Молярная масса кремния (si), формула и примеры

 
Кремний — очень редкий минеральный вид из класса самородных элементов. На самом деле это удивительно, как редко химический элемент кремний, составляющий в связанном виде не менее 27,6% массы земной коры, встречается в природе в чистом виде. Но кремний прочно связывается с кислородом и почти всегда находится в виде кремнезёма — диоксида кремния, SiO2 (семейство кварца) или в составе силикатов (SiO44-). Самородный кремний как минерал был найден в продуктах вулканических испарений и как мельчайшие включения в самородном золоте.

СТРУКТУРА

Кристаллическая решётка кремния кубическая гранецентрированная типа алмаза, параметр а = 0,54307 нм (при высоких давлениях получены и другие полиморфные модификации кремния), но из-за большей длины связи между атомами Si—Si по сравнению с длиной связи С—С твёрдость кремния значительно меньше, чем алмаза. Имеет объемную структуру. Ядра атомов вместе с электронами на внутренних оболочках обладают положительным зарядом 4, который уравновешивается отрицательными зарядами четырех электронов на внешней оболочке. Вместе с электронами соседних атомов они образуют ковалентные связи на кристаллической решетке. Таким образом, на внешней оболочке находятся четыре своих электрона и четыре электрона, заимствованные у четырех соседних атомов. При температуре абсолютного нуля все электроны внешних оболочек участвуют в ковалентных связях. При этом кремний является идеальными изолятором, так как не имеет свободных электронов, создающих проводимость.

СВОЙСТВА

Кремний хрупок, только при нагревании выше 800 °C он становится пластичным веществом. Он прозрачен для инфракрасного излучения начиная с длины волны 1,1 мкм. Собственная концентрация носителей заряда — 5,81·1015 м−3 (для температуры 300 K).Температура плавления 1415 °C, температура кипения 2680 °C, плотность 2,33 г/см3. Обладает полупроводниковыми свойствами, его сопротивление понижается при повышении температуры.

Аморфный кремний – порошок бурого цвета на основе сильно разупорядоченной алмазоподобной структуры. Обладает большей реакционной способностью, чем кристаллический кремний.

МОРФОЛОГИЯ

Чаще всего в природе кремний встречается в виде кремнезёма — соединений на основе диоксида кремния (IV) SiO2 (около 12 % массы земной коры). Основные минералы и горные породы, образуемые диоксидом кремния, — это песок (речной и кварцевый), кварц и кварциты, кремень, полевые шпаты. Вторую по распространённости в природе группу соединений кремния составляют силикаты и алюмосиликаты.

Отмечены единичные факты нахождения чистого кремния в самородном виде.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Содержание кремния в земной коре составляет по разным данным 27,6—29,5 % по массе. Таким образом по распространённости в земной коре кремний занимает второе место после кислорода. Концентрация в морской воде 3 мг/л. Отмечены единичные факты нахождения чистого кремния в самородном виде — мельчайшие включения (наноиндивиды) в ийолитах Горячегорского щелочно-габброидного массива (Кузнецкий Алатау, Красноярский край); в Карелии и на Кольском п-ове (по мат. изучения Кольской сверхглубокой скважины); микроскопические кристаллы в фумаролах вулканов Толбачик и Кудрявый (Камчатка).

ПРИМЕНЕНИЕ

Сверхчистый кремний преимущественно используется для производства одиночных электронных приборов (нелинейные пассивные элементы электрических схем) и однокристальных микросхем. Чистый кремний, отходы сверхчистого кремния, очищенный металлургический кремний в виде кристаллического кремния являются основным сырьевым материалом для солнечной энергетики.

Монокристаллический кремний — помимо электроники и солнечной энергетики, используется для изготовления зеркал газовых лазеров.

Соединения металлов с кремнием — силициды — являются широко употребляемыми в промышленности (например, электронной и атомной) материалами с широким спектром полезных химических, электрических и ядерных свойств (устойчивость к окислению, нейтронам и др.). Силициды ряда элементов являются важными термоэлектрическими материалами.

Соединения кремния служат основой для производства стекла и цемента. Производством стекла и цемента занимается силикатная промышленность. Она также выпускает силикатную керамику — кирпич, фарфор, фаянс и изделия из них.

Широко известен силикатный клей, применяемый в строительстве как сиккатив, а в пиротехнике и в быту для склеивания бумаги.

Получили широкое распространение силиконовые масла и силиконы — материалы на основе кремнийорганических соединений.

Технический кремний находит следующие применения:

• сырьё для металлургических производств: компонент сплава (бронзы, силумин);
• раскислитель (при выплавке чугуна и сталей);
• модификатор свойств металлов или легирующий элемент (например, добавка определённого количества кремния при производстве трансформаторных сталей уменьшает коэрцитивную силу готового продукта) и т. п.;
• сырьё для производства более чистого поликристаллического кремния и очищенного металлургического кремния (в литературе «umg-Si»);
• сырьё для производства кремний органических материалов, силанов;
• иногда кремний технической чистоты и его сплав с железом (ферросилиций) используется для производства водорода в полевых условиях;
• для производства солнечных батарей;
• антиблок (антиадгезивная добавка) в промышленности пластмасс.

Кремний (англ. Silicon) — Si

КЛАССИФИКАЦИЯ

Физические свойства

Оптические свойства

Кристаллографические свойства

Источник: http://mineralpro.ru/minerals/silicon/

Кремний

Кремний Свойства атома Химические свойства Термодинамические свойства простого вещества Кристаллическая решётка простого вещества

Атомный номер	14
Внешний вид простого вещества	В аморфной форме — коричневый порошок, в кристаллической — тёмно-серый,слегка блестящий
Атомная масса (молярная масса)	28,0855 а. е. м. (г/моль)
Радиус атома	132 пм
Энергия ионизации (первый электрон)	786,0(8,15) кДж/моль (эВ)
Электронная конфигурация	[Ne] 3s2 3p2
Ковалентный радиус	111 пм
Радиус иона	42 (+4e) 271 (-4e) пм
Электроотрицательность (по Полингу)	1,90
Электродный потенциал	0
Степени окисления	+4, −4, +2
Плотность	2,33 г/см³
Молярная теплоёмкость	20,16[1] Дж/(K·моль)
Теплопроводность	149 Вт/(м·K)
Температура плавления	1688 K
Теплота плавления	50,6 кДж/моль
Температура кипения	2623 K
Теплота испарения	383 кДж/моль
Молярный объём	12,1 см³/моль
Структура решётки	кубическая, алмазная
Параметры решётки	5,4307 Å
Отношение c/a	—
Температура Дебая	625 K

Si	14
28,0855
[Ne]3s23p2
Кремний

Схема атома кремния

В чистом виде кре́мний был выделен в 1811 г. французскими учеными Жозефом Луи Гей-Люссаком и Луи Жаком Тенаром.

Происхождение названия

В 1825 году шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус действием металлического калия на фтористый кремний SiF4 получил чистый элементарный кремний. Новому элементу было дано название «силиций» (от лат. silex — кремень). Русское название «кремний» введено в 1834 году российский химиком Германом Ивановичем Гессом. В переводе c греческого kremnos — «утес, гора».

Нахождение в природе

По распространённости в земной коре кремний среди всеххимических элементов занимает второе место (после кислорода). Масса земной коры на 27,6—29,5 % состоит из кремния. Кремний входит в состав нескольких сотен различных природных силикатов и алюмосиликатов.

Больше всего распространен кремнезём — многочисленные формы диоксида кремния (IV) SiO2 (речной песок, кварц, кремень и др.), составляющий около 12 % земной коры (по массе). В свободном виде кремний в природе не встречается, хотя одна четвертая земли состоит из кремния.

Получение

В промышленности кремний получают, восстанавливая расплав SiO2 коксом при температуре около 1800 °C в дуговых печах. Чистота полученного таким образом кремния составляет около 99,9 %.

Так как для практического использования нужен кремний более высокой чистоты, полученный кремний хлорируют. Образуются соединения состава SiCl4 и SiCl3H. Эти хлориды далее очищают различными способами от примесей и на заключительном этапе восстанавливают чистым водородом.

Возможна также очистка кремния за счет предварительного получения силицида магния Mg2Si. Далее из силицида магния с помощью соляной или уксусной кислот получают летучий моносилан SiH4. Моносилан очищают далее ректификацией, сорбционными и др.

Способ получения кремния в чистом виде разработан Николаем Николаевичем Бекетовым. Крупнейшим производителем кремния в России является ОК Русал — кремний производится на заводах в г. Каменск-Уральский (Свердловская область) и г. Шелехов (Иркутская область).

Физические свойства

Кристаллическая структура кремния.

Кристаллическая решетка кремния кубическая гранецентрированная типа алмаза, параметр а = 0,54307 нм (при высоких давлениях получены и другие полиморфные модификации кремния), но из-за большей длины связи между атомами Si—Si по сравнению с длиной связи С—С твердость кремния значительно меньше, чем алмаза. Кремний хрупок, только при нагревании выше 800 °C он становится пластичным веществом. Интересно, что кремний прозрачен к инфракрасному излучению, начиная с длины волны 1.1 микрометр.

Схематическое изображение зонной структуры кремния [2]

Электрофизические свойства

Элементарный кремний — типичный непрямозонный полупроводник. Ширина запрещенной зоны при комнатной температуре 1,12 эВ, а при Т = 0 К составляет 1,21 эВ. Концентрация носителей заряда в кремнии с собственной проводимостью при комнатной температуре 1,5·1016м−3. На электрофизические свойства кристаллического кремния большое влияние оказывают содержащиеся в нем микропримеси.

Для получения монокристаллов кремния с дырочной проводимостью в кремний вводят добавки элементов III-й группы — бора, алюминия, галлия и индия, с электронной проводимостью — добавки элементов V-й группы — фосфора, мышьяка или сурьмы.

Электрические свойства кремния можно варьировать, изменяя условия обработки монокристаллов, в частности, обрабатывая поверхность кремния различными химическими агентами.

1. Диэлектрическая проницаемость: 12
2. Подвижность электронов: 1300-1400 см²/(в*c).
3. Подвижность дырок: 500 см²/(в*c).
4. Ширина запрещенной зоны 1,205-2,84*10(^-4)*T
5. Продолжительность жизни электрона: 50 — 500 мксек
6. Длина свободного пробега электрона: 0,1 см
7. Длина свободного пробега дырки: 0,02 — 0,06 см

Химические свойства

В соединениях кремний склонен проявлять степень окисления +4 или −4, так как для атома кремния более характерно состояние sp³-гибридизации орбиталей. Поэтому во всех соединениях, кроме оксида кремния (II) SiO, кремний четырёхвалентен.

Химически кремний малоактивен. При комнатной температуре реагирует только с газообразным фтором, при этом образуется летучий тетрафторид кремния SiF4. При нагревании до температуры 400—500 °C кремний реагирует с кислородом с образованием диоксида SiO2, с хлором, бромом и иодом — с образованием соответствующих легко летучих тетрагалогенидов SiHal4.

• С водородом кремний непосредственно не реагирует, соединения кремния с водородом — силаны с общей формулой SinH2n+2 — получают косвенным путем. Моносилан SiH4 (его часто называют просто силаном) выделяется при взаимодействии силицидов металлов с растворами кислот, например:
• Ca2Si + 4HCl → 2CaCl2 + SiH4↑.
• Образующийся в этой реакции силан SiH4 содержит примесь и других силанов, в частности, дисилана Si2H6 и трисилана Si3H8, в которых имеется цепочка из атомов кремния, связанных между собой одинарными связями (—Si—Si—Si—).

С азотом кремний при температуре около 1000 °C образует нитрид Si3N4, с бором — термически и химически стойкие бориды SiB3, SiB6 и SiB12. Соединение кремния и его ближайшего аналога по таблице Менделеева — углерода — карбид кремния SiC (карборунд) характеризуется высокой твердостью и низкой химической активностью. Карборунд широко используется как абразивный материал.

При нагревании кремния с металлами возникают силициды. Силициды можно подразделить на две группы: ионно-ковалентные (силициды щелочных, щелочноземельных металлов и магния типа Ca2Si, Mg2Si и др.) и металлоподобные (силициды переходных металлов).

Силициды активных металлов разлагаются под действием кислот, силициды переходных металлов химически стойки и под действием кислот не разлагаются. Металлоподобные силициды имеют высокие температуры плавления (до 2000 °C). Наиболее часто образуются металлоподобные силициды составов MeSi, Me3Si2, Me2Si3, Me5Si3 и MeSi2.

Металлоподобные силициды химически инертны, устойчивы к действию кислорода даже при высоких температурах.

При восстановлении SiO2 кремнием при высоких температурах образуется оксид кремния (II) SiO.

Для кремния характерно образование кремнийорганических соединений, в которых атомы кремния соединены в длинные цепочки за счет мостиковых атомов кислорода —О—, а к каждому атому кремния, кроме двух атомов О, присоединены еще два органических радикала R1 и R2 = CH3, C2H5, C6H5, CH2CH2CF3 и др.

Применение

Микроконтроллер 1993 года с УФ стиранием памяти 62E40 компанией STMicroelectronics. За окошечком виден кристалл микросхемы — кремниевая подложка с выполненной на ней схемой.

1. В настоящее время кремний — основной материал для электроники и солнечной энергетики.
2. Монокристаллический кремний — материал для зеркал газовых лазеров.
3. Иногда кремний (технической чистоты) и его сплав с железом (ферросилиций) используется для производства водорода в полевых условиях.

Соединения металлов с кремнием — силициды, являются широкоупотребляемыми в промышленности (например, электронной и атомной) материалами с широким спектром полезных химических, электрических и ядерных свойств (устойчивость к окислению, нейтронам и др.), а также силициды ряда элементов являются важными термоэлектрическими материалами.

Кремний применяется в металлургии при выплавке чугуна, сталей, бронз, силумина и др. (как раскислитель и модификатор, а также как легирующий компонент).

Соединения кремния служат основой для производства стекла и цемента. Производством стекла и цемента занимается силикатная промышленность. Она также выпускает силикатную керамику — кирпич, фарфор, фаянс и изделия из них.

Последнее время очень широко применяются полимеры на основе кремния — силиконы.

Биологическая роль

Для некоторых организмов кремний является важным биогеным элементом. Он входит в состав опорных образований у растений и скелетных — у животных. В больших количествах кремний концентрируют морские организмы — диатомовые водоросли, радиолярии, губки.

Большие количества кремния концентрируют хвощи и злаки, в первую очередь — подсемейства Бамбуков и Рисовидных, в том числе — рис посевной. Мышечная ткань человека содержит (1-2)·10−2% кремния, костная ткань — 17·10−4%, кровь — 3,9 мг/л.

С пищей в организм человека ежедневно поступает до 1 г кремния.

Соединения кремния относительно нетоксичны. Но очень опасно вдыхание высокодисперсных частиц как силикатов, так и диоксида кремния, образующихся, например, при взрывных работах, при долблении пород в шахтах, при работе пескоструйных аппаратов и т. д.

Микрочастицы SiO2, попавшие в лёгкие, кристаллизуются в них, а возникающие кристаллики разрушают лёгочную ткань и вызывают тяжёлую болезнь — силикоз.

Чтобы не допустить попадания в лёгкие опасной пыли, следует использовать для защиты органов дыхания респиратор.

Дополнительная информация

Соединения кремния Пористый кремний Кристаллический кремний Германий Кремнийорганические соединения

 

Источник: http://himsnab-spb.ru/article/ps/si

Кремний — это… Что такое Кремний?

14	Кремний
3s23p2

Кремний — элемент главной подгруппы четвёртой группы третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 14. Обозначается символом Si (лат. Silicium).

История

В чистом виде кре́мний был выделен в 1811 году французскими учёными Жозефом Луи Гей-Люссаком и Луи Жаком Тенаром.

Происхождение названия

В 1825 году шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус действием металлического калия на фтористый кремний SiF4 получил чистый элементарный кремний. Новому элементу было дано название «силиций» (от лат. silex — кремень). Русское название «кремний» введено в 1834 году российским химиком Германом Ивановичем Гессом. В переводе c др.-греч. κρημνός — «утёс, гора».

Нахождение в природе

Содержание кремния в земной коре составляет по разным данным 27,6—29,5 % по массе. Таким образом по распространённости в земной коре кремний занимает второе место после кислорода. Концентрация в морской воде 3 мг/л[2].

Чаще всего в природе кремний встречается в виде кремнезёма — соединений на основе диоксида кремния (IV) SiO2 (около 12 % массы земной коры). Основные минералы и горные породы, образуемые диоксидом кремния — это песок (речной и кварцевый), кварц и кварциты, кремень, полевые шпаты. Вторую по распространённости в природе группу соединений кремния составляют силикаты и алюмосиликаты.

Отмечены единичные факты нахождения чистого кремния в самородном виде[3].

Получение

«Свободный кремний можно получить прокаливанием с магнием мелкого белого песка, который представляет собой диоксид кремния:

При этом образуется бурый порошок аморфного кремния.»[4]

В промышленности кремний технической чистоты получают, восстанавливая расплав SiO2 коксом при температуре около 1800 °C в руднотермических печах шахтного типа. Чистота полученного таким образом кремния может достигать 99,9 % (основные примеси — углерод, металлы).

Возможна дальнейшая очистка кремния от примесей.

• Очистка в лабораторных условиях может быть проведена путём предварительного получения силицида магния Mg2Si. Далее из силицида магния с помощью соляной или уксусной кислот получают газообразный моносилан SiH4. Моносилан очищают ректификацией, сорбционными и др. методами, а затем разлагают на кремний и водород при температуре около 1000 °C.

• Очистка кремния в промышленных масштабах осуществляется путём непосредственного хлорирования кремния. При этом образуются соединения состава SiCl4 и SiCl3H. Эти хлориды различными способами очищают от примесей (как правило перегонкой и диспропорционированием) и на заключительном этапе восстанавливают чистым водородом при температурах от 900 до 1100 °C.

• Разрабатываются более дешёвые, чистые и эффективные промышленные технологии очистки кремния. На 2010 г. к таковым можно отнести технологии очистки кремния с использованием фтора (вместо хлора); технологии предусматривающие дистилляцию монооксида кремния; технологии, основанные на вытравливании примесей, концентрирующихся на межкристаллитных границах.

Содержание примесей в доочищенном кремнии может быть снижено до 10−8—10−6% по массе. Более подробно вопросы получения сверхчистого кремния рассмотрены в статье Поликристаллический кремний

Способ получения кремния в чистом виде разработан Николаем Николаевичем Бекетовым.

В России технический кремний производится «ОК Русал» на заводах в г. Каменск-Уральский (Свердловская область) и г. Шелехов (Иркутская область); доочищенный по хлоридной технологии кремний производит группа «Nitol Solar» на заводе в г. Усолье-Сибирское.

Физические свойства

Кристаллическая структура кремния.

Кристаллическая решётка кремния кубическая гранецентрированная типа алмаза, параметр а = 0,54307 нм (при высоких давлениях получены и другие полиморфные модификации кремния), но из-за большей длины связи между атомами Si—Si по сравнению с длиной связи С—С твёрдость кремния значительно меньше, чем алмаза. Кремний хрупок, только при нагревании выше 800 °C он становится пластичным веществом. Интересно, что кремний прозрачен для инфракрасного излучения начиная с длины волны 1,1 мкм. Собственная концентрация носителей заряда — 5,81·1015 м−3 (для температуры 300 K).

Схематическое изображение зонной структуры кремния[5]

Электрофизические свойства

Элементарный кремний в монокристаллической форме является непрямозонным полупроводником. Ширина запрещённой зоны при комнатной температуре составляет 1,12 эВ, а при Т = 0 К составляет 1,21 эВ[6]. Концентрация собственных носителей заряда в кремнии при нормальных условиях составляет порядка 1,5·1010 см−3[7].

На электрофизические свойства кристаллического кремния большое влияние оказывают содержащиеся в нём примеси.

Для получения кристаллов кремния с дырочной проводимостью в кремний вводят атомы элементов III-й группы, таких, как бор, алюминий, галлий, индий.

При создании электронных приборов на основе кремния задействуется преимущественно приповерхностный слой материала (до десятков микрон), поэтому качество поверхности кристалла может оказывать существенное влияние на электрофизические свойства кремния и, соответственно, на свойства готового прибора. При создании некоторых приборов используются приёмы, связанные с модификацией поверхности, например, обработка поверхности кремния различными химическими агентами.

• Диэлектрическая проницаемость: 12[1]
• Подвижность электронов: 1200—1450 см²/(В·c).
• Подвижность дырок: 500 см²/(В·c).
• Ширина запрещённой зоны 1,205-2,84·10−4·T
• Продолжительность жизни электрона: 5 нс — 10 мс
• Длина свободного пробега электрона: порядка 0,1 см
• Длина свободного пробега дырки: порядка 0,02 — 0,06 см

Все значения приведены для нормальных условий.

Химические свойства

Подобно атомам углерода, для атомов кремния является характерным состояние sp3-гибридизации орбиталей.

В связи с гибридизацией чистый кристаллический кремний образует алмазоподобную решётку, в которой кремний четырёхвалентен.

В соединениях кремний обычно также проявляет себя как четырёхвалентный элемент со степенью окисления +4 или −4. Встречаются двухвалентные соединения кремния, например, оксид кремния (II) SiO.

При нормальных условиях кремний химически малоактивен и активно реагирует только с газообразным фтором, при этом образуется летучий тетрафторид кремния SiF4. Такая «неактивность» кремния связана с пассивацией поверхности наноразмерным слоем диоксида кремния, немедленно образующегося в присутствии кислорода, воздуха или воды (водяных паров).

• При нагревании до температуры свыше 400—500 °C кремний реагирует с кислородом с образованием диоксида SiO2, процесс сопровождается увеличением толщины слоя диоксида на поверхности, скорость процесса окисления лимитируется диффузией атомарного кислорода сквозь плёнку диоксида.
• При нагревании до температуры свыше 400—500 °C кремний реагирует с хлором, бромом и иодом — с образованием соответствующих легко летучих тетрагалогенидов SiHalogen4 и, возможно, галогенидов более сложного состава.
• С водородом кремний непосредственно не реагирует, соединения кремния с водородом — силаны с общей формулой SinH2n+2 — получают косвенным путем. Моносилан SiH4 (его часто называют просто силаном) выделяется при взаимодействии силицидов металлов с растворами кислот, например:

Образующийся в этой реакции силан SiH4 содержит примесь и других силанов, в частности, дисилана Si2H6 и трисилана Si3H8, в которых имеется цепочка из атомов кремния, связанных между собой одинарными связями (—Si—Si—Si—).

С азотом кремний при температуре около 1000 °C образует нитрид Si3N4, с бором — термически и химически стойкие бориды SiB3, SiB6 и SiB12.

При температурах свыше 1000С °C можно получить соединение кремния и его ближайшего аналога по таблице Менделеева — углерода — карбид кремния SiC (карборунд), который характеризуется высокой твёрдостью и низкой химической активностью.

Карборунд широко используется как абразивный материал.

Нижележащие элементы 4-й группы (Ge, Sn, Pb) неограниченно растворимы в кремнии, как и большинство других металлов. При нагревании кремния с металлами могут образовываться силициды.

Силициды можно подразделить на две группы: ионно-ковалентные (силициды щелочных, щелочноземельных металлов и магния типа Ca2Si, Mg2Si и др.) и металлоподобные (силициды переходных металлов).

Силициды активных металлов разлагаются под действием кислот, силициды переходных металлов химически стойки и под действием кислот не разлагаются. Металлоподобные силициды имеют высокие температуры плавления (до 2000 °C).

Наиболее часто образуются металлоподобные силициды составов MeSi, Me3Si2, Me2Si3, Me5Si3 и MeSi2. Металлоподобные силициды химически инертны, устойчивы к действию кислорода даже при высоких температурах.

Особо следует отметить, что с железом кремний образует эвтектическую смесь, что позволяет спекать (сплавлять) эти материалы для образования ферросилициевой керамики при температурах заметно меньших, чем температуры плавления железа и кремния.

При восстановлении SiO2 кремнием при температурах свыше 1200 °C образуется оксид кремния (II) — SiO. Этот процесс постоянно наблюдается при производстве кристаллов кремния методами Чохральского, направленной кристаллизации, потому что в них используются контейнеры из диоксида кремния, как наименее загрязняющего кремний материала.

Для кремния характерно образование кремнийорганических соединений, в которых атомы кремния соединены в длинные цепочки за счет мостиковых атомов кислорода —О—, а к каждому атому кремния, кроме двух атомов О, присоединены ещё два органических радикала R1 и R2 = CH3, C2H5, C6H5, CH2CH2CF3 и др.

1. Si+2HNO3=SiO2+NO+NO2+H2O
2. SiO2+4HF=SiF4+2H2O
3. 3SiF4+3H2O=2H2SiF6+↓H2SiO3

Для травления кремния могут использоваться водные растворы щёлочей. Травление кремния в щелочных растворах начинается при температуре раствора более 60 °C.

1. Si+2KOH+H2O=K2SiO3+2H2↑
2. K2SiO3+2H2O↔H2SiO3+2KOH

Применение

Технический кремний находит следующие применения:

1. сырьё для металлургических производств: компонент сплава (бронзы, силумин); раскислитель (при выплавке чугуна); модификатор свойств металлов или легирующий элемент (например, добавка определённого количества кремния при производстве трансформаторных сталей уменьшает коэрцитивную силу готового продукта) и т. п.;
2. сырьё для производства более чистого поликристаллического кремния и очищенного металлургического кремния (в литературе «umg-Si»);
3. сырьё для производства кремнийорганических материалов, силанов;
4. иногда кремний технической чистоты и его сплав с железом (ферросилиций) используется для производства водорода в полевых условиях;
5. для производства солнечных батарей.

Монокристалл кремния, выращенный по методу Чохральского

Cверхчистый кремний преимущественно используется для производства одиночных электронных приборов (нелинейные пассивные элементы электрических схем) и однокристальных микросхем. Чистый кремний, отходы сверхчистого кремния, очищенный металлургический кремний в виде кристаллического кремния являются основным сырьевым материалом для солнечной энергетики.

Монокристаллический кремний — помимо электроники и солнечной энергетики используется для изготовления зеркал газовых лазеров.

Соединения металлов с кремнием — силициды — являются широкоупотребляемыми в промышленности (например, электронной и атомной) материалами с широким спектром полезных химических, электрических и ядерных свойств (устойчивость к окислению, нейтронам и др.). Силициды ряда элементов являются важными термоэлектрическими материалами.

Соединения кремния служат основой для производства стекла и цемента. Производством стекла и цемента занимается силикатная промышленность. Она также выпускает силикатную керамику — кирпич, фарфор, фаянс и изделия из них.

Широко известен силикатный клей, применяемый в строительстве как сиккатив, а в пиротехнике и в быту для склеивания бумаги.

Получили широкое распространение силиконовые масла и силиконы — материалы на основе кремнийорганических соединений.

Биологическая роль

Для некоторых организмов кремний является важным биогенным элементом. Он входит в состав опорных образований у растений и скелетных — у животных. В больших количествах кремний концентрируют морские организмы — диатомовые водоросли, радиолярии, губки.

Большие количества кремния концентрируют хвощи и злаки, в первую очередь — подсемейства Бамбуков и Рисовидных, в том числе — рис посевной. Мышечная ткань человека содержит (1-2)·10−2% кремния, костная ткань — 17·10−4%, кровь — 3,9 мг/л.

С пищей в организм человека ежедневно поступает до 1 г кремния.

Соединения кремния относительно нетоксичны.

Микрочастицы SiO2, попавшие в лёгкие, кристаллизуются в них, а возникающие кристаллики разрушают лёгочную ткань и вызывают тяжёлую болезнь — силикоз. Чтобы не допустить попадания в лёгкие опасной пыли, следует использовать для защиты органов дыхания респиратор.

См. также

Примечания

1. ↑ 1 2 Химическая энциклопедия: в 5-ти тт. / Редкол.:Кнунянц И. Л. (гл. ред.). — Москва: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2. — С. 508. — 671 с. — 100 000 экз.
2. ↑ J.P. Riley and Skirrow G. Chemical Oceanography V. 1, 1965
3. ↑ Металлический кремний в ийолитах Горячегорского массива, Петрология обыкновенных хондритов
4. ↑ Глинка Н.Л. Общая химия. — 24-е изд., испр. — Л.: Химия, 1985. — С. 492. — 702 с.
5. ↑ Р Смит., Полупроводники: Пер. с англ. — М.: Мир, 1982. — 560 с, ил.
6. ↑ Зи С., Физика полупроводниковых приборов: В 2-х книгах. Кн. 1. Пер. с англ. — М.: Мир, 1984. — 456 с, ил.
7. ↑ Коледов Л. А. Технологии и конструкции микросхем, микропроцессоров и микросборок: Учебное пособие//2-е изд., испр. и доп. — СПб.:Издательство «Лань», 2007. — С. 200—201. — ISBN 978-5-8114-0766-8

• Самсонов. Г. В. Силициды и их использование в технике. — Киев, Изд-во АН УССР, 1959. — 204 с. с илл.

• Кремний на Webelements
• Кремний в Популярной библиотеке химических элементов

Источник: https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/6514

Кремний и его соединения

Кремний 14Si является аналогом углерода, находится в главной подгруппе IV группы, в 3-м периоде. Как и углерод, кремний является неметаллом и проявляет в своих соединениях и положительные и отрицательные степени окисления, наиболее характерными из которых являются +4 и -4.

14Si 1s22s22p63s23p2

Аr = 28,0855

Изотопы: 28Si (92.27 %); 29Si (4.68 %); 30Si (3,05 %)

ЭО = 1,8

Кремний — второй после кислорода по распространенности в земной коре элемент (27,6 % по массе). В свободном состоянии в природе не встречается, находится преимущественно в виде SiO2 или силикатов.

Соединения Si токсичны; вдыхание мельчайших частиц SiO2 и др. соединений кремния (например, асбеста) вызывает опасную болезнь — силикоз

В основном состоянии атом кремния имеет валентность = II, а в возбужденом состоянии = IV.

Наиболее устойчивой степенью окисления Si является +4. В соединениях с металлами (силицидах) С.О. -4.

Способы получения кремния

Самым распространенным природным соединением кремния является кремнезем (диоксид кремния) SiО2. Он является основным сырьем для получения кремния.

• 1) Восстановление SiO2 углеродом в дуговых печах при 1800'С: SiO2 + 2С = Si + 2СО
• 2) Высокочистый Si из технического продукта получают согласно схеме:
• a) Si → SiCl2 → Si
• б) Si → Mg2Si → SiH4 → Si

Физические свойства кремния. Аллотропные модификации кремния

1) Кристаллический кремний — вещество серебристо — серого цвета с металлическим блеском, кристаллическая решетка типа алмаза; т. пл. 1415'С, т. кип. 3249'С, плотность 2,33 г/см3; является полупроводником.

2) Аморфный кремний — порошок бурого цвета.

Химические свойства кремния

1. При низких температурах кремний химически инертен, при нагревании его реакционная способность резко возрастает.
2. 1. С кислородом взаимодействует при Т выше 400°С:
3. Si + О2 = SiO2 оксид кремния
4. 2.

   С фтором реагирует уже при комнатной температуре:

5. Si + 2F2 = SiF4 тетрафторид кремня
6. 3. С остальными галогенами реакции идут при температуре = 300 — 500°С
7. Si + 2Hal2 = SiHal4
8. 4.

   С парами серы при 600°С образует дисульфид:

9. Si + 2S = SiS2
10. 5. Реакция с азотом происходит выше 1000°С:
11. 3Si + 2N2 = Si3N4 нитрид кремния
12. 6.

    При температуре = 1150°С реагирует с углеродом:

13. SiO2 + 3С = SiС + 2СО
14. По твердости карборунд близок к алмазу.

7. С водородом кремний непосредственно не реагирует.

8. Кремний стоек к действию кислот. Взаимодействует только со смесью азотной и фтороводородной (плавиковой) кислот:

• 3Si + 12HF + 4HNO3 = 3SiF4 + 4NO + 8H2O
• 9. реагирует с растворами щелочей с образованием силикатов и выделением водорода:
• Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2H2↑
• 10. Восстановительные свойства кремния используют для выделения металлов из их оксидов:
• 2MgO = Si = 2Mg + SiO2
• Кремний образует силициды с s-металлами и большинством d-металлов.

Состав силицидов данного металла может быть различен. (Например, FeSi и FeSi2; Ni2Si и NiSi2.) Один из наиболее известных силицидов — силицид магния, который можно получать прямым взаимодействием простых веществ:

2Mg + Si = Mg2Si

Силан (моносилан) SiH4

Силаны (кремневодороды) SinH2n + 2, (ср. с алканами), где п = 1-8. Силаны — аналоги алканов, отличаются от них неустойчивостью цепей -Si-Si-.

1. Моносилан SiH4 — бесцветный газ с неприятным запахом; растворяется в этаноле, бензине.
2. Способы получения:
3. 1. Разложение силицида магния соляной кислотой: Mg2Si + 4HCI = 2MgCI2 + SiH4
4. 2. Восстановление галогенидов Si алюмогидридом лития:
   SiCl4 + LiAlH4 = SiH4↑ + LiCl + AlCl3
5. Химические свойства.
6. Силан — сильный восстановитель.
7. 1.SiH4 окисляется кислородом даже при очень низких температурах:
8. SiH4 + 2O2 = SiO2 + 2Н2О
9. 2. SiH4 легко гидролизуется, особенно в щелочной среде:
10. SiH4 + 2Н2О = SiO2 + 4Н2
11. SiH4 + 2NaOH + Н2О = Na2SiO3 + 4Н2

Оксид кремния (IV) (кремнезем) SiO2

Кремнезем существует в виде различных форм: кристаллической, аморфной и стеклообразной. Наиболее распространенной кристаллической формой является кварц. При разрушении кварцевых горных пород образуются кварцевые пески. Монокристаллы кварца — прозрачны, бесцветны (горный хрусталь) или окрашены примесями в различные цвета (аметист, агат, яшма и др.).

Аморфный SiO2 встречается в виде минерала опала: искусственно получают силикагель, состоящий из коллоидных частиц SiO2 и являющийся очень хорошим адсорбентом. Стеклообразный SiO2 известен как кварцевое стекло.

Физические свойства

В воде SiO2 растворяется очень незначительно, в органических растворителях также практически не растворяется. Кремнезем является диэлектриком.

Химические свойства

• 1. SiO2 — кислотный оксид, поэтому аморфный кремнезем медленно растворяется в водных растворах щелочей:
• SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + Н2О
• 2. SiO2 взаимодействует также при нагревании с основными оксидами:
• SiO2 + К2О = K2SiO3;
• SiO2 + СаО = CaSiO3
• 3. Будучи нелетучим оксидом, SiO2 вытесняет углекислый газ из Na2CO3 (при сплавлении):
• SiO2 + Na2CO3 = Na2SiO3 + CO2↑
• 4. Кремнезем реагирует с фтороводородной кислотой, образуя кремнефтористоводородную кислоту H2SiF6:
• SiO2 + 6HF = H2SiF6 + 2Н2О
• 5. При 250 — 400°С SiO2 взаимодействует с газообразным HF и F2, образуя тетрафторсилан (тетрафторид кремния):
• SiO2 + 4HF (газ.) = SiF4 + 2Н2О
• SiO2 + 2F2 = SiF4 + O2

Кремниевые кислоты

1. Известны:
2. — ортокремниевая кислота H4SiО4;
3. — метакремниевая (кремниевая) кислота H2SiO3;
4. — ди- и поликремниевые кислоты.
5. Все кремниевые кислоты малорастворимы в воде, легко образуют коллоидные растворы.

Способы по-лучения

• 1. Осаждение кислотами из растворов силикатов щелочных металлов:
• Na2SiO3 + 2HCl = H2SiO3↓ + 2NaCl
• 2. Гидролиз хлорсиланов: SiCl4 + 4Н2О = H4SiO4 + 4HCl

Химические свойства

1. Кремниевые кислоты — очень слабые кислоты (слабее угольной кислоты).
2. При нагревании они дегидратируются с образованием в качестве конечного продукта кремнезема
3. H4SiО4 → H2SiO3 → SiO2

Силикаты — соли кремниевых кислот

• Поскольку кремниевые кислоты чрезвычайно слабые, их соли в водных растворах сильно гидро лизованы:
• Na2SiO3 + Н2О = NaHSiO3 + NaOH
• SiO32- + Н2О = HSiO3- + ОН- (щелочная среда)
• По этой же причине при пропускании углекислого газа через растворы силикатов происходит вытеснение из них кремниевой кислоты:
• K2SiO3 + СO2 + Н2О = H2SiO3↓ + K2СO3
• SiO3 + СO2 + Н2О = H2SiO3↓ + СO3
• Данную реакцию можно рассматривать как качественную реакцию на силикат-ионы.
• Среди силикатов хорошо растворимыми являются только Na2SiO3 и K2SiO3, которые называются растворимым стеклом, а их водные растворы — жидким стеклом.

Стекло

Обычное оконное стекло имеет состав Na2O • СаО • 6SiO2, т. е. является смесью силикатов натрия и кальция. Его получают сплавлением соды Na2CO3, известняка СаСO3 и песка SiO2;

Na2CO3 + CaCO3 + 6SiO2 = Na2O • СаО • 6SiO2 + 2СO2↑

Цемент

Порошкообразный вяжущий материал, образующий при взаимодействии с водой пластичную массу, превращающуюся со временем в твердое камневидное тело; основной строительный материал.

Химический состав наиболее распространенного портланд-цемента (в % по массе) — 20 — 23% SiO2; 62 — 76 % СаО; 4 — 7 % Al2O3; 2-5% Fe2O3; 1- 5% МgО.

Источник: http://examchemistry.com/content/lesson/neorgveshestva/kremnyi.html

Кремень –камень 1824 г.Я. Берцелиус. Характеристики кремния и кристаллическая решетка Имя Кремний/Silicium символ Si номер 14 Атомная масса (молярная. — презентация

1 Кремень –камень 1824 г.Я. Берцелиус

2 Характеристики кремния и кристаллическая решетка Имя Кремний/Silicium символ Si номер 14 Атомная масса (молярная масса) 28,0855 а. е. м. (г/моль) Электроотрицательность 1,90 (шкала Полинга) Степени окисления +4, 4 Плотность (при н. у.) 2,33 г/см³ Кристаллическая структура кремния – напоминает по структуре алмазную

3 Происхождение названия и нахождение в природе Происхождение названия Происхождение названия В 1825 году шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус действием металлического калия на фтористый кремний SiF4 получил чистый элементарный кремний. Новому элементу было дано название «силиций» (от лат. silex кремень).

Русское название «кремний» введено в 1834 году российским химиком Германом Ивановичем Гессом. В переводе c др.-греч. κρημνός «утес, гора». Нахождение в природе Нахождение в природе Содержание кремния в земной коре составляет по разным данным 27,629,5 % по массе. Таким образом по распространённости в земной коре кремний занимает второе место после кислорода.

Вторую по распространённости в природе группу соединений кремния составляют силикаты и алюмосиликаты. Отмечены единичные факты нахождения чистого кремния в самородном виде.

• 4 Кремний в природе Второй после кислорода Второй после кислорода ¼ состава земной коры ¼ состава земной коры Наиболее распространен SiO 2 кремнезем Наиболее распространен SiO 2 кремнезем (разновидность оксида кремния) (разновидность оксида кремния)
• 5 Песок – самое распространенное соединение кремния Есть повсюду в почве Есть повсюду в почве Песчаные пустыни Песчаные пустыни Величайшие пустыни Мира: Ливийская на северо-востоке Африки, на Аравийском полуострове, Большая песчаная и пустыня Виктория в Австралии, Кызылкум в Узбекистане
• 6 Горный хрусталь – окаменевшая вода? Куски кварца Кусок горного хрусталя в виде головы животного
• 7 Драгоценные камни — всего лишь оксиды кремния? Розовый аметист Агат Ваза из оникса (разновидности агата) Халцедон Аметист лиловый Яшма Сердолик
• 8 Силикаты – соли кремниевой кислоты Гранит( наиболее прочная магматическая порода, состоящая в основном из кварца) Гранит( наиболее прочная магматическая порода, состоящая в основном из кварца) Глина (SiO %, Al 2 O %, Н О до 1%) Глина (SiO %, Al 2 O %, Н О до 1%) Гранитный горный массив

9 Биологическая роль Для некоторых организмов кремний является важным биогенным элементом. Он входит в состав опорных образований у растений и скелетных у животных. В больших количествах кремний концентрируют морские организмы диатомовые водоросли, радиолярии, губки.

Большие количества кремния концентрируют хвощи и злаки, в первую очередь подсемейства Бамбуков и Рисовидных, в том числе рис посевной. Мышечная ткань человека содержит 0,1 – 0,2% кремния, костная ткань 0,0017%, кровь 3,9 мг/л. С пищей в организм человека ежедневно поступает до 1 г кремния.

Для некоторых организмов кремний является важным биогенным элементом. Он входит в состав опорных образований у растений и скелетных у животных. В больших количествах кремний концентрируют морские организмы диатомовые водоросли, радиолярии, губки.

Большие количества кремния концентрируют хвощи и злаки, в первую очередь подсемейства Бамбуков и Рисовидных, в том числе рис посевной. Мышечная ткань человека содержит 0,1 – 0,2% кремния, костная ткань 0,0017%, кровь 3,9 мг/л. С пищей в организм человека ежедневно поступает до 1 г кремния.

Соединения кремния относительно нетоксичны. Но очень опасно вдыхание высокодисперсных частиц как силикатов, так и диоксида кремния, образующихся, например, при взрывных работах, при долблении пород в шахтах, при работе пескоструйных аппаратов и т. д. Микрочастицы SiO2, попавшие в лёгкие, кристаллизуются в них, а возникающие кристаллики разрушают лёгочную ткань и вызывают тяжёлую болезнь силикоз.

Чтобы не допустить попадания в лёгкие опасной пыли, следует использовать для защиты органов дыхания респиратор. Соединения кремния относительно нетоксичны.

Но очень опасно вдыхание высокодисперсных частиц как силикатов, так и диоксида кремния, образующихся, например, при взрывных работах, при долблении пород в шахтах, при работе пескоструйных аппаратов и т. д. Микрочастицы SiO2, попавшие в лёгкие, кристаллизуются в них, а возникающие кристаллики разрушают лёгочную ткань и вызывают тяжёлую болезнь силикоз.

1. 10 Соединения кремния в живой природе Дает прочность стеблям растений Дает прочность стеблям растений Защитные покровы животным Защитные покровы животным Гладкость и прочность костям Гладкость и прочность костям Стебли злаков Крылья бабочек Шерсть животных Панцирь жуков Чешуя рыб Перья птиц
2. 11 Соединения кремния и древние люди Каменный век – век кремневых орудий труда Каменный век – век кремневых орудий труда Распространен и доступен Распространен и доступен На сколе очень острый На сколе очень острый
3. 12 Кремний полупроводник Солнечные батарейки Солнечные батарейки Солнечные батареи Солнечные батареи Фотоэлементы Фотоэлементы Электроника Электроника
4. 13 Стекло — древнейшее изобретение человечества Оконное стекло Оконное стекло Кварцевое стекло Кварцевое стекло Хрустальное стекло Хрустальное стекло Цветное стекло Цветное стекло Стеклянные изделия Древнего Египта Витраж в Венском соборе 16 век Хрустальные вазы 18 век Царские кубки 17 век Стеклянные ландыши 20 век
5. 14 Керамика – значит глина, а там тоже кремний Кирпич Кирпич Керамическая посуда Керамическая посуда Фарфор Фарфор Фаянс Фаянс Статуэтки Статуэтки Отделочная плитка Отделочная плитка
6. 15 Цемент – это тоже соединения кремния Бетон Бетон Железобетон Железобетон Дом из бетонных панелей Плотина Братской ГЭС

16 Химические свойства Чистый кристаллический кремний образует алмазоподобную решетку в которой кремний четырёхвалентен. В соединениях кремний обычно также проявляет себя как четырехвалентный элемент со степенью окисления +4 или 4. Встречаются двухвалентные соединения кремния, например оксид кремния (II) SiO.

Чистый кристаллический кремний образует алмазоподобную решетку в которой кремний четырёхвалентен. В соединениях кремний обычно также проявляет себя как четырехвалентный элемент со степенью окисления +4 или 4. Встречаются двухвалентные соединения кремния, например оксид кремния (II) SiO.

При нормальных условиях кремний химически малоактивен и активно реагирует только с газообразным фтором, при этом образуется летучий тетрафторид кремния SiF4.

Такая «неактивность» кремния связана с пассивацией поверхности наноразмерным слоем диоксида кремния, немедленно образующегося в присутствии кислорода воздуха или воды (водяных паров).

При нормальных условиях кремний химически малоактивен и активно реагирует только с газообразным фтором, при этом образуется летучий тетрафторид кремния SiF4.

Такая «неактивность» кремния связана с пассивацией поверхности наноразмерным слоем диоксида кремния, немедленно образующегося в присутствии кислорода воздуха или воды (водяных паров).

17 Химические свойства При нагревании до температуры свыше °C кремний реагирует с кислородом с образованием диоксида SiO2. При нагревании до температуры свыше °C кремний реагирует с кислородом с образованием диоксида SiO2.

При нагревании до температуры свыше °C кремний реагирует с хлором, бромом и иодом с образованием соответствующих легко летучих тетра галогенидов SiHalogen4 и, возможно, галогенидов более сложного состава.

С водородом кремний непосредственно не реагирует, соединения кремния с водородом силаны с общей формулой SinH2n+2 получают косвенным путем.

Моносилан SiH4 (его часто называют просто силаном) выделяется при взаимодействии силицидов металлов с растворами кислот, например: С водородом кремний непосредственно не реагирует, соединения кремния с водородом силаны с общей формулой SinH2n+2 получают косвенным путем.

Моносилан SiH4 (его часто называют просто силаном) выделяется при взаимодействии силицидов металлов с растворами кислот, например: Ca2Si + 4HCl 2CaCl2 + SiH4. Ca2Si + 4HCl 2CaCl2 + SiH4.

18 Химические свойства При нагревании кремний реагирует с металлами с образованием силицидов: При нагревании кремний реагирует с металлами с образованием силицидов: 2Si + Mg = Mg2Si. 2Si + Mg = Mg2Si.

Образующийся в этой реакции силан SiH4 на воздухе самовоспламеняется и сгорает с образованием диоксида кремния и воды: Образующийся в этой реакции силан SiH4 на воздухе самовоспламеняется и сгорает с образованием диоксида кремния и воды: SiH4 + 2O2 = SiO2 + 2H2O. SiH4 + 2O2 = SiO2 + 2H2O.

Кремний взаимодействует с концентрированными водными растворами щелочей, образуя силикаты и водород: Кремний взаимодействует с концентрированными водными растворами щелочей, образуя силикаты и водород: Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2H2. Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2H2.

Источник: http://www.myshared.ru/slide/1195904/