Химические свойства. По химическим свойствам кремний, как и углерод, является неметаллом, но его неметалличность выражена слабее

По химическим свойствам кремний, как и углерод, является неметаллом, но его неметалличность выражена слабее, т.к. он имеет больший атомный радиус. Поскольку у атомов кремния на внешнем энергетическом уровне находится 4 электрона, то для кремния характерна степень окисления как -4, так и +4.

Кремний при обычных условиях довольно инертен, что объ­ясняется прочностью его кристаллической решетки. Непосредст­венно он взаимодействует только со фтором:

Si+2F₂=SiF₄

Измельченный кремний при нагревании с кислородом сгора­ет в оксид кремния (IV):

Si+О₂=SiO₂

С хлором кремний реагирует при 400-600°С:

Si+2Сl₂ = SiCl₄

При очень высоких температурах кремний способен непо­средственно соединяться с углеродом и азотом:

Si+С=SiC

3Si+2N₂=Si₃N₄

Карбид кремния SiC (карборунд) имеет алмазоподобную кристаллическую решетку, в которой каждый атом кремния ок­ружен четырьмя атомами углерода и наоборот, а ковалентные связи очень прочны, как в алмазе. Поэтому по твердости он близок

к алмазу. Из карбида кремния изготавливают точильные камни и шлифовальные круги.

Кислоты (кроме смеси фтороводородной HF и азотной HNO₃) на кремний не действуют. Однако он растворяется в щелочах, образуя силикат и водород:

Si+2NaOH+H₂O=Na₂SiO₃+2H₂­

Кремний с некоторыми металлами — Sn, Al, Zn, Pb, Au, Ag — химически не взаимодействует. С другими же металлами, напри­мер с Mg, Ca, Cu, Fe, Pt, Bi, реагирует с образованием силицидов:

2Са+Si=Ca₂Si

Силициды в зависимости от структуры и свойств можно раз­бить на две группы. К первой относятся силициды щелочных и щелочноземельных металлов (Li₄Si, Ca₂Si). Они разлагаются водой и разбавленными кислотами с выделением силанов:

Ca₂Si+4HCl =2СаСl₂+SiH₄­

Наиболее интересна группа металлоподобных силицидов, об­разованных переходными металлами. В структуре этих силици­дов цепи и слои из атомов кремния размещены в кристаллической решетке металла. Это твердые вещества с довольно высокими температурами плавления. Очень важно, что силициды не окис­ляются даже при высоких температурах. Так, силицид молибдена MoSi₂ не изменяется на воздухе вплоть до 1600°С, что позволяет использовать его как нагреватель электрических печей.

Образование силицидных слоев на металлах широко использу­ется для защиты от окисления и коррозии в различных химических реагентах. Многие силициды являются полупроводниками.

Силан SiH₄, выделяющийся при действии на силицид соля­ной кислотой, является ядовитым газом с неприятным запахом. Относится к группе кремневодородов — соединениям кремния с водородом. По строению молекул кремневодороды подобны угле­водородам. При комнатной температуре моносилан SiH₄ и дисилан Si₂H₆ — газообразные вещества, остальные силаны — до пос­леднего известного Si₈H₁₈ — летучие жидкости. Они ядовиты и имеют неприятный запах. Химически менее устойчивы, чем уг­леводороды.

Силаны самовоспламеняются на воздухе:

SiH₄+2O₂=SiO₂+2Н₂O

Вода разлагает силаны:

Si₂H₆+4Н₂O=2SiO₂+7Н₂

Образованием и дальнейшим разложением SiH₄ пользуются для получения чистого кремния в промышленности полупровод­ников.

Применение

Кремний используется в качестве полупроводника. Из него изготавливают так называемые солнечные батареи, превращаю­щие световую энергию в электрическую (питание радиоустановок космических кораблей). Кремний используют в металлургии для получения кремнистых сталей, обладающих высокой жаростой­костью и кислотоупорностью.

Оксид кремния (IV)

Оксид кремния (IV) (кремнезем) — наиболее распространен­ное в земной коре соединение, составляющее в виде различных минералов 12% ее массы. Различают кристаллический и аморф­ный кремнезем.

1) Кристаллический кремнезем — в виде минерала кварца и его разновидностей (горный хрусталь, халцедон, агат, яшма, кре­мень); кварц составляет основу кварцевых песков, широко ис­пользуемых в строительстве и в силикатной промышленности.

2) Аморфный кремнезем — в виде минерала опала состава SiO₂•nН₂О; землистыми формами аморфного кремнезема яв­ляются диатомит, трепел (инфузорная земля); примером ис­кусственного аморфного безводного кремнезема может слу­жить силикагель, который получают из метасиликата натрия:

Na₂SiO₃+2HCl=2NaCl+H₂SiO₃

Силикагель имеет развитую поверхность, поэтому хорошо адсор­бирует влагу.

Кварц — очень твердое, прочное, тугоплавкое вещество, тем­пература плавления 1723°С. При быстром охлаждении расплав­ленной массы образуется кварцевое стекло. Из него изготавлива­ют лабораторную посуду и приборы для научных исследований.

Простейшая формула оксида кремния (IV) — SiO₂. Он крис­таллизуется в атомной решетке. Структуру SiO₂ в плоскостном изображении можно представить так:

Каждый атом кремния заключен в тетраэдр из 4 атомов кис­лорода. При этом атом кремния находится в центре, а по верши­нам тетраэдра расположены атомы кислорода. Весь кусок крем­незема можно рассматривать как кристалл, формула которого (Si0₂)_n. Такое строение оксида кремния (IV) обуславливает его высокую твердость и тугоплавкость.

Химические свойства

В воде SiO₂ практически нерастворим. Как кислотный оксид, реагирует при сплавлении с твердыми щелочами, основными ок­сидами и карбонатами, образуя соли кремниевой кислоты:

SiO₂+2NaOH=Na₂SiO₃+Н₂О

SiO₂+CaO=CaSiO₃

SiO₂+Na₂CO₃=Na₂SiO₃+СO₂

Кислоты не действуют на SiO₂. Лишь фтороводородная кисло­та постепенно растворяет его:

SiO₂+4HF=SiF₄+2Н₂O

Эта реакция лежит в основе травления стекла. Накаливание смеси SiO₂ с углеродом до 2000°С приводит к образованию карбида кремния SiC, называемого карборундом: SiO₂+2С=SiC+2CO

Применение

Оксид кремния (IV) широко применяется в силикатной про­мышленности при производстве стекла, керамики, бетонных из­делий, силикатного кирпича. Чистый кварц незаменим в прибо­ростроении. Кристаллы кварца являются пьезоэлектриками — они могут почти без потерь преобразовывать электрическую энер­гию в механическую. Из мелких кристаллов кварца и из отходов производства пьезоэлектрических пластин получают кварцевое

Таблица 26.

Кремниевые кислоты

стекло. Оно прозрачно не только для видимого света, но и для ультрафиолетового, обладающего целебным действием.