Кремний (Silicium)
Ат. вес 28,09. Кремний занимает место в четвертой группе периодической системы непосредственно под углеродом и является полным аналогом последнего. Подобно углероду, кремний может как отдавать, так и присоединять электроны; но его способность к присоединению электронов, а следовательно, и металлоидные свойства выражены несколько слабее, чем у углерода. Наиболее типичны для кремния те соединения, в которых он положительно четырехвалентен.
Кремний в природе. Получение и свойства кремния. Кремний — один из самых распространенных в природе элементов. Он составляет 26% (по весу) доступной нашему исследованию части земной оболочки, занимая по распространенности второе место среди всех элементов.
В природе кремний встречается только в соединениях: в виде окисла SiO2, называемого кремневым ангидридом или кремнеземом, и в виде солей кремневой кислоты или силикатов. Наиболее широко распространены в природе алюмосиликаты, т. е. силикаты, в состав которых входит алюминий. К ним относятся полевые шпаты, слюды, каолин и др.
Как углерод, входя в состав всех органических веществ, является важнейшим элементом растительного и животного царства, так и кремний является главным элементом в царстве применяется главным образом в различных сплавах. Железо, содержащее 4% кремния, отличается большой магнитной проницаемостью и применяется для изготовления электрических трансформаторов. Богатые кремнием сплавы железа являются превосходным кислотоупорным материалом. Добавление кремния к некоторым алюминиевым и медным сплавам улучшает их свойства. Кремний применяется также для получения некоторых металлов путем восстановления их окислов.
В последнее время кремний, наряду с германием, стали широко применять в радиотехнической и электротехнической промышленности для изготовления полупроводниковых приборов.
В промышленности кремний получают путем восстановления двуокиси кремния SiО2 углем в электрических печах:
SiО2 + 2C = Si + 2CO
Полученный по этому способу кремний всегда содержит некоторое количество примесей. Значительно более чистый кремний образуется при восстановлении двуокиси кремния алюминием или при восстановлении четыреххлористого кремния SiCl4 цинком. Весьма чистый кремний можно получить разложением четыреххлористого кремния на раскаленной танталовой ленте.
В химическом отношении кремний, особенно кристаллический, малоактивен; при обыкновенной температуре он непосредственно соединяется только с фтором. При нагревании аморфный кремний легко соединяется с кислородом, галогенами и серой.
Кислоты не действуют на кремний, но щелочи энергично реагируют с ним, выделяя водород и образуя соли кремневой кислоты:
Si + 2КОН + Н2O = K2SiO3 + 2Н2
В присутствии следов щелочи, играющей роль катализатора, кремний вытесняет водород также и из воды. Эту реакцию можно представить протекающей в две стадии.
1. Щелочь растворяет кремний:
Si+2KOH + H2O = K2SiO3 + 2H3
2. Образовавшаяся соль малодиссоциированной кремневой кислоты подвергается гидролизу:
K2SiO3 + 2Н2O ⇄ H2SiO3 + 2КОН
Полученная в результате гидролиза щелочь взаимодействует с новыми порциями кремния. Кремний хорошо растворим в смеси фтористоводородной и азотной кислот.
Если накаливать смесь песка и кокса, взятых в определенном соотношении, в электрической печи, то получается соединение кремния с углеродом — карбид кремния SiC, носящее название карборунд:
SiO2 + 3C = SiC + 2CO
Чистый карборунд — бесцветное кристаллическое вещество (уд. вес 3,2), по твердости только несколько уступающее алмазу. Технический продукт обычно окрашен примесями в темносерый цвет.
По своему внутреннему строению карборунд является как бы алмазом, е котором половина атомов углерода равномерно заменена атомами кремния. Каждый атом углерода находится в центре тетраэдра, в вершинах которого расположены атомы кремния; в свою очередь каждый атом кремния окружен подобным же образом четырьмя атомами углерода. Ковалентные связи, соединяющие все атомы в этой структуре, как и в алмазе, очень прочны. Этим объясняется большая твердость карборунда.
Карборунд получается в настоящее время в больших количествах и применяется для изготовления шлифовальных кругов и точильных камней, а также в качестве огнеупорного материала.
При высокой температуре кремний вступает в соединение со многими металлами, образуя так называемые силициды. Например, при нагревании SiO2 с избытком металлического магния восстанавливающийся кремний соединяется с магнием и получается силицид магния Mg2Si:
4Mg + SiO2 = Mg2Si + 2MgO
Вы читаете, статья на тему Кремний (Silicium)