Кремний и его характеристики

Про характеристики и свойства кремния можно узнать много интересного. Он является редким неметаллом. Земная кора примерно на 28% состоит из этого элемента. А в море его концентрация составляет около 2,8 мг/л.

Однако этот неметалл практически не добывают в чистом виде. Поэтому распространены кремниевые соединения. Их применяют в промышленности, электронике, медицине. Чистое вещество есть в человеческом организме.

Его нехватка приводит к проблемам со здоровьем.

Где добывают

В чистом виде кремний практически не встречается. Геологи нашли частицы чистого вещества в трещинах вулканов на Камчатке, Кольском полуострове, в Карелии.

Также микроскопическое содержание элемента замечено в Красноярском крае, в природном заповеднике Кузнецкий Алатау в районе Западной Сибири.

В природе распространен кремнезем – диоксид кремния. Его содержание в земной коре – примерно 11,9%.

Элемент присутствует в горных породах:

• слюда;
• полевой шпат;
• слюда;
• опал;
• силикат;
• глина.

Содержание кремния — до 74-76%. Количество вещества зависит от вида породы.

Химический элемент залегает глубоко в почве, на дне океанов и морей. Он скапливается в скелетах и панцирях морских животных. Поэтому на морском дне образуются крупные залежи диоксида.

История

О химическом элементе впервые заговорили в 1811 году французские химики Жозеф Луи Гей-Люссак и Луи Жак Тенар.

В 1823 году ученый Йенс Якобс Берцелиус в результате опытов восстановил тетрафторид кремния калием и получил аморфную модификацию. Именно Берцелиус предложил латинское название – «silicis».

Опыты по изучению физических свойств элемента продолжились. И через 20 лет французский ученый Сент Клер-Девилль вывел еще один вид – кристаллический.

Подробнее об элементе

В таблице Менделеева кремний отмечается знаком Si, а его атомный номер — 14. Не путайте химический элемент с камнем кремнем.

Из-за похожих названий в английском языке кремний (silicon) иногда переводят как «силикон» (silicone). Поэтому в России Кремниевую долину долго называли Силиконовой.

Элемент входит в состав соединений: диоксидов, силикатов, силицидов, силанов. Благодаря этой особенности можно бесконечно варьировать составы и получать новые соединения. Их используют при изготовлении камня, стекла, керамических предметов.

Кремний нетоксичный. Его применяют в технологических процессах в любой промышленной сфере.

Вдыхать диоксид и силикаты опасно. Если эти вещества попадают в легкие, то кристаллизуются и разрушают ткани. Если это происходит регулярно, развивается силикоз – профессиональное заболевание легких.

В твердом состоянии кремний хрупкий, поэтому его не используют при строительстве.

Формы

Монокристаллическая

Монокристаллический кремний – искусственно выращенный камень. У него однородная консистенция и упорядоченная структура. Форма наиболее распространена и востребована в электронике. Но монокристалл стоит дорого из-за высоких затрат на выращивание.

Его также производят искусственным путем с помощью перекристаллизации поликристаллического кремния. Получаются кусочки в форме цилиндра, квадрата и квадратной призмы.

Поликристаллический материал включает хаотично расположенные зерна. Этот вариант является чистым видом кремния.

Кристаллическая

Кристаллическая форма представлена порошком насыщенно-серого цвета. При взаимодействии с воздухом вещество покрывается диоксидом.

Кристаллический вариант чаще используют в народном хозяйстве.

Аморфная

Также распространен бурый порошок – аморфный. Он быстрее вступает в реакцию с другими веществами.

Это недорогая альтернатива монокристаллическому материалу. Атомы находятся на короткой дистанции и образуют непрерывную сеть.

Аморфный материал используют при производстве жидкокристаллических экранов.

Известна гексагональная разновидность плотностью 2,55 см3. Но такой вид не нашел практического применения. 

Свойства

Плотность кремния составляет 2,3 г/см3, твердость – 7 баллов. Вещество закипает при 2600°C, а плавится – при 1420°C.

На электрические свойства кремния влияют примеси. Благодаря этой особенности, вещество применяют при формировании нужного вида полупроводника.

Велись споры о том, какого цвета вещество. Существуют ошибочные мнения о красных и черных оттенках. Но элемент бурый или темно-серый с металлическим блеском.

Этот неметалл инертный. Он не вступает в реакцию с окислителями из-за оксидной пленки. Она появляется на поверхности при воздействии испарений, воздуха и влаги.

Элемент становится химически активным при нагревании до 420°. Элемент начинает взаимодействовать с кислородом, водородом и галогенами.

У аморфного вида иные характеристики. Он хорошо поглощает в воду и взаимодействует с окислителями даже при комнатной температуре.

Производство элемента

В России технологию искусственного получения кремния опробовал химик Николай Бекетов. Сегодня производства располагаются на заводах в Иркутской и Свердловской областях.

В промышленных масштабах расплав диоксида восстанавливают коксом (производным углерода) в печах при температуре 1820°C. Полученное вещество содержит всего 0,1% примесей.

В лабораторных условиях элемент получают из белого песка. Его прокаливают с магнием или другими активными металлами. Чистота составляет 99,9%.

Где применяется кремний 

Промышленность и предметы быта

Вещество используют при изготовлении деталей для радиотехники, полупроводниковых приборов (тиристоров, транзисторов), стекла, цемента, керамики, жаропрочной посуды, ламп УФ-излучения.

А также для придания прочности сплавам в металлургии, повышения устойчивости к коррозии. Элемент входит в сплавы железа и цветных металлов.

Очищенный кристаллический кремний используют в качестве сырья в солнечной энергетике, при производстве зеркал газовых лазеров, зажигалок.

Среди сфер применения – инфракрасная оптика, металлургическая промышленность (раскисление расплавленных металлов).

Чистый элемент применяют при изготовлении электронных приборов, монолитных микросхем. Силикаты – при производстве оконных стекол.

Сплавы с металлами называют силицидами. Они твердые и медленно плавятся. Поэтому их используют в нагревательных печах, газовых турбинах, лабораторной посуде, компонентах ракетной техники.

Кремниевые соединения входят в состав смазочных веществ, резины.

Медицина

Вещество хорошо очищает воду. Эта характеристика кремния издавна была известна, поэтому колодцы облицовывали камнем.

• Очищенная жидкость помогает при стоматологических заболеваниях, повышает иммунитет и стойкость к инфекциям.
• Кремниевые соединения входят в состав лекарственных средств от заболеваний суставов и туберкулеза.
• 
• Кремний – важнейший элемент в человеческом организме и имеет большое значение для него.

Вещество содержится в мышечной ткани (0,002%), костной ткани (0,000017%). Содержание в кровеносной системе – 3,0 мг/л.

Человек должен ежедневно получать этот элемент из пищи. При грамотном рационе в организм каждый день поступает 1 г вещества.

Нехватка элемента отрицательно влияет на состояние ногтей, кожи, волос, иммунной защиты организма.

Элемент используют при изготовлении удобрений. Он обеспечивает активный рост растений.

Организму животных он тоже нужен. Вещество входит в состав витаминных препаратов.

Если статья оказалась интересной, поставьте, пожалуйста, максимальную оценку, и поделитесь ссылкой в социальных сетях.

(2

Источник: https://PulsKamnya.ru/eto-nuzhno-znat/kremnij

Кремний

Кремний — неметаллический элемент IVa группы периодической таблицы Д.И. Менделеева. Второй после кислород 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.

1. Si + Cl2 → (t) SiCl4
2. Si + C → (t) SiC
3. Si + O2 → (t) SiO2
4. 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.

1. LiOH + SiO2 → Li2SiO3 + H2O
2. Li2SiO3 + HCl → LiCl + H2SiO3↓
3. Химические свойства
4. Кремниевая кислота слабая, нестойкая, легко распадается на воду и оксид кремния IV.
5. H2SiO3 → H2O + SiO2

Источник: https://studarium.ru/article/167

Кремний: характеристики, особенности и области применения

Как самостоятельный химический элемент кремний стал известен человечеству всего лишь в 1825 году. Что, конечно, не мешало применять соединения кремния в таком количестве сфер, что проще перечислить те, где элемент не используется. Данная статья прольет свет на физические, механические и полезные химические свойства кремния и его соединений, области применения, также мы расскажем о том, как влияет кремний на свойства стали и иных металлов.

Для начала давайте остановимся на общей характеристике кремния. От 27,6 до 29,5% массы земной коры составляет кремний. В морской воде концентрация элемента тоже изрядная – до 3 мг/л.

По распространенности в литосфере кремний занимает второе почетное место после кислорода. Однако наиболее известная его форма – кремнезем, является диоксидом, и именно его свойства и стали основой для столь широкого применения.

О том, что такое кремний, расскажет этот видеосюжет:

Кремний – неметалл, однако при разных условиях может проявлять и кислотные, и основные свойства. Является типичным полупроводником и чрезвычайно широко используется в электротехнике. Физические и химические его свойства во многом определяются аллотропным состоянием. Чаще всего дело имеют с кристаллической формой, поскольку ее качества более востребованы в народном хозяйстве.

• Кремний – один из базовых макроэлементов в человеческом теле. Его нехватка губительно сказывается на состоянии костной ткани, волос, кожи, ногтей. Кроме того, кремний оказывает влияние на работоспособность иммунной системы.
• В медицине элемент, вернее говоря, его соединения нашли свое первое применение именно в этом качестве. Вода из колодцев, выложенных кремнием, отличались не только чистотой, но и положительно сказывалась на стойкости к инфекционным болезням. Сегодня соединение с кремнием служат основой для препаратов против туберкулеза, атеросклероза, артрита.
• В целом неметалл малоактивен, однако и в чистом виде встретить его сложно. Связано это с тем, что на воздухе он быстро пассивируется слоем диоксида и перестает реагировать. При нагревании химическая активность увеличивается. В результате человечество гораздо ближе знакомо с соединениями вещества, а не с ним самим.

Так, кремний образует сплавы практически со всеми металлами – силициды. Все они отличаются тугоплавкостью и твердостью и применяются на соответствующих участках: газовые турбины, нагреватели печей.

Размещается неметалл в таблице Д. И. Менделеева в 6 группе вместе с углеродом, германием, оловом, что указывает на определенную общность с этими веществами. Так, с углеродом его «роднит» способность к образованию соединений по типу органических. При этом кремний, как и германий может проявить свойства металла в некоторых химических реакциях, что используется в синтезе.

Плюсы и минусы

Как и всякое другое вещество с точки зрения применения в народном хозяйстве, кремний обладает определенными полезными или не слишком качествами. Важны они именно для определения области использования.

• Немалым достоинством вещества является его доступность. В природе он, правда, находится не в свободном виде, но все же, технология получения кремния не так уж и сложна, хотя и энергозатратна.
• Второе важнейшее достоинство – образование множества соединений с необыкновенно полезными свойствами. Это и силаны, и силициды, и диоксид, и, конечно, разнообразнейшие силикаты. Способность кремния и его соединений образовывать сложные твердые растворы практически бесконечна, что позволяет бесконечно же получать самые разные вариации стекла, камня и керамики.
• Полупроводниковые свойства неметалла обеспечивает ему место базового материала в электро- и радиотехнике.
• Неметалл является нетоксичным, что допускает применение в любой отрасли промышленности, и при этом не превращает технологический процесс в потенциально опасный.

К недостаткам материала можно отнести лишь относительную хрупкость при хорошей твердости. Кремний не используется для несущих конструкций, но зато это сочетание позволяет обрабатывать должным образом поверхность кристаллов, что важно для приборостроения.

Давайте теперь поговорим про основные свойства кремния.

Свойства и характеристики

• температура плавления – 1417 С;
• температура кипения – 2600 С;
• плотность составляет 2,33 г/куб. см, что свидетельствует о хрупкости;
• теплоемкость, как и теплопроводность не постоянны даже на самых чистых пробах: 800 Дж/(кг·К), или 0,191 кал/(г·град) и 84-126 вт/(м·К), или 0,20-0,30 кал/(см·сек·град) соответственно;
• прозрачен для длинноволнового ИК-излучения, что используется в инфракрасной оптике;
• диэлектрическая проницаемость – 1,17;
• твердость по шкале Мооса – 7.

Электрические свойства неметалла сильно зависят от примесей. В промышленности эту особенность используют, модулируя нужный тип полупроводника. При нормальной температуре кремний хрупок, но при нагревании выше 800 С возможна пластическая деформация.

Свойства аморфного кремния разительно отличаются: он сильно гигроскопичен, намного активнее вступает в реакцию даже при нормальной температуре.

• Структура и химический состав, а также свойства кремния рассмотрены в видеоролике ниже:
• Кремний существует в двух аллотропных формах, одинаково устойчивых при нормальной температуре.

• Кристаллический имеет вид темно-серого порошка. Вещество, хотя и имеет алмазоподобную кристаллическую решетку, является хрупким – из-за чересчур длинной связи между атомами. Интерес представляют его свойства полупроводника.
• При очень высоких давлениях можно получить гексагональную модификацию с плотностью 2,55 г/куб. см. Однако эта фаза практического значения пока не нашла.
• Аморфный – буро-коричневый порошок. В отличие от кристаллической формы намного активнее вступает в реакцию. Связано это не столько с инертностью первой формы, сколько с тем, что на воздухе вещество покрывается слоем диоксида.

Кроме того, необходимо учитывать и еще один тип классификации, связанный с величиной кристалла кремния, которые в совокупности образуют вещество. Кристаллическая решетка, как известно, предполагают упорядоченность не только атомов, но и структур, которые эти атомы образуют – так называемый дальний порядок. Чем он больше, тем более однородным по свойствам будет вещество.

• Монокристаллический – образец представляет собой один кристалл. Структура его максимально упорядочена, свойства однородны и хорошо предсказуемы. Именно такой материал наиболее востребован в электротехнике. Однако он же относится к самому дорогому виду, поскольку процесс его получения сложен, а скорость роста низка.
• Мультикристаллический – образец составляет некоторое количество крупных кристаллических зерен. Границы между ними формируют дополнительные дефектные уровни, что снижает производительность образца, как полупроводника и приводит к более быстрому износу. Технология выращивания мультикристалла проще, потому и материал дешевле.
• Поликристаллический – состоит из большого количества зерен, расположенных хаотически относительно друг друга. Это наиболее чистая разновидность промышленного кремния, применяется в микроэлектронике и солнечной энергетике. Довольно часто используется в качестве сырья для выращивания мульти- и монокристаллов.
• Аморфный кремний и в этой классификации занимает отдельную позицию. Здесь порядок расположения атомов удерживается только на самых коротких дистанциях. Однако в электротехнике он все же используется в виде тонких пленок.

Далее мы расскажем вам про сырье для производства кремния, вредность добычи, технологию его изготовления в мировых масштабах и в России.

Производство неметалла

Получить чистый кремний не так уж и просто, учитывая инертность его соединений и высокую температуру плавления большинства из них. В промышленности чаще всего прибегают к восстановлению углеродом из диоксида. Проводят реакцию в дуговых печах при температуре 1800 С. Таким образом получают неметалл чистотой в 99,9%, что для его применения недостаточно.

Полученный материал хлорируют с тем, чтобы получить хлориды и гидрохлориды. Затем соединения очищают всеми возможными методами от примесей и восстанавливают водородом.

Очистить вещество можно и за счет получения силицида магния. Силицид подвергают действию соляной или уксусной кислоты. Получают силан, а последний очищают различными способами – сорбционным, ректификацией и так далее. Затем силан разлагают на водород и кремний при температуре в 1000 С. В этом случае получают вещество с долей примеси 10-8–10-6%.

Для промышленности наибольший интерес представляют электрофизические характеристики неметалла. Его монокристаллическая форма является непрямозонным полупроводником. Свойства его определяются примесями, что позволяет получать кристаллы кремния с заданными свойствами. Так, добавка бора, алюминия, индия дает возможность вырастить кристалл с дырочной проводимостью, а введение фосфора или мышьяка – кристалл с электронной проводимостью.

• Кремний в буквальном смысле слова служит основой современной электротехники. Из него изготавливают транзисторы, фотоэлементы, интегральные схемы, диоды и так далее. Причем функциональность прибора определяет практически всегда только приповерхностный слой кристалла, что обуславливает весьма специфические требования именно к обработке поверхности.
• В металлургии технический кремний применяют и как модификатор сплавов – придает большую прочность, и как компонент – в бронзах, например, и как раскислитель – при производстве чугуна.
• Сверхчистый и очищенный металлургический составляют основу солнечной энергетики.
• Диоксид неметалла встречается в природе в очень разных формах. Его кристаллические разновидности – опал, агат, сердолик, аметист, горный хрусталь, нашли свое место в ювелирном деле. Не столь привлекательные внешне модификации – кремень, песок, кварц, используются и в металлургии, и в строительстве, и в радиоэлектротехнике.
• Соединение неметалла с углеродом – карбид, применяется и в металлургии, и в приборостроении, и в химической промышленности. Он является широкозональным полупроводником, отличается высокой твердостью – 7 по шкале Мооса, и прочностью, что и позволяет применять его в качестве абразивного материала.
• Силикаты – то есть, соли кремниевой кислоты. Неустойчивы, легко разлагаются под действием температуры. Примечательность их в том, что они образуют многочисленные и разнообразные соли. А вот последние являются основой при производстве стекла, керамики, фаянса, хрусталя, цемента и бетона. Можно смело сказать, что современное строительство зиждется на разнообразных силикатах.
• Стекло представляет здесь наиболее интересный случай. Основой его служат алюмосиликаты, но ничтожные примеси других веществ – обычно оксидов, придают материалу массу разных свойств, в том числе и цвет. Керамика – клинкер, фаянс, фарфор, по сути, имеет ту же формулу, хотя и с другим соотношением компонентов, и ее разнообразие тоже поразительно.
• Неметалл обладает еще одной способностью: образует соединения по типу углеродных, в виде длинной цепочки из атомов кремния. Такие соединения носят название кремнийорганических. Сфера их применения не менее известна – это силиконы, герметики, смазки и так далее.

Кремний – очень распространенный элемент и имеет необыкновенно большое значение в очень многих сферах народного хозяйства. Причем активно используется не только само вещество, но все его разнообразные и многочисленные соединения.

Данное видео расскажет о свойствах и применении кремния:

Источник: http://stroyres.net/metallicheskie/vidyi/vspomogatelnyie-veshhestva/kremniy.html

Кремний — урок. Химия, 8–9 класс

Кремний — химический элемент № (14). Он расположен в IVА группе Периодической системы.

Si14+14)2e)8e)4e

На внешнем слое атома кремния содержатся четыре валентных электрона. До его завершения не хватает четырёх электронов. Поэтому в соединениях с металлами кремнию характерна степень окисления (–4), а при взаимодействии с более электроотрицательными неметаллами он проявляет положительные степени окисления ( +2) или (+4).

По содержанию в земной коре кремний занимает второе место после кислорода. Земная кора более чем наполовину образована соединениями кремния.

Распространены оксид кремния(IV) SiO2, силикаты и алюмосиликаты. Песок, кварц, горный хрусталь, аметист состоят из оксида.

Гранит, полевой шпат, глина представляют собой силикаты и алюмосиликаты.

Входит кремний и в состав живых организмов. Его соединения придают прочность стеблям растений, содержатся в наружных покровах животных, образуют раковины и скелеты некоторых обитателей водной среды. У человека кремний присутствует в волосах и ногтях.

Скелеты радиолярий

Кремний имеет атомную кристаллическую решётку, похожую на решётку алмаза. Каждый атом кремния в его кристаллах связан четырьмя ковалентными связями с соседними атомами. Благодаря такому строению у него высокая твёрдость.

Радиус атома кремния больше радиуса атома углерода, поэтому в его кристаллах электроны более свободны по сравнению с алмазом. Кремний проводит электрический ток, а его электропроводность увеличивается с повышением температуры или при освещении. Такие вещества относятся к полупроводникам.

В отличие от алмаза кремний представляет собой чёрно-серое непрозрачное вещество. У него высокая температура плавления ((1428) °С).

• Кремний
• Получают кремний восстановлением его оксида коксом в электропечах:
• SiO2+2C=tSi+2CO↑.

В химических реакциях кремний может проявлять и окислительные, и восстановительные свойства. Окислительные свойства кремния выражены слабее, чем у остальных неметаллов.

• Взаимодействие с металлами.

1. При высокой температуре кремний реагирует с металлами с образованием силицидов:
2. 2Mg0+Si0=tMg+22Si−4.
3. В этой реакции кремний — окислитель.

• С водородом не реагирует.

• С водородом кремний практически не реагирует по причине неустойчивости водородного соединения силана SiH4. Силан можно получить при гидролизе силицидов:
• Mg2Si+4H2O=2Mg(OH)2↓+SiH4↑.
• Он самовоспламеняется на воздухе и сгорает с образованием оксида кремния((IV)) и воды:
• SiH4+2O2=SiO2+2H2O.

• Взаимодействие с кислородом.

Кремний горит в кислороде и проявляет в этой реакции восстановительные свойства:

Si0+O02=tSi+4O−22.

• Взаимодействие с оксидами металлов.

Кремний способен восстанавливать некоторые металлы из их оксидов:

2Cu+2O+Si0=t2Cu0+Si+4O2.

• Взаимодействие со щелочами.

1. В отличие от углерода кремний растворяется в концентрированных растворах щелочей c образованием силикатов и выделением водорода:
2. Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑.
3. Применение кремния

• используется в производстве полупроводников для электронной промышленности;
• применяется для изготовления солнечных батарей;
• входит в состав жаропрочных и кислотоустойчивых сплавов.

Солнечные батареи

Источник: https://www.yaklass.ru/p/himija/89-klass/khimiia-nemetallov-157456/kremnii-i-ego-soedineniia-163625/re-207f13f6-327c-4ec1-a959-6c51de2f6ee7

Кремний и его соединения. Стекло. Цемент

Урок раскрывает свойства соседнего с углеродом элемента четвертой группы Периодической системы – кремния. В уроке рассматриваются свойства кремния и некоторых его соединений: оксида кремния, кремниевой кислоты и силикатов.

I. Учебный фильм: “Кремний”

• II. Строение атома
• Кремний
• Кремний открыл и получил в 1823 году шведский химик Йенс Якоб Берцелиус.

Второй по распространённости элемент в земной коре после кислорода (27,6% по массе). Встречается в соединениях.

III. Аллотропия кремния

Известен аморфный и кристаллический кремний.

Кристаллический – тёмно-серое вещество с металлическим блеском, большая твёрдость, хрупок, полупроводник; ρ = 2,33 г/см3, t°пл. =1415°C; t°кип. = 2680°C.

Имеет алмазоподобную структуру и образует прочные ковалентные связи. Инертен.

1. Аморфный — бурый порошок, гигроскопичен, алмазоподобная структура, ρ = 2 г/см3, более реакционноспособен.
2. IV. Получение кремния
3. 1) Получение в промышленности: нагревание угля с песком:
4. 2C + SiO2 t˚→ Si + 2CO
5. 2) Получение в лаборатории: 
6. Опыт: “Нагревание песка с магнием”
7. 2Mg + SiO2  t˚→ Si + 2MgO    
8. Опыт
9. V. Химические свойства
10. Типичный неметалл, инертен.
11. 1. Как восстановитель:
12. 1) Взаимодействие с кислородом
13. Si0 + O2  t˚→  Si+4O2
14. 2) Взаимодействие с фтором (без нагревания)
15. Si0 + 2F2 →  SiF4­
16. 3) Взаимодействие с углеродом
17. Si0 + C  t˚→  Si+4C
18. (SiC — карборунд — твёрдый; используется для точки и шлифовки)
19. 4) С водородом не взаимодействует
20. Силан (SiH4) получают разложением силицидов металлов кислотой:
21. Mg2Si + 2H2SO4 → SiH4­ + 2MgSO4
22. 5) С кислотами не реагирует (только с плавиковой кислотой Si+4HF=SiF4+2H2)
23. Растворяется только в смеси азотной и плавиковой кислот:
24. 3Si + 4HNO3 + 18HF →  3H2[SiF6] + 4NO­ + 8H2O
25. 6) Взаимодействие со щелочами (при нагревании):
26. Si0 + 2NaOH + H2O t˚→  Na2Si+4O3+ 2H2­
27. Опыт: “Взаимодействие кремния с раствором щклочи”
28. 2. Как окислитель:
29. 7) Взаимодействие с металлами (образуются силициды):
30. Si0 + 2Mg  t˚→  Mg2Si-4
31. VI. Применение кремния

Кремний широко используется в электронике как полупроводник. Добавки кремния к сплавам повышают их коррозионную стойкость. Силикаты, алюмосиликаты и кремнезем – основное сырье для производства стекла и керамики, а также для строительной промышленности.

• Слайды: Кремний в технике
• Применение кремния и его соединений
• VII. Соединения кремния
• 1. Силан  — SiH4

Физические свойства: Бесцветный газ, ядовит, t°пл. = -185°C, t°кип. = -112°C.

1. Получение: Mg2Si + 4HCl → 2MgCl2 + SiH4­↑
2. Химические свойства:
3. 1)  Окисление: SiH4 + 2O2 t˚→   SiO2 + 2H2O
4. 2)  Разложение: SiH4 → Si + 2H2­
5. 2. Оксид кремния (IV) — (SiO2)n
6.  SiO2 — кварц, горный хрусталь, аметист, агат, яшма, опал, кремнезём (основная часть песка):
7. Кристаллическая решётка оксида кремния (IV) – атомная и имеет такое строение:
8.  Al2O3 • 2SiO2 • 2H2O — каолинит   K2O • Al2O3 • 6SiO2 — ортоклаз 
9. (основная часть глины)                           (полевой шпат)

Физические свойства: твёрдое, кристаллическое, тугоплавкое вещество, t°пл.= 1728°C, t°кип.= 2590°C

• Химические свойства: 
• Кислотный оксид. При сплавлении взаимодействует с основными оксидами, щелочами, а также с карбонатами щелочных и щелочноземельных металлов:
• Опыт: “Изучение свойств оксида кремния (IV)”
• 1) Взаимодействие с основными оксидами:
• SiO2 + CaO t˚→ CaSiO3
• 2) Взаимодействие со щелочами:
• SiO2 + 2NaOH t˚→ Na2SiO3 + H2O
• 3) С водой не реагирует
• 4) Взаимодействие с солями:
• SiO2 + CaCO3 t˚→ CaSiO3 + CO2­
• SiO2 + K2CO3 t˚→ K2SiO3 + CO2­
• 5) Взаимодействие с плавиковой кислотой:
• SiO2 + 4HF t˚→ SiF4­ + 2H2O
• SiO2 + 6HF t˚→ H2[SiF6] (гексафторкремниевая кислота) + 2H2O
•  (реакции лежат в основе процесса травления стекла).
• Применение:
• 1. Изготовление силикатного кирпича
• 2. Изготовление керамических изделий
• 3. Получение стекла
• 3. Кремниевые кислоты
• x • SiO2 • y H2O
• x = 1, y = 1     H2SiO3 — метакремниевая кислота

x = 1, y = 2     H4SiO4 — ортокремниевая кислота и т.д.

1. Физические свойства: H2SiO3 — очень слабая (слабее угольной), непрочная, в воде малорастворима (образует коллоидный раствор), не имеет кислого вкуса.
2. Получение:
3. Опыт: “Получение геля кремниевой кислоты”
4. Опыт:“Получение кремниевой кислоты”
5. Действие сильных кислот на силикаты: Na2SiO3 + 2HCl → 2NaCl + H2SiO3↓
6. Химические свойства:
7. При нагревании разлагается: H2SiO3  t˚→ H2O + SiO2
8. Соли кремниевой кислоты — силикаты.
9.  1) Взаимодействие с кислотами:
10. Na2SiO3+H2O+CO2=Na2CO3+H2SiO3↓
11. 2) Взаимодействие с солями:
12. Na2SiO3+CaCl2=2NaCl+CaSiO3↓
13. 3) Силикаты, входящие в состав минералов, в природных условиях разрушаются под действием воды и оксида углерода (IV) — выветривание горных пород:
14. (K2O • Al2O3 • 6SiO2) (полевой шпат)  + CO2 + 2H2O → (Al2O3 • 2SiO2 • 2H2O) (каолинит (глина)) + 4SiO2 (кремнезём (песок)) + K2CO3
15. Применение соединений кремния
16. Природные соединения кремния — песок (SiO2) и силикаты используются для производства керамики, стекла и цемента. 

Керамика
Фарфор = каолин+ глина + кварц + полевой шпат. Родина фарфора – Китай, где фарфор известен уже в 220г. В 1746 г – налажено производство фарфора в России	Фаянс — от названия итальянского города Фаэнца. Где в 14-15веках было развито керамическое ремесленничество. Фаянс – отличается от фарфора большим содержанием глины (85%), более низкой температурой обжига.

Стекло – хрупкий, прозрачный материал, способен размягчаться и при застывании принимает любую форму. Стекло получают варкой шихты (сырьевой смеси, состоящей из песка, соды и известняка) в специальных стекловаренных печах. 

Видео: «Производство стекла»

Основные реакции, протекающие при плавке шихты

1. Na2CO3 + SiO2 = Na2SiO3 + CO22. CaCO3 + SiO2 = CaSiO3 + CO2 3. Na2SiO3 + CaSiO3 + 4SiO2 = Na2O * CaO * 6SiO2 — формула оконного стекла

• При добавлении оксида свинца получают хрусталь.
• Видео:“Сравнение свойств кварцевого и обычного стекла”
• Это интересно:  «Как было открыто стекло»

Тысячи лет известно человеку стекло. Долгое время оно использовалось для украшения и изготовления драгоценных вещей. Но по-настоящему стекло стало полезным для всех, когда люди научились использовать главное его качество — прозрачность.

Никто в точности не знает, когда и где было впервые получено стекло, хотя известно, что оно использовалось с древнейших времен. Первобытные люди уже были знакомы с ним и обращали внимание на оплавившиеся после удара молнии камни, покрытые гладкой и вязкой стекловидной массой.

В I веке до н.э. в Сирии был изобретен способ варки прозрачного, бесцветного стекла и выдувная трубка. Ее применение открыло новые возможности для широкого изготовления дешевой стеклянной посуды. Несколько позже сирийские мастера перенесли свое искусство стеклоделия в Италию.

Согласно одной из существующих версий, честь открытия стекла принадлежит древним финикийцам. Команда какого-то корабля, утверждает легенда, высадилась на берег реки в Сирии. Желая приготовить себе обед на огне, они не нашли больших камней, чтобы поставить на них горшок, и использовали для этой цели крупные куски селитры (соединения натрия) из груза корабля.

От сильного жара селитра расплавилась, соединилась с окружающим песком и потекла струей 

жидкого стекла! Дело читателя — верить этому рассказу или нет, но бесспорно, что Сирия была одним из первых мест изготовления стекла на Земле. А финикийские торговцы продавали изделия из стекла во всех средиземноморских странах.

Другой страной, где изготовление стекла было известно издревле, был Египет. Стеклянные бусы и амулеты находили в гробницах, которые относятся к 7000 году до н.э. Впрочем, эти изделия могли попасть туда и из Сирии. Но мы точно знаем, что около 1500 года до н.

э. египтяне делали собственное стекло. Для этого они использовали смесь измельченной кварцевой гальки с песком. Они также обнаружили, что если прибавить к этой смеси кобальт, медь или марганец, то можно получить стекло голубого, зеленого, пурпурного цвета.

После 1200 года до н.э. египтяне научились отливать стекло в стеклянных формах. Но трубка для выдувания стекла была неизвестна вплоть до начала христианской эры, когда ее изобрели финикийцы.

Большими умельцами по части изготовления стекла были римляне, которые, видимо, первыми начали делать тонкие оконные стекла. А к началу новой эры оконное стекло уже стало предметом повседневного быта!

Как и когда научились делать оконное стекло?

Изобретение на Востоке прозрачного и бесцветного стекла связано с еще одним большим достижением римлян: они изобрели способ изготовления плоского стекла, которое можно было бы вставлять в окна. Это случилось уже в I веке нашей эры. Для изготовления оконных стекол применяли деревянные формы-рамы.

Их предварительно смягчали водой и затем выливали в них горячую стеклянную массу, растягивая ее щипцами до краев рамы. Поэтому края плоских оконных стекол, изготовленных таким способом, закругленные и слегка утолщенные. Обычный размер римского оконного стекла квадратной формы — 30-40 см. Но известны плоские оконные стекла и больших размеров.

В Помпеях археологи обнаружили бронзовые оконные рамы с остатками стекла размером почти метр на метр и толщиной стекла в 13 мм.

1. Цемент – мелко измельчённый клинкер с минеральными добавками.
2. Клинкер — шарики тёмно-серого цвета получают спеканием глины и известняка в специальных вращающихся печах
3. Видео: «Производство бетона»
4. Это интересно: «Почему цемент затвердевает?»

Цемент — один из наиболее распространенных материалов в современном строительстве. Сам по себе он мелкий порошок. Но если его смешать с водой и дать затвердеть, он вместе с песком и гравием превращается в твердое, прочное вещество.

Цемент — главное составляющее вещество строительного раствора и бетона. Строительный раствор — это смесь цемента, песка и воды. Бетон — это та же самая смесь, но с добавлением гравия или измельченного камня.

Современный цемент производится путем нагревания известняка и глины или шлака до очень высокой температуры. Эта смесь нагревается до тех пор, пока не образовываются большие, спекшиеся куски. Их называют клинкерами. Клинкеры размалывают затем в порошок.

Когда вода добавляется к цементному порошку, происходят сложные химические реакции. В результате образуется стойкий искусственный камень, нерастворимый в воде.

Какая химическая реакция происходит, чтобы цемент затвердел?

У химиков нет точного ответа на этот вопрос. В состав цемента входит четыре компонента. Считают, что каждый из этих компонентов при добавлении воды превращается в кристаллы. Эти кристаллы сцепляются между собой, и цемент затвердевает.

Вид цемента, который затвердевает под водой, называется гидравлическим цементом. Удивительно то, что римляне открыли процесс получения гидравлического цемента в III—II веке до н.э. Они делали такой цемент путем смешивания вулканического пепла с известью. Это открытие было одним из выдающихся достижений римлян.

VII. Тренажеры

Тренажёр №1 — Характеристика кремния по положению в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева

• Тренажёр №2 — Тестовые задания по теме: «Углерод и кремний, их соединения»
• Тренажёр №3 — Задания для контроля и самопроверки по теме «Углерод и кремний в природе. Применение углерода и кремния и их соединений»
• VIII. Задания
• Осуществите превращения по схеме:
• 1) Si → SiO2 → Na2SiO3 → H2SiO3 →SiO2
• 2) Si → Mg2Si → SiH4 → SiO2
• 3) Si → Na2SiO3
• ЦОРы
• Учебный фильм: “Кремний”
• Опыт:“Взаимодейчтвие магния с диоксидом кремния”
• Опыт: “Взаимодействие кремния с раствором щклочи”
• Опыт:“Получение силана”
• Опыт: Изучение свойств оксида кремния (IV)
• Опыт: “Получение геля кремниевой кислоты”
• Опыт: “Получение кремниевой кислоты”
• Видео: «Производство стекла»
• Видео: Сравнение свойств кварцевого и обычного стекла
• Видео: «Производство бетона»

 

Источник: https://kardaeva.ru/89-dlya-uchenika/9-klass/221-kremnij-i-ego-soedineniya-steklo-tsement