Силіцій та його властивості – ПІДГРУПА КАРБОНУ

ПОСІБНИК З ХІМІЇ ДЛЯ ВСТУПНИКІВ ДО ВИЩИХ НАВЧАЛЬНИХ ЗАКЛАДІВ

Частина II. НЕОРГАНІЧНА ХІМІЯ

Розділ 11. ПІДГРУПА КАРБОНУ

§ 11.5. Силіцій та його властивості

Поширення у природі. Силіцій після оксигену – найпоширеніший елемент на Землі. Він становить 27,6 % маси земної кори. У природі трапляється головним чином у вигляді оксиду силіцію(ІV) SiO2 та солей силікатних кислот – силікатів. Вони утворюють оболонку земної кори. Сполуки силіцію містяться в організмах рослин і тварин.

Добування та застосування. У промисловості кремній добувають

відновленням SiO2 коксом в електричних печах:

SiO2 + 2С = Si + 2СO.

У лабораторії як відновники використовують магній або алюміній:

SiO2 + 2Mg = Si + 2MgO;

3SiO2 + 4Al = 3Si + 2Al2O3.

Найчистіший кремній добувають відновленням тетрахлориду силіцію парою цинку:

SiCl4 + 2Zn = Si + 2ZnCl2.

Кремній використовують як напівпровідник. З нього виготовляють так звані сонячні батареї, які перетворюють світлову енергію в електричну (живлення радіоустановок космічних кораблів). Кремній використовують у металургії для добування кремнистих сталей, які мають високу жаростійкість та кислототривкість.

Фізичні властивості. Кристалічний кремній – речовина темно-сірого кольору зі стальним блиском. Структура кремнію аналогічна структурі алмазу. В його кристалі кожний атом оточений тетраедрично чотирма іншими і зв’язаний з ними ковалентним зв’язком, який значно слабкіший, ніж між атомами карбону в алмазі.

У кристалі кремнію навіть за звичайних умов частина ковалентних зв’язків руйнується. Тому в ньому є вільні електрони, які зумовлюють невелику електричну провідність. При освітленні і нагріванні збільшується кількість зруйнованих зв’язків, а отже, збільшується число вільних електронів і зростає електрична провідність. Так слід пояснювати напівпровідникові властивості кремнію.

Кремній дуже крихкий, його густина 2,33 г/см3. Як і вугілля, належить до тугоплавких речовин.

Силіцій складається з трьох стабільних ізотопів: 2814Si (92,27 %), 2914Si (4,68 %) та 3014Si (3,05 %).

Хімічні властивості. За хімічними властивостями сицілій, як і карбон, є неметалом, але його неметалічність виявляється слабкіше, тому що він має більший атомний радіус (п. 6, табл. 11.1). Оскільки у атомів силіцію на зовнішньому енергетичному рівні розташовано 4 електрони, то для силіцію характерний ступінь окиснення як -4, так і +4 (відома сполука силіцію, де його ступінь окиснення дорівнює +2).

Кремній за звичайних умов досить інертний, що слід пояснювати міцністю його кристалічної решітки. Безпосередньо він взаємодіє тільки зі фтором:

Si + 2F2 = SiF4.

Фторид

Силіцію

Кислоти (крім суміші плавикової HF та нітратної HNO3) на кремній не діють. Однак він розчиняється в гідроксидах лужних металів, утворюючи силікат і водень:

Si + 2OН – +Н2O = SiO2-3 + 2Н2 ↑.

При високій температурі в електричній печі із суміші піску і коксу добувають карбід силіцію SiC (карборунд):

SiO2 + 2С = SiC + СО2.

Карборунд має алмазоподібну кристалічну решітку, в якій кожен атом силіцію оточений чотирма атомами карбону і навпаки, а ковалентні зв’язки дуже міцні, як у алмазі. Тому за твердістю він близький до алмазу. З карбіду силіцію виготовляють точильні камені та шліфувальні круги.

Сполуки металів з кремнієм називаються силіцидами. Наприклад:

Si + 2Mg = Mg2Si.

Силіцид

Магнію

При дії на силіцид хлоридною кислотою утворюється найпростіша воднева сполука силіцію – силан SiH4:

Mg2Si + 4Н+ = 2Mg2+ + SiH4.

Силан – отруйний газ з неприємним запахом, самозаймається на повітрі:

SiH4 + 2O2 = SiO2 + 2Н2O.

Подрібнений кремній при нагріванні з киснем згоряє, утворюючи оксид силіцію(ІV):

Si + О2 = SiO2.

При цьому виділяється велика кількість теплоти, що свідчить про значну міцність зв’язку між атомами в SiO2.

При високих температурах кремній відновлює багато металів з їх оксидів.




Силіцій та його властивості – ПІДГРУПА КАРБОНУ