Кремний
1. Нахождение кремния в природе
Кремний – один из самых распространённых химических элементов земной коры. Его содержание составляет почти 30%. В природе он в основном встречается в виде различных форм диоксида кремния, силикатов и алюмосиликатов.
Почти во всех своих соединениях кремний четырехвалентен. При этом атомы кремния находятся в возбужденном состоянии. Рис. 1.
Рис. 1 Электронная конфигурация атома кремния
Для перехода в такое состояние один из 3s-электронов занимает вакантное место на 3р-орбитали. При этом вместо 2-х неспаренных электронов в основном состоянии, у атома кремния в возбуждённом состоянии будет 4 неспаренных электрона. Он сможет образовывать 4 ковалентные связи по обменному механизму.
Рис. 2 Кристаллический кремний
Рис. 3 Аллотропия кремния
Атомы кремния не склонны к образованию кратных связей, но образуют соединения с одинарными связями -Si-O-. Кремнию, в отличие от углерода, несвойственна аллотропия.
Одной из аллотропных модификаций является кристаллический кремний, в котором каждый атом кремния находится в sp3-гибридизации. Рис. 2, 3. Кристаллический кремний – это твердое, тугоплавкое и прочное кристаллическое вещество темно-серого цвета с металлическим блеском. При обычных условиях – полупроводник. Иногда в качестве еще одной аллотропной модификации кремния выделяют аморфный кремний. Это темно-коричневый порошок, химически более активный, чем кристаллический кремний. Является ли он аллотропной модификацией – вопрос спорный.
2. Химические свойства кремния как простого вещества
Химические свойства кремния
1. Взаимодействие с галогенами
Si + 2F2 → SiF4
2. При нагревании кремний сгорает в кислороде, образуется оксид кремния (IV).
Si + О2 → SiО2
3. При высоких температурах кремний взаимодействует с азотом или углеродом.
3Si + 2N2 → Si3N4
Si + C → SiC
4. С водными растворами кислот кремний не реагирует. Но растворяется в щелочах.
Si + 2NaOH + H2O → Na2SiO3+ 2H2↑
5. При сплавлении кремния с металлами, образуются силициды.
Si + 2Mg → Mg2Si
6. Кремний непосредственно с водородом не взаимодействует, но водородные соединения кремния можно получить при взаимодействии силицидов с водой.
Mg2Si + 4H2O → 2Mg(OH)2 + SiH4↑ (силан)
Силаны по строению подобны алканам, но значительно реакционно способны. Самый стабильный моносилан воспламеняется на воздухе.
SiH4↑ +2 О2 → SiО2 + 2H2О
Получение кремния
Кремний получают восстановлением из оксида кремния (IV)
SiО2 + 2Mg → Si + 2MgO
Одна из задач – это получение высокочистого кремния. Для этого технический кремний переводят в тетрахлорид кремния. Получившийся тетрахлорид восстанавливают до силана, а силан разлагается при нагревании на кремний и водород.
3. Оксиды кремния
Кремний способен образовывать два оксида: SiО2 – оксид кремния (IV) и SiО – оксид кремния (II).
Рис. 4 На долю SiО2 – оксид кремния приходится 12% земной коры
SiО – оксид кремния (II) – это аморфное темно-коричневое вещество, которое образуется при взаимодействии кремния с оксидом кремния (IV)
Si + SiO2 → 2SiO.
Несмотря на стабильность, это вещество почти не используется.
SiО2 - оксид кремния (IV)
Рис. 5 SiО2 – оксид кремния представлен такими минералами, как горный хрусталь, кварц, аметист, цитрин, яшма, халцедон
Рис. 6 Структура SiО2 – оксида кремния
На долю этого вещества приходится 12% земной коры. Рис. 4. Он представлен такими минералами, как горный хрусталь, кварц, аметист, цитрин, яшма, халцедон. Рис. 5.
SiО2 – оксид кремния (IV) – вещество немолекулярного строения.
Его кристаллическая решетка – атомная. Рис. 6. Кристаллы SiО2 имеют форму тетраэдра, которые связаны между собой атомами кислорода. Более правильной была бы формула молекулы (SiО2)n. Так как SiО2 образует вещество атомного строения, а СО2 – молекулярного строения, то очевидна разница в их свойствах. СО2 – это газ, а SiО2 – твердое прозрачное кристаллическое вещество, нерастворимое в воде и тугоплавкое.
Химические свойства SiО2
1. Оксид кремния (IV) SiО2 – это кислотный оксид. Он не реагирует с водой. Кремниевую кислоту нельзя получить гидратацией SiО2. Её соли – силикаты – можно получить при взаимодействии SiО2 с горячими растворами щелочей.
SiО2 + 2NaOH 
Na2SiO3 + H2O
2. Реагирует с карбонатами щелочных и щелочноземельных металлов.
CaCO3 + SiО2 CaSiO3 + CO2↑
3. Взаимодействует с металлами.
SiО2 + 2Mg → Si + 2MgO
4. Реакция с плавиковой кислотой.
SiО2 + 4HF → SiF4 + 2H2O
SiF4 + 2HF →H2[SiF6]
4. Химические свойства кремниевой кислоты и применение её солей
Химические свойства кремниевой кислоты и силикатов
Получение кремниевой кислоты
Na2SiO3 + 2HCl → H2SiO3↓ + 2NaCl
Кремниевая кислота осаждается в виде полимерного соединения. Формулы для кремниевой кислоты –
H2SiO3 (мета форма) и H4SiO4 (орто форма) – отражают соотношение элементов, но не истинный состав. Условно на плоскости состав кремниевой кислоты изображается как Рис. 7.
Рис. 7 Структура кремниевой кислоты
Для кремниевой кислоты всегда используется формула H2SiO3.
1. H2SiO3 при нагревании разлагается
H2SiO3 H2O + SiO2 (силикагель)
2. Взаимодействует с растворами щелочей
H2SiО3 + 2NaOH Na2SiO3 + 2H2O
Соли кремниевой кислоты – силикаты – относятся к ионным соединениям. Это твердые бесцветные вещества. В воде растворимы только силикаты щелочных металлов, кроме лития.
1. Растворимые силикаты подвергаются гидролизу по аниону
Na2SiО3 + H2O ⇆ NaHSiО3 + NaОH
2. Растворимые силикаты взаимодействуют с сильными кислотами
Na2SiO3 + 2HCl → H2SiO3↓ + 2NaCl
Рис. 8 Структуры силиконов
Полиорганосилоксаны (силиконы)
Полиорганосилоксаны (силиконы) – это кислородсодержащие высокомолекулярные кремнийорганические соединения.
R2[SiO]n
R – органическая группа (метильная, этильная или фенильная). В основе строения силоксанов лежит цепочка из чередующихся атомов кремния и кислорода. Рис.8. Варьируя длину цепочки и органические группы, можно получить силиконы с различными свойствами. Изменяя условия полимеризации, можно получать молекулы разной длины.
Рис. 9 Силиконовое масло
Рис. 10 Герметик на основе силиконового каучука
Полимеры с короткой цепочкой – это жидкости, более длинные – ценные смазочные материалы. Рис. 9, которые сохраняют свои свойства в огромном интервале температур от
– 1000С до + 3000С. Более длинные молекулы образуют каучуки, которые не теряют своей эластичности при низких температурах. Обладают высокой стойкостью к истиранию, химически инертны. Рис. 10. Это обуславливает различные варианты их применения. Они могут использоваться для создания аппаратов искусственного сердца или почки, а могут применяться как подошвы для ботинок. Силоксановые полимеры используются в медицине для создания различных имплантов мягких тканей, поскольку такие полимеры химически инертны и не отторгаются организмом. Они не смачиваются водой. Это используется в кремах. При нанесении такого крема на руки, он заменят собой резиновые перчатки.
5. Занимательные опыты с силикатным клеем
Неорганический сад
В прозрачный стакан, заполненный силикатом натрия, опускаем кристаллы окрашенных солей, например, медного купороса. Через некоторое время можно увидеть, что из кристаллов образовались тонкие полые трубки, которые состоят из нерастворимых силикатов. Рис. 11.
Рис. 11 Неорганический сад
Получение «дурацкой» замазки
Смешиваются равные объёмы силиката натрия и медицинского спирта. Выпавший осадок отфильтровывается и отжимается, чтобы не капал спирт. Это и есть замазка. Рис. 12. Она названа так, потому что планировалось использовать ее как замазку для окон. Но оказалось, что она обладает такими свойствами, что использовать ее по назначению не получилось. Если скатать шарик и бросить на пол, то он отскочит, как каучуковый мячик. Если положить на стол, то растечется, как жидкость. Если ударить твердым предметом, то разлетится, как твёрдое тело. Через некоторое время, когда высохнет спирт, эта замазка просто рассыплется.
Рис. 12 «Дурацкая» замазка
Подведение итога
Вы изучили тему «Кремний». Рассмотрели сведения о кремнии: его электронное строение, где в природе находится кремний, изучили аллотропию кремния, объяснили его физические и химические свойства. Узнали о том, где в промышленности и других сферах применяется кремний, как его получают. Вы познакомились с диоксидами кремния, кремниевой кислотой и ее солями – силикатами.