Свойства 14 Si.

Атомная масса	28,086	кларк, ат.% (распространненость в природе)	16,7
Электронная конфигурация*		Агрегатное состояние (н. у.).	твердое вещество
	0,132	Цвет	темно-серый блестящий
	0,034		1423
Энергия ионизации	8,151		2355
Относительная электро- отрицательность	1,74	Плотность	2,3263
Возможные степени окисления	4, +2, +4	Стандартный электродный потенциал

*Приведена конфигурация внешних электронных уровней атома элемента. Конфигурация остальных электронных уровней совпадает с таковой для благородного газа, завершающего предыдущий период и указанного в скобках.

Нахождение в природе. Кремний после кислорода — самый распространенный элемент в земной коре. В отличие от углерода в свободном состоянии кремний в природе не встречается. Наиболее распространенными его соединениями являются оксид кремния (IV) SiO 2 и соли кремниевых кислот — силикаты. Они образуют оболочку земной коры. Соединения кремния содержатся в организмах растений и животных.

Природные силикаты имеют сложный состав и строение. Вот состав некоторых природных силикатов: полевой шпат К 2 О× Аl 2 O 3 × 6SiO 2 , асбест 3MgО× 2SiO 2 × 2H 2 O, cлюда К 2 О× 3Аl 2 O 3× 6SiO 2 × 2H 2 O, каолинит 3Аl 2 O 3 × 2SiO 2 × 2H 2 O.

Силикаты, содержащие в своем составе также оксид алюминия, называются алюмосиликатами. Из названных выше силикатов алюмосиликатами являются полевой шпат, каолинит и слюда. В природе наиболее распространены именно алюмосиликаты, например полевые шпаты. Распространены также смеси различных силикатов. Так, горные породы — граниты и гнейсы — состоят из кристалликов кварца, полевого шпата и слюды.

Основным продуктом разрушения является минерал каолинит — главная составная часть белой глины. В результате выветривания горных пород образовались залежи глины, песка и солей.

Получение. В промышленности кремний получают восстановлением SiO 2 коксом в электрических печах:

В лаборатории в качестве восстановителей используют магний или алюминий:

Наиболее чистый кремний получают восстановлением тетрахлорида кремния парами цинка:

Применение. Кремний используют в качестве полупроводника. Из него изготовляют, 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.

Физические свойства. Кристаллический кремний — вещество темно-серого цвета со стальным блеском. Структура кремния аналогична структуре алмаза. В его кристалле каждый атом окружен тетраэдрически четырьмя другими и связан с ними ковалентной связью, которая значительно слабее, чем между атомами углерода в алмазе. В кристалле кремния даже при обычных условиях часть ковалентных связей разрушается. Поэтому в нем имеются свободные электроны, которые обусловливают небольшую электрическую проводимость. При освещении и нагревании увеличивается число разрушаемых связей, а значит, увеличивается число свободных электронов и возрастает электрическая проводимость. Так следует объяснять полупроводниковые свойства кремния.

Кремний очень хрупок, его плотность 2,33 г/см 3 . Как и уголь, относится к тугоплавким веществам.

Кремний состоит из трех стабильных изотопов: 28 14 Si (92,27%), 29 14 Si (4,68%) и 30 14 S i (3,05%).

Химические свойства. По химическим свойствам кремний, как и углерод, является неметаллом, но его неметалличность выражена слабее, так как 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 (известно соединение кремния, где его степень окисления равна +2).

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

Кислоты (кроме смеси плавиковой HF и азотной HNO 3) на кремний не действуют. Однако он растворяется в гидроксидах щелочных металлов, образуя силикат и водород:

Из двух аллотропных модификаций кремния — кристаллической и аморфной — химически более активным является аморфный кремний. Он реагирует с кислородом при нагревании, образуя SiO 2:

а также со всеми галогенами, например:

При высокой температуре кремний соединяется с углеродом, образуя карборунд 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 изготовляют точильные камни и шлифовальные круги.

Силицид магния. В реакциях с активными металлами, протекающих с образованием силицидов, кремний выступает в роли окислителя:

При высоких температурах кремний восстанавливает многие металлы из их оксидов.

Силан. При действии на силициды соляной кислоты получают простейшее водородное соединение кремния силан SiH 4:

Силан — ядовитый газ с неприятным запахом, самовоспламеняется на воздухе:

Оксид кремния (IV). Оксид кремния (IV) называют также кремнеземом. Это твердое тугоплавкое вещество (температура плавления 1700°С), широко распространенное в природе в двух видах: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 SiO 2× п H 2 O; землистыми формами аморфного кремнезема являются диатомит, трепел (инфузорная земля); примером искусственного аморфного безводного кремнезема может служить силикагель, который получается из метасиликата натрия:

Силикагель имеет развитую поверхность, а поэтому хорошо адсорбирует влагу.

При 1710° кварц плавится. При быстром охлаждении расплавленной массыобразуется кварцевое стекло. Оно имеет очень малый коэффициент расширения, благодаря чему раскаленное кварцевое стекло не трескается при быстром охлаждении водой. Из кварцевого стекла изготовляют лабораторную посуду и приборы для научных исследований.

Простейшая формула оксида кремния (IV) SO 2 аналогична формуле оксида углерода (IV) С O 2 . Между тем физические свойства их резко отличаются (SiO 2 — твердое вещество, CO 2 — газ). Это различие объясняется строением кристаллических решеток. С0 2 кристаллизуется в молекулярной решетке, SiO 2 — в атомной. Структуру SiO 2 в плоскостном изображении можно представить так:

Координационное число атома углерода в твердом СO 2 равно 2, а кремния в SiO 2 равно 4. 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 (SiO 2)n. Такое строение оксида кремния (IV) обусловливает его высокую твердость и тугоплавкость.

По химическим свойствам оксид кремния (IV) SiO 2 относится к кислотным оксидам. При сплавлении его с твердыми щелочами, основными оксидами и карбонатами образуются соли кремниевой кислоты:

С оксидом кремния (IV) взаимодействует только плавиковая кислота:

С помощью этой реакции производится травление стекла.

В воде оксид кремния (IV) не растворяется и с ней химически не взаимодействует. Поэтому кремниевую кислоту получают косвенным путем, действуя кислотой на раствор силиката калия или натрия:

При этом кремниевая кислота(в зависимости от концентрации исходных растворов соли и кислоты) может быть получена как в виде студнеобразной массы, содержащей воду, так и в виде коллоидного раствора (золя).

Кремниевые кислоты. SiO 2 является ангидридом ряда кремниевых кислот, состав которых можно выразить общей формулой xSiO 2 × yH 2 O,где х и у — целые числа:

1) х = 1, у = 1: SiO 2 × H 2 O, т. е. H 2 SiO 3 — метакремниевая кислота;

2) х = 1, у = 2: SiO 2 × 2H 2 O, т. е. H 4 SiO 4 — ортокремниевая кислота;

3) х = 2, у = 1: 2SiO 2 × H 2 O, т. е. H 2 Si 2 O 5 — двуметакремниевая кислота.

Кремниевая кислота построена из тетраэдрических структурных звеньев (в каждом таком звене атом кремния находится в центре тетраэдра, а по вершинам расположены атомы кислорода). Структурные звенья, объединяясь в цепи, образуют более устойчивые поликремниевые кислоты:

Состав такого соединения можно выразить формулой (H 2 SiO 3) n . Однако обычно кремниевую кислоту изображают формулой H 2 SiO 3 . H 2 SiO 3 —кислота очень слабая, в воде мало растворима. При нагревании легко распадается аналогично угольной кислоте:

Все кремниевые кислоты очень слабые (слабее угольной).

Силикаты. Соли всех кремниевых кислот называют силикатами, хотя, как правило, в учебной литературе под силикатами подразумевают соли метакремниевой кислоты. Их состав обычно изображают формулой в виде соединений оксидов элементов. Например, силикат кальция CaSiO 3 можно выразить так: СаО× SiO 2 .

Силикаты состава R 2 О× nSiO 2 , где R 2 O — оксиды натрия или калия, называются растворимым стеклом, а их концентрированные водные растворы — жидким стеклом. Наибольшее значение имеет натриевое растворимое стекло.

При стоянии на воздухе растворы силикатов мутнеют, так как находящийся в воздухе оксид углерода (IV) вытесняет кремниевую кислоту из ее солей:

Кремниевая кислота практически нерастворима в воде — это свойство используют как качественную реакцию на ион SiO 3 2- .

Силикаты получают сплавлением оксида кремния с щелочами или карбонатами:

Применение силикатов. Наиболее широко используются силикаты натрия и калия. Концентрированные растворы этих солей называют жидким стеклом; они имеют сильнощелочную реакцию вследствие гидролиза. Жидкое стекло используют при изготовлении клея и водонепроницаемых тканей. Жидкое стекло применяется в качестве связующего при изготовлении кислотоупорных бетонов, а также для изготовления замазок, конторского клея. Им пропитывают ткани, дерево и бумагу для придания им огнестойкости и водонепроницаемости.

Человечество познало кремний достаточно давно. Что такое кремень? Это минерал, который положил, по сути, начало человеческой цивилизации. О лечебных свойствах кремния имеются упоминания в трактатах древних ученых и философов.

Кремний тогда нашел применение для отделки стен в зданиях, где хранилось мясо и мясопродукты, для вырезания бородавок, для присыпки ран в виде порошка, что позволяло предотвратить гангрену; кремниевыми жерновами производили муку с превосходными вкусовыми и хлебопекарными качествами.

Издревле люди выкладывали внутреннюю поверхность и дно колодцев кремнием, поскольку было замечено, что употребление воды из таких колодцев обеспечивало профилактику соматических и инфекционных заболеваний, а вода оказалась необыкновенно вкусная, прозрачная и целебная. Дело в том, что кремень при соприкосновении с водой изменяет ее свойства.

Лечебные свойства кремния и причины дефицита в организме

Клинические наблюдения современных ученых доказали, что кремний в воде вырабатывает кремниевую кислоту. Дозы этого соединения весьма малы, но вполне достаточные для того, чтобы кремниевая кислота растворяла отложения солей и шлаки, а также выводила их из организма.

Вода под влиянием кремния становится «живой» и обновленной. Биологически активные вещества кремния в нашем организме вместе с белковыми фракциями способствуют образованию гормонов, аминокислот, ферментов; обратите внимание на то, что около 70 видов витаминов и минералов не усваивается, когда в организме не хватает кремния.

_________________________________________________________________________

Причины дефицита кремния

» Недостаточное употребление минеральной воды и клетчатки.

» Избыточное количество алюминия (это обычно бывает у людей, готовивших пищу в алюминиевой посуде).

» Интенсивный рост организма в детском возрасте.

» Повышенные физические и умственные нагрузки каждый день.

Что происходит при нехватке кремния

» Прогрессируют течение .

» В почках, печени и желчном пузыре складывается тенденция к .

» У пациента начинаются , и зубов, ломкость ногтей.

» Возникают болезни глаз: у пожилых людей – дальнозоркость, глаукома и катаракта, у детей – .

» Поражаются все кровеносные сосуды с развитием раннего , повышением .

» Из-за нарушения состояния соединительной ткани возникают пародонтоз, деформирующий и .

Кремний – источник крепкого здоровья

Теперь уже известно, что кремниевая вода повышает защитные силы органума, нормализует обмен веществ, предупреждает возникновение многих заболеваний и способствует их излечению, замедляет старение организма.

При наружном применении кремниевой воды омолаживается кожа, улучшается состояние и рост волос, исчезают морщины, улучшается цвет рук и лица.

Как пить кремниевую воду. Ее можно употреблять без ограничений. Обычно кремниевую воду пьют от одного до трех стаканов комнатной температуры, но пить нужно небольшими глотками. Как отмечено выше, кремний изменяет свойства воды при соприкосновении с ней.

Активированная кремниевая воды оказывает губительное действие на патогенные микроорганизма, снижает рост бактерий, которые способствуют брожению и гниению. При этом вода становится приятной на вкус и идеально чистой, долгое время она не портится, приобретая многие другие лечебные свойства. Кремний вытесняет соли тяжелых и вредных металлов, они осаждаются на дно, а сверху остается чистая вода.

Всем известно насколько нужна вода человеческому организму. В нем около 70% воды и невозможно представить жизнь без нее. Учитывая, что все процессы обмена веществ происходят в присутствии водной среды, можно с уверенностью сказать, что именно вода играет роль проводника большого количества физиологических процессов, без нее невозможна жизнедеятельность клетки и тканей.

Как приготовить кремниевую воду

Настаивать кремний рекомендуется в эмалированной или стеклянной посуде. Лично я готовлю кремниевую воду в домашних условиях в трёхлитровой стеклянной банке. Кладу в баночку камешки кремния, наливаю чистую колодезную воду (если вы живете в городе, лучше перед этим ее профильтровать через обычный домашний фильтр).

Банку ставлю в комнате, где не опадают прямые солнечные лучи и покрываю обычной марлевой салфеткой (куском марли) для обеспечения свободного газообмена. Кремниевую воду, применяемую для приготовления чая, пищи или настоев лекарственных растений, настаиваю два-три дня. При этом следует соблюдать следующие требования:

1. После каждого сливания воды кремний и емкость тщательно промывать проточной водой.
2. Оставшийся на дне осадок нужно вылить в раковину.
3. Настоянную на кремне воду кипятить разрешается, но не сам кремень, потому что вода в таком случае перенасыщается биологически активными веществами. Такую воду применять можно только наружно.
4. Вместе с кремнием воду хранить в холодильнике не рекомендуется.
5. Установлено, что кремниевая вода сохраняет целебные свойства в течение нескольких месяцев.
6. После неоднократного использования (3-5 раз) кремний следует промыть под проточной водой и выставить на свежем воздухе на 2 часа для проветривания.
7. Через какое-то определенное время на поверхности минералов могут появиться налеты или наслоения. В таком случае камешки надо поместить на два часа в подсоленную воду или 2% раствор уксусной кислоты, после чего промыть проточной водой. Далее опустить камни опять на два часа в раствор пищевой соды и снова промыть под краном.
8. Месяцев через 8-12 желательно камешки расколоть, чтобы усилить (обновить) их свойства, но лучше приобрести новые минерал.
9. Настаивание кремния проводится при комнатной температуре.

Будьте здоровы, дорогие мои читатели. Дай вам Бог!

Описание:

Рассмотрим химические свойства кремния. В таблице Менделеева элемент кремний имеет порядковый номер 14. Заряд ядра равен +14, вокруг ядра вращаются 14 электронов. Графическая электронная формула выглядит так (см. рисунок)

В невозбужденном состоянии на внешнем энергетическом уровне у атома Si находятся 2 неспаренных электрона. Значит, по обменному механизму он в этом случае может образовать 2 ковалентные связи, проявляя валентность, равную 2. Но такое значение валентности для кремния в соединениях нехарактерно.

Чаще всего он проявляет валентность, равную четырем, за счет распаривания в возбужденном состоянии электронной пары на 3s-подуровне.

Кремний в соединениях может проявлять и валентность более четырех. Дополнительные ковалентные связи при этом образуются по донорно-акцепторному механизму, причем Si выступает в роли акцептора электронных пар, т.к. имеет на внешнем слое вакантные орбитали 3d-подуровня. Примером такого соединения может служить комплексная кислота Н 2 , в которой валентность кремния равна 6.

Атомы кремния в соединениях могут иметь как положительную, так и отрицательную степень окисления.

Положительную степень окисления они проявляют при образовании связей с более электроотрицательными атомами, чем сами (F, O, Cl, N, S, C, P), выступают в роли восстановителя и отдают с внешнего слоя свои неспаренные электроны. Величина степени окисления при этом равна +2 (в невозбужденном состоянии) или +4 (в возбужденном состоянии). Степень окисления +2 для Si мало характерна, так как такие его соединения неустойчивы, и в момент образования легко превращаются в соединения, где степень окисления Si равна +4.

Отрицательную степень окисления атомы Si проявляют при образовании связей с атомами менее электроотрицательных элементов, чем сами. При этом они выступают в роли окислителя и забирают от других атомов 4 недостающих до завершения своего внешнего слоя электрона. Величина степени окисления в этом случае равна -4.

Кремний является сравнительно инертным веществом и вступает в реакции только при высоких температурах. Исключение составляет F 2 . С ним Si может реагировать уже при обычных условиях:

Si + 2F 2 = SiF 4

C хлором, кислородом и серой кремний реагирует при нагревании:

Si + 2Сl 2 -- SiCl 4

Si + O 2 -- SiO 2

Si + 2S -- SiS 2

При этом могут образовываться и соединения кремния со степенью окисления +2 (SiCl 2 , SiO), но они неустойчивы и в момент образования легко превращаются в SiCl 4 или SiO 2 . При очень высоких температурах Si способен реагировать с N 2 и углеродом.

3 Si + 2N 2 -- Si 3 N 4

Si + C -- SiC - карборунд

Это вещество, имеет атомную кристаллическую решетку, по твёрдости уступает только алмазу, широко используется в технике, где его обычно получают косвенным путем:

SiO 2 + 3C -- SiC + 2CO

При нагревании Si может взаимодействовать только с наиболее активными металлами (щелочными, щелочноземельными). В результате образуются силициды, которые легко разлагаются H 2 O и растворами кислот:

Si + 4Na --SiNa 4 → натрий-силицид

Si + 2Ca --SiCa 2 → кальций-силицид

Na 4 Si + 4H 2 O = 4NaOH + SiH 4

Ca 2 Si + 4H 2 O = 2Ca(OH) 2 + SiH 4

Na 4 Si + 4HCl = 4NaCl + SiH 4

Ca 2 Si + 4HCl = 2CaCl 2 + SiH 4

Соединение кремния с водородом SiH 4 (силан) неустойчиво, его получают косвенным путем из силицидов. Силан горюч и может самовоспламеняться уже на воздухе при обычных условиях:

SiН 4 + 2О 2 = SiO 2 + 2Н 2 О

Кремний (особенно мелкодисперсный) активно растворяется в щелочах и при сильном нагревании взаимодействует с H 2 O:

Si + 2NaOH + H 2 O -- Na 2 SiO 3 + 2H 2

Si + 2H 2 O -- SiO 2 + 2H 2

Кислоты, в том числе и Н 2 SО 4 конц. и HNO 3 конц. на кремний не действуют. Он способен реагировать только с плавиковой кислотой или газообразным фтороводородом:

Si + 4HF -- SiF 4 + 2H 2

В концентрированной плавиковой кислоте может образоваться комплексное соединение:

Si + 6HF = H 2 + 2H 2 гексафторокремниевая кислота

Кремний - второй по распространенности на Земле химический элемент (после кислорода). Он редко встречается в чистом виде - кристаллами, намного чаще его можно видеть в составе различных соединений и минералов - шпат, кремень, кварцевый песок.

Для выделения чистого кремния химики проводят реакцию кварцевого песка с магнием. Также кремний выплавляют при высоких температурах и даже «выращивают». Метод Чохральского позволяет использовать давление, температуру и соединения кремния для получения кристаллов чистого вещества.

Быт

Соединения кремния активно используются в быту и хозяйстве человека, в промышленности. Кварцевый песок используется при получении стекла и цемента. Силикатная промышленность названа так в честь кремния, «второе имя» которого «силициум». Силикаты используются в сельском хозяйстве, при удобрении почвы. Также на основе кремниевых соединений получают силикатный клей.

Радиоэлектроника

Кремний имеет уникальные радиоэлектронные свойства. Чистый кремний является полупроводником. Это значит, что он может проводить ток при определенных условиях, когда зона проводимости мала. Если область проводимости велика, кремний-полупроводник превращается в кремний-изолятор.

Полупроводниковые свойства неметалла кремния привели к созданию транзистора. Транзистор - устройство, позволяющее контролировать напряжение и силу тока. В отличие от линейных проводников, транзисторы из кремния имеют три основных элемента - коллектор, «собирающий» ток, базу и эмиттер, ток усиливающие. Появление транзистора вызвало «электронный бум», привело к созданию первых компьютеров и бытовой техники.

Компьютеры

Успехи кремния в электронике не остались незамеченными в компьютерной технике. Поначалу процессоры хотели делать из «дорогих» типичных полупроводников, например германия . Однако его высокая цена не позволила поставить производство германиевых плат на поток. Тогда смельчаки из IBM решили рискнуть и попробовать в качестве материала для «сердца» компьютерной системы кремний. Результаты не заставили себя ждать.

Кремниевые платы оказались достаточно дешевыми, что было особенно важно в самом начале зарождения компьютерной отрасли, когда было много брака и мало потенциальных покупателей.

Сегодня кремниевые микросхемы доминируют в компьютерной отрасли. Кристаллы чистого кремния для процессоров и контроллеров научились выращивать в фабричных условиях, материал прост в эксплуатации. И главное - кремний позволил удваивать количество элементов на процессоре каждые два года (закон Мура). Таким образом, на кремниевой схеме одного и того же размера становится все больше и больше транзисторов и других логических элементов. Кремний позволил сделать информационные технологии максимально эффективными.