Описание и свойства на силиция

Силиций - елемент, четвърта група, трети период в таблицата на елементите. Атомен номер 14. Силициева формула- 3s2 3p2. Дефиниран е като елемент през 1811 г., а през 1834 г. получава руското име "силиций", вместо предишното "сицилия". Топи се при 1414º C, кипи при 2349º C.

Той прилича на молекулярната структура, но е по-нисък от нея по твърдост. Доста крехък, при нагряване (поне 800º C) става пластичен. Полупрозрачен с инфрачервено лъчение. Монокристалният силиций има полупроводникови свойства. Според някои характеристики силициев атомподобно на атомната структура на въглерода. Силициеви електрониимат същото валентно число като при въглеродната структура.

работници свойства на силициязависят от съдържанието на определено съдържание в него. Силицият има различни видове проводимост. По-специално, това са типовете „дупки“ и „електронни“. За да се получи първият, към силиций се добавя бор. Ако добавите фосфор, силицийпридобива втория тип проводимост. Ако силицийът се нагрява заедно с други метали, се образуват специфични съединения, наречени „силициди“, например при реакцията „ магнезиев силиций«.

Силицият, използван за нуждите на електрониката, се оценява предимно по характеристиките на горните му слоеве. Ето защо е необходимо да се обърне специално внимание на тяхното качество, тъй като то пряко влияе върху цялостното представяне. От тях зависи работата на произведеното устройство. За да се получат най-приемливите характеристики на горните слоеве силиций, те се третират с различни химични методи или се облъчват.

Съединение "сяра-силиций"образува силициев сулфид, който лесно взаимодейства с вода и кислород. При реакция с кислород, при температурни условия над 400º C, се оказва силициев диоксид.При същата температура стават възможни реакции с хлор и йод, както и бром, по време на които се образуват летливи вещества - тетрахалогениди.

Няма да е възможно да се комбинират силиций и водород чрез директен контакт; за това има индиректни методи. При 1000º C е възможна реакция с азот и бор, което води до силициев нитрид и борид. При същата температура, чрез комбиниране на силиций с въглерод, е възможно да се произведе силициев карбид, така нареченият „карборунд“. Този състав има солидна структура, химическата активност е бавна. Използва се като абразив.

Във връзка с желязо, силицийобразува специална смес, което позволява топенето на тези елементи, което произвежда феросиликонова керамика. Освен това точката му на топене е много по-ниска, отколкото ако се стопят отделно. При температури над 1200º C образуването на силициев оксид, също при определени условия се оказва силициев хидроксид. При ецване на силиций се използват алкални разтвори на водна основа. Температурата им трябва да бъде поне 60ºC.

Силициеви находища и добив

Елементът е вторият най-разпространен на планетата вещество. Силицийсъставлява почти една трета от обема на земната кора. Само кислородът е по-често срещан. Той се изразява предимно от силициев диоксид, съединение, което основно съдържа силициев диоксид. Основните производни на силициевия диоксид са кремък, различни пясъци, кварц и поле. След тях идват силикатните съединения на силиция. Родността е рядко срещано явление за силиция.

Силиконови приложения

Силиций, химични свойствакоето определя обхвата на неговото приложение, се разделя на няколко вида. По-малко чистият силиций се използва за металургични нужди: например за добавки в алуминий, силицийактивно променя свойствата си, дезоксиданти и др. Той активно променя свойствата на металите, като ги добавя към съединение. Силицийги сплавява, променяйки работните характеристики, силицийМного малко количество е достатъчно.

Също така от суров силиций се произвеждат по-висококачествени производни, по-специално моно и поликристален силиций, както и органичен силиций - това са силикони и различни органични масла. Намира приложение и в производството на цимент и стъкларската промишленост. Той не заобиколи производството на тухли, фабриките за производство на порцелан също не могат без него.

Силицият е част от добре познатото силикатно лепило, което се използва за ремонтни работи, а преди това се използваше за офис нужди, докато не се появиха по-практични заместители. Някои пиротехнически продукти също съдържат силиций. Водородът може да се произвежда от него и неговите железни сплави на открито.

За какво се използва по-добро качество? силиций? ПлочиСлънчевите батерии също съдържат силиций, естествено нетехнически. За тези нужди е необходим силиций с идеална чистота или поне технически силиций с най-висока степен на чистота.

Т.нар "електронен силиций"който съдържа почти 100% силиций, има много по-добра производителност. Поради това е предпочитан при производството на свръхпрецизни електронни устройства и сложни микросхеми. Производството им изисква висококачествена продукция верига, силиконза които трябва да отива само най-високата категория. Работата на тези устройства зависи от това колко съдържа силицийнежелани примеси.

Силицият заема важно място в природата и повечето живи същества постоянно се нуждаят от него. За тях това е един вид градивен състав, защото е изключително важен за здравето на опорно-двигателния апарат. Всеки ден човек усвоява до 1гр силициеви съединения.

Може ли силицият да бъде вреден?

Да, поради причината, че силициевият диоксид е изключително предразположен към образуване на прах. Той има дразнещ ефект върху лигавиците на тялото и може активно да се натрупва в белите дробове, причинявайки силикоза. За тази цел в производството, свързано с обработката на силициеви елементи, използването на респиратори е задължително. Тяхното присъствие е особено важно, когато става дума за силициев оксид.

Цена на силиций

Както знаете, всички съвременни електронни технологии, от телекомуникациите до компютърните технологии, се основават на използването на силиций, използвайки неговите полупроводникови свойства. Другите му аналози се използват в много по-малка степен. Уникалните свойства на силиция и неговите производни все още са ненадминати за много години напред. Въпреки спада на цените през 2001г силиций, продажбибързо се върна към нормалното. И още през 2003 г. търговският оборот възлиза на 24 хиляди тона годишно.

За най-новите технологии, които изискват почти кристална чистота на силиция, неговите технически аналози не са подходящи. И поради сложната си система за почистване, цената се увеличава значително. Поликристалният тип силиций е по-често срещан, неговият монокристален прототип е малко по-малко търсен. В същото време делът на силиция, използван за полупроводници, заема лъвския дял от търговския оборот.

Цените на продуктите варират в зависимост от чистотата и предназначението силиций, купикоято може да започне от 10 цента на кг сурови суровини и до $10 и повече за „електронен“ силиций.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Силиций- четиринадесетият елемент от периодичната таблица. Обозначение - Si от латинското "силиций". Намира се в трети период, група IVA. Отнася се за неметали. Ядреният заряд е 14.

Силицият е един от най-често срещаните елементи в земната кора. Той представлява 27% (тегл.) от частта от земната кора, достъпна за нашето изследване, като се нарежда на второ място по изобилие след кислорода. В природата силицият се среща само в съединения: под формата на силициев диоксид SiO 2, наречен силициев анхидрид или силициев диоксид, под формата на соли на силициеви киселини (силикати). Най-разпространени в природата са алумосиликатите, т.е. силикати, съдържащи алуминий. Те включват фелдшпати, слюда, каолин и др.

Подобно на въглерода, който е част от всички органични вещества, силицият е най-важният елемент на растителното и животинското царство.

При нормални условия силицият е тъмносиво вещество (фиг. 1). Прилича на метал. Огнеупорен - точката на топене е 1415 o C. Характеризира се с висока твърдост.

Ориз. 1. Силиций. Външен вид.

Атомна и молекулна маса на силиций

Относителната молекулна маса на дадено вещество (M r) е число, показващо колко пъти масата на дадена молекула е по-голяма от 1/12 масата на въглероден атом, а относителната атомна маса на елемент (A r) е колко пъти средната маса на атомите на даден химичен елемент е по-голяма от 1/12 маса на въглероден атом.

Тъй като в свободно състояние силицийът съществува под формата на моноатомни Si молекули, стойностите на неговите атомни и молекулни маси съвпадат. Те са равни на 28,084.

Алотропия и алотропни модификации на силиций

Силицият може да съществува под формата на две алотропни модификации: подобна на диамант (кубична) (стабилна) и подобна на графит (нестабилна). Диамантеноподобният силиций е в твърдо агрегатно състояние, а графитоподобният силиций е в аморфно състояние. Те също се различават по външен вид и химическа активност.

Кристалният силиций е тъмно сиво вещество с метален блясък, а аморфният силиций е кафяв прах. Втората модификация е по-реактивна от първата.

Изотопи на силиций

Известно е, че в природата силицият се среща под формата на три стабилни изотопа 28 Si, 29 Si и 30 Si. Техните масови числа са съответно 28, 29 и 30. Ядрото на атома на силициевия изотоп 28 Si съдържа четиринадесет протона и четиринадесет неутрона, а изотопите 29 Si и 30 Si съдържат същия брой протони, съответно петнадесет и шестнадесет неутрона.

Съществуват изкуствени изотопи на силиция с масови числа от 22 до 44, сред които най-дълголетният е 32 Si с период на полуразпад 170 години.

Силициеви йони

На външното енергийно ниво на силициевия атом има четири електрона, които са валентни:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 .

В резултат на химично взаимодействие силицият може да отдаде своите валентни електрони, т.е. да бъде техен донор и да се превърне в положително зареден йон, или да приеме електрони от друг атом, т.е. е акцептор и се превръща в отрицателно зареден йон:

Si 0 -4e → Si 4+ ;

Si 0 +4e → Si 4- .

Молекула и атом на силиций

В свободно състояние силицийът съществува под формата на едноатомни Si молекули. Ето някои свойства, характеризиращи атома и молекулата на силиция:

Силициеви сплави

Силицият се използва в металургията. Той служи като компонент на много сплави. Най-важните от тях са сплавите на базата на желязо, мед и алуминий.

Примери за решаване на проблеми

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

Обърнете внимание на полуметалния силиций!

Силициевият метал е сив и лъскав полупроводников метал, който се използва за производството на стомана, слънчеви панели и микрочипове.

Силицият е вторият най-разпространен елемент в земната кора (след само кислорода) и осмият най-разпространен елемент във Вселената. Всъщност почти 30 процента от теглото на земната кора може да се припише на силиций.

Елементът с атомен номер 14 се среща естествено в силикатни минерали, включително силициев диоксид, фелдшпат и слюда, които са основните компоненти на обикновени скали като кварц и пясъчник.

Полуметалният (или металоиден) силиций има някои свойства както на метали, така и на неметали.

Подобно на водата, но за разлика от повечето метали, силицият е уловен в течно състояние и се разширява, докато се втвърдява. Той има относително високи точки на топене и кипене и когато кристализира, образува кристална диамантена кристална структура.

От решаващо значение за ролята на силиция като полупроводник и използването му в електрониката е атомната структура на елемента, която включва четири валентни електрона, които позволяват на силиция лесно да се свързва с други елементи.

На шведския химик Джоунс Якоб Берсерлиус се приписва първият изолационен силиций през 1823 г. Berzerlius постигна това чрез нагряване на метален калий (който беше изолиран едва десет години по-рано) в тигел заедно с калиев флуоросиликат.

Резултатът беше аморфен силиций.

Получаването на кристален силиций обаче отне повече време. Електролитна проба от кристален силиций няма да бъде произведена още три десетилетия.

Първата търговска употреба на силиция беше под формата на феросилиций.

След модернизацията на стоманодобивната промишленост от Хенри Бесемер в средата на 19-ти век има голям интерес към металургичната металургия и изследванията в технологията на стоманата.

По времето, когато феросилицийът е произведен за първи път в търговската мрежа през 1880 г., стойността на силиция за подобряване на пластичността на чугуна и деоксидиращата стомана е доста добре разбрана.

Ранното производство на феросилиций се извършва в доменни пещи чрез редуциране на съдържащи силиций руди с въглен, което води до сребърен чугун, феросилиций със съдържание на силиций до 20 процента.

Развитието на електродъговите пещи в началото на 20-ти век позволи не само увеличаване на производството на стомана, но и увеличаване на производството на феросилиций.

През 1903 г. група, специализирана в създаването на феросплави (Compagnie Generate d'Electrochimie), започва дейност в Германия, Франция и Австрия, а през 1907 г. е основан първият комерсиален завод за силиций в Съединените щати.

Производството на стомана не е единственото приложение на силициевите съединения, които са били комерсиализирани до края на 19 век.

За да произведе изкуствени диаманти през 1890 г., Едуард Гудрич Ачесън нагрява алуминосиликат с прахообразен кокс и случайно произвежда силициев карбид (SiC).

Три години по-късно Ачесън патентова производствения си метод и основава компанията Carborundum за производство и продажба на абразивни продукти.

До началото на 20-ти век проводимите свойства на силициевия карбид също са били осъзнати и съединението е използвано като детектор в ранните морски радиостанции. Патент за силициеви кристални детектори е предоставен на G. W. Pickard през 1906 г.

През 1907 г. е създаден първият диод, излъчващ светлина (LED), чрез прилагане на напрежение към кристал от силициев карбид.

През 30-те години на миналия век употребата на силиций нараства с разработването на нови химически продукти, включително силани и силикони.

Растежът на електрониката през последния век също е неразривно свързан със силиция и неговите уникални свойства.

Докато създаването на първите транзистори – предшествениците на съвременните микрочипове – през 40-те години на миналия век разчиташе на германий, не след дълго силицийът измести своя метален братовчед като по-издръжлив материал за полупроводников субстрат.

Bell Labs и Texas Instruments започват търговско производство на силициеви транзистори през 1954 г.
Първите силициеви интегрални схеми са направени през 1960 г., а през 1970 г. са разработени силициеви процесори.

Като се има предвид, че силициевата полупроводникова технология е в основата на съвременната електроника и компютри, не е изненадващо, че наричаме центъра на тази индустрия „Силиконовата долина“.

(За по-задълбочен поглед върху историята и развитието на технологията и микрочиповете от Силициевата долина, силно препоръчвам документалния филм на American Experience, наречен „Силиконовата долина“).

Малко след откриването на първите транзистори работата на Bell Labs със силиций доведе до втори голям пробив през 1954 г.: първата силициева фотоволтаична (слънчева) клетка.

Преди това мисълта за овладяване на слънчевата енергия за създаване на енергия на земята се смяташе за невъзможна от повечето. Но само четири години по-късно, през 1958 г., първият сателит със силициеви слънчеви панели обикаля около Земята.

До 70-те години на миналия век комерсиалните приложения на слънчевата технология се разраснаха до наземни приложения, като захранване на светлини на офшорни петролни платформи и железопътни прелези.

През последните две десетилетия използването на слънчева енергия нарасна експоненциално. Днес силициевите фотоволтаични технологии представляват около 90 процента от световния пазар на слънчева енергия.

производство

По-голямата част от рафинирания силиций всяка година - около 80 процента - се произвежда като феросилиций за използване в производството на желязо и стомана. Феросилицийът може да съдържа от 15 до 90% силиций в зависимост от изискванията на топилната.

Сплавта от желязо и силиций се произвежда с помощта на потопяема електродъгова пещ чрез редукционно топене. Смляната руда от силикагел и източник на въглерод като коксуващи се въглища (металургични въглища) се раздробяват и зареждат в пещта заедно с металния скрап.

При температури над 1900 °C (3450 °F), въглеродът реагира с кислорода, присъстващ в рудата, за да образува газ въглероден окис. Междувременно останалите желязо и силиций се комбинират, за да се получи разтопен феросилиций, който може да бъде събран чрез потупване в основата на пещта.

След като се охлади и втвърди, феросилиций може да бъде транспортиран и използван директно в производството на желязо и стомана.

Същият метод, без включване на желязо, се използва за получаване на силиций от металургичен клас, който е с повече от 99 процента чистота. Металургичният силиций се използва и в производството на стомана, както и в производството на алуминиеви лети сплави и силанови химикали.

Металургичният силиций се класифицира според нивата на примеси на желязо, алуминий и калций, присъстващи в сплавта. Например силициевият метал 553 съдържа по-малко от 0,5 процента желязо и алуминий и по-малко от 0,3 процента калций.

Светът произвежда около 8 милиона метрични тона феросилиций всяка година, като Китай представлява около 70 процента от това количество. Основните производители включват Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Group OM Materials и Elkem.

Други 2,6 милиона метрични тона металургичен силиций - или около 20 процента от общия рафиниран силициев метал - се произвеждат годишно. Китай, отново, представлява около 80 процента от това производство.

Това, което е изненадващо за мнозина, е, че слънчевите и електронните видове силиций представляват само малко количество (по-малко от два процента) от цялото производство на рафиниран силиций.

За надграждане до слънчев клас силициев метал (полисилиций), чистотата трябва да се увеличи до 99,9999% чист чист силиций (6N). Това се прави по един от трите начина, като най-често срещаният е процесът на Siemens.

Процесът на Siemens включва химическо отлагане на пари на летлив газ, известен като трихлорсилан. При 1150 °C (2102 °F), трихлоросиланът се издухва върху силиконов зародиш с висока чистота, монтиран в края на пръта. Докато преминава през него, високочистият силиций от газа се отлага върху семената.

Реактор с кипящ слой (FBR) и модернизирана технология за силиций от металургичен клас (UMG) също се използват за надграждане на метала до полисилиций, подходящ за фотоволтаичната индустрия.

През 2013 г. са произведени 230 000 метрични тона полисилиций. Сред водещите производители са GCL Poly, Wacker-Chemie и OCI.

И накрая, за да се направи силиций от клас електроника, подходящ за полупроводниковата индустрия и някои фотоволтаични технологии, полисилицийът трябва да бъде преобразуван в ултра-чист монокристален силиций чрез процеса на Чохралски.

За да направите това, полисилиций се разтопява в тигел при 1425 °C (2597 °F) в инертна атмосфера. Депозираният зародишен кристал след това се потапя в разтопения метал и бавно се завърта и отстранява, като се оставя време на силиция да расте върху зародишния материал.

Полученият продукт е пръчка (или буле) от монокристален силициев метал, който може да бъде до 99,999999999 (11N) процента чистота. Тази пръчка може да бъде легирана с бор или фосфор, ако е необходимо, за да се модифицират квантово-механичните свойства според нуждите.

Монокристалната пръчка може да бъде доставена на клиентите такава, каквато е, или нарязана на вафли и полирана или текстурирана за конкретни потребители.

Приложение

Докато приблизително 10 милиона метрични тона феросилиций и силициев метал се рафинират всяка година, по-голямата част от предлагания на пазара силиций всъщност са силициеви минерали, които се използват за производството на всичко - от цимент, строителни разтвори и керамика до стъкло и полимери.

Феросилиций, както беше отбелязано, е най-често използваната форма на метален силиций. От първата си употреба преди около 150 години, феросилицийът остава важен деоксидиращ агент в производството на въглеродна и неръждаема стомана. Днес производството на стомана остава най-големият потребител на феросилиций.

Въпреки това, феросилицийът има редица предимства извън производството на стомана. Това е предварителна сплав при производството на феросилициев магнезий, нодулатор, използван за производството на ковък чугун, а също и по време на процеса Pidgeon за рафиниране на магнезий с висока чистота.

Феросилиций може също да се използва за производство на термични и устойчиви на корозия железни сплави, както и силициева стомана, която се използва в производството на електродвигатели и сърцевини на трансформатори.

Металургичният силиций може да се използва в производството на стомана, а също и като легиращ агент при леене на алуминий. Алуминиево-силициевите (Al-Si) автомобилни части са по-леки и по-здрави от компонентите, излети от чист алуминий. Автомобилните части като двигателни блокове и гуми са едни от най-често използваните части от лят алуминий.

Почти половината от целия металургичен силиций се използва от химическата промишленост за производство на пирогенен силициев диоксид (сгъстител и изсушител), силани (свързващо вещество) и силикон (уплътнители, лепила и смазочни материали).

Фотоволтаичният полисилиций се използва предимно в производството на полисилициеви слънчеви клетки. За производството на един мегават слънчеви модули са необходими около пет тона полисилиций.

В момента полисилициевата слънчева технология представлява повече от половината от слънчевата енергия, произведена в световен мащаб, докато моносилициевата технология представлява около 35 процента. Общо 90 процента от слънчевата енергия, използвана от хората, се събира чрез силициева технология.

Монокристалният силиций също е важен полупроводников материал в съвременната електроника. Като субстратен материал, използван при производството на транзистори с полеви ефекти (FETs), светодиоди и интегрални схеми, силицийът може да се намери в почти всички компютри, мобилни телефони, таблети, телевизори, радиостанции и други съвременни комуникационни устройства.

Изчислено е, че повече от една трета от всички електронни устройства съдържат полупроводникова технология на базата на силиций.

И накрая, карбидният силициев карбид се използва в различни електронни и неелектронни приложения, включително синтетични бижута, високотемпературни полупроводници, твърда керамика, режещи инструменти, спирачни дискове, абразиви, бронирани жилетки и нагревателни елементи.

Характеристики на елемента

14 Si 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2

Изотопи: 28 Si (92,27%); 29 Si (4,68%); 30 Si (3,05%)

Силицият е вторият най-разпространен елемент в земната кора след кислорода (27,6% от масата). В природата не се среща в свободно състояние, намира се главно под формата на SiO 2 или силикати.

Si съединенията са токсични; вдишването на малки частици SiO 2 и други силициеви съединения (например азбест) причинява опасно заболяване - силикоза

В основно състояние силициевият атом има валентност = II, а във възбудено състояние = IV.

Най-стабилното състояние на окисление на Si е +4. В съединения с метали (силициди) S.O. -4.

Методи за получаване на силиций

Най-разпространеното естествено силициево съединение е силициев диоксид (силициев диоксид) SiO 2 . Той е основната суровина за производство на силиций.

1) Редукция на SiO 2 с въглерод в дъгови пещи при 1800 °C: SiO 2 + 2C = Si + 2CO

2) Si с висока чистота от технически продукт се получава по схемата:

а) Si → SiCl 2 → Si

б) Si → Mg 2 Si → SiH 4 → Si

Физични свойства на силиция. Алотропни модификации на силиций

1) Кристален силиций - сребристо-сиво вещество с метален блясък, кристална решетка от диамантен тип; т.т. 1415"С, точка на кипене 3249"С, плътност 2,33 g/cm3; е полупроводник.

2) Аморфен силиций - кафяв прах.

Химични свойства на силиция

В повечето реакции Si действа като редуциращ агент:

При ниски температури силицийът е химически инертен; при нагряване неговата реактивност рязко нараства.

1. Реагира с кислород при температури над 400°C:

Si + O 2 = SiO 2 силициев оксид

2. Реагира с флуор още при стайна температура:

Si + 2F 2 = SiF 4 силициев тетрафлуорид

3. Реакциите с други халогени протичат при температура = 300 - 500°C

Si + 2Hal 2 = SiHal 4

4. Със серни пари при 600°C образува дисулфид:

5. Реакцията с азот протича над 1000°C:

3Si + 2N 2 = Si 3 N 4 силициев нитрид

6. При температура = 1150°C реагира с въглерод:

SiO 2 + 3C = SiC + 2CO

Карборундът е близо до диаманта по твърдост.

7. Силицият не реагира директно с водорода.

8. Силицият е устойчив на киселини. Взаимодейства само със смес от азотна и флуороводородна (флуороводородна) киселини:

3Si + 12HF + 4HNO 3 = 3SiF 4 + 4NO + 8H 2 O

9. реагира с алкални разтвори за образуване на силикати и освобождаване на водород:

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

10. Редукционните свойства на силиция се използват за изолиране на металите от техните оксиди:

2MgO = Si = 2Mg + SiO 2

При реакции с метали Si е окислител:

Силицият образува силициди с s-метали и повечето d-метали.

Съставът на силицидите на даден метал може да варира. (Например FeSi и FeSi 2 ; Ni 2 Si и NiSi 2 .) Един от най-известните силициди е магнезиевият силицид, който може да се получи чрез директно взаимодействие на прости вещества:

2Mg + Si = Mg 2 Si

Силан (моносилан) SiH 4

Силани (водородни силициеви диоксиди) Si n H 2n + 2, (срв. алкани), където n = 1-8. Силаните са аналози на алканите; те се различават от тях по нестабилността на -Si-Si- веригите.

Monosilane SiH 4 е безцветен газ с неприятна миризма; разтворим в етанол, бензин.

Методи за получаване:

1. Разлагане на магнезиев силицид със солна киселина: Mg 2 Si + 4HCI = 2MgCI 2 + SiH 4

2. Редукция на Si халиди с литиево-алуминиев хидрид: SiCl 4 + LiAlH 4 = SiH 4 + LiCl + AlCl 3

Химични свойства.

Силанът е силен редуциращ агент.

1.SiH 4 се окислява от кислород дори при много ниски температури:

SiH 4 + 2O 2 = SiO 2 + 2H 2 O

2. SiH 4 лесно се хидролизира, особено в алкална среда:

SiH 4 + 2H 2 O = SiO 2 + 4H 2

SiH 4 + 2NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 4H 2

Силициев (IV) оксид (силициев диоксид) SiO 2

Силицият съществува в различни форми: кристална, аморфна и стъкловидна. Най-често срещаната кристална форма е кварцът. Когато кварцовите скали се разпадат, се образуват кварцови пясъци. Монокристалите на кварца са прозрачни, безцветни (планински кристал) или оцветени с примеси в различни цветове (аметист, ахат, яспис и др.).

Аморфният SiO 2 се намира под формата на минерала опал: силикагелът е изкуствено произведен, състоящ се от колоидни частици SiO 2 и е много добър адсорбент. Стъкленият SiO 2 е известен като кварцово стъкло.

Физични свойства

SiO 2 се разтваря много слабо във вода и също е практически неразтворим в органични разтворители. Силицият е диелектрик.

Химични свойства

1. SiO 2 е киселинен оксид, следователно аморфният силициев диоксид бавно се разтваря във водни разтвори на основи:

SiO 2 + 2NaOH = Na 2 SiO 3 + H 2 O

2. SiO 2 също взаимодейства с основни оксиди при нагряване:

SiO 2 + K 2 O = K 2 SiO 3;

SiO 2 + CaO = CaSiO 3

3. Тъй като е нелетлив оксид, SiO 2 измества въглеродния диоксид от Na 2 CO 3 (по време на синтез):

SiO 2 + Na 2 CO 3 = Na 2 SiO 3 + CO 2

4. Силициевият диоксид реагира с флуороводородна киселина, образувайки флуоросилициева киселина H 2 SiF 6:

SiO 2 + 6HF = H 2 SiF 6 + 2H 2 O

5. При 250 - 400°C SiO 2 взаимодейства с газообразен HF и F 2, образувайки тетрафлуоросилан (силициев тетрафлуорид):

SiO 2 + 4HF (газ.) = SiF 4 + 2H 2 O

SiO 2 + 2F 2 = SiF 4 + O 2

Силициеви киселини

Известен:

Ортосилициева киселина H 4 SiO 4 ;

Метасилициева (силициева) киселина H 2 SiO 3 ;

Ди- и полисилициеви киселини.

Всички силициеви киселини са слабо разтворими във вода и лесно образуват колоидни разтвори.

Методи за получаване

1. Утаяване с киселини от разтвори на силикати на алкални метали:

Na 2 SiO 3 + 2HCl = H 2 SiO 3 ↓ + 2NaCl

2. Хидролиза на хлоросилани: SiCl 4 + 4H 2 O = H 4 SiO 4 + 4HCl

Химични свойства

Силициевите киселини са много слаби киселини (по-слаби от въглеродната киселина).

При нагряване те се дехидратират, за да образуват силициев диоксид като краен продукт.

H 4 SiO 4 → H 2 SiO 3 → SiO 2

Силикати - соли на силициеви киселини

Тъй като силициевите киселини са изключително слаби, техните соли във водни разтвори са силно хидролизирани:

Na 2 SiO 3 + H 2 O = NaHSiO 3 + NaOH

SiO 3 2- + H 2 O = HSiO 3 - + OH - (алкална среда)

По същата причина, когато въглеродният диоксид преминава през силикатни разтвори, силициевата киселина се измества от тях:

K 2 SiO 3 + CO 2 + H 2 O = H 2 SiO 3 ↓ + K 2 CO 3

SiO 3 + CO 2 + H 2 O = H 2 SiO 3 ↓ + CO 3

Тази реакция може да се разглежда като качествена реакция към силикатни йони.

Сред силикатите само Na 2 SiO 3 и K 2 SiO 3 са силно разтворими, които се наричат ​​разтворимо стъкло, а техните водни разтвори се наричат ​​течно стъкло.

Стъклена чаша

Обикновеното прозоречно стъкло има състав Na 2 O CaO 6 SiO 2, т.е. това е смес от натриеви и калциеви силикати. Получава се чрез сливане на Na 2 CO 3 сода, CaCO 3 варовик и SiO 2 пясък;

Na 2 CO 3 + CaCO 3 + 6SiO 2 = Na 2 O CaO 6SiO 2 + 2СO 2

Цимент

Прахообразен свързващ материал, който при взаимодействие с вода образува пластична маса, която с времето се превръща в твърдо каменно тяло; основен строителен материал.

Химичният състав на най-често срещания портланд цимент (в тегловни %) е 20 - 23% SiO 2; 62 - 76% CaO; 4 - 7% Al 2 O 3; 2-5% Fe 2 O 3; 1-5% MgO.

Силицият е елемент от главната подгрупа на четвърта група от третия период на периодичната система от химични елементи, с атомен номер 14. Означава се със символа Si (лат. Silicium).
Силицият е изолиран в чиста форма през 1811 г. от френски учени Жозеф Луи Гей-Лусак и Луи Жак Тенар.

произход на името

През 1825 г. шведският химик Йонс Якоб Берцелиус получава чист елементарен силиций чрез въздействието на метален калий върху силициев флуорид SiF4. Новият елемент е наречен "силиций" (от латински silex - кремък). Руското наименование "силиций" е въведено през 1834 г. от руския химик Герман Иванович Хес. Превод от старогръцки. κρημνός - „скала, планина“.

Касова бележка

В промишлеността силиций с техническа чистота се получава чрез редуциране на стопилката на SiO 2 с кокс при температура от около 1800 °C в шахтови рудно-термични пещи. Чистотата на получения по този начин силиций може да достигне 99,9% (основните примеси са въглерод и метали).
Възможно е допълнително пречистване на силиций от примеси.
1. Пречистването в лабораторни условия може да се извърши чрез първо получаване на магнезиев силицид Mg 2 Si. След това газообразният моносилан SiH 4 се получава от магнезиев силицид с помощта на солна или оцетна киселина. Монозиланът се пречиства чрез ректификация, сорбция и други методи и след това се разлага на силиций и водород при температура около 1000 °C.
2. Пречистването на силиций в индустриален мащаб се извършва чрез директно хлориране на силиций. В този случай се образуват съединения от състава SiCl 4 и SiCl 3 H. Тези хлориди се пречистват от примеси по различни начини (обикновено чрез дестилация и диспропорциониране) и на крайния етап се редуцират с чист водород при температури от 900 до 1100. °C.
3. Разработват се по-евтини, по-чисти и по-ефективни индустриални технологии за пречистване на силиций. От 2010 г. те включват технологии за пречистване на силиций, използващи флуор (вместо хлор); технологии, включващи дестилация на силициев оксид; технологии, базирани на ецване на примеси, концентрирани на междукристалните граници.
Съдържанието на примеси в пречистения силиций може да бъде намалено до 10 -8 -10 -6% от теглото.

Физични свойства

Кристалната решетка на силиция е кубична, лицево центрирана като диамант, параметър a = 0,54307 nm (други полиморфни модификации на силиция са получени при високи налягания), но поради по-голямата дължина на връзката между Si-Si атомите в сравнение с дължината на C-C връзка, твърдостта на силиция е значително по-малка от диаманта. Силицият е крехък; само при нагряване над 800 °C става пластично вещество. Интересното е, че силицийът е прозрачен за инфрачервено лъчение, започвайки от дължина на вълната от 1,1 микрона. Собствена концентрация на носители на заряд - 5,81×10 15 m -3 (за температура 300 K)

Да бъдеш сред природата

Съдържанието на силиций в земната кора е според различни източници 27,6-29,5% от масата. Така, по отношение на изобилието в земната кора, силицият се нарежда на второ място след кислорода. Концентрацията в морската вода е 3 mg/l.
Най-често в природата силицият се среща под формата на силициев диоксид - съединения на базата на силициев диоксид (IV) SiO 2 (около 12% от масата на земната кора). Основните минерали, образувани от силициев диоксид, са пясък (речен и кварцов), кварц и кварцити, кремък. Втората най-често срещана група силициеви съединения в природата са силикатите и алумосиликатите.