Кремний Si впервые выделен в свободном виде в 1822 году (Берцелиус, Швеция) при восстановлении тетрафторида кремния в помощью калия.

Распространение кремния в природе. Кремний – второй элемент по распространенности в литосфере Земли (16,3% мол.). Находится только в связанном виде в различных горных породах и продуктах их выветривания, в частности в виде оксида и силикатов, из которых на 90% состоит земная кора.

Получение кремния.

1. Прокаливание смеси кварца и кокса или карбида кальция в электрической печи в небольших количествах.
2. Из кремнезема алюмотермическим методом.
3. Очень чистые кристаллы кремния выращивают методом зонной плавки технического кремния.

Свойства кремния. Кремний – имеет темно-серый цвет со слабым металлическим блеском. Твердое хрупкое кристаллическое вещество.

Кремний не реагирует с кислотами и в раствор не переходит; только аморфный кремний, измельченный в очень тонкий порошок, реагирует со фтороводородной кислотой и дает растворимые соединения. Взаимодействует с щелочами в горячем растворе, образуя силикаты и водород:

Si + 4NaOH = Na₄SiO₄ + 2H₂

Si + 2NaOH + H₂O = Na₂SiO₃ + 2H₂

В присутствии порошка меди кремний реагирует с монохлорметаном CH₃Cl (аналогично с монохлорэтаном C₂H₅Cl), переходя в соответствующие диалкилдихлорсиланы:

Si + 2CH₃Cl = (CH₃)₂SiCl₂

Диалкилдихлорсиланы способны частично разлагаться с образованием моноалкилтрихлорсиланов и триалкилмонохлорсиланов, например CH₃SiCl₃, (CH₃)₃SiCl. Эти соединения являются промежуточными продуктами в производстве силиконов.

Применение кремния. Технический кремний используют для получения силиконов; особо чистый кремний – материал в полупроводниковой технике, микроэлектронике и в производстве солнечных батарей. Сплав кремния с железом – ферросилиций – служит добавкой для легирования сталей.

Соединения кремния

Диоксид кремния SiO₂ (кремнезем)

Распространение диоксида кремния в природе. Кристаллический SiO₂ находится в виде минерала кварца, который является основной составной частью гранитов, гнейсов, песчаников и морского песка. Хорошо образованные кристаллы кварца, часто с окрашивающими его примесями, представлены различными минералами: горный хрусталь (белый, прозрачный), дымчатый кварц или раух-топаз (от серого до коричневого), розовый кварц, морион (черный), аметист (фиолетовый), цитрин (желтый).

К разновидности кварца относятся водосодержащие минералы: опал, халцедон (агат, карнеол, яшма) и кремень.

Диоксид кремния входит в осадочную горную породу – кизельгур (диатомит, инфузорная земля), который состоит из опаловых панцирей диатомовых водорослей.

Кристаллы SiO₂ содержатся в некоторых растительных и животных организмах (отдельные злаки, камыш, бамбук, кремнистые губки и водоросли).

Получение диоксида кремния. Большие кристаллы (монокристаллы) кварца искусственно выращивают гидротермальным методом из водных растворов SiO₂ при температуре 300-400*С и давлении 100 – 200 МПа.

Свойства диоксида кремния. Диоксид кремния – белый порошок или белые (часто прозрачные) кристаллы. В зависимости от вида полиморфной модификации (кварц, тридимит, кристобалит) плавится в области 1500*С – 1705*С. Расплавленный кремнезем затвердевает в аморфную стеклообразную массу (кварцевое стекло). Реагирует диоксид кремния только с фтороводородной (плавиковой) кислотой; при недостатке кислоты образуется тетрафторид кремния SiF₄, а при избытке – гексафторосиликат(IV) водорода (гексафторокремниевая кислота) H₂[SiF₆]. С расплавленными щелочами и с карбонатами щелочных элементов при нагревании диоксид кремния образует различные силикаты.

Применение диоксида кремния. Чистый кварцевый песок используется для изготовления прозрачного кварцевого стекла и непрозрачного плавленого кварца. Песок разной степени чистоты идет на производство обычного стекла, растворимого стекла, фарфора, строительных растворов, применяется как формовочная смесь в металлургии, для получения кремния. Горный хрусталь – драгоценный камень в ювелирном деле и материал для изготовления оптических инструментов. Кизельгур служит предохранительным и упаковочным материалом, обладающим хорошей поглотительной способностью. Кристаллы кварца используются в кварцевых часах, в кварцевых резонаторах для получения ультразвука (пьезоэлектрические преобразователи).

Кварцевое стекло по сравнению с обычным стеклом размягчается при более высокой температуре, более устойчиво к большим перепадам температур и к действию различных химических реагентов, прозрачно для УФ-излучения. Кварцевое стекло используется для изготовления специальной химической посуды и различных лабораторных установок, в том числе УФ-ламп.

Силаны – водородные соединения кремния, например моносилан SiH₄, дисилан Si₂H₆. По строению силаны соответствуют аналогичным алканам. Почти все силаны мало устойчивы и самовоспламеняются на воздухе. Низшие силаны – газы, остальные силаны – летучие жидкости.

Силициды – соединения кремния с металлами. Силицид магния Mg₂Si получается при нагревании SiO₂ (кварцевого песка) с порошкообразным магнием; при обработке хлороводородной кислотой дает силаны, которые на воздухе тотчас же воспламеняются.

SiO₂ + 4Mg = 2MgO + Mg₂Si (t < 800*C – сплавление)

Mg₂Si + 4HCl = 2MgCl₂ + SiH₄↑ (реакция с разбавленной соляной кислотой)

SiH₄ + 2O₂ (возд.) = SiO₂ + 2H₂O (выделяющийся моносилан сразу же взрывается на воздухе)

Тетрафторид кремния SiF₄ – бесцветный газ. Образуется при взаимодействии силикатов с фтороводородной кислотой. При избытке фтороводородной кислоты в водном растворе образуются гексафторосиликаты(IV) металлов. Фторосиликаты натрия, калия, кальция и бария очень мало растворимы в воде; их используют для пропитки древесины против огня и гниения, а так-же как замутнители для эмалей. Растворимый в воде гексафторосиликат(IV) аммония применяется для отверждения и уплотнения известьсодержащих строительных материалов, образующийся гексафторосиликат(IV) кальция Ca[SiF₆] закупоривает поры в строительных камнях и кирпичах.

Тетрахлорид кремния SiCl₄ – бесцветная жидкость с температурой кипения 57,6*С. Во влажном воздухе дымит вследствие протекающего полного гидролиза:

SiCl₄ + 2H₂O = SiO₂ + 4HCl

Разлагается в воде с осаждением гидратированного диоксида кремния и в хлороводородной кислоте.

Монокарбид кремния SiC (карборунд) – очень твердые, белые, непрозрачные кристаллы, с температурой плавления более 2600*С. Технический продукт окрашен в серый цвет. Получают сплавлением песка и угля в электрической печи. Применяют как шлифовальное и полировальное средство, а также для изготовления электрических сопротивлений (силитовые стержни).

Силиконы – кремнийорганические полимеры, состоящие из цепей

-Si^+IV-O-Si^+IV-O-

а также более сложных образований (трехмерные сетки); боковые связи атомов кремния насыщены органическими остатками (алкильными и др. группами).

---