8.7.4: Хімія кремнію (Z = 14)
- Page ID
- 33567
Кремній, другий за поширеністю елемент на землі, є важливою частиною мінерального світу. Це стабільна чотиригранна конфігурація робить його неймовірно універсальним і використовується по-різному в нашому повсякденному житті. Виявлений у всьому, від космічних кораблів до синтетичних частин тіла, кремній можна знайти навколо нас, а іноді навіть у нас.
Вступ
Назва кремнію взято від латинського silex, що означає «кремінь». Елемент поступається лише кисню в достатку в земній корі і був відкритий Берцелієм в 1824 році. Найпоширеніша сполука кремнію - це найпоширеніша хімічна сполука в земній корі, яку ми знаємо краще як звичайний пляжний пісок.\(SiO_2\)
Властивості
Кремній являє собою кристалічний напівметал або металоїд. Одна з його форм блискуча, сіра і дуже крихка (вона буде руйнуватися при ударі молотком). Це елемент групи 14 в тій же періодичній групі, що і вуглець, але хімічно поводиться чітко від усіх своїх групових аналогів. Кремній поділяє універсальність зв'язку вуглецю з чотирма валентними електронами, але в іншому випадку є відносно інертним елементом. Однак за особливих умов кремній може бути набагато більш реактивним. Кремній проявляє металоїдні властивості, здатний розширювати свою валентну оболонку і здатний трансформуватися в напівпровідник; відрізняючи його від членів періодичної групи.
| Символ | СІ |
|---|---|
| Атомний номер | 14 |
| Груповий | 14 (сімейство вуглецю) |
| Конфігурація електрона | [Немає] 3s 2 3p 2 |
| Атомна вага | 28.0855 г |
| Щільність | 2,57 г/мл |
| Точка плавлення | 1414 о С. |
| Точка кипіння | 3265 до ПК |
| Стани окислення | 4, 3, 2, 1, -1, -2, -3, -4 |
| Електронегативність | 1,90 |
| Стабільні ізотопи | 28 Сі 29 Сі 30 Сі |
Де знайдено кремній
27,6% земної кори складається з кремнію. Хоча він такий багатий, він зазвичай не міститься в чистому стані, а скоріше його двоокису та гідратів. \(SiO_2\)є єдиним стабільним оксидом кремнію і зустрічається у багатьох кристалічних різновидах. Його найчистішою формою є кварц, але також як яшма і опал. Кремній також можна знайти в польовому шпаті, слюді, олівіні, піроксенах і навіть у воді (рис. 1). В іншій аллотропной формі кремній являє собою коричневий аморфний порошок, найбільш звичний в «брудному» пляжному піску. Кристалічна форма кремнію є основою напівпровідникового віку.
Силікати
Кремній найчастіше зустрічається в силікатних сполуках. Кремній є одним стабільним оксидом кремнію і має емпіричну формулу SiO 2. Кремній не є атомом кремнію з двома подвійними зв'язками з двома атомами кисню. Кремній складається з одного атома кремнію з чотирма одиночними зв'язками з чотирма молекулами кисню (рис. 2).
Кремній, тобто діоксид кремнію, набуває цієї молекулярної форми, замість характерної форми вуглекислого газу, оскільки 3p орбіталі кремнію роблять більш енергетично сприятливим для створення чотирьох одиночних зв'язків з кожним киснем, а не створення двох подвійних зв'язків з кожним атомом кисню. Це призводить до того, що силікати зв'язуються між собою в -Si-O-Si-O- мережах, які називаються силікатами. Емпірична форма кремнезему - SiO 2, оскільки щодо чистого середнього значення силікату кожен атом кремнію має два атоми кисню.
Тетраедричний SiO 4 4 - комплекс (див. Рис. 3), основна одиниця силікатів, може зв'язуватися між собою різними способами, створюючи широкий спектр мінералів. Кремній є невід'ємним компонентом мінералів, так само як вуглець є необхідним компонентом органічних сполук.
Неосилікати
У незосилікатів силікат тетраедричний не поділяє жодних молекул кисню з іншими силікатними тетраедралами, а замість цього балансує свій заряд з іншими металами. Основною структурою неосилікату є просто одиниця тетраедричного кремнезему (рис. 4). Емпірична формула структури ядра неосилікату - SiO 4 4-.
Неосилікати складають зовнішні межі групи мінералів, відомих як олівіни.
Соросилікати
У соросилікатів два силікатних тетраедралі з'єднуються між собою, розділяючи атом кисню в одному з їх кутів. Основною структурою соросилікату є пара тетраедрів кремнезему. (Див. Рис. 5)
Мінерал тортвейтіє є прикладом соросилікатного комплексу.
Циклосилікати
У циклосилікатів три і більше тетраедралів кремнезему поділяють два кути атома кисню. Основною структурою циклосилікату є замкнуте кільце з тетраедри кремнезему. (Див. Рис. 6)
Мінерал берил - приклад циклосилікатного комплексу.
іносилікати
Іносилікати - це комплекси, де кожен чотиригранний розділяє два кути з іншим кремнезем тетраедричним для створення єдиного ланцюга (див. Рис. 7) або три кути для створення подвійного ланцюга (рис. 8). Основною структурою іносилікату є або нескінченна одинарна або подвійна ланцюг тетраедралів кремнію.
Піроксени мінеральної групи є прикладами одноланцюгових іносилікатів.
Малюнок 8: Сердечник подвійного ланцюга іносилікату
Мінеральна амфібола є прикладом дволанцюгового іносилікату.
Філлосилікати
Філлосилікати - це кремнієві комплекси, де кожен тетрадральний розділяє три кути і створює аркуш кремнію та кисню. (Див. Рис. 9) Основний комплекс філосилікату являє собою нескінченний лист з'єднаних тетраедралів кремнезему.
Мінеральний тальк - приклад філосилікатного комплексу.
Тектосилікати
Тектосилікати - це тривимірні силікатні структури. Основною структурою тектосилікату є нескінченна мережа з'єднаних тетраедралів кремнезему. (Див. Рис. 10)
Мінеральний кварц - приклад тектосилікатного комплексу.
Хоча багато комплексів кремнезему утворюють мережеві ковалентні тверді речовини, кварц є особливо хорошим прикладом мережевого твердого тіла. Силікати в цілому поділяють властивості ковалентних твердих речовин, і цей афілійований масив властивостей робить їх дуже корисними в сучасній промисловості.
Силани
Силани - кремній-водневі сполуки. Вуглець-водневі сполуки складають кістяк живого світу з здавалося б нескінченними ланцюгами вуглеводнів. Маючи однакову валентну конфігурацію, і, таким чином, однакову хімічну універсальність, кремній міг би зіграти роль подібної органічної важливості. Але кремній не грає невід'ємної ролі в нашій повсякденній біології. Одна з основних причин лежить в основі цього.
Як і вуглеводні, силани поступово збільшуються в розмірах, коли додаються додаткові атоми кремнію. Але є дуже швидке завершення цієї тенденції. Найбільший силан має максимум шість атомів кремнію. (Див. Рис. 11)
Гексасилан є найбільшим можливим силаном, оскільки зв'язки Si-Si не особливо міцні. Насправді силани досить схильні до розкладання. Силани особливо схильні до розкладання через кисень. Силани також мають тенденцію обмінюватися там водню на інші елементи і стають органосиланами. (Див. Рис. 12)
Силани мають різноманітне промислове та медичне використання. Крім усього іншого, силани використовуються в якості водовідштовхувальних засобів і герметиків.
Силікони
Силікони - синтетичне з'єднання кремнію, в природі вони не зустрічаються. Коли специфічні силани проходять специфічну реакцію, вони перетворюються на силікон, дуже особливий кремнієвий комплекс. Силікон є полімером і цінується за його універсальність, температурну довговічність, низьку летючість, загальну хімічну стійкість і термічну стабільність. Силікон має унікальну хімічну структуру, але він поділяє деякі основні структурні елементи як з силікатами, так і з силанами. (Див. Малюнок 13)
Силіконові полімери використовуються для величезного масиву речей. Крім численних інших речей, грудні імплантати виготовляються з силікону.
галогеніди кремнію
Кремній має тенденцію легко реагувати з галогенами. Загальна формула, що зображує це, - SiX 4, де X представляє будь-який галоген. Кремній також може розширювати свою валентну оболонку, і лабораторний препарат [SiF 6] 2- є остаточним прикладом цього. Однак навряд чи кремній міг би створити такий комплекс з будь-яким іншим галогеном, ніж фтор, оскільки шість більших іонів галогену не можуть фізично поміститися навколо центрального атома кремнію.
Для очищення кремнієвих комплексів синтезуються галогеніди кремнію. Галогеніди кремнію можна легко зробити, щоб відмовитися від свого кремнію за допомогою специфічних хімічних реакцій, які призводять до утворення чистого кремнію.
Додатки
Кремній є життєво важливим компонентом сучасної промисловості. Його велика кількість робить його тим більш корисним. Кремній можна знайти в продуктах, починаючи від бетону і закінчуючи комп'ютерними чіпами.
Електроніка
Прийняття високотехнологічних секторів назви Силіконова долина підкреслює важливість кремнію в сучасних технологіях. Чистий кремній, тобто по суті чистий кремній, має унікальну здатність дискретно контролювати кількість і заряд струму, який проходить через нього. Це робить кремній відігравати надзвичайно важливу роль у таких пристроях, як транзистори, сонячні елементи, інтегральні схеми, мікропроцесори та напівпровідникові прилади, де такий контроль струму є необхідністю для належної роботи. Напівпровідники є прикладом використання кремнію в сучасних технологіях.
Напівпровідники
Напівпровідники - це унікальні матеріали, які не мають ні електропровідності провідника, ні ізолятора. Напівпровідники лежать десь між цими двома класами, надаючи їм дуже корисну властивість. Напівпровідники здатні маніпулювати електричним струмом. Вони використовуються для виправлення, посилення та перемикання електричних сигналів і, таким чином, є невід'ємними компонентами сучасної електроніки.
Напівпровідники можуть бути виготовлені з самих різних матеріалів, але більшість напівпровідників виготовляються з кремнію. Але напівпровідники не виготовляються з силікатів, або силанів, або силіконів, вони виготовляються з чистого кремнію, тобто по суті чистого кремнію кристала. Як і вуглець, кремній може зробити алмаз, як кристал. Така структура називається кремнієвої решіткою. (Див. Рис. 15) Кремній ідеально підходить для створення цієї структури решітки, оскільки його чотири валентні електрони дозволяють йому занадто ідеально зв'язуватися з чотирма його кремнієвими сусідами.
Однак ця кремнієва решітка по суті є ізолятором, так як немає вільних електронів для будь-якого руху заряду, а тому не є напівпровідником. Ця кристалічна структура при легуванні перетворюється в напівпровідник. Легуванням називають процес, за допомогою якого домішки вводяться в ультрачистий кремній, тим самим змінюючи його електричні властивості і перетворюючи його в напівпровідник. Легування перетворює чистий кремній в напівпровідник шляхом додавання або видалення дуже невеликої кількості електронів, тим самим роблячи його ні ізолятором, ні провідником, а напівпровідником з обмеженою провідністю заряду. Тонке маніпулювання решітками чистого кремнію за допомогою легування генерує широкий спектр напівпровідників, що вимагає сучасна електрична технологія.
Напівпровідники виготовляються з кремнію з двох основних причин. Кремній має властивості, необхідні для виготовлення напівпровідників, а кремній - другий за поширеністю елемент на землі.
Окуляри
Скло є ще одним похідним кремнію, який широко використовується сучасним суспільством. Якщо пісок, осад кремнезему, змішують з карбонатом натрію і кальцію при температурі близько 1500 градусів Цельсія, то при охолодженні отриманого продукту утворюється скло. Скло є особливо цікавим станом кремнію. Скло унікальне тим, що являє собою тверду некристалічну форму кремнію. Тетраедричні елементи кремнезему зв'язуються разом, але в жодній фундаментальній схемі, що стоїть за склеюванням. (Див. Рис. 16)
Кінцевим результатом цієї унікальної хімічної структури є часто крихкий типово оптично прозорий матеріал, відомий як скло. Цей комплекс кремнезему можна зустріти практично скрізь, де зустрічається людська цивілізація.
Скло можна забруднити, додаючи хімічні домішки до базальної структури кремнезему. (Див. Рис. 17) Додавання навіть трохи Fe 2 O 3 до чистого кремнезему скла надає отриманому змішаному склу характерний зелений колір.
Малюнок 17: Некристалічний кремнезем з невідомими домі
Волоконна оптика
Сучасні волоконно-оптичні кабелі повинні передавати дані за допомогою неспотворених світлових сигналів на великі відстані. Для виконання цього завдання волоконно-оптичні кабелі повинні бути виготовлені зі спеціального скла надвисокої чистоти. Секрет цього скла надвисокої чистоти - ультра чистий кремнезем. Щоб волоконно-оптичні кабелі відповідали експлуатаційним стандартам, рівень домішок у кремнеземі цих волоконно-оптичних кабелів був зменшений до частин на мільярд. Цей рівень чистоти дозволяє отримати величезну комунікаційну мережу, яку наше суспільство прийшло сприймати як належне.
Кераміка
Кремній відіграє невід'ємну роль в будівельній галузі. Кремній, зокрема кремній, є основним інгредієнтом будівельних компонентів, таких як цегла, цемент, кераміка та плитка.
Крім того, силікати, особливо кварцові, дуже термодинамічно стійкі. Це означає кремнієву кераміку, що має високу теплостійкість. Ця властивість робить кремнієву кераміку особливо корисною від речей, починаючи від корпусів космічних кораблів до компонентів двигуна. (Див. Рис. 18)
Кремнієва кераміка на нижній стороні орбіти використовується для здачі
Полімери
Силіконові полімери являють собою ще одну грань корисності кремнію. Силіконові полімери, як правило, характеризуються своєю гнучкістю, стійкістю до хімічного впливу, непроникністю до води та здатністю зберігати свої властивості як при високих, так і при низьких температурах. Цей масив властивостей робить силіконові полімери дуже корисними. Силіконові полімери використовуються в ізоляції, посуді, високотемпературних мастилах, медичному обладнанні, герметиках, клеях і навіть як альтернатива пластику в іграшках.
Виробництво
Оскільки кремній зазвичай не знаходиться в чистому стані, кремній повинен бути хімічно витягнутий з його природних сполук. Діоксид кремнію є найбільш поширеною формою природного кремнію. Кремній - це сильно зв'язана сполука, і для вилучення кремнію з комплексу кремнію потрібно багато енергії. Основним засобом цього видобутку є хімічна реакція при дуже високій температурі.
Синтез кремнію є принципово двоетапним процесом. По-перше, використовуйте потужну піч для нагрівання кремнезему до температури понад 1900 градусів Цельсія, а по-друге, додайте вуглець. При температурі понад 1900 градусів Цельсія вуглець зменшить з'єднання кремнію до чистого кремнію.
Очищення
Для деяких застосувань кремнію чистота свіжовиробленого кремнію не є задовільною. Для задоволення попиту на кремній високої чистоти були розроблені методи для подальшого вдосконалення чистоти витягнутого кремнію.
Очищення кремнію, по суті, передбачає взяття синтезованого кремнію, перетворення його в кремнієву сполуку, яку можна легко переганяти, а потім розщеплення цього нового утвореного кремнієвого з'єднання з отриманням ультрачистого кремнієвого продукту. Існує кілька різних методів очищення, але більшість хімічних форм очищення включають як силанові, так і кремнієві галогенідні комплекси.
дрібниці
- Кремній - восьмий найпоширеніший елемент у Всесвіті.
- Кремній був вперше ідентифікований у 1787 році, але вперше виявлений як елемент 1824 року.
- Кремній є важливим елементом в обміні речовин рослин, але не дуже важливий в обміні речовин тварин.
- Кремній нешкідливий для потрапляння та введення в організм, але вдихати шкідливо.
- Силікоз - це назва захворювання, пов'язаного з вдиханням занадто великої кількості кремнієвого з'єднання кремнію. Це в першу чергу страждає будівельників.
- Діоксид кремнію є основним хімічним компонентом азбесту.
Посилання
- Червонощеков В.В. та Л.В. Мишляєва. Аналітична хімія кремнію. Нью-Йорк: Холстед Прес, 1974. С. 1-6.
- Рохов, Євген Георгійович Кремній і силікони. Нью-Йорк: Спрингер-Верлаг, 1987. передмова та стор. 1-30
- Чемпіон, Гілліс та Окстобі. «Принципи сучасної хімії». 6-е видання. Белмонт, Каліфорнія: Томсон Брукс/Коул.
- Петруччі, Ральф Х., Харвуд, Вільям С., Оселедець, Ф.Г., і Мадура Джеффрі Д. «Загальна хімія: принципи та сучасні програми». 9-е видання. Нью-Джерсі: Пірсон освіти, Inc., 2007.
Проблеми
Виділіть область поруч із «Ans», щоб побачити відповідь
Скільки оксидів має Кремній, і які вони бувають?
Відповідь: 1 оксид O 2
Як силікатний тетрагранний врівноважує свій заряд, якщо він не пов'язаний з іншим силікатом?
Відповідь: За допомогою зв'язування g з позитивно зарядженими металами.
Вуглець є органічними сполуками, як кремнезем, щоб:
Відповідь: мінерали
Наскільки велика найбільша кремній-воднева сполука?
Відповідь: Найбільшим силаном є гексасилан, з шістьма атомами кремнію та чотирнадцятьма воднями.
Чому кремній важливий для комп'ютерів?
Відповідь: Він використовується для виготовлення напівпровідників.
Автори та атрибуція
- Томас Боттьян (2010), Крістіна Рабаго (2008)