Кремний. Простое вещество

Кремний имеет важнейшее значение в составе земной коры, будучи самым распространенным после кислорода элементом. Да и 2/3 имеющегося в земной коре кислорода связано с кремнием.

Во всех устойчивых соединениях кремний четырехвалентен. Двухвалентное состояние для кремния еще менее характерно, чем для углерода. Известен монооксид кремния ЭЮ, устойчивый в газообразном состоянии при I > 1000°С. В твердом состоянии это аморфная масса светло-коричневого цвета, постепенно распадающаяся на 81 и 5Ю2.

Для кремния характерно только состояние 5р3-гибридизации. В химических соединениях кремний тетраэдрически окружен атомами кислорода, водорода, галогенов и др. Исключение представляют лишь гексафторосиликаты типа К2[51р0], содержащие кремний в октаэдрическом окружении шести атомов фтора. Только в этих соединениях проявляется акцепторная способность кремния, имеющего свободный 3^/-подуровень.

Кремний отличается от углерода и относительной устойчивостью разных типов соединений. Кислородные соединения кремния более устойчивы, чем соответствующие соединения углерода:

Водородные соединения кремния, напротив, менее устойчивы, чем углеводороды. Кремний отличается от всех рассмотренных неметаллов пониженной электроотрицательностью (см. табл. 21.1). В соединении с водородом — силане — кремний находится в степени окисления +4.

По непосредственной роли в химии жизни кремний несопоставим с углеродом. Его содержание в живых организмах незначительно, а роль недостаточно ясна. И все же нашу жизнь и цивилизацию невозможно представить без кремния. Кроме использования соединений кремния в составе строительного камня, песка и глины, кремний применяют в виде особо чистого простого вещества для производства полупроводниковых устройств (солнечных батарей на космических станциях, спутниках и др.). Широко применяют также кремнийорганические полимеры в виде технических масел, пластмасс, резиноподобных материалов.

Добыча природных кремнийсодержащих материалов составляет сотни миллионов тонн в год. Производство кремния в виде простого вещества составляет около 10 000 т/год. Он используется главным образом в полупроводниковой технике.

У элемента кремния только одно простое вещество — темно-серый, с металлическим блеском, хрупкий кремний с кристаллической структурой алмаза. Но у кремния нет твердости и прозрачности алмаза. Свойства кремния и следующих за ним 1УА-элсментов приведены в табл. 21.2.

Таблица 21.2

Физические свойства кремния и простых веществ подгруппы германия

Свойство

Вещество

кремний

германий

олово

свинец

Плотность, г/см3

2,329

5,323

5,75 (сер) 7,31 (бел)

11,350

* °г

ЬПЛ' ^

1410

937,4

232

327,5

? °с

'•КИП' ^

3255

2830

2270

1740

Электрическое сопротивление, Ом м (при 273 К)

0,001

0,46

11,0 • ю-8

20,648-Ю"8

Пример 21.1. В структурах алмаза и кремния кратчайшие расстояния между атомами 153 и 233 им соответственно. Рассчитайте плотность кремния, зная плотность алмаза, равную 3,513 г/см3.

Решение. При однотипных структурах плотность вещества р = т/У пропорциональна массе атома Лг и обратно пропорциональна кубу межатомного расстояния б. На основании этих соображений можно написать отношение

Подставляем числовые значения и вычисляем:

Небольшое расхождение с табличным значением (см. табл. 21.2) объясняется ошибками измерений.

Кремний получают из оксида, восстанавливая его углем в электрических печах:

Особо чистый кремний для полупроводников восстанавливают из хлорида кремния натрием:

Для дополнительной очистки кремния применяется зонная плавка.

В лаборатории для получения кремния чистый белый песок смешивают с порошком магния, и смесь поджигают магниевой лентой:

Из полученной смеси оксид магния удаляют действием соляной кислоты. Кремний получается в виде темно-серого порошка. Его называют аморфным кремнием. Кроме кремния при восстановлении образуется примесь силицида магния Л^28к Это вещество разлагается кислотой с выделением силана, аналогичного по составу и строению метану:

При обычной температуре кремний химически малоактивен, но в расплавленном состоянии реагирует как с неметаллами, так и с металлами. При реакции с углем образуется карбид кремния карборунд — очень твердое вещество со структурой алмаза.

При высокой температуре кремний восстанавливает оксиды металлов. При этом с некоторыми металлами избыток кремния образует бинарные соединения — силициды (^28к ГеБь Ге812), а с некоторыми другими — сплавы (Л1, Λg).

С отдельно взятыми концентрированными кислотами кремний не реагирует. Па него действует только смесь азотной и плавиковой кислот:

С раствором щелочи кремний реагирует с выделением водорода. В этой реакции кремний ведет себя подобно амфотерным металлам алюминию и цинку:

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >