Нахождение кремния в природе

Кремний – один из самых распространённых химических элементов земной коры. Его содержание составляет почти 30%. В природе он в основном встречается в виде различных форм диоксида кремния, силикатов и алюмосиликатов.

Почти во всех своих соединениях кремний четырехвалентен. При этом атомы кремния находятся в возбужденном состоянии. Рис. 1.

Рис. 1

Для перехода в такое состояние один из 3s-электронов занимает вакантное место на 3р-орбитали. При этом вместо 2-х неспаренных электронов в основном состоянии, у атома кремния в возбуждённом состоянии будет 4 неспаренных электрона. Он сможет образовывать 4 ковалентные связи по обменному механизму.

Рис. 2

Рис. 3

Атомы кремния не склонны к образованию кратных связей, но образуют соединения с одинарными связями -Si-O-. Кремнию, в отличие от углерода, несвойственна аллотропия.

Одной из аллотропных модификаций является кристаллический кремний, в котором каждый атом кремния находится в sp³-гибридизации. Рис. 2, 3. Кристаллический кремний – это твердое, тугоплавкое и прочное кристаллическое вещество темно-серого цвета с металлическим блеском. При обычных условиях – полупроводник. Иногда в качестве еще одной аллотропной модификации кремния выделяют аморфный кремний. Это темно-коричневый порошок, химически более активный, чем кристаллический кремний. Является ли он аллотропной модификацией – вопрос спорный.

Химические свойства кремния как простого вещества

Химические свойства кремния

1. Взаимодействие с галогенами

Si + 2F₂ → SiF₄

2. При нагревании кремний сгорает в кислороде, образуется оксид кремния (IV).

Si + О₂ → SiО₂

3. При высоких температурах кремний взаимодействует с азотом или углеродом.

3Si + 2N₂ → Si₃N₄

Si + C → SiC

4. С водными растворами кислот кремний не реагирует. Но растворяется в щелочах.

Si + 2NaOH + H₂O → Na₂SiO₃+ 2H₂↑

5. При сплавлении кремния с металлами, образуются силициды.

Si + 2Mg → Mg₂Si

6. Кремний непосредственно с водородом не взаимодействует, но водородные соединения кремния можно получить при взаимодействии силицидов с водой.

Mg₂Si + 4H₂O → 2Mg(OH)₂ + SiH₄↑ (силан)

Силаны по строению подобны алканам, но значительно реакционно способны. Самый стабильный моносилан воспламеняется на воздухе.

SiH₄↑ +2 О₂ → SiО₂ + 2H₂О

Получение кремния

Кремний получают восстановлением из оксида кремния (IV)

SiО₂ + 2Mg → Si + 2MgO

Одна из задач – это получение высокочистого кремния. Для этого технический кремний переводят в тетрахлорид кремния. Получившийся тетрахлорид восстанавливают до силана, а силан разлагается при нагревании на кремний и водород.

Оксиды кремния

Кремний способен образовывать два оксида: SiО₂ – оксид кремния (IV) и SiО – оксид кремния (II).

Рис. 4

SiО – оксид кремния (II) – это аморфное темно-коричневое вещество, которое образуется при взаимодействии кремния с оксидом кремния (IV)

Si + SiO₂ → 2SiO.

Несмотря на стабильность, это вещество почти не используется.

SiО₂ - оксид кремния (IV)

Рис. 5

Рис. 6

На долю этого вещества приходится 12% земной коры. Рис. 4. Он представлен такими минералами, как горный хрусталь, кварц, аметист, цитрин, яшма, халцедон. Рис. 5.

SiО₂ – оксид кремния (IV) – вещество немолекулярного строения.

Его кристаллическая решетка – атомная. Рис. 6. Кристаллы SiО₂ имеют форму тетраэдра, которые связаны между собой атомами кислорода. Более правильной была бы формула молекулы (SiО₂)n. Так как SiО₂ образует вещество атомного строения, а СО₂ – молекулярного строения, то очевидна разница в их свойствах. СО₂ – это газ, а SiО₂ – твердое прозрачное кристаллическое вещество, нерастворимое в воде и тугоплавкое.

Химические свойства SiО₂

1. Оксид кремния (IV) SiО₂ – это кислотный оксид. Он не реагирует с водой. Кремниевую кислоту нельзя получить гидратацией SiО_2. Её соли – силикаты – можно получить при взаимодействии SiО₂ с горячими растворами щелочей.

SiО₂ + 2NaOH Na₂SiO₃ + H₂O

2. Реагирует с карбонатами щелочных и щелочноземельных металлов.

CaCO₃ + SiО₂ CaSiO₃ + CO₂↑

3. Взаимодействует с металлами.

SiО₂ + 2Mg → Si + 2MgO

4. Реакция с плавиковой кислотой.

SiО₂ + 4HF → SiF₄ + 2H₂O

SiF₄ + 2HF →H₂[SiF₆]