Кремний
В состав песка, глины, горных пород входит простой неметалл: кремний. Это хрупкое кристаллическое вещество, которое реагирует с металлами и неметаллами и используется для изготовления стекла.
Электронное строение
Кремний (Si) – занимает 14-ю ячейку в таблице Менделеева. Элемент находится в IV группе, третьем периоде. Следовательно, 14 отрицательно заряженных электронов движутся вокруг положительно заряженного ядра с 14 протонами на трех энергетических уровнях.
Кремний относится к элементам р-семейства. Электронная формула кремния 1s22s22p63s23p2. На внешнем энергетическом уровне находятся четыре электрона: одна пара электронов на уровне 3s и два неспаренных электрона на уровне 3p.
Из-за распределения электронов атом проявляет степень окисления +2. Благодаря свободной 3d-орбитали атом может переходить в возбужденное состояние. Электрон с s-уровня переходит на d-орбиталь. В этом случае атом проявляет степень +4. Однако в реакциях с металлами кремний является окислителем и проявляет степень окисления -4.
Рис. 1. Расположение электронов на энергетических уровнях атома кремния.
Простое вещество в чистом виде встречается редко из-за активности элемента. Распространенный в составе песка — диоксид кремния (SiO2). В зависимости от примесей (железо, марганец, медь) образует кварц, агат, аметист, кремень и другие породы.
Рис. 2. Аметист.
Физическое описание
Кремний – хрупкий химический элемент темно-серого цвета. Он имеет металлический блеск из-за гранецентрированной кубической кристаллической решетки, напоминающей структуру алмаза. Однако кремний, в отличие от алмаза, является менее прочным веществом из-за большей длины связи между атомами.
Основные физические свойства кремния:
- полупроводник;
- температура плавления — 1414°С;
- температура кипения — 3265°С;
- плотность при нормальных условиях – 2,33 г/см3;
- твердость по шкале Мооса – 7.
Кремний выделяют из песка прокаливанием с углеродом или металлами. Например, с алюминием: 3SiO2 + 4Al → 3Si + 2Al2O3.
Химические свойства
Благодаря строению атома кремния он обладает свойствами окислителя и восстановителя. При взаимодействии с металлами кремний принимает электроны, то есть является окислителем. В реакциях с неметаллами кремний отдает электроны и является восстановителем.
Основные химические свойства описаны в таблице.
|
Реакция |
Описание |
Уравнение |
|
С не металлами |
Реагирует при нагревании |
– Si + O2 → SiO2; – Si + C → SiC; – 3Si + 2N2 → Si3N4 |
|
С галогенами |
Он реагирует только с фтором без нагревания. Остальные реакции протекают при повышенных температурах |
– Si + 2F2 → SiF4; – Si + 2Cl2 → SiCl4 |
|
С галогеноводородами |
В нормальных условиях реагирует только с плавиковой кислотой. С другими веществами — при нагревании |
Si + 4HF → SiF4 + 2H2 |
|
С металлами |
Образуются силициды |
2Ca + Si → Ca2Si |
|
С кислотами |
Реагирует только со смесью азотной и плавиковой кислот |
3Si + 4HNO3 + 18HF → 3H2[SiF6] + 4NO + 8H2O |
|
Со щелочами |
Образуются силикаты и водород |
Si + 2NaOH + H2O → Na2SiO3 + H2 |
Применение
Кремний в песке используется для производства стекла и цемента. Силикатная промышленность занимается производством материалов из кремния, производя:
- кирпич;
- плиты;
- посуда;
- фарфор;
- силикатный клей.
В чистом виде кремний используется для производства:
- электронные устройства;
- микросхемы;
- солнечные батареи;
- зеркала
Рис. 3. Использование кремния.