Кремній (Si) – другий основний елемент (А) підгрупи 4 групи Періодичної системи, заснованої Дмитром Івановичем Менделєєвим. Кремній дуже поширений в природі, тому він займає друге (після кисню) місце за поширеністю. Так, без кремнію та його сполук не існувало б Земної кори, яка більш ніж на чверть складається із з’єднань цього хімічного елемента. У чому ж особливості кремнію? Які формули його сполук та їх застосування? Які найважливіші речовини мають у своєму складі кремній? Спробуємо розібратися.
Елемент кремній та його властивості
Кремній існує в природі в кількох аллотропних модифікаціях – найбільш поширеними є кремній в кристалічному вигляді і аморфний кремній. Розглянемо кожну з даних модифікацій окремо.
Кристалічний кремній
Кремній у даній модифікації є темно-сірим досить твердим і крихким речовиною зі сталевим блиском. Такий кремній є напівпровідником; його корисна властивість полягає в тому, що, на відміну від металів, його електропровідність збільшується при підвищенні температури. Температура плавлення такого кремнію становить 1415 °С. До того ж, кристалічний кремній не здатний розчинятися у воді і різних кислотах.
Застосування кремнію та його сполук у кристалічній модифікації неймовірно різноманітне. Наприклад, кристалічний кремній входить до складу сонячних батарей, встановлених на космічних кораблях і дахах будинків. Кремній є напівпровідником і здатний перетворювати сонячну енергію в електричну.
Окрім сонячних батарей, кристалічний кремній використовується для створення багатьох електронних приладів і кременистих сталей.
Аморфний кремній
Аморфний кремній – бурий/темно-коричневий порошок алмазоподобной структури. На відміну від кристалічного кремнію, дана аллотропная модифікація елемента не має строго впорядкованої кристалічної решітки. Незважаючи на те, що аморфний кремній плавиться при температурі, приблизно дорівнює 1400 °С, він є набагато більш активним порівняно з кристалічним. Аморфний кремній не проводить струм і має щільність близько 2 г/см3.
Такий кремній найчастіше застосовується в харчовій промисловості і при виготовленні лікарських препаратів.
Хімічні властивості кремнію
- Основна хімічна властивість кремнію – горіння в кисні, в результаті якого утворюється вкрай поширене з’єднання – оксид кремнію:
Si + O2 → SiO2 (при температурі).
- При нагріванні кремній як металоїд утворює сполуки з різними металами. Такі з’єднання називаються силицидами. Наприклад:
2Ca + Si → Ca2Si (при температурі).
- Силіциди, в свою чергу, легко розкладаються за допомогою води або деяких кислот. В результаті даної реакції утвориться особлива водневе з’єднання кремнію – газ силану (SiH4):
Mg2Si + 4HCl → 2MgCl2 + SiH4↑.
- Кремній також здатний взаємодіяти з фтором (при нормальних умовах):
Si + 2F2 → Sif 4.
- А при нагріванні кремній взаємодіє з іншими неметалами:
Si + 2Cl2 → SiCl4 (400-600°).
3Si + 2N2 → Si3N4 (1000°).
Si + C → SiC (2000°).
- Також кремній, взаємодіючи з лугами і водою, утворює солі, звані силікатами, і газ водень:
Si + 2KOH + H2O → K2SiO3 + H2.
Однак більшість хімічних властивостей даного елемента ми розберемо, розглядаючи кремній та його сполуки, так як саме вони є основними речовинами, на яких ґрунтується застосування і взаємодія кремнію з іншими хімічними елементами. Отже, які ж сполуки кремнію є найбільш поширеними?
Сполуки кремнію
Раніше ми з’ясували, яким елементом є кремній і якими властивостями він володіє. Тепер розглянемо формули сполук кремнію.
За участю кремнію утворюється величезна кількість різних сполук. Перше місце за поширеністю займають кисневі сполуки кремнію. До даного розряду відноситься SiO2 і нерозчинна кремнієва кислота.
Кислотний залишок кремнієвої кислоти утворює різні силікати (наприклад, CaSiO3 або Al2O3•SiO2). У таких солях і представлених вище з’єднаннях кремнію з киснем елемент має типову для нього ступінь окислення +4.
Також досить поширені солі кремнію – силіциди (Mg2Si, NaSi, Cosі) і сполуки кремнію з воднем (наприклад, газ силан). Силан, як відомо, самозаймається на повітрі з виникненням сліпучого спалаху, а силіциди легко розкладаються як за допомогою води, так і різних кислот.
Розглянемо детальніше кремній та його сполуки, що вважаються найпоширенішими.
Діоксид кремнію
Інша назва даного оксиду – кремнезем. Це тверде і тугоплавке речовина, яка не розчиняється в воді і кислотах і має атомну кристалічну решітку. У природі оксид кремнію утворює такі мінерали і дорогоцінні камені, як кварц, аметист, опал, агат, халцедон, яшма, кремінь і деякі інші.
Варто відзначити, що саме з кремнію первісні люди виготовляли свої знаряддя праці і полювання. Кремень поклав початок так званому кам’яного віку завдяки його повсюдної доступності і здатності утворювати гострі ріжучі краї при сколе.
Саме оксид кремнію робить міцними стебла таких рослин, як очерети, очерети і хвощі, листя осоки і стебла злаків. В захисних зовнішніх покривах деяких тварин також міститься кремнезем.
До того ж, він лежить в основі силікатного клею, завдяки якому створюється силіконовий герметик і силіконовий каучук.
Хімічні властивості оксиду кремнію
Діоксид кремнію взаємодіє з величезною кількістю хімічних елементів – як металів, так і неметалів. Наприклад:
- При високих температурах кремнезем взаємодіє з лугами, утворюючи при цьому солі:
SiO2 + 2KOH → K2SiO3 + H2O (при температурі).
- Як типовий кислотний оксид, дане з’єднання дає силікати в результаті взаємодії з оксидами різних металів:
SiO2 + CaO → CaSiO3 (при температурі).
- Або з карбонатними солями:
SiO2 + K2CO3 → K2SiO3 + CO2↑ (при температурі).
- Одне з найважливіших хімічних властивостей діоксиду кремнію – це можливість отримання з нього чистого кремнію. Це можна здійснити двома способами – при взаємодії діоксиду з магнієм або вуглецем:
SiO2 + 2Mg → 2MgO + Si (при температурі).
SiO2 + 2C → Si + 2CO↑ (при температурі)
Кремнієва кислота
Кремнієва кислота є дуже слабкою. Вона нерозчинна у воді і при реакціях утворює драглистий осад, який іноді здатний заповнити весь об’єм розчину. Коли ця суміш висихає, можна побачити, що утворився, силікагель, який застосовується як адсорбент (поглинач інших речовин).
Найбільш доступний і поширений спосіб отримання кремнієвої кислоти можна виразити за допомогою формули:
K2SiO3 + 2HCl → 2KCl + H2SiO3↓.
Силіциди
Розглядаючи кремній та його сполуки, дуже важливо сказати про таких його солях, як силіциди. Такі з’єднання кремній утворює з металами, набуваючи, як правило, при цьому ступінь окислення -4. Однак такі метали як ртуть, цинк, берилій, золото і срібло не здатні взаємодіяти з кремнієм і утворювати силіциди.
Найбільш поширеними силицидами є Mg2Si, Ca2Si, NaSi і деякі інші.
Силікати
Такі з’єднання, як силікати займають друге місце за поширеністю після діоксиду кремнію. Солі-силікати вважаються досить складними речовинами, так як мають непросту структуру будови, а також вони входять до складу більшості мінералів і гірських порід.
До найбільш поширеним в природі силікатів – алюмосиликатам – відносять граніт, слюди, різні види глин. Також відомим силікатом є азбест, з якого виготовляються вогнестійкі тканини.
Застосування кремнію
В першу чергу, кремній застосовується для отримання матеріалів-напівпровідників і кислототривких сплавів. Карбід кремнію (SiC) часто використовують для заточування різців верстатів та шліфування цінних каменів.
З розплавленого кварцу виготовляється стійку і міцну кварцову посуд.
Сполуки кремнію лежать в основі виробництва скла і цементу.
Скла відрізняються один від одного за складом, в якому обов’язково присутні кремній. Наприклад, крім віконних, існують тугоплавкі, кришталеві, кварцові, кольорові, фотохромні, оптичні, дзеркальні та інші скла.
При змішуванні цементу з водою утворюється особлива речовина – цементний розчин, з якого згодом отримують такий будівельний матеріал, як бетон.
Виробництвом цих речовин займається силікатна промисловість. Крім скла і цементу, силікатної промисловості отримують цегла, фарфор, фаянс і різні вироби з них.
Висновок
Отже, ми з’ясували, що кремній є найважливішим хімічним елементом, широко поширеним в природі. Кремній застосовується при будівництві та художньої діяльності, а також незамінний для живих організмів. Багато речовини, починаючи від простого скла і закінчуючи найціннішим фарфором, мають у своєму складі кремній та його сполуки.
Вивчення хімії дозволяє пізнати навколишній світ і зрозуміти, що не всі навколо, навіть самий чудовий і дорогий, настільки таємниче і загадково, як могло здатися. Бажаємо успіхів у науковому пізнанні та вивченні такої прекрасної науки, як хімія!
