исследование свойств кремния

Содержание

Введение -----------------------------------------------------------------------------------------2

История  открытия кремния------------------------------------------------------------------3-4

Кремний в природе-----------------------------------------------------------------------------4-5

Простое вещество кремний-------------------------------------------------------------------4-5

Получение кремния-----------------------------------------------------------------------------5-6

Химические свойства кремния---------------------------------------------------------------6-7

Области применения соединений кремния------------------------------------------------7-9

Биологическая роль кремния------------------------------------------------------------------9

Вывод и заключение ---------------------------------------------------------------------------9-10

Использованная литература ------------------------------------------------------------------10

Приложения ------------------------------------------------------------------------------------11-13

"Никакой организм не может существовать без кремния, он вырисовывается в мироздании как элемент, обладающий исключительным значением". 

Академик В.И. Вернадский

Введение

Посмотрите на периодическую систему химических элементов Д.И.Менделеева. В центре ее вы увидите клеточку, отведенную элементу №14 с атомным весом 28,086. Этот элемент называют в нашей стране кремнием (от слова кремень). За рубежом он именуется силицием или силиконом (от латинского silex – кремень или silicium – кремнезем).

Актуальность. Сколько современный человек знает о свойствах кремния, его применении,  его соединениях, нахождении в природе?

Для планеты Земля и всего живущего на ней элемент №14 имеет выдающееся значение. Он необычайно широко распространен на нашей планете, и поэтому его часто называют «королем неорганического мира». Из неорганических соединений кремния – кремнезема и силикатов – состоит большая часть земной коры, так что элемент №14, по словам академика А.Е.Ферсмана, является ее основой. Содержание кремния в литосфере  - поверхностной земной оболочке толщиной 16км – достигает 30%, то есть каждый шестой атом в ней – кремний.

Цель: показать важность   кремния в жизни человека.

Задачи:

1. исследовать нахождение кремния в природе;
2. получить кремний в лабораторных условиях;
3. исследовать химические свойства кремния;
4. собрать информацию о его значении;
5. исследовать области применения кремния.

Методы исследования:

• анализ отобранной по теме литературы;
• эксперимент;
• обработка экспериментальных данных.

1. Основная часть

1.1. История открытия кремния

        Соединения кремния, широко распространённые на земле, были известны человеку с каменного века. Использование каменных орудий для труда и охоты продолжалось несколько тысячелетий. Применение соединений кремния связанное с их переработкой, — изготовление стекла — началось около 3000 лет до н. э. (в Древнем Египте), раньше других известное соединение кремния — двуокись SiO2 (кремнезём).        

        С простым веществом кремнием человек познакомился всего около 200 лет назад. Фактически первыми исследователями, получившими кремний, были французы Ж.Л.Гей-Люссак и Л.Ж.Тенар. Они в 1811 году обнаружили, что нагревание фторида кремния с металлическим калием приводит к образованию буро-коричневого вещества: SiF4 + 4K = Si + 4KF, однако сами исследователи правильного вывода о получении нового простого вещества не сделали. Честь открытия нового элемента принадлежит шведскому химику Й. Я.Берцелиусу, который для получения кремния нагревал также с металлическим калием соединение состава K2SiF6. Он получил тот же аморфный порошок, что и французские химики, и в 1824 году объявил о новом элементарном веществе, которое назвал «силиций». Кристаллический кремний был получен только в 1854 году французским химиком А.Э.Сент-Клер Девилем. Русские названия элемента кремния ввёл в обиход Г. И. Гесс  в 1834 году.

2. Кремний в природе

Кремний – второй по распространенности (после кислорода) элемент земной коры. В верхних осадочных слоях он содержится в виде глин, кварца и других соединений и составляет 27,6% состава земной коры. Под осадочным слоем находится слой базальтов и гранитов, в состав которых также входит кремний. Эти слои образуют земную кору и находятся на глубине до 35 км. В верхних слоях мантии (до 900 км) преобладают силикаты железа и магния. Ядро и нижняя мантия, по предположениям ученых, также состоят в основном из силикатов (рис.1).

        Кремний – активный элемент. В чистом виде кремний в природе не встречается. Наиболее распространен оксид кремния и силикаты. Первый встречается в виде минерала кварца (кремнезем, кремень). В природе из этого соединения сложены целые горы. Обычный песок состоит из мелкого кварца с различными примесями. Горный хрусталь – совершенно прозрачные кристаллы кварца.

        Из силикатов наиболее широко в природе распространены алюмосиликаты (каолин Al2O3*2SiO2*2H2O, асбест 3MgO*2SiO2*2H2O, ортоклаз K2O*Al2O3*6SiO2 и др.).

В состав минерала полевого шпата входит алюмосиликат ортоклаз K2O*Al2O3*6SiO2. При «выветривании» полевого шпата происходит реакция с угольной кислотой (из воздуха):

3MgO*2SiO2*2H2O + CO2 +2H2O = K2CO3 +Al2O3*2SiO2*2H2O + 4SiO2

В результате в природных условиях образуется растворимый карбонат калия, уносимый водой, песок SiO2 и каолин Al2O3*2SiO2*2H2O – основа обычных глин. Песок и глина создают минеральную основу всех видов почв.        

        В состав растительного и животного мира кремний входит в незначительных количествах. Его содержат стебли некоторых видов овощей и хлебных злаков. Этим объясняется повышенная прочность стеблей этих растений. Панцири инфузорий, тела губок, яйца и перья птиц, шерсть животных, волосы, стекловидное тело глаза также содержат кремний.

Анализ образцов лунного грунта, доставленного кораблями, показали присутствие оксида кремния в количестве более 40%. В составе каменных метеоритов содержание кремния достигает 20%.

1.3. Простое вещество кремний

Кремний – второй элемент в IV группе Периодической таблицы Д.И. Менделеева. Он находится прямо под углеродом и, следовательно, имеет сходные с ним свойства. Конфигурация внешнего электронного слоя невозбужденного атома кремния 3s23p2. На внешнем электронном слое у него четыре электрона, из которых в обычном состоянии два неспаренных. У кремния существуют соответствующие этому состоянию двухвалентные соединения, например SiO. Но гораздо более естественным при обычных температурах для кремния является четырехвалентное состояние (SiO2), при котором один из электронов «перепрыгивает» с s-подуровня на p-подуровень (рис.2).

В природе существует три изотопа кремния с массовыми числами 28(92,27%), 29(4,68%) и 30(3,05%). Известны также несколько радиоактивных изотопов. Хотя кремний принято относить к неметаллам, он по ряду свойств занимает промежуточное положение между металлами и неметаллами.

Кремний, как и углерод, образует различные аллотропные модификации. Кристаллический кремний так же мало похож на аморфный, как алмаз на графит. Кристаллический кремний по внешнему виду похож на металл, твердый, темно-серого цвета, имеет металлический блеск, тугоплавок (температура плавления 1400ᴼС), но к металлам его не относят, так как он хрупок, слабо проводит электрический ток и проявляет химические свойства неметаллов.

Аморфный кремний – бурый порошок, не имеет определенной температуры плавления.

Структура кристаллического кремния аналогична структуре алмаза. В его кристалле каждый атом соединен с четырьмя другими ковалентными связями. При обычных условиях часть связей разрушается, и появляются свободные электроны, которые обусловливают небольшую электрическую полупроводимость. При нагревании и освещении число разрушающихся связей возрастает, следовательно, появляется больше свободных электронов, увеличивается электрическая проводимость.

1.4.Получение кремния

В промышленности

Восстановлением из оксида коксом в электрических печах:

SiO2 + 2C = Si + 2CO

Восстановленный кремний частично реагирует с избытком углерода, и образуется карборунд SiC. Карборунд имеет аламазоподобную кристаллическую решетку, ковалентные связи в ней очень прочные, поэтому по твердости он близок к алмазу, используется для изготовления точильных камней и шлифовальных кругов.

 Так как для практического использования нужен кремний более высокой чистоты, полученный кремний хлорируют. Образуются соединения состава SiCl4 и SiCl3. Эти хлориды далее очищают различными способами от примесей и на заключительном этапе восстанавливают чистым водородом.

Наиболее чистый кремний получают восстановлением тетрахлорида кремния водородом при 1200°С:

SiCl4 + 2H2 = Si + 4HCl,

или цинком:

SiCl4 + 2Zn = Si + 2ZnCl2

Возможна также очистка кремния за счет предварительного получения силицида магния Mg2Si. Далее из силицида магния с помощью соляной или уксусной кислоты получают летучий моносилан SiH4:

Mg2Si + 4HCl = SiH4↑ + 2MgCl2

Моносилан или силан очищают далее ректификацией, сорбционными и другими методами, а затем разлагают на кремний и водород при температуре около 1000ᴼС:

SiH4 = Si + 2H2

В лаборатории легче получить кремний восстановлением SiO2 металлическим магнием или алюминием:

SiO2 + 2Mg = Si + 2MgO;  

3SiO2 + 4Al = 3Si + 2Al2O3

1.5.Химические свойства кремния

Разное строение кремния (аморфного и кристаллического) обусловливает и разную химическую активность аллотропных модификаций.

Взаимодействие с галогенами

При обычных условиях кристаллический кремний инертен, а аморфный сгорает во фторе, при этом проявляет восстановительные свойства:

Si + 2F2 = SiF4↑

С хлором реагирует при нагревании до 400–600 °С:

Si + 2Cl2 = SiCl4

Взаимодействие с кислородом

Измельченный кремний при нагревании до 400–600 °С реагирует с кислородом:

Si + O2 = SiO2

Взаимодействие с другими неметаллами

При очень высокой температуре около 2000 °С реагирует с углеродом:

Si + C = SiC

и бором:

Si + 3B = SiB3 (борид кремния)

При 1000°С реагирует с азотом:

3Si + 2N2 = Si3N4 (нитрид кремния)

С водородом не взаимодействует.

Взаимодействие с галогеноводородами

С фтороводородом реагирует при обычных условиях:

Si + 4HF = SiF4 + 2H2,

с хлороводородом – при 300 °С, с бромоводородом – при 500 °С.

Взаимодействие с металлами

Окислительные свойства для кремния менее характерны, но они проявляются в реакциях с металлами, при этом образует силициды:

2Ca + Si = Ca2Si

При высокой температуре кремний восстанавливает многие металлы из их оксидов:

2FeO + Si = 2Fe + SiO2 +Q

Взаимодействие с кислотами

Кремний устойчив к действию кислот, в кислой среде он покрывается нерастворимой пленкой оксида и пассивируется. Кремний взаимодействует только со смесью плавиковой и азотной кислот:

3Si + 4HNO3 + 18HF = 3H2[SiF6] + 4NO + 8H2O

Взаимодействие со щелочами

Растворяется в щелочах, образуя силикат и водород:

Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + H2↑

1.6.Области применения соединений кремния

Кристаллический кремний – полупроводник. На этом свойстве основано применение кремния при изготовлении выпрямителей переменного тока и солнечных батарей, преобразующих тепловую энергию солнца в электрическую. Такие батареи устанавливаются на искусственных спутниках Земли.

Кварц находит применение как пьезоэлектрик. Как материал для изготовления жаропрочной химической (кварцевой) посуды, ламп УФ-излучения. В виде пластинки используется в  кварцевых часах  высокой точности, и служит для «хранения» точного времени, определяемого астрономическими методами. Точность суточного хода кварцевых часов ±0,001с.

Кварцевый песок – важнейший строительный материал, который идет на изготовление одного из лучших огнеупорных материалов – динаса.

Полевые шпаты – сырье для керамической, фарфоровой, стекольной, цементной и других отраслей промышленности. В строительстве их применяют в качестве поделочных материалов. Кристаллические сланцы (слюды) обладают высокой термостойкостью и высокими электроизоляционными свойствами и находят применение в электротехнике, радиотехнике. Они также используются как звуко- и теплоизоляционные материалы.

Асбест – минерал с волокнистой структурой – теплоизоляционный и огнеупорный материал. Имеет формулу 3MgO*2SiO2*2H2O.

Сложная цепочечная структура силикатов приводит к тому, что при охлаждении их расплава они не успевают образовать кристаллы и застывают, сохраняя неупорядоченное строение жидкости. Такое состояние твердого тела называется стеклом. Оконные стекла представляют собой аморфные силикаты. Основной состав оконного стекла Na2OCaO6SiO2. Его получают сплавлением при высокой температуре песка, соды и известняка CaCO3:

Na2CO3 +CaCO3 + 6SiO2 = Na2OCaO6SiO2 +2CO2↑

Прочность связей между атомами в стекле оказывается различной в разных местах, поэтому стекло, в отличие от кристаллических веществ, не имеет определенной температуры плавления. При нагревании происходит постепенное разрушение связей (начиная с самых слабых), стекло размягчается, на чем основано его широкое использование для изготовления посуды, в том числе очень сложной химической, листов, волокон, труб и т.д.

Свойства стекла можно изменять, вводя в него вместо оксидов натрия и кальция оксиды других металлов. Например, при замене CaO на PbO и Na2O на K2O получается хрусталь, обладающий свойством сильно изменять направление световых лучей, что находит применение в оптических приборах, а также для изготовления декоративной посуды. Свинцовое стекло в значительной степени ослабляет (поглощает) радиоактивные излучения, благодаря чему применяется в атомной промышленности.

Концентрированные растворы силикатов натрия или калия называют жидким стеклом. Они используются для изготовления огнестойких тканей (приложение ), для пропитки древесины, чтобы придать ей огнеупорность. Водный раствор силиката натрия применяется в качестве силикатного клея.

Красиво окрашенные кристаллы кварца (аметист, дымчатый топаз, сердолик, агат, яшма и др.) являются полудрагоценными камнями – соединения того же кремния. И опять же вспоминаются стеклянные, хрустальные и глиняные изделия.

1.7. Биологическая роль кремния

Для некоторых организмов кремний является важным биогенным элементом. Он входит в состав опорных образований у растений и скелетных – у животных. В больших количествах кремний концентрируют морские организмы – диатомовые водоросли, радиолярии, губки. Мышечная ткань человека содержит 1-2. 10-2% кремния, костная ткань – 17. 10-4%, кровь – 3,9 мг/л. С пищей в организм человека ежедневно поступает до 1г кремния. Соединения кремния не ядовиты. Но очень опасно вдыхание высокодисперсных частиц, как силикатов, так и диоксида кремния, образующихся, например, при взрывных работах, при долблении пород в шахтах, при работе пескоструйных аппаратов и т.д. Микрочастицы SiO2, попавшие в легкие, в них кристаллизуются, а возникающие кристаллики разрушают легочную ткань и вызывают тяжелую болезнь – силикоз. Чтобы не допустить попадания в легкие этой  опасной пыли, следует использовать для защиты органов дыхания респиратор.

1. Вывод

Таким образом, кремний - это мелкий бурый порошок или серые, твердые, но довольно хрупкие кристаллы. В кристаллическом состоянии кремний хорошо проводит тепло, обладает металлическим блеском. Однако электропроводность, столь характерная для металлов, у кремния весьма мала и составляет 0,001 электропроводности ртути.

Кремний тугоплавок (он плавится при 1415°С), кипит же при 2360°С. При комнатной температуре кремний инертен, но при нагревании выше 500°С становится реакционноспособным и соединяется с кислородом, серой, хлором, бромом и другими элементами. Хорошо растворяясь в расплавленных металлах, кремний образует с некоторыми из них (железом, медью, платиной и др.) силициды.

Новейшие достижения химии по получению чистейшего кремния открывают широкую дорогу в области полупроводниковой техники. Создание кремниевых выпрямителей следует считать одним из величайших достижений современной науки. С помощью кремния, в некоторой мере, была осуществлена мечта о непосредственном преобразовании солнечной энергии в электрическую. Успехи химии высокомолекулярных соединений ввели в круг интересов химиков-синтетиков и кремний.

Кремний – элемент вездесущий. Мы находимся в постоянном контакте с природными, искусственными и синтетическими соединениями кремния. При этом они неизменно попадают в наш организм с питьевой водой и с вдыхаемым воздухом. Наконец, около 0,5-1г кремния ежедневно попадает в наш организм с пищей (в особенности растительного происхождения).

2. Заключение

Кремний и его соединения  сыграли важную роль в истории развития человечества. Именно с кремневых наконечников копий, ножей и топориков начинается история большинства народов. Позже кремень стал источником огня – путешественники никуда не отправлялись без огнива. А глиняные дома, посуда, предметы быта! Трудно сказать, как бы развивался мир без стекла. Многое в соединениях кремния остается не до конца понятным. Продолжаются исследования, выдвигаются новые гипотезы.

Использованная литература

1. М.Г.Воронков, И.Г.Кузнецов «Удивительный элемент жизни»; Восточно-Сибирское книжное издательство, Иркутск, 1983г.
2. Р.Г.Иванова Химия, 8-9 классы, Просвещение,2001.
3. В.А.Крицман «Книга для чтения по неорганической химии»; издательство «Просвещение», 1975г.
4. Н.Е.Кузнецова «Химия 9 класс»Москва, Вентана-Граф, 2003г
5.  http://wikipedia.ru

Приложения

Взаимодействие с серой

Si + 2S → SiS2 + Q

SiO2 + 2Mg = Si + 2MgO

Получение кремниевой кислоты

Ткань, пропитанная раствором жидкого стекла не горит, а тлеет

Обычная ткань горит