Structura cristalină a siliciului. Proprietăți chimice ale siliciului

Unul dintre cele mai comune elemente din natură este siliciul sau siliciul. O distribuție atât de largă indică importanța și semnificația acestei substanțe. Acest lucru a fost înțeles și învățat rapid de oamenii care au învățat cum să folosească corect siliciul în scopurile lor. Utilizarea sa se bazează pe proprietăți speciale, despre care vom discuta în continuare.

Siliciu - element chimic

Dacă caracterizăm un element dat prin poziție în tabelul periodic, putem identifica următoarele puncte importante:

1. Număr de serie - 14.
2. Perioada este a treia mică.
3. Grupa - IV.
4. Subgrupul este cel principal.
5. Structura învelișului electronic exterior este exprimată prin formula 3s 2 3p 2.
6. Elementul siliciu este reprezentat de simbolul chimic Si, care se pronunță „siliciu”.
7. Stările de oxidare pe care le prezintă sunt: ​​-4; +2; +4.
8. Valența atomului este IV.
9. Masa atomică a siliciului este de 28,086.
10. În natură, există trei izotopi stabili ai acestui element cu numere de masă 28, 29 și 30.

Astfel, din punct de vedere chimic, atomul de siliciu este un element destul de studiat, multe dintre proprietățile sale diferite;

Istoria descoperirii

Deoarece diferiți compuși ai elementului în cauză sunt foarte populari și abundenți în natură, din cele mai vechi timpuri oamenii au folosit și știut despre proprietățile multora dintre ei. Siliciul pur a rămas mult timp dincolo de cunoștințele umane în chimie.

Cei mai populari compuși folosiți în viața de zi cu zi și în industrie de către popoarele culturilor antice (egipteni, romani, chinezi, ruși, perși și alții) au fost pietrele prețioase și ornamentale pe bază de oxid de siliciu. Acestea includ:

• opal;
• stras;
• topaz;
• crisoprază;
• onix;
• calcedonie și altele.

De asemenea, a fost obișnuit să se folosească cuarțul în construcții încă din cele mai vechi timpuri. Cu toate acestea, siliciul elementar în sine a rămas nedescoperit până în secolul al XIX-lea, deși mulți oameni de știință au încercat în zadar să-l izoleze de diferiți compuși, folosind catalizatori, temperaturi ridicate și chiar curent electric. Acestea sunt minți atât de strălucitoare ca:

• Karl Scheele;
• Gay-Lussac;
• Palmă a mâinii;
• Humphry Davy;
• Antoine Lavoisier.

Jens Jacobs Berzelius a reușit să obțină siliciu în forma sa pură în 1823. Pentru a face acest lucru, el a efectuat un experiment privind fuziunea vaporilor de fluorură de siliciu și potasiu metal. Ca urmare, am obținut o modificare amorfă a elementului în cauză. Aceiași oameni de știință au propus un nume latin pentru atomul descoperit.

Puțin mai târziu, în 1855, un alt om de știință - Sainte-Clair-Deville - a reușit să sintetizeze o altă varietate alotropă - siliciul cristalin. De atunci, cunoștințele despre acest element și proprietățile sale au început să se extindă foarte repede. Oamenii și-au dat seama că are caracteristici unice care pot fi folosite foarte inteligent pentru a-și satisface propriile nevoi. Prin urmare, astăzi unul dintre cele mai populare elemente din electronică și tehnologie este siliciul. Utilizarea sa își extinde limitele doar în fiecare an.

Numele rusesc pentru atom a fost dat de omul de știință Hess în 1831. Aceasta este ceea ce a rămas până în ziua de azi.

În ceea ce privește abundența în natură, siliciul ocupă locul al doilea după oxigen. Procentul său în comparație cu alți atomi din scoarța terestră este de 29,5%. În plus, carbonul și siliciul sunt două elemente speciale care pot forma lanțuri prin legarea unul cu celălalt. De aceea, pentru acestea din urmă sunt cunoscute peste 400 de minerale naturale diferite, în care se găsește în litosferă, hidrosferă și biomasă.

Unde se găsește mai exact siliciul?

1. În straturile adânci ale solului.
2. În roci, depozite și masive.
3. Pe fundul corpurilor de apă, în special al mărilor și oceanelor.
4. În plante și viața marina din regnul animal.
5. În corpul uman și animalele terestre.

Putem identifica câteva dintre cele mai comune minerale și roci care conțin cantități mari de siliciu. Chimia lor este de așa natură încât conținutul de masă al elementului pur din ele ajunge la 75%. Cu toate acestea, cifra specifică depinde de tipul de material. Deci, roci și minerale care conțin siliciu:

• feldspați;
• mica;
• amfiboli;
• opale;
• calcedonie;
• silicati;
• gresii;
• aluminosilicați;
• argile si altele.

Acumulându-se în cochiliile și exoscheletele animalelor marine, siliciul formează în cele din urmă depozite puternice de siliciu pe fundul corpurilor de apă. Aceasta este una dintre sursele naturale ale acestui element.

În plus, s-a constatat că siliciul poate exista în forma sa nativă pură - sub formă de cristale. Dar astfel de depozite sunt foarte rare.

Proprietățile fizice ale siliciului

Dacă caracterizăm elementul luat în considerare în funcție de un set de proprietăți fizice și chimice, atunci în primul rând este necesar să desemnăm parametrii fizici. Iată câteva dintre cele principale:

1. Există sub forma a două modificări alotrope - amorfe și cristaline, care diferă în toate proprietățile.
2. Rețeaua cristalină este foarte asemănătoare cu cea a diamantului, deoarece carbonul și siliciul sunt practic la fel în acest sens. Cu toate acestea, distanța dintre atomi este diferită (siliciul este mai mare), astfel încât diamantul este mult mai dur și mai puternic. Tip zăbrele - cubică centrată pe față.
3. Substanța este foarte fragilă și devine plastică la temperaturi ridicate.
4. Punctul de topire este de 1415°C.
5. Punct de fierbere - 3250˚С.
6. Densitatea substanței este de 2,33 g/cm3.
7. Culoarea compusului este gri-argintiu, cu un luciu metalic caracteristic.
8. Are proprietăți semiconductoare bune, care pot varia odată cu adăugarea anumitor agenți.
9. Insolubil în apă, solvenți organici și acizi.
10. Solubil în mod specific în alcalii.

Proprietățile fizice identificate ale siliciului permit oamenilor să-l manipuleze și să-l folosească pentru a crea diverse produse. De exemplu, utilizarea siliciului pur în electronică se bazează pe proprietățile semiconductivității.

Proprietăți chimice

Proprietățile chimice ale siliciului sunt foarte dependente de condițiile de reacție. Dacă vorbim despre parametri standard, atunci trebuie să indicăm o activitate foarte scăzută. Atât siliciul cristalin, cât și cel amorf sunt foarte inert. Nu interacționează cu agenți oxidanți puternici (cu excepția fluorului) sau cu agenți reducători puternici.

Acest lucru se datorează faptului că pe suprafața substanței se formează instantaneu un film de oxid de SiO 2, ceea ce previne interacțiunile ulterioare. Se poate forma sub influența apei, a aerului și a vaporilor.

Dacă modificați condițiile standard și încălziți siliciul la o temperatură de peste 400˚C, atunci activitatea sa chimică va crește foarte mult. În acest caz, va reacționa cu:

• oxigen;
• toate tipurile de halogeni;
• hidrogen.

Odată cu o creștere suplimentară a temperaturii, este posibilă formarea de produse prin interacțiunea cu borul, azotul și carbonul. Carborundum - SiC - este de o importanță deosebită, deoarece este un bun material abraziv.

De asemenea, proprietățile chimice ale siliciului sunt clar vizibile în reacțiile cu metalele. În raport cu acestea, este un agent oxidant, motiv pentru care produsele se numesc siliciuri. Compuși similari sunt cunoscuți pentru:

• alcalin;
• alcalino-pământos;
• metale de tranziție.

Compusul obținut prin topirea fierului și a siliciului are proprietăți neobișnuite. Se numește ceramică ferosilicioasă și este folosită cu succes în industrie.

Siliciul nu interacționează cu substanțe complexe, prin urmare, din toate soiurile lor, se poate dizolva numai în:

• aqua regia (un amestec de acizi azotic și clorhidric);
• alcalii caustici.

În acest caz, temperatura soluției trebuie să fie de cel puțin 60˚C. Toate acestea confirmă încă o dată baza fizică a substanței - o rețea cristalină stabilă asemănătoare unui diamant, care îi conferă rezistență și inerție.

Metode de obținere

Obținerea siliciului în forma sa pură este un proces destul de costisitor. În plus, datorită proprietăților sale, orice metodă dă doar un produs pur 90-99%, în timp ce impuritățile sub formă de metale și carbon rămân toate aceleași. Prin urmare, simpla obținere a substanței nu este suficientă. De asemenea, trebuie curățat bine de elemente străine.

În general, producția de siliciu se realizează în două moduri principale:

1. Din nisip alb, care este oxid de siliciu pur SiO2. Când este calcinat cu metale active (cel mai adesea magneziu), se formează un element liber sub forma unei modificări amorfe. Puritatea acestei metode este ridicată, produsul se obține cu un randament de 99,9 la sută.
2. O metodă mai răspândită la scară industrială este sinterizarea nisipului topit cu cocs în cuptoare termice specializate. Această metodă a fost dezvoltată de omul de știință rus N. N. Beketov.

Prelucrarea ulterioară implică supunerea produselor la metode de purificare. În acest scop se folosesc acizi sau halogeni (clor, fluor).

Siliciu amorf

Caracterizarea siliciului va fi incompletă dacă fiecare dintre modificările sale alotropice nu este luată în considerare separat. Prima dintre ele este amorfă. În această stare, substanța pe care o luăm în considerare este o pulbere maro-maroniu, fin dispersată. Are un grad ridicat de higroscopicitate și prezintă o activitate chimică destul de mare când este încălzit. În condiții standard, este capabil să interacționeze numai cu cel mai puternic agent de oxidare - fluorul.

Nu este în întregime corect să numim siliciul amorf un tip de siliciu cristalin. Rețeaua sa arată că această substanță este doar o formă de siliciu fin dispersat, existent sub formă de cristale. Prin urmare, ca atare, aceste modificări sunt unul și același compus.

Cu toate acestea, proprietățile lor diferă, motiv pentru care se obișnuiește să se vorbească despre alotropie. Siliciul amorf în sine are o capacitate mare de absorbție a luminii. În plus, în anumite condiții, acest indicator este de câteva ori mai mare decât cel al formei cristaline. Prin urmare, este utilizat în scopuri tehnice. Sub această formă (pulbere), compusul se aplică cu ușurință pe orice suprafață, fie ea din plastic sau sticlă. Acesta este motivul pentru care siliciul amorf este atât de convenabil de utilizat. Aplicație bazată pe diferite dimensiuni.

Deși bateriile de acest tip se uzează destul de repede, ceea ce este asociat cu abraziunea unei pelicule subțiri de substanță, utilizarea și cererea lor sunt în creștere. La urma urmei, chiar și pe o durată de viață scurtă, bateriile solare bazate pe siliciu amorf pot furniza energie întregi întreprinderi. În plus, producția unei astfel de substanțe este fără deșeuri, ceea ce o face foarte economică.

Această modificare este obținută prin reducerea compușilor cu metale active, de exemplu, sodiu sau magneziu.

Siliciu cristalin

Modificare strălucitoare gri-argintie a elementului în cauză. Această formă este cea mai comună și cea mai solicitată. Acest lucru se explică prin setul de proprietăți calitative pe care le posedă această substanță.

Caracteristicile siliciului cu o rețea cristalină includ clasificarea tipurilor sale, deoarece există mai multe dintre ele:

1. Calitate electronică - cea mai pură și cea mai înaltă calitate. Acest tip este folosit în electronică pentru a crea dispozitive deosebit de sensibile.
2. Calitate însorită. Numele în sine determină zona de utilizare. Este, de asemenea, siliciu de puritate destul de ridicată, a cărui utilizare este necesară pentru a crea celule solare de înaltă calitate și de lungă durată. Convertoarele fotoelectrice create pe baza unei structuri cristaline sunt de calitate superioară și rezistente la uzură decât cele create folosind o modificare amorfă prin pulverizare pe diferite tipuri de substraturi.
3. Siliciu tehnic. Această varietate include acele mostre de substanță care conțin aproximativ 98% din elementul pur. Orice altceva merge la diferite tipuri de impurități:

• aluminiu;
• clor;
• carbon;
• fosfor și altele.

Ultimul tip de substanță în cauză este folosit pentru a obține policristale de siliciu. În acest scop, se efectuează procese de recristalizare. Drept urmare, din punct de vedere al purității, se obțin produse care pot fi clasificate ca calitate solară și electronică.

Prin natura sa, polisiliciul este un produs intermediar între modificările amorfe și cristaline. Această opțiune este mai ușor de lucrat, este mai bine procesată și curățată cu fluor și clor.

Produsele rezultate pot fi clasificate după cum urmează:

• multisiliciu;
• monocristalin;
• cristale profilate;
• resturi de siliciu;
• siliciu tehnic;
• deșeuri de producție sub formă de fragmente și resturi de materie.

Fiecare dintre ele își găsește aplicație în industrie și este utilizat pe deplin de oameni. Prin urmare, cei care ating siliciul sunt considerați non-deșeuri. Acest lucru reduce semnificativ costul său economic fără a afecta calitatea.

Folosind siliciu pur

Producția industrială de siliciu este destul de bine stabilită, iar scara sa este destul de mare. Acest lucru se datorează faptului că acest element, atât pur, cât și sub formă de diverși compuși, este larg răspândit și solicitat în diferite ramuri ale științei și tehnologiei.

Unde se folosește siliciul cristalin și amorf în forma sa pură?

1. În metalurgie, ca aditiv de aliere capabil să modifice proprietățile metalelor și aliajelor acestora. Astfel, se folosește la topirea oțelului și a fontei.
2. Diferite tipuri de substanțe sunt utilizate pentru a face o versiune mai pură - polisiliciu.
3. Compușii de siliciu reprezintă o întreagă industrie chimică care a câștigat o popularitate deosebită astăzi. Materialele organosilicioase sunt folosite în medicină, la fabricarea de vase, unelte și multe altele.
4. Fabricarea diverselor panouri solare. Această metodă de obținere a energiei este una dintre cele mai promițătoare în viitor. Ecologic, benefic din punct de vedere economic și rezistent la uzură sunt principalele avantaje ale acestui tip de generare de energie electrică.
5. Siliciul a fost folosit pentru brichete de foarte mult timp. Chiar și în cele mai vechi timpuri, oamenii foloseau silex pentru a produce o scânteie atunci când aprindeau focul. Acest principiu stă la baza producerii diferitelor tipuri de brichete. Astăzi există tipuri în care silexul este înlocuit cu un aliaj cu o anumită compoziție, care dă un rezultat și mai rapid (scântei).
6. Electronică și energie solară.
7. Fabricarea de oglinzi în dispozitive cu laser cu gaz.

Astfel, siliciul pur are o mulțime de proprietăți avantajoase și speciale care îi permit să fie folosit pentru a crea produse importante și necesare.

Aplicarea compușilor de siliciu

Pe lângă substanța simplă, sunt utilizați și diverși compuși de siliciu, și pe scară largă. Există o întreagă industrie numită silicat. Se bazează pe utilizarea diferitelor substanțe care conțin acest element uimitor. Care sunt acești compuși și ce se produce din ei?

1. Cuarț sau nisip de râu - SiO2. Folosit la fabricarea materialelor de construcție și decorative precum ciment și sticlă. Toată lumea știe unde sunt folosite aceste materiale. Nicio construcție nu poate fi finalizată fără aceste componente, ceea ce confirmă importanța compușilor de siliciu.
2. Ceramica de silicat, care include materiale precum faianța, porțelanul, cărămida și produse pe bază de acestea. Aceste componente sunt utilizate în medicină, în fabricarea de vase, bijuterii decorative, articole de uz casnic, în construcții și în alte domenii de zi cu zi ale activității umane.
3. - siliconi, silicageluri, uleiuri siliconice.
4. Adeziv silicat - folosit ca papetărie, în pirotehnică și construcții.

Siliciul, al cărui preț variază pe piața mondială, dar nu trece de sus în jos marca de 100 de ruble rusești pe kilogram (pe cristalin), este o substanță căutată și valoroasă. Desigur, compușii acestui element sunt, de asemenea, răspândiți și aplicabili.

Rolul biologic al siliciului

Din punctul de vedere al importanței sale pentru organism, siliciul este important. Conținutul și distribuția sa în țesuturi sunt după cum urmează:

• 0,002% - mușchi;
• 0,000017% - os;
• sânge - 3,9 mg/l.

Aproximativ un gram de siliciu trebuie ingerat în fiecare zi, altfel bolile vor începe să se dezvolte. Niciuna dintre ele nu este mortal, dar foamea prelungită de siliciu duce la:

• căderea părului;
• apariția acneei și a cosurilor;
• fragilitatea și fragilitatea oaselor;
• permeabilitate capilară ușoară;
• oboseală și dureri de cap;
• apariția a numeroase vânătăi și vânătăi.

Pentru plante, siliciul este un microelement important necesar pentru creșterea și dezvoltarea normală. Experimentele pe animale au arătat că acei indivizi care consumă o cantitate suficientă de siliciu în fiecare zi cresc mai bine.

Siliciu(lat. siliciu), si, element chimic din grupa IV a sistemului periodic al lui Mendeleev; numărul atomic 14, masa atomică 28.086. În natură, elementul este reprezentat de trei izotopi stabili: 28 si (92,27%), 29 si (4,68%) și 30 si (3,05%).

Context istoric . Compușii K, răspândiți pe pământ, sunt cunoscuți omului încă din epoca de piatră. Folosirea uneltelor de piatră pentru muncă și vânătoare a continuat timp de câteva milenii. Utilizarea compușilor K asociați procesării – producerii acestora sticla - a început în jurul anului 3000 î.Hr. e. (în Egiptul Antic). Cel mai vechi compus cunoscut al K. este dioxidul de sio2 (silice). În secolul al XVIII-lea siliciul a fost considerat un corp simplu și denumit „pământ” (așa cum se reflectă în numele său). Complexitatea compoziției silicei a fost stabilită de I. Ya. Berzelius. Pentru prima dată, în 1825, a obținut K. elementar din fluorură de siliciu sif 4, reducându-l pe acesta din urmă cu potasiu metal. Noului element i s-a dat numele de „siliciu” (din latinescul silex - silex). Numele rusesc a fost introdus de G.I. Hessîn 1834.

Prevalența în natură . În ceea ce privește prevalența în scoarța terestră, oxigenul este al doilea element (după oxigen), conținutul său mediu în litosferă este de 29,5% (în masă). În scoarța terestră, carbonul joacă același rol principal ca și carbonul în lumea animală și vegetală. Pentru geochimia oxigenului este importantă legătura sa extrem de puternică cu oxigenul. Aproximativ 12% din litosferă este silice sio 2 sub formă minerală cuarţși soiurile sale. 75% din litosferă este formată din diverse silicatiŞi aluminosilicati(feldspați, mica, amfiboli etc.). Numărul total de minerale care conțin silice depășește 400 .

În timpul proceselor magmatice, are loc o diferențiere slabă a calciului: acesta se acumulează atât în ​​granitoide (32,3%), cât și în roci ultrabazice (19%). La temperaturi ridicate și presiune ridicată, solubilitatea sio 2 crește. Migrarea sa cu vaporii de apă este de asemenea posibilă, prin urmare pegmatitele filoanelor hidrotermale se caracterizează prin concentrații semnificative de cuarț, care este adesea asociat cu elemente de minereu (filoane de aur-cuarț, cuarț-cassiterit etc.).

Proprietăți fizice și chimice. Carbonul formează cristale de culoare gri închis cu un luciu metalic, având o rețea de tip diamant cubic centrată pe față, cu o perioadă a = 5,431 a și o densitate de 2,33 g/cm 3 . La presiuni foarte mari s-a obţinut o nouă modificare (aparent hexagonală) cu o densitate de 2,55 g/cm3. K. se topește la 1417°C, fierbe la 2600°C. Capacitate termică specifică (la 20-100°C) 800 J/ (kg? K), sau 0,191 cal/ (g? deg); conductivitatea termică chiar și pentru cele mai pure probe nu este constantă și este în intervalul (25°C) 84-126 W/ (m? K), sau 0,20-0,30 cal/ (cm? sec? deg). Coeficientul de temperatură al expansiunii liniare 2,33? 10-6K-1; sub 120k devine negativ. K. este transparent la razele infraroșii cu undă lungă; indicele de refracție (pentru l = 6 um) 3,42; constantă dielectrică 11.7. K. este diamagnetică, susceptibilitatea magnetică atomică este -0,13? 10 -6. K. duritate conform Mohs 7,0, conform Brinell 2,4 Gn/m2 (240 kgf/mm2), modul elastic 109 Gn/m2 (10890 kgf/mm2), coeficient de compresibilitate 0,325? 10 -6 cm 2 /kg. K. material fragil; deformarea plastică vizibilă începe la temperaturi peste 800°C.

K. este un semiconductor care își găsește o utilizare din ce în ce mai mare. Proprietățile electrice ale cuprului sunt foarte dependente de impurități. Rezistivitatea electrică volumetrică specifică intrinsecă a unei celule la temperatura camerei este considerată 2,3? 10 3 ohm? m(2,3 ? 10 5 ohm? cm) .

Circuit semiconductor cu conductivitate r-tip (aditivi B, al, in sau ga) si n-tip (aditivi P, bi, as sau sb) are rezistenta semnificativ mai mica. Intervalul de bandă conform măsurătorilor electrice este de 1,21 ev la 0 LAși scade la 1.119 ev la 300 LA.

În conformitate cu poziția inelului în tabelul periodic al lui Mendeleev, cei 14 electroni ai atomului inelului sunt distribuiți pe trei învelișuri: în primul (din nucleu) 2 electroni, în al doilea 8, în al treilea (valență) 4; configurația învelișului de electroni 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2. Potențiale succesive de ionizare ( ev): 8,149; 16,34; 33.46 și 45.13. Raza atomică 1,33 a, rază covalentă 1,17 a, raze ionice si 4+ 0,39 a, si 4- 1,98 a.

În compușii carbonului (asemănători carbonului) 4-valentenă. Cu toate acestea, spre deosebire de carbon, siliciul, împreună cu un număr de coordonare de 4, prezintă un număr de coordonare de 6, care se explică prin volumul mare al atomului său (un exemplu de astfel de compuși sunt silicofluorurile care conțin grupa 2).

Legătura chimică a unui atom de carbon cu alți atomi se realizează de obicei datorită orbitalilor hibrizi sp 3, dar este, de asemenea, posibilă implicarea a doi dintre cei cinci ai săi (vacante) 3 d- orbitali, mai ales când K. are șase coordonate. Având o valoare scăzută a electronegativității de 1,8 (față de 2,5 pentru carbon; 3,0 pentru azot etc.), carbonul este electropozitiv în compușii cu nemetale, iar acești compuși sunt de natură polară. Energie mare de legare cu oxigen si-o, egală cu 464 kJ/mol(111 kcal/mol) , determină stabilitatea compușilor săi oxigenați (sio 2 și silicați). Energia de legare Si-si este scăzută, 176 kJ/mol (42 kcal/mol) ; Spre deosebire de carbon, carbonul nu se caracterizează prin formarea de lanțuri lungi și duble legături între atomii de si. În aer, datorită formării unei pelicule de oxid de protecție, carbonul este stabil chiar și la temperaturi ridicate. În oxigen se oxidează începând de la 400°C, formându-se dioxid de siliciu sio 2. Se mai cunoaste si monoxidul de sio, stabil la temperaturi ridicate sub forma unui gaz; ca urmare a răcirii bruște, se poate obține un produs solid care se descompune ușor într-un amestec subțire de si și sio 2. K. este rezistent la acizi si se dizolva numai intr-un amestec de acizi azotic si fluorhidric; se dizolvă ușor în soluții alcaline fierbinți cu eliberarea de hidrogen. K. reacţionează cu fluorul la temperatura camerei şi cu alţi halogeni atunci când este încălzit pentru a forma compuşi cu formula generală şase 4 . Hidrogenul nu reacționează direct cu carbonul și silice(silanii) se obțin prin descompunerea siliciurilor (vezi mai jos). Siliconii cu hidrogen sunt cunoscuți de la sih 4 la si 8 h 18 (compoziția este similară cu hidrocarburile saturate). K. formeaza 2 grupe de silani care contin oxigen - siloxanii si siloxene. K reacționează cu azotul la temperaturi peste 1000°C. De mare importanță practică este nitrura de si 3 n 4, care nu se oxidează în aer nici la 1200°C, este rezistentă la acizi (cu excepția azotului) și alcalii, precum și la metale și zguri topite, ceea ce o face un material valoros pentru industria chimică, pentru producerea de materiale refractare etc. Compușii de carbon cu carbon se disting prin duritatea lor mare, precum și rezistența termică și chimică ( carbură de siliciu sic) și cu bor (sib 3, sib 6, sib 12). Când este încălzit, clorul reacționează (în prezența catalizatorilor metalici, cum ar fi cuprul) cu compuși organoclorați (de exemplu, ch 3 cl) pentru a forma organohalosilani [de exemplu, si (ch 3) 3 ci], care sunt utilizați pentru sinteza. de numeroase compuși organosilicici.

K. formează compuși cu aproape toate metalele - siliciuri(nu au fost detectate conexiuni doar cu bi, tl, pb, hg). S-au obţinut peste 250 de siliciuri, a căror compoziţie (mesi, mesi 2, me 5 si 3, me 3 si, me 2 si etc.) nu corespunde de regulă cu valenţele clasice. Siliciurile sunt refractare și dure; Ferosiliciul și siliciura de molibden mosi 2 sunt de cea mai mare importanță practică (încălzitoare electrice pentru cuptoare, palete de turbine cu gaz etc.).

Chitanța și cererea. K. puritatea tehnică (95-98%) se obţine în arc electric prin reducerea siliciului sio 2 între electrozii de grafit. În legătură cu dezvoltarea tehnologiei semiconductoarelor, s-au dezvoltat metode de obținere a cuprului pur și mai ales pur. Aceasta necesită sinteza prealabilă a celor mai puri compuși de plecare ai cuprului, din care cuprul este extras prin reducere sau descompunere termică.

Cuprul semiconductor pur se obține în două forme: policristalin (prin reducerea sici 4 sau sihcl 3 cu zinc sau hidrogen, descompunere termică a sil 4 și sih 4) și monocristalin (zonă fără creuzet topirea și „tragerea” unui singur cristal). din cupru topit – metoda Czochralski).

Cuprul dopat special este utilizat pe scară largă ca material pentru fabricarea dispozitivelor semiconductoare (tranzistoare, termistoare, redresoare de putere, diode controlate - tiristoare; fotocelule solare utilizate în nave spațiale etc.). Deoarece K. este transparent la razele cu lungimi de undă de la 1 la 9 µm, este folosit în optică în infraroșu .

K. are domenii de aplicare diverse și în continuă expansiune. În metalurgie, oxigenul este folosit pentru a îndepărta oxigenul dizolvat în metalele topite (dezoxidare). K. este o componentă a unui număr mare de aliaje de fier și metale neferoase. De obicei, carbonul conferă aliajelor rezistență sporită la coroziune, îmbunătățește proprietățile lor de turnare și crește rezistența mecanică; totusi cu un continut mai mare de K. poate provoca fragilitate. Cele mai importante sunt fierul, cuprul și aliajele de aluminiu care conțin calciu. Siliciul și mulți silicați (argile, feldspați, mica, talc etc.) sunt prelucrați de sticlă, ciment, ceramică, electrică și alte industrii.

V. P. Barzakovsky.

Siliciul se găsește în organism sub formă de diferiți compuși, implicați în principal în formarea părților dure ale scheletului și a țesuturilor. Unele plante marine (de exemplu, diatomee) și animale (de exemplu, bureți siliciu, radiolari) pot acumula cantități deosebit de mari de siliciu, formând depozite groase de dioxid de siliciu pe fundul oceanului atunci când mor. În mările și lacuri reci predomină nămolurile biogenice îmbogățite în potasiu, în mările tropicale predomină nămolurile calcaroase cu conținut scăzut de potasiu, printre plantele terestre, cerealele, roștii, palmierii și coada-calului. La vertebrate, conținutul de dioxid de siliciu în substanțe de cenușă este de 0,1-0,5%. În cele mai mari cantități, K. se găsește în țesutul conjunctiv dens, rinichi și pancreas. Dieta zilnică a omului conține până la 1 G K. Când există un conținut ridicat de praf de dioxid de siliciu în aer, acesta intră în plămânii umani și provoacă boli - silicoză.

V. V. Kovalsky.

Lit.: Berezhnoy A.S., Siliciul și sistemele sale binare. K., 1958; Krasyuk B. A., Gribov A. I., Semiconductori - germaniu și siliciu, M., 1961; Renyan V.R., Tehnologia siliciului semiconductor, trad. din engleză, M., 1969; Sally I.V., Falkevich E.S., Producția de siliciu semiconductor, M., 1970; Siliciu și germaniu. sat. Art., ed. E. S. Falkevich, D. I. Levinzon, V. 1-2, M., 1969-70; Gladyshevsky E.I., Crystal chemistry of siliciures and germanides, M., 1971; wolf N. f., date semiconductoare de siliciu, oxf. - n. a., 1965.

descărcați rezumat

Miercuri = 5,70+1,02*10v-3T-1,06*10v-5T-2 cal/deg*mol.

Ig p mmHg Artă. = -18000/T - 1,022 IgT + 12,83,

Ig p mmHg Artă. = -17100/T - 1,022 Ig T + 12,31.

μn = 1,2*10v8*T-2 cm2/v*sec;
μр = 2,9*10v9*T-2,7 cm2/v*sec.

Si + 2KOH + H2O = K2SiO3 + 2H2.

SiO2 + C → SiO + CO,

Si + SiO2 ⇔ 2SiO.

Si + O2 = SiO2 + 203 kcal.

Si + 2Cl2 → SiCl4,
SiO2 + 2Cl2 + C → SiCl4 + CO2,
Si + 2I2 → SiI4,
SiO2 + 2Br2 + C → SiBr4 + CO2.

Si + 3HCl → SiHCl3 + H2,
Si + 3HBr → SiHBr3 + H2,

SiCli + 4H2O → 4HCl + Si(OH)4.

Mg2Si + 4HCI → 2MgCl2 + SiH4.

SiH4 → Si + 2H2.

SiH4 + 2H2O = SiO2 + 4H2,
Si3H8 + 6H2O = 3SiO2 + 10H2.

SiH4 + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + 4H2.

22.07.2019

Structurile din aluminiu sunt fiabile în utilizare și pot dura zeci de ani. Cu toate acestea, pentru a asigura o durată de viață atât de lungă...

22.07.2019

22.07.2019

Mulți proprietari de vehicule uzate se gândesc să-și vândă mașina pentru deșeuri. Modelele învechite ale lui Zhiguli, Volga și Moskvich nu sunt...

20.07.2019

Corporația indiană National Aluminium Company și-a prezentat proiectul de investiții de capital pentru viitorul apropiat în primele zile ale lunii iulie a acestui an. Ea merge...

Siliciu (Si) - se află în perioada 3, grupa IV a subgrupului principal al tabelului periodic. Proprietăți fizice: siliciul există în două modificări: amorf și cristalin. Siliciul amorf este o pulbere brună cu o densitate de 2,33 g/cm3, solubilă în topituri de metal. Siliciul cristalin este cristale de culoare gri închis cu un luciu oțel, dur și casant, cu o densitate de 2,4 g/cm3. Siliciul este format din trei izotopi: Si (28), Si (29), Si (30).

Proprietăți chimice: configuratie electronica: 1s22s22p63 s23p2 . Siliciul este un nemetal. La nivelul energetic exterior, siliciul are 4 electroni, ceea ce determină stările sale de oxidare: +4, -4, -2. Valența – 2.4 Siliciul amorf are o reactivitate mai mare decât siliciul cristalin. În condiții normale, interacționează cu fluorul: Si + 2F2 = SiF4. La 1000 °C Si reacționează cu nemetale: CL2, N2, C, S.

Dintre acizi, siliciul reacționează numai cu un amestec de acizi azotic și fluorhidric:

Se comportă diferit în raport cu metalele: în Zn, Al, Sn, Pb topit se dizolvă bine, dar nu reacționează cu acestea; Siliciul interacționează cu alte topituri metalice - cu Mg, Cu, Fe - pentru a forma siliciuri: Si + 2Mg = Mg2Si. Siliciul arde în oxigen: Si + O2 = SiO2 (nisip).

Dioxid de siliciu sau silice– conexiune stabilă Si, larg răspândit în natură. Reacționează prin fuziunea cu alcaline și oxizi bazici, formând săruri de acid silicic - silicați. Chitanță:În industrie, siliciul în formă pură se obține prin reducerea dioxidului de siliciu cu cocs în cuptoare electrice: SiO2 + 2C = Si + 2CO?.

În laborator, siliciul se obține prin calcinarea nisipului alb cu magneziu sau aluminiu:

SiO2 + 2Mg = 2MgO + Si.

3SiO2 + 4Al = Al2O3 + 3Si.

Siliciul formează acizi: H2 SiO3 – acid meta-silicic; H2 Si2O5 este acid dimetasilicic.

Găsirea în natură: mineral de cuarț – SiO2. Cristalele de cuarț au forma unei prisme hexagonale, incolore și transparente și se numesc cristal de stâncă. Ametistul este un cristal de stâncă de culoare violet cu impurități; topazul fumuriu are o culoare maronie; agatul și jaspul sunt soiuri cristaline de cuarț. Silicea amorfă este mai puțin comună și există sub forma mineralului opal – SiO2 nH2O. Diatomit, tripoli sau kieselguhr (pământ de diatomee) sunt forme pământești de siliciu amorf.

42. Conceptul de soluții coloidale

Soluții coloidale– sisteme bifazate foarte dispersate, formate dintr-un mediu de dispersie și o fază dispersată. Dimensiunile particulelor sunt intermediare între soluțiile, suspensiile și emulsiile adevărate. U particule coloidale compoziție moleculară sau ionică.

Există trei tipuri de structură internă a particulelor primare.

1. Suspensoizi (sau coloizi ireversibili)– sisteme eterogene ale căror proprietăți pot fi determinate de suprafața interfazelor dezvoltate. În comparație cu suspensiile, acestea sunt mai puternic dispersate. Ele nu pot exista mult timp fără un stabilizator de dispersie. Sunt numiti coloizi ireversibili datorită faptului că sedimentele lor nu formează din nou soluri după evaporare. Concentrația lor este scăzută - 0,1%. Ele diferă ușor de vâscozitatea mediului dispersat.

Se pot obține suspensoizi:

1) metode de dispersie (zdrobirea corpurilor mari);

2) metode de condensare (producerea de compuși insolubili prin reacții de schimb, hidroliză etc.).

Scăderea spontană a dispersiei în suspensii depinde de energia de suprafață liberă. Pentru a obține o suspensie de lungă durată, sunt necesare condiții pentru a o stabiliza.

Sisteme de dispersie stabile:

1) mediu de dispersie;

2) fază dispersată;

3) stabilizator al sistemului dispersat.

Stabilizatorul poate fi ionic, molecular, dar cel mai adesea cu un nivel molecular ridicat.

Coloizi de protecție– compuși cu molecul mare care se adaugă pentru stabilizare (proteine, peptide, alcool polivinilic etc.).

2. Asociativi (sau coloizi micelari) – semicoloizii care apar atunci când există o concentrație suficientă de molecule formate din radicali hidrocarburi (molecule difile) de substanțe cu greutate moleculară mică atunci când se asociază în agregate de molecule (micele). Micele se formează în soluții apoase de detergenți (săpunuri), coloranți organici.

3. Coloizi moleculari (coloizi reversibili sau liofili) – substanțe naturale și sintetice cu greutate moleculară mare. Moleculele lor au dimensiunea particulelor coloidale (macromolecule).

Soluțiile diluate de coloizi de compuși cu greutate moleculară mare sunt soluții omogene. Când sunt foarte diluate, aceste soluții respectă legile soluțiilor diluate.

Macromoleculele nepolare se dizolvă în hidrocarburi, cele polare - în solvenți polari.

Coloizi reversibile– substanțe, al căror reziduu uscat, la adăugarea unei noi porțiuni de solvent, revine în soluție.

>> Chimie: Siliciu și compușii săi

Al doilea reprezentant al elementelor subgrupului principal al grupului IV este siliciul Si.

În natură siliciu- al doilea cel mai frecvent element chimic după oxigen. Mai mult de un sfert din scoarța terestră este formată din compușii săi. Cel mai comun compus de siliciu este dioxidul său SiO2, un alt nume este silice. În natură, formează cuarțul mineral (Fig. 46) și multe varietăți, cum ar fi cristalul de stâncă și faimoasa sa formă violetă - ametist, precum și agat, opal, jasp, calcedonie, carnelian, care sunt cunoscute ca ornamentale și semi- pietre pretioase. Dioxidul de siliciu este, de asemenea, comun și nisipul de cuarț.

Oamenii primitivi făceau unelte din varietăți de minerale pe bază de dioxid de siliciu - silex, calcedonie și altele. A fost silexul, această piatră discretă și nu foarte durabilă, care a marcat începutul epocii de piatră - epoca uneltelor de silex. Există două motive pentru aceasta: prevalența și disponibilitatea silexului, precum și capacitatea sa de a forma muchii tăietoare ascuțite atunci când este ciobită.

Orez. 46. ​​Cristal de cuarț natural (stânga) și cultivat artificial (dreapta)

Al doilea tip de compuși naturali de siliciu sunt silicații. Dintre aceștia, cei mai des întâlniți sunt aluminosilicații (este clar că acești silicați conțin aluminiu). Aluminosilicații includ granit, diferite tipuri de argile și mica. Un silicat care nu conține aluminiu este, de exemplu, azbest.

Cel mai important compus de siliciu- Oxidul de SiO2 este necesar pentru viața plantelor și animalelor. Oferă rezistență tulpinilor plantelor și acoperirilor de protecție ale animalelor. Datorită lui, stuf, stuf și coada calului stau la fel de tari ca baionetele, frunzele ascuțite ale rogozului tăiate ca cuțitele, miriștea de pe câmpul cosit înțeapă ca ace, iar tulpinile cerealelor sunt atât de puternice încât nu lasă câmpurile să intre. câmpurile să se întindă de ploaie și vânt. Solzii de pește, scoici de insecte, aripi de fluturi, pene de păsări și blana de animale sunt durabile, deoarece conțin silice.

Siliciul oferă netezime și rezistență oaselor umane.

Siliciul face, de asemenea, parte din organismele vii inferioare - diatomee și radiolari - cele mai delicate bulgări de materie vie care își creează scheletele neîntrecute de frumoase din silice.

Proprietățile siliciului. Dacă utilizați un calculator alimentat cu energie solară, probabil că sunteți familiarizat cu siliciul cristalin. Acesta este un semiconductor. Spre deosebire de metale, conductivitatea sa electrică crește odată cu creșterea temperaturii. Panourile solare sunt instalate pe sateliți, nave spațiale și stații, transformând energia solară în energie electrică. Ei folosesc cristale semiconductoare, în principal siliciu.

Celulele solare din siliciu pot transforma până la 10% din energia solară absorbită în energie electrică.

Siliciul arde în oxigen, formând dioxidul de siliciu deja cunoscut sau oxidul de siliciu (1U):

Fiind un nemetal, atunci când este încălzit se combină cu metale pentru a forma siliciuri, de exemplu:

Si + 2Mg = Mg2 Si

Siliciurile sunt ușor descompuse de apă sau acizi, eliberând un compus hidrogen gazos de siliciu - silan:

Mg2Si + 2H2S04 = 2MgS04 + SiH4

Spre deosebire de hidrocarburi, silanul se aprinde spontan în aer și arde pentru a forma dioxid de siliciu și apă:

SiH4 + 202 = Si02 + 2H2O

Reactivitatea crescută a silanului în comparație cu metanul CH4 se explică prin faptul că siliciul are o dimensiune atomică mai mare decât carbonul, astfel încât legăturile chimice -H sunt mai slabe decât legăturile C-H.

Siliciul reacţionează cu soluţii apoase concentrate de alcalii, formând silicaţi şi hidrogen:

Si + 2NaOH + H20 = Na2SiO3 + 2H2

Siliciul se obține prin reducerea lui din dioxid cu magneziu sau carbon.

Oxidul de siliciu (IV) sau dioxidul de siliciu sau siliciul, precum CO2, este un oxid acid. Cu toate acestea, spre deosebire de CO2, acesta nu are o rețea cristalină moleculară, ci atomică. Prin urmare, SiO2 este o substanță dură și refractară. Nu se dizolvă în apă și acizi, cu excepția, după cum știți, acidul fluorhidric, dar reacționează la temperaturi ridicate cu alcalii formând săruri de acid silicic - silicați.

Silicații pot fi obținuți și prin topirea dioxidului de siliciu cu oxizi sau carbonați metalici:

SiO2 + CaO = CaSiO3

SiO2 + CaC03 = CaSiO3 + CO2

Silicații de sodiu și potasiu se numesc sticlă solubilă. Soluțiile lor apoase sunt binecunoscutul adeziv silicat.

Din soluții de silicați, prin acțiunea acizilor mai puternici asupra acestora - clorhidric, sulfuric, acetic și chiar carbonic, se obține acidul silicic H2SiO3:

K2SiO3 + 2HCl = 2КCl + Н2SiO3

Prin urmare, H2SiO3 este un acid foarte slab. Este insolubil în apă și precipită din amestecul de reacție sub formă de precipitat gelatinos, care uneori umple compact întregul volum al soluției, transformându-l într-o masă semisolidă asemănătoare jeleului sau jeleului. Când această masă se usucă, se formează o substanță foarte poroasă - gel de silice, care este utilizat pe scară largă ca adsorbant - un absorbant al altor substanțe.

Aplicarea siliciului. Știți deja că siliciul este folosit pentru a produce materiale semiconductoare, precum și aliaje rezistente la acizi. Când nisipul de cuarț este topit cu cărbunele la temperaturi ridicate, se formează carbură de siliciu SiC, care este pe locul doi după duritatea diamantului. Prin urmare, este folosit pentru ascuțirea frezelor mașinilor de tăiat metal și lustruirea pietrelor prețioase.

Diverse articole din sticlă chimică de cuarț sunt fabricate din cuarț topit, care poate rezista la temperaturi ridicate și nu se crăpă atunci când este supus unei răciri bruște.

Compușii de siliciu servesc ca bază pentru producția de sticlă și ciment.

Geam obișnuit are o compoziție care poate fi exprimată prin formula

Na20CaO6SiO2

Este produs în cuptoare speciale din sticlă prin topirea unui amestec de sodă, calcar și nisip.

O caracteristică distinctivă a sticlei este capacitatea de a se înmuia și, în stare topită, de a lua orice formă care se păstrează atunci când sticla se întărește. Producția de veselă și alte produse din sticlă se bazează pe aceasta.

Sticla este una dintre cele mai vechi invenții ale omenirii. În urmă cu 3-4 mii de ani, producția de sticlă a fost dezvoltată în Egipt, Siria, Fenicia și regiunea Mării Negre. Maeștrii Romei Antice au atins perfecțiunea înaltă în fabricarea sticlei. Ei au știut să obțină sticlă colorată și să facă mozaicuri din bucăți de astfel de sticlă.

Sticla este un material nu numai pentru meșteri, ci și pentru artiști. Operele de artă pe sticlă sunt un atribut obligatoriu al oricărui muzeu major. Iar vitraliile bisericilor și panourile de mozaic sunt exemple vii în acest sens. Într-una dintre sediile filialei din Sankt Petersburg a Academiei Ruse de Științe se află un portret în mozaic al lui Petru I, realizat de M. V. Lomonosov.

Diferiți aditivi dau calități suplimentare sticlei. Astfel, prin introducerea oxidului de plumb se obtine sticla cristalina, oxidul de crom coloreaza sticla cu verde, oxidul de cobalt o albastruie etc.

Domeniile de aplicare a sticlei sunt foarte largi. Aceasta este fereastra, sticla, lampă, oglindă; sticlă optică - de la ochelari la ochelari pentru cameră; lentile de nenumărate instrumente optice - de la microscoape la telescoape.

Un alt material important obținut din compușii de siliciu este cimentul. Se obține prin sinterizarea argilei și calcarului în cuptoare rotative speciale. Dacă pulberea de ciment este amestecată cu apă, se formează o pastă de ciment sau, așa cum o numesc constructorii, un „mortar” care se întărește treptat. Când nisip sau piatră zdrobită este adăugată la ciment ca umplutură, se obține beton. Rezistența betonului crește dacă se introduce în el un cadru de fier - se obține beton armat, din care se pregătesc panouri de perete, blocuri de podea, ferme de pod etc.

Industria silicaților produce sticlă și ciment. De asemenea, produce ceramica silicata - caramida, portelan, faianta si produse realizate din acestea.

Descoperirea siliciului . Deși deja în antichitate oamenii foloseau pe scară largă compușii de siliciu în viața lor de zi cu zi, siliciul în sine în stare elementară a fost obținut pentru prima dată în 1825 de chimistul suedez J. Ya. Totuși, cu 12 ani înaintea lui, siliciul a fost obținut de J. Gay-Lussac și L. Thénard, dar era foarte contaminat cu impurități.

Numele latin silicium provine din lat. silex - silex. Numele rusesc „siliciu” provine din greacă. kremnos - stâncă, stâncă.

1. Compuși naturali de siliciu: siliciu, cuarț și soiurile sale, silicați, aluminosilicați, azbest.

2. Semnificația biologică a siliciului.

3. Proprietăţile siliciului: semiconductor, interacţiune cu oxigenul, metalele, alcalii.

5. Oxid de siliciu (IV). Structura și proprietățile sale: interacțiune cu alcalii, oxizi bazici, carbonați și magneziu.

6. Acid silicic și sărurile sale. Sticlă solubilă.

7. Aplicarea siliciului și a compușilor acestuia.

8. Sticlă.

9. Ciment.

Indicați asemănările și diferențele dintre oxidul de carbon (IV) și oxidul de siliciu (IV) în structură și proprietăți (interacțiune cu apa, alcalii, oxizi bazici și magneziu). Scrieți ecuațiile reacției.

De ce carbonul este numit elementul principal al naturii vii, iar siliciul - elementul principal al naturii neînsuflețite?

Când o soluție de hidroxid de sodiu în exces a reacționat cu 16 g de siliciu, s-au obținut 22,4 litri de hidrogen. Care este fracția de masă a siliciului din proba prelevată? Câte grame de oxid de siliciu conținea? Câte grame de soluție alcalină 60% au fost necesare pentru reacție?

Scrieți ecuațiile de reacție care pot fi folosite pentru a efectua următoarele transformări:

a) SiO2 -> Si -> Ca2Si -> SiH4 -> SiO2 -> Si

b) Si -> SiO2 -> Na2SiO3 -> H2SiO3 -> SiO2 -> Si

Luați în considerare procesele de oxidare-reducere.

Celebrul om de știință din domeniul mineralogiei A.E. Fersman a scris: „Ele arată o mare varietate de obiecte: o minge transparentă care sclipește în soare cu puritatea apei reci de izvor, un agat frumos, pestriț, un joc strălucitor de opal multicolor. , nisip curat pe malul mării, subțire ca mătasea , un fir de cuarț topit sau vase rezistente la căldură făcute din el, grămezi frumos tăiați de cristal de stâncă, un design misterios de jasp fantastic, lemn pietrificat transformat în piatră, un proces grosier. vârf de săgeată al unui om antic... toate acestea sunt unul și același compus...” ? Completează citatul.