реакция с щелочами

С целью травления (удаления поверхностного слоя материала) кремниевые изделия можно погружать в раствор щелочи.

KOH + Si → K₂SiO₃ + H₂↑

Оксид кремния IV - SiO₂

Оксид кремния IV имеет атомное строение, обладает высокой прочностью и твердостью. Плавится при температуре +1730 °C градусов.

Получение

В промышленности оксид кремния IV получают нагреванием кремния в атмосфере кислорода.

Si + O₂ → SiO₂

В лабораторных условиях проводят реакция силиката натрия с уксусной кислотой. Кремниевая кислота сразу же распадается на SiO₂, который выпадает в осадок, и воду.

Na₂SiO₃ + CH₃COOH → CH₃COONa + H₂SiO₃↓

H₂SiO₃ → SiO₂ + H₂O

Химические свойства

• Реакции с кислотами

Химически SiO₂ устойчив к действию кислот, однако вступает в реакцию с газообразным фтороводородом (газом) и плавиковой кислотой (жидкостью).

SiO₂ + HF → SiF₄ + H₂O

• Реакции с основными оксидами и щелочами

SiO₂ является кислотным оксидом, соответствует кремниевой кислоте. Вступая в реакции с основными оксидами и щелочами, образует соли данной кислоты - силикаты.

MgO + SiO₂ → MgSiO₃

NaOH + SiO₂ → Na₂SiO₃ + H₂O


• С карбонатами

Так как чаще всего кислотные оксиды с солями не реагируют, тем более необычной кажется реакция оксида кремния IV с карбонатами.

K₂CO₃ + SiO₂ → K₂SiO₃ + CO₂↑

Кремниевая кислота

Слабая, малорастворимая в воде кислота. Ее соли носят название - силикаты.

Получение

Поскольку кремниевая кислота малорастворима, то банальной реакцией SiO₂ с водой ее не получить. Эту задачу решают в две стадии через ее соли - силикаты.

LiOH + SiO₂ → Li₂SiO₃ + H₂O

Li₂SiO₃ + HCl → LiCl + H₂SiO₃↓

Химические свойства

Кремниевая кислота слабая, нестойкая, легко распадается на воду и оксид кремния IV.

H₂SiO₃ → H₂O + SiO₂