Kristāliskā silīcija fizikālās īpašības. Silīcijs un tā ārstnieciskās īpašības. Sastopamība dabā: nogulsnes

Kā neatkarīgs ķīmiskais elements silīcijs cilvēcei kļuva zināms tikai 1825. gadā. Kas, protams, netraucēja izmantot silīcija savienojumus tik daudzās jomās, ka ir vieglāk uzskaitīt tos, kur elements netiek izmantots. Šis raksts izgaismos silīcija un tā savienojumu fizikālās, mehāniskās un derīgās ķīmiskās īpašības, pielietojumus, kā arī runāsim par to, kā silīcijs ietekmē tērauda un citu metālu īpašības.

Vispirms apskatīsim silīcija vispārīgās īpašības. No 27,6 līdz 29,5% no zemes garozas masas ir silīcijs. Jūras ūdenī elementa koncentrācija arī ir ievērojama - līdz 3 mg/l.

Pārpilnības ziņā litosfērā silīcijs ieņem otro vietu aiz skābekļa. Tomēr tā slavenākā forma, silīcija dioksīds, ir dioksīds, un tieši tā īpašības ir kļuvušas par pamatu šādai plašai izmantošanai.

Šis video pastāstīs, kas ir silīcijs:

Koncepcija un īpašības

Silīcijs ir nemetāls, taču dažādos apstākļos tam var būt gan skābas, gan bāziskas īpašības. Tas ir tipisks pusvadītājs, un to ārkārtīgi plaši izmanto elektrotehnikā. Tās fizikālās un ķīmiskās īpašības lielā mērā nosaka alotropiskais stāvoklis. Visbiežāk tie nodarbojas ar kristālisko formu, jo tās īpašības ir vairāk pieprasītas valsts ekonomikā.

• Silīcijs ir viens no galvenajiem cilvēka ķermeņa makroelementiem. Tā trūkums negatīvi ietekmē kaulu audu, matu, ādas un nagu stāvokli. Turklāt silīcijs ietekmē imūnsistēmas darbību.
• Medicīnā elements vai drīzāk tā savienojumi atrada savu pirmo pielietojumu tieši šajā jomā. Ūdens no akām, kas pārklātas ar silīciju, bija ne tikai tīrs, bet arī pozitīvi ietekmēja izturību pret infekcijas slimībām. Mūsdienās savienojumi ar silīciju kalpo par pamatu zālēm pret tuberkulozi, aterosklerozi un artrītu.
• Kopumā nemetāls ir mazaktīvs, taču to ir grūti atrast tīrā veidā. Tas ir saistīts ar faktu, ka gaisā tas tiek ātri pasivēts ar dioksīda slāni un pārstāj reaģēt. Sildot, ķīmiskā aktivitāte palielinās. Rezultātā cilvēce daudz labāk pārzina matērijas savienojumus, nevis pati sevi.

Tādējādi silīcijs veido sakausējumus ar gandrīz visiem metāliem – silicīdiem. Visiem tiem ir raksturīga ugunsizturība un cietība, un tos izmanto atbilstošās jomās: gāzes turbīnās, krāsns sildītājos.

Nemetāls D.I.Mendeļejeva tabulā ir ievietots 6.grupā kopā ar oglekli un germāniju, kas norāda uz zināmu kopību ar šīm vielām. Tādējādi tas, kas tam ir kopīgs ar oglekli, ir spēja veidot organiska tipa savienojumus. Tajā pašā laikā silīcijs, tāpat kā germānija, dažās ķīmiskās reakcijās var parādīt metāla īpašības, ko izmanto sintēzē.

Priekšrocības un trūkumi

Tāpat kā jebkurai citai vielai no izmantošanas tautsaimniecībā viedokļa, silīcijam ir noteiktas noderīgas vai ne pārāk noderīgas īpašības. Tie ir svarīgi tieši izmantošanas jomas noteikšanai.

• Būtiska vielas priekšrocība ir tā pieejamība. Dabā ir taisnība, ka tas nav atrodams brīvā formā, bet tomēr silīcija ražošanas tehnoloģija nav tik sarežģīta, lai gan tā ir enerģiju patērējoša.
• Otra svarīgākā priekšrocība ir daudzu savienojumu veidošanās ar neparasti noderīgām īpašībām. Tajos ietilpst silāni, silicīdi, dioksīds un, protams, visdažādākie silikāti. Silīcija un tā savienojumu spēja veidot sarežģītus cietus šķīdumus ir gandrīz bezgalīga, kas ļauj bezgalīgi iegūt visdažādākās stikla, akmens un keramikas variācijas.
• Pusvadītāju īpašības nemetāls nodrošina tai vietu kā pamatmateriālu elektrotehnikā un radiotehnikā.
• Nemetāls ir nav toksisks, kas ļauj izmantot jebkurā nozarē, un tajā pašā laikā nepārvērš tehnoloģisko procesu par potenciāli bīstamu.

Materiāla trūkumi ietver tikai relatīvu trauslumu ar labu cietību. Silīciju neizmanto nesošajām konstrukcijām, taču šī kombinācija ļauj pareizi apstrādāt kristālu virsmu, kas ir svarīgi instrumentu izgatavošanā.

Tagad parunāsim par silīcija pamatīpašībām.

Īpašības un īpašības

Tā kā kristāliskais silīcijs visbiežāk tiek izmantots rūpniecībā, tad svarīgākas ir tā īpašības, un tieši tās ir norādītas tehniskajās specifikācijās. Vielas fizikālās īpašības ir šādas:

• kušanas temperatūra – 1417 C;
• viršanas temperatūra – 2600 C;
• blīvums ir 2,33 g/cu. cm, kas norāda uz trauslumu;
• siltumietilpība, kā arī siltumvadītspēja nav nemainīga pat tīrākajiem paraugiem: 800 J/(kg K), jeb 0,191 cal/(g deg) un 84-126 W/(m K), jeb 0,20-0, attiecīgi 30 cal/(cm·sek·deg);
• caurspīdīgs līdz garo viļņu infrasarkanajam starojumam, ko izmanto infrasarkanajā optikā;
• dielektriskā konstante – 1,17;
• cietība pēc Mosa skalas - 7.

Nemetāla elektriskās īpašības ir ļoti atkarīgas no piemaisījumiem. Rūpniecībā šī funkcija tiek izmantota, modulējot vēlamo pusvadītāju tipu. Normālā temperatūrā silīcijs ir trausls, bet, karsējot virs 800 C, iespējama plastiskā deformācija.

Amorfā silīcija īpašības ir pārsteidzoši atšķirīgas: tas ir ļoti higroskopisks un daudz aktīvāk reaģē pat normālā temperatūrā.

Silīcija struktūra un ķīmiskais sastāvs, kā arī īpašības ir apskatītas zemāk esošajā videoklipā:

Sastāvs un struktūra

Silīcijs pastāv divās allotropās formās, kas ir vienlīdz stabilas normālā temperatūrā.

• Kristāls ir tumši pelēka pulvera izskats. Lai gan vielai ir dimantam līdzīgs kristāliskais režģis, tā ir trausla, jo starp atomiem ir pārāk garas saites. Interesantas ir tās pusvadītāju īpašības.
• Pie ļoti augsta spiediena jūs varat iegūt sešstūrains modifikācija ar blīvumu 2,55 g/cu. cm Tomēr šī fāze vēl nav atradusi praktisku nozīmi.
• Amorfs- brūni brūns pulveris. Atšķirībā no kristāliskās formas, tā reaģē daudz aktīvāk. Tas ir saistīts ne tik daudz ar pirmās formas inerci, bet gan ar to, ka gaisā viela ir pārklāta ar dioksīda slāni.

Turklāt ir jāņem vērā vēl viens klasifikācijas veids, kas saistīts ar silīcija kristāla izmēru, kas kopā veido vielu. Kristāla režģis, kā zināms, paredz ne tikai atomu, bet arī šo atomu veidoto struktūru kārtību - tā saukto liela attāluma secību. Jo lielāks tas ir, jo viendabīgāka būs viela pēc īpašībām.

• Monokristālisks– paraugs ir viens kristāls. Tās struktūra ir maksimāli sakārtota, tās īpašības ir viendabīgas un labi paredzamas. Šis ir materiāls, kas ir visvairāk pieprasīts elektrotehnikā. Tomēr tā ir arī viena no dārgākajām sugām, jo ​​​​tās iegūšanas process ir sarežģīts un augšanas ātrums ir zems.
• Daudzkristālisks– paraugs sastāv no vairākiem lieliem kristāliskiem graudiņiem. Robežas starp tām veido papildu defektu līmeņus, kas samazina parauga kā pusvadītāja veiktspēju un izraisa ātrāku nodilumu. Daudzkristālu audzēšanas tehnoloģija ir vienkāršāka, un tāpēc materiāls ir lētāks.
• Polikristālisks– sastāv no liela skaita graudu, kas nejauši atrodas viens pret otru. Šis ir tīrākais rūpnieciskā silīcija veids, ko izmanto mikroelektronikā un saules enerģijā. Diezgan bieži izmanto kā izejvielu daudzkristālu un monokristālu audzēšanai.
• Šajā klasifikācijā atsevišķu vietu ieņem arī amorfais silīcijs. Šeit atomu secība tiek uzturēta tikai mazākajos attālumos. Tomēr elektrotehnikā to joprojām izmanto plānu plēvju veidā.

Nemetāla ražošana

Tīra silīcija iegūšana nav tik vienkārša, ņemot vērā tā savienojumu inerci un vairuma no tiem augsto kušanas temperatūru. Rūpniecībā viņi visbiežāk izmanto reducēšanu ar oglekli no dioksīda. Reakciju veic loka krāsnīs 1800 C temperatūrā. Tādā veidā tiek iegūts nemetāls ar 99,9% tīrību, kas ir par maz tā lietošanai.

Iegūtais materiāls tiek hlorēts, lai iegūtu hlorīdus un hidrohlorīdus. Pēc tam savienojumus ar visām iespējamām metodēm attīra no piemaisījumiem un reducē ar ūdeņradi.

Vielu var arī attīrīt, iegūstot magnija silicīdu. Silicīds tiek pakļauts sālsskābes vai etiķskābes iedarbībai. Tiek iegūts silāns, un pēdējo attīra ar dažādām metodēm - sorbciju, rektifikāciju utt. Pēc tam silāns 1000 C temperatūrā sadalās ūdeņradī un silīcijā. Šajā gadījumā tiek iegūta viela ar piemaisījumu frakciju 10 -8 -10 -6%.

Vielas pielietojums

Rūpniecībā vislielāko interesi rada nemetāla elektrofizikālās īpašības. Tā monokristāla forma ir netiešs spraugas pusvadītājs. Tās īpašības nosaka piemaisījumi, kas ļauj iegūt silīcija kristālus ar noteiktām īpašībām. Tādējādi bora un indija pievienošana ļauj izaudzēt kristālus ar caurumu vadītspēju, savukārt fosfora vai arsēna ievadīšana ļauj izaudzēt kristālu ar elektronisko vadītspēju.

• Silīcijs burtiski kalpo par mūsdienu elektrotehnikas pamatu. No tā tiek izgatavoti tranzistori, fotoelementi, integrālās shēmas, diodes un tā tālāk. Turklāt ierīces funkcionalitāti gandrīz vienmēr nosaka tikai kristāla virsmas slānis, kas nosaka ļoti specifiskas prasības virsmas apstrādei.
• Metalurģijā tehnisko silīciju izmanto gan kā sakausējuma modifikatoru - tas dod lielāku izturību, gan kā sastāvdaļu - piemēram, un kā deoksidējošu līdzekli - čuguna ražošanā.
• Ultratīri un attīrīti metalurģijas materiāli veido saules enerģijas pamatu.
• Nemetāliskais dioksīds dabā sastopams daudzos dažādos veidos. Tā kristālu šķirnes – opāls, ahāts, karneols, ametists, kalnu kristāls – ir atraduši savu vietu rotaslietās. Pēc izskata ne tik pievilcīgas modifikācijas - krams, kvarcs - tiek izmantotas metalurģijā, celtniecībā, radioelektronikā.
• Nemetāla savienojumu ar oglekli, karbīdu, izmanto metalurģijā, instrumentu ražošanā un ķīmiskajā rūpniecībā. Tas ir platjoslas pusvadītājs, kam raksturīga augsta cietība – 7 pēc Mosa skalas, un izturība, kas ļauj to izmantot kā abrazīvu materiālu.
• Silikāti - tas ir, silīcijskābes sāļi. Nestabils, temperatūras ietekmē viegli sadalās. To ievērojamā iezīme ir tā, ka tie veido daudzus un dažādus sāļus. Bet pēdējie ir pamats stikla, keramikas, fajansa, kristāla u.c. ražošanai. Varam droši teikt, ka mūsdienu būvniecības pamatā ir dažādi silikāti.
• Stikls šeit ir visinteresantākais gadījums. Tā pamatā ir aluminosilikāti, bet nenozīmīgi citu vielu piemaisījumi - parasti oksīdi - piešķir materiālam daudz dažādu īpašību, tostarp krāsu. -, māla traukiem, porcelānam patiesībā ir tāda pati formula, lai gan ar atšķirīgu sastāvdaļu attiecību, un arī tā daudzveidība ir pārsteidzoša.
• Nemetālam ir vēl viena spēja: tas veido savienojumus, piemēram, oglekļa savienojumus, garas silīcija atomu ķēdes formā. Šādus savienojumus sauc par silīcija organiskajiem savienojumiem. To pielietojuma joma ir ne mazāk zināma - tie ir silikoni, hermētiķi, smērvielas utt.

Silīcijs ir ļoti izplatīts elements, un tam ir neparasti liela nozīme daudzās valsts ekonomikas jomās. Turklāt aktīvi tiek izmantota ne tikai pati viela, bet arī visi tās dažādie un daudzie savienojumi.

Šis video pastāstīs par silīcija īpašībām un pielietojumu:

Silīcija savienojumi, kas plaši izplatīti uz zemes, ir zināmi cilvēkiem kopš akmens laikmeta. Akmens instrumentu izmantošana darbam un medībām turpinājās vairākus gadu tūkstošus. Silīcija savienojumu izmantošana, kas saistīta ar to apstrādi – stikla ražošanu – sākās ap 3000. gadu pirms mūsu ēras. e. (Senajā Ēģiptē). Agrākais zināmais silīcija savienojums ir SiO 2 oksīds (silīcija dioksīds). 18. gadsimtā silīcija dioksīds tika uzskatīts par vienkāršu cietu vielu un tika saukts par "zemēm" (kā tas ir atspoguļots tā nosaukumā). Silīcija dioksīda sastāva sarežģītību noteica I. Ya. Berzelius. Pirmo reizi 1825. gadā viņš ieguva elementāru silīciju no silīcija fluorīda SiF 4, pēdējo reducējot ar kālija metālu. Jaunajam elementam tika dots nosaukums “silīcijs” (no latīņu valodas silex - krams). Krievu vārdu ieviesa G. I. Hess 1834. gadā.

Silīcija izplatība dabā. Silīcijs ir otrs visbiežāk sastopamais elements zemes garozā (pēc skābekļa), tā vidējais saturs litosfērā ir 29,5% (pēc masas). Zemes garozā silīcijam ir tāda pati galvenā loma kā ogleklim dzīvnieku un augu pasaulē. Silīcija ģeoķīmijai ir svarīga tā ārkārtīgi spēcīga saikne ar skābekli. Apmēram 12% no litosfēras ir silīcija dioksīds SiO 2 minerālu kvarca un tā šķirņu veidā. 75% litosfēras veido dažādi silikāti un aluminosilikāti (laukšpats, vizlas, amfiboli u.c.). Kopējais silīcija dioksīdu saturošo minerālu skaits pārsniedz 400.

Magmatisko procesu laikā notiek vāja Silīcija diferenciācija: tas uzkrājas gan granitoīdos (32,3%), gan ultrabāziskajos iežos (19%). Augstā temperatūrā un augstā spiedienā SiO 2 šķīdība palielinās. Iespējama arī tā migrācija ar ūdens tvaikiem, tādēļ hidrotermālo dzīslu pegmatītiem raksturīgas ievērojamas kvarca koncentrācijas, kas bieži vien ir saistītas ar rūdas elementiem (zelta kvarca, kvarca-kasiterīta un citām dzīslām).

Silīcija fizikālās īpašības. Silīcijs veido tumši pelēkus kristālus ar metālisku spīdumu, ar seju centrētu kubiskā dimanta tipa režģi ar periodu a = 5,431 Å un blīvumu 2,33 g/cm 3 . Pie ļoti augsta spiediena tika iegūta jauna (šķiet, sešstūra) modifikācija ar blīvumu 2,55 g/cm 3. Silīcijs kūst 1417 °C un vārās 2600 °C. Īpatnējā siltumietilpība (pie 20-100 °C) 800 J/(kg K) vai 0,191 cal/(g deg); siltumvadītspēja pat tīrākajiem paraugiem nav nemainīga un ir diapazonā (25 °C) 84-126 W/(m K) vai 0,20-0,30 cal/(cm sek deg). Lineārās izplešanās temperatūras koeficients ir 2,33·10 -6 K -1, zem 120 K tas kļūst negatīvs. Silīcijs ir caurspīdīgs garo viļņu infrasarkanajiem stariem; laušanas koeficients (λ = 6 µm) 3,42; dielektriskā konstante 11.7. Silīcijs ir diamagnētisks, atomu magnētiskā jutība ir -0,13-10 -6. Silīcija cietība pēc Mosa 7.0, pēc Brinela 2.4 Gn/m2 (240 kgf/mm2), elastības modulis 109 Gn/m2 (10 890 kgf/mm2), saspiežamības koeficients 0.325·10 -6 cm2/kg. Silīcijs ir trausls materiāls; manāma plastiskā deformācija sākas temperatūrā virs 800°C.

Silīcijs ir pusvadītājs, kam ir daudz pielietojumu. Silīcija elektriskās īpašības ir ļoti atkarīgas no piemaisījumiem. Tiek pieņemts, ka silīcija īpatnējā tilpuma elektriskā pretestība istabas temperatūrā ir 2,3 · 10 3 omi · m (2,3 · 10 5 omi · cm).

Pusvadītāju silīcijam ar p tipa vadītspēju (B, Al, In vai Ga piedevas) un n-veida (P, Bi, As vai Sb piedevām) ir ievērojami zemāka pretestība. Elektriski izmērītā joslas sprauga ir 1,21 eV pie 0 K un samazinās līdz 1,119 eV pie 300 K.

Silīcija ķīmiskās īpašības. Saskaņā ar Silīcija stāvokli Mendeļejeva periodiskajā tabulā 14 Silīcija atoma elektroni ir sadalīti pa trim apvalkiem: pirmajā (no kodola) 2 elektroni, otrajā 8, trešajā (valence) 4; elektronu apvalka konfigurācija 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2. Secīgās jonizācijas potenciāli (eV): 8,149; 16.34; 33.46 un 45.13. Atomu rādiuss 1,33Å, kovalentais rādiuss 1,17Å, jonu rādiuss Si 4+ 0,39Å, Si 4- 1,98Å.

Savienojumos silīcijs (līdzīgs ogleklim) ir 4-valentais. Tomēr atšķirībā no oglekļa, silīcijam kopā ar koordinācijas skaitli 4 ir koordinācijas skaitlis 6, kas izskaidrojams ar tā atoma lielo tilpumu (šādu savienojumu piemērs ir silicofluorīdi, kas satur 2-grupu).

Silīcija atoma ķīmiskā saite ar citiem atomiem parasti tiek veikta caur hibrīda sp 3 orbitālēm, taču ir iespējams iesaistīt arī divas no tā piecām (vakantajām) 3D orbitālēm, īpaši, ja silīcijs ir sešu koordinātu. Ar zemu elektronegativitātes vērtību 1,8 (pret 2,5 ogleklim; 3,0 slāpeklim utt.), Silīcijs savienojumos ar nemetāliem ir elektropozitīvs, un šie savienojumi ir polāri. Si - O augstā saistīšanās enerģija ar skābekli, kas vienāda ar 464 kJ/mol (111 kcal/mol), nosaka tā skābekļa savienojumu (SiO 2 un silikātu) stabilitāti. Si-Si saites enerģija ir zema, 176 kJ/mol (42 kcal/mol); Atšķirībā no oglekļa, silīcijam nav raksturīga garu ķēžu un dubultsaišu veidošanās starp Si atomiem. Gaisā silīcijs ir stabils pat paaugstinātā temperatūrā, jo veidojas aizsargājoša oksīda plēve. Skābeklī tas oksidējas, sākot no 400 °C, veidojot silīcija oksīdu (IV) SiO 2. Ir zināms arī silīcija (II) oksīds SiO, stabils augstā temperatūrā gāzes veidā; ātras dzesēšanas rezultātā var iegūt cietu produktu, kas viegli sadalās plānā Si un SiO 2 maisījumā. Silīcijs ir izturīgs pret skābēm un šķīst tikai slāpekļskābes un fluorūdeņražskābes maisījumā; viegli šķīst karstos sārmu šķīdumos ar ūdeņraža izdalīšanos. Silīcijs reaģē ar fluoru istabas temperatūrā un ar citiem halogēniem, kad to karsē, veidojot savienojumus ar vispārējo formulu SiX 4 . Ūdeņradis tieši nereaģē ar silīciju, un ūdeņraža silīcija dioksīdus (silānus) iegūst, sadalot silicīdus (skatīt zemāk). Ūdeņraža silikoni ir zināmi no SiH 4 līdz Si 8 H 18 (sastāvs ir līdzīgs piesātinātajiem ogļūdeņražiem). Silīcijs veido 2 skābekli saturošu silānu grupas - siloksānus un siloksēnus. Silīcijs reaģē ar slāpekli temperatūrā virs 1000 °C. Praktiski noder Si3N4 nitrīds, kas gaisā neoksidējas pat 1200 °C temperatūrā, ir izturīgs pret skābēm (izņemot slāpekļskābi) un sārmiem, kā arī pret izkausētiem metāliem un sārņiem. nozīme. , kas padara to par vērtīgu materiālu ķīmiskajai rūpniecībai, ugunsizturīgo materiālu ražošanai un citiem. Silīcija savienojumiem ar oglekli (silīcija karbīdu SiC) un boru (SiB 3, SiB 6, SiB 12) raksturīga augsta cietība, kā arī termiskā un ķīmiskā izturība. Silīcijs karsējot reaģē (metālu katalizatoru, piemēram, vara klātbūtnē) ar hlororganiskajiem savienojumiem (piemēram, CH 3 Cl), veidojot organosilānus [piemēram, Si(CH 3) 3 Cl], ko izmanto sintēzei. no daudziem silīcija organiskajiem savienojumiem.

Silīcijs veido savienojumus ar gandrīz visiem metāliem - silicīdus (savienojumi tikai ar Bi, Tl, Pb, Hg nav atrasti). Ir iegūti vairāk nekā 250 silicīdi, kuru sastāvs (MeSi, MeSi 2, Me 5 Si 3, Me 3 Si, Me 2 Si un citi) parasti neatbilst klasiskajām valencēm. Silicīdi ir ugunsizturīgi un cieti; Ferosilīcijs (reducētājs īpašu sakausējumu kausēšanā, sk. Ferrosakausējumi) un molibdēna silicīds MoSi 2 (elektriskie krāsns sildītāji, gāzes turbīnu lāpstiņas utt.) ir vislielākā praktiskā nozīme.

Silīcija iegūšana. Tehniskas tīrības silīciju (95-98%) iegūst elektriskā loka veidā, starp grafīta elektrodiem reducējot silīcija dioksīdu SiO 2. Saistībā ar pusvadītāju tehnoloģiju attīstību ir izstrādātas metodes tīra un ļoti tīra silīcija iegūšanai, kas prasa iepriekšēju tīrāko sākotnējo silīcija savienojumu sintēzi, no kuriem silīciju iegūst reducēšanas vai termiskās sadalīšanās ceļā.

Tīru pusvadītāju silīciju iegūst divos veidos: polikristālisko (reducējot SiCl 4 vai SiHCl 3 ar cinku vai ūdeņradi, termiski sadalot SiI 4 un SiH 4) un monokristālu (bez tīģeļa zonas kausēšana un monokristāla “izvilkšana” no izkausēts silīcijs - Čočraļska metode).

Silīcija pielietojums. Speciāli leģēts silīcijs tiek plaši izmantots kā materiāls pusvadītāju ierīču (tranzistori, termistori, jaudas taisngrieži, tiristori; kosmosa kuģos izmantojamie saules fotoelementi utt.) ražošanai. Tā kā silīcijs ir caurspīdīgs stariem ar viļņu garumu no 1 līdz 9 mikroniem, to izmanto infrasarkanajā optikā,

Silīcijam ir daudzveidīgs un paplašinās pielietojums. Metalurģijā silīciju izmanto izkausētajos metālos izšķīdušā skābekļa noņemšanai (deoksidācija). Silīcijs ir daudzu dzelzs un krāsaino metālu sakausējumu sastāvdaļa. Parasti silīcijs nodrošina sakausējumiem paaugstinātu izturību pret koroziju, uzlabo to liešanas īpašības un palielina mehānisko izturību; tomēr augstākos līmeņos Silīcijs var izraisīt trauslumu. Vissvarīgākie ir dzelzs, vara un alumīnija sakausējumi, kas satur silīciju. Arvien lielāks daudzums silīcija tiek izmantots silīcija organisko savienojumu un silicīdu sintēzei. Silīcija dioksīdu un daudzus silikātus (mālus, laukšpats, vizla, talks u.c.) apstrādā stikla, cementa, keramikas, elektriskās un citās nozarēs.

Silīcijs organismā atrodams dažādu savienojumu veidā, galvenokārt iesaistīts cieto skeleta daļu un audu veidošanā. Daži jūras augi (piemēram, kramaļģes) un dzīvnieki (piemēram, silīcija sūkļi, radiolāri) var uzkrāt īpaši lielu silīcija daudzumu, veidojot biezas silīcija (IV) oksīda nogulsnes, mirstot uz okeāna dibena. Aukstajās jūrās un ezeros dominē biogēnās nogulsnes, kas bagātinātas ar silīciju; tropos. jūras - kaļķainas nogulsnes ar zemu silīcija saturu. No sauszemes augiem graudaugi, grīšļi, palmas un kosas uzkrāj daudz silīcija. Mugurkaulniekiem silīcija (IV) oksīda saturs pelnu vielās ir 0,1-0,5%. Lielākajā daudzumā silīcijs ir atrodams blīvos saistaudos, nierēs un aizkuņģa dziedzerī. Cilvēka ikdienas uzturā ir līdz 1 g silīcija. Ja gaisā ir liels silīcija (IV) oksīda putekļu saturs, tie nonāk cilvēka plaušās un izraisa slimību – silikozi.

Silīcijs ķermenī. Silīcijs organismā atrodams dažādu savienojumu veidā, galvenokārt iesaistīts cieto skeleta daļu un audu veidošanā. Daži jūras augi (piemēram, kramaļģes) un dzīvnieki (piemēram, silīcija sūkļi, radiolāri) var uzkrāt īpaši lielu silīcija daudzumu, veidojot biezas silīcija (IV) oksīda nogulsnes, mirstot uz okeāna dibena. Aukstajās jūrās un ezeros dominē biogēnās nogulsnes, kas bagātinātas ar silīciju; tropos. jūras - kaļķainas nogulsnes ar zemu silīcija saturu. No sauszemes augiem graudaugi, grīšļi, palmas un kosas uzkrāj daudz silīcija. Mugurkaulniekiem silīcija (IV) oksīda saturs pelnu vielās ir 0,1-0,5%. Lielākajā daudzumā silīcijs ir atrodams blīvos saistaudos, nierēs un aizkuņģa dziedzerī. Cilvēka ikdienas uzturā ir līdz 1 g silīcija. Ja gaisā ir liels silīcija (IV) oksīda putekļu saturs, tie nonāk cilvēka plaušās un izraisa saslimšanu ar silikozi.

Ar visām, kā saka, no tā izrietošajām sekām. Acīmredzot ir vērts apsvērt no šiem viedokļiem silīcijs ir diezgan parasts un diezgan neparasts elements.

Dabīgie silīcija savienojumi

"Tie man parāda," vienā no savām populārajām grāmatām rakstīja akadēmiķis A.E. Fersmans, "plašu priekšmetu klāstu: caurspīdīgu bumbiņu, kas dzirkstī saulē ar auksta avota ūdens tīrību, skaistu, raibu ahātu, spožu multi spēli. -krāsains opāls, tīras smiltis krastā jūra, zīdkoka tievs kausēta kvarca pavediens vai no tā izgatavoti karstumizturīgi trauki, skaisti izgrieztas kalnu kristāla kaudzes, fantastiskas jašmas noslēpumains dizains, pārakmeņots koks, kas pārvērsts akmenī, rupji apstrādāts sena cilvēka bultas uzgalis... tas viss ir viena un tā pati ķīmiskā elementu silīcija un skābekļa kombinācija.

Neatkarīgi no tā, cik daudzveidīgs šis saraksts ir, tas, protams, neizsmeļ dabisko silīcija savienojumu daudzveidību. Sāksim tomēr ar pieminētajiem. "Senā cilvēka rupji apstrādātais bultas uzgalis" tika izgatavots no krama. Kas ir krams? Mūsdienu cilvēks ir redzējis šos uzgaļus, kā arī krama pistoles, iespējams, tikai vēstures muzejā. Smēķētāju šķiltavās ievietotie “krami” pēc izskata vai sastāva nemaz nav līdzīgi šiem kramiem. Taču daudzi no mums bērnībā radīja dzirksteles, sitot oļus pret oļiem, un, visticamāk, tad rokās bija īsti krami.

Tātad, kas ir krams? Ķīmiķis uz šo jautājumu atbildēs burtiski saskaņā ar Fersmanu: silīcija dioksīds, silīcija dioksīds. Varbūt viņš piebildīs, ka silīcija silīcija dioksīds ir amorfs atšķirībā no kvarca smilšu un kalnu kristāla kristāliskā silīcija dioksīda un ka daži ķīmiķi uzskata silīciju par kristālisku hidrātu mSiO 2 -nH 2 O.

Ģeologs uz vienu un to pašu jautājumu atbildēs dažādi, bet arī vispār ikdienišķi: starp kaļķakmens un krīta atradnēm parasti atrodas plaši izplatīts un maz interesants minerālu veidojums, krama slāņi un “mezgliņi”...

Un tikai humānists-vēsturnieks atbildēs, ar entuziasmu jāatbild par kramu, jo tieši krams - neuzkrītošs un ne pārāk izturīgs akmens - savulaik palīdzēja cilvēkam kļūt par Cilvēku. Akmens laikmets ir krama darbarīku laikmets. Iemesls tam ir ne tikai un ne tik daudz krama izplatība un pieejamība, bet arī tā spēja šķeldot veidot asas griešanas malas.

Tagad pievērsīsimies krama kristāliskajiem analogiem: “smuki sagrieztas kalnu kristāla kaudzes”, “tīras smiltis jūras krastā”... Atšķirība starp tām ir neliela, būtībā tikai izmēros un piemaisījumos. Tīras smiltis ir tīrs kristālisks silīcija dioksīds. Tīrs kalnu kristāls ir tas pats. Un, kas ir arī ļoti svarīgi, abas šīs vielas ir polimēri, neorganiskie polimēri.

Viens no pirmajiem, kas ierosināja silīcija dioksīda polimēra struktūru, bija Dmitrijs Ivanovičs Mendeļejevs. Tieši ar šo apstākli viņš izskaidroja vielu nepastāvību un ugunsizturību ar sastāvu SiO 2 vai, pareizāk sakot, (SiO 2)n. Mūsu dienu rentgena struktūras pētījumi ir apstiprinājuši šī minējuma pareizību. Ir noskaidrots, ka kristāliskais silīcija dioksīds ir trīsdimensiju tīkla polimērs. Silīcija-skābekļa tetraedra ķēde ir ļoti spēcīga, saite starp silīciju un skābekli ir daudz spēcīgāka nekā, piemēram, saite starp oglekļa atomiem organisko polimēru ķēdēs. Silīcija-skābekļa ķēdēm ir arī pietiekama elastība, taču minerālu pasaulē tās veido stingrus pinumus telpisku režģu un tīklu veidā, kas mehāniskās apstrādes laikā ir trausli un nelokāmi. Lai silīcija-skābekļa ķēdes paliktu elastīgas un elastīgas, tās ir jāizolē viena no otras, ieskaujot citus atomus vai atomu grupas. To izdarīja ķīmiķi, kuri sintezēja tagad daudzos silīcija organiskos polimērus, kas tiks apspriesti turpmāk. Tomēr daba sniedza arī lielisku piemēru skābekļa un silīcija šķiedru polimēru savienojumam - tas ir azbests.

Mūsdienās ir ļoti grūti atbildēt uz bērna jautājumu, kura no kristāliskā silīcija dioksīda šķirnēm – smilts vai kalnu kristāls – mūsdienu cilvēkam ir svarīgāka. Ja ņemam vērā tikai dabisko kalnu kristālu, kura rezerves ir gandrīz izsmeltas, tad atbilde ir skaidra: protams, smiltis. Kvarca stikls ir izgatavots no kvarca smiltīm, un no tā tiek izgatavoti lieliski laboratorijas stikla trauki, īpašas nozīmes lampu cilindri un daudz kas cits. Kalnu kristāls ir ne tikai dekoratīvs materiāls, tas ir arī pjezoelektrisks. Radioinženierijai tas ir vajadzīgs arvien lielākā apjomā, un šīs nozares strauja attīstība diez vai būtu iespējama, ja cilvēki nebūtu iemācījušies audzēt lielkristālisko mākslīgo kvarcu monokristālu veidā.

Trīsdesmitajos gados Aleksandrs Jevgeņevičs Fersmans rakstīja: “Pēc dažām desmitgadēm ģeologi vairs neriskēs ar savu dzīvību, lai uzkāptu Alpu, Urālu vai Kaukāza virsotnēs, meklējot kristālus; viņi tos neiegūs sausos tuksnešos. Brazīlijas dienvidos vai Madagaskaras nogulumos. Esmu pārliecināts, ka nepieciešamos kvarca gabalus pasūtīsim pa tālruni no valsts kvarca rūpnīcas. Kvarca rūpnīcas parādījās pat agrāk, nekā zinātnieks prognozēja. Viņi ražo kvarca kristālus, kas nekādā ziņā nav zemāki par dabīgo kalnu kristālu, tādā daudzumā, kas ir pietiekams ne tikai radioelektronikas rūpniecībai, ne tikai optikai, bet arī juvelierizstrādājumiem. Ja šaubāties par šo apgalvojumu, iesakām sazināties ar jūsu mājām tuvāko juvelierizstrādājumu veikalu.

Mēs apzināti esam ierobežojuši stāstu par dabīgajiem silīcija savienojumiem, iekļaujot trīs vielas un būtībā vienu savienojumu. Jūs joprojām nevarat visu pateikt īsā esejā, bet savienojumi ar skābekli ir vissvarīgākie. Tomēr atgriezīsimies pie paša silīcija.

Neskatoties uz tā izplatību dabā, šis elements tika atklāts salīdzinoši vēlu. 1825. gadā izcilajam zviedru ķīmiķim un mineralogam Jensam Jakobam Berzēliusam izdevās izolēt ne pārāk tīru amorfu. silīcijs brūna pulvera veidā. Lai to izdarītu, viņš reducēja gāzveida vielu ar metālu kāliju, kas tagad pazīstams kā silīcija tetrafluorīds SiF 4, un papildus veica šādu reakciju:

K 2 SiF 6 + 4K → 6KF + Si.

Jaunais elements tika nosaukts par silīciju (no latīņu silex — krama). Krievu nosaukums šim elementam parādījās deviņus gadus vēlāk, 1834. gadā, un atšķirībā no, teiksim, “borotvor” ir laimīgi izdzīvojis līdz mūsdienām.

Silīcijs, tāpat kā ogleklis, veido dažādas alotropiskas modifikācijas. Kristāliskais silīcijs ir tikpat maz līdzīgs amorfajam silīcijam kā dimants grafītam. Tā ir tērauda pelēka cieta viela ar metālisku spīdumu un tāda paša veida kristāla režģi, kas ir centrēts dimants. Tomēr amorfais silīcijs, kā izrādījās, arī nav amorfs, bet gan smalki kristālisks.

Pirmā rūpnieciskā silīcija ražošanas metode, kas izgudrota 19. gadsimta otrajā pusē. slavenā krievu ķīmiķa N.N. Beketova pamatā ir silīcija tetrahlorīda SiCl 4 reducēšana ar cinka tvaikiem. Tehniski tīru silīciju (95–98% Si) tagad ražo galvenokārt silīcija dioksīda reducēšanas rezultātā elektriskā lokā starp grafīta elektrodiem. Joprojām tiek izmantota pagājušajā gadsimtā izgudrotā silīcija dioksīda reducēšanas metode ar koksu elektriskās krāsnīs. Ar šo metodi tiek iegūts arī tehniskais silīcijs, kas nepieciešams metalurģijai kā deoksidētājs, kas saista un atdala no metāla skābekli, kā arī kā leģējoša piedeva, kas palielina tēraudu un daudzu sakausējumu, kuru pamatā ir krāsainie metāli, izturību un izturību pret koroziju. Tomēr šeit ir svarīgi nepārspīlēt: silīcija pārpalikums var izraisīt trauslumu.

Beketa silīcija iegūšanas metode (reakcijā starp cinka tvaiku un silīcija tetrahlorīdu, gaistošu bezkrāsainu šķidrumu, kura viršanas temperatūra ir tikai 57,6 ° C) nav kļuvusi par pagātni. Tas ir viens no veidiem, kā iegūt augstas tīrības pakāpes pusvadītāju silīciju.

Tiek uzskatīts, ka pie absolūtās nulles ideālā gadījumā tīram un ideāli regulāram monokristāliskam silīcijam vajadzētu būt ideālam elektriskam izolatoram. Bet ideāla tīrība ir tikpat nesasniedzama kā absolūtā nulle. Mūsu gadījumā tas ir tas, ko sauc par labu. Nav ideāls, bet vienkārši augstas tīrības pakāpes un īpaši tīrs silīcijs ir kļuvis par vissvarīgāko pusvadītāju materiālu. Temperatūrā, kas atšķiras no absolūtās nulles, tajā rodas sava vadītspēja, un elektriskās strāvas nesēji ir ne tikai brīvie elektroni, bet arī tā sauktie caurumi - elektronu pamestas vietas.

Ievadot īpaši tīrā silīcijā noteiktas leģējošās piedevas (mikro daudzumos; tas parasti tiek darīts, izmantojot jonu staru iekārtas), tajā tiek radīta tāda vai cita veida vadītspēja. Periodiskās tabulas trešās grupas elementu pievienošana rada caurumu vadītspēju, bet piektās - elektroniskās. Tas, ko pusvadītāji mums šodien nozīmē, droši vien nav jāskaidro. Īsi parunāsim par pusvadītāju silīcija ražošanas metodēm.

Viena no šīm metodēm ir minēta iepriekš. Mēs tikai atzīmējam, ka augstas tīrības pakāpes cinka tvaiku reakcija ar ļoti tīru silīcija tetrahlorīdu tiek veikta 950 ° C temperatūrā cauruļveida reaktorā, kas izgatavots no kausēta kvarca. Elementārais silīcijs veidojas adatveida kristālu veidā, kurus pēc tam sasmalcina un mazgā ar sālsskābi, protams, arī ļoti tīru. Tam seko vēl viens attīrīšanas posms - zonas kausēšana, un tikai pēc tam polikristāliskā silīcija masa tiek pārvērsta monokristālos.

Ir arī citas reakcijas, kas rada augstas tīrības pakāpes pusvadītāju silīciju. Tā ir trihlorsilāna SiHCl 3 vai silīcija tetrahlorīda SiCl 4 reducēšana ar ūdeņradi un monosilāna, silīcija hidrīda SiH 4 vai tetrajodīda SiJ 4 termiskā sadalīšana. Pēdējā gadījumā savienojuma sadalīšanās notiek uz tantala lentes, kas uzkarsēta līdz 1000°C. Katrai no šīm reakcijām seko papildu attīrīšana ar zonas kausēšanu. Pusvadītāju silīcijā piemaisījumu saturs ir ārkārtīgi zems - 10-5-10-6% un pat mazāk.

Organiskais silīcijs

Pirmais organiskais savienojums, kas satur silīciju, tika iegūts 1845. gadā etilspirta reakcijā ar silīcija tetrahlorīdu: SiCl 4 + 4C 2 H 5 OH → Si(OC 2 H 5) 4 + 4HCl. Bet šī nebija pirmā silīcija organiskā savienojuma sintēze tādā nozīmē, ka mūsdienu ķīmiskā nomenklatūra saprot šo jēdzienu. Tikai tie savienojumi, kas satur oglekļa-silīcija saiti, tagad tiek atzīti par silīciju. Tātad pirmais silīcija organiskais savienojums - tetraetilsilīcija Si (C 2 H 5) 4 - tika iegūts tikai 1863. gadā.

Protams, tolaik neviens neiedomājās, ka pēc 100 gadiem silīcijs attīstīsies par neatkarīgu un nozīmīgu ķīmijas zinātnes nozari, ka silīcija organiskie savienojumi, īpaši polimēru savienojumi, kļūs ļoti svarīgi daudzu veidu rūpniecībā, transportā un celtniecībā, pat ikdienai.

Pirms mazgāšanas pieredzējusī saimniece ieziest rokas ar silikona krēmu, kas pasargās tās ne tikai no ūdens, bet arī no sodas vai veļas pulvera kodīgās iedarbības. Nododot kleitu vai uzvalku tīrīšanai, labprāt piemaksājam par krokojošu locījumu un “impregnēšanu”, pateicoties kam kleita kļūs mazāk netīra. Abos gadījumos mūsu drēbes ķīmiskās tīrīšanas rūpnīcā tiks apstrādātas ar silīcija organiskajiem šķidrumiem...

Šī pati ķīmijas zinātnes nozare mums ir devusi karstumizturīgākās un tajā pašā laikā sala izturīgākās sintētiskās gumijas. Silīcija organisko gumiju darba temperatūras diapazons ir no -80 līdz +260°C, un šīs gumijas jau sen pastāv nevis eksotisku laboratorijas paraugu veidā, bet gan masveida industriālo produktu veidā.

Silīcija organiskās lakas, kas ir silīcija organisko polimēru šķīdumi, ir ļoti svarīgas mūsdienu elektrotehnikā. Tiem ir lieliskas elektriskās izolācijas īpašības un tie ir izturīgi pret laikapstākļiem, temperatūras izmaiņām un saules starojumu. Šeit ir tikai viens piemērs šādu materiālu efektivitātei tehnoloģijā. Pirms silīcija organisko laku ieviešanas raktuvēs griezējmašīnas elektromotora izolācija ilga vidēji 5 mēnešus. Izmantojot silīcija organisko laku kā izolāciju, dzinēja kalpošanas laiks pirms pirmā remonta palielinājās līdz 3 gadiem.

Var minēt desmitiem līdzīgu piemēru, un to skaits ar katru gadu pieaugs: parādās jaunas vielas, kas līdzās silīcijam un tradicionālajiem organiskās pasaules elementiem ietver alumīniju, titānu un citus metālus. Katrs ienes molekulā kaut ko citu, un kādā posmā kvantitāte pārvēršas kvalitātē.

Silīcijs mikroorganismos

Daudzi slaveni zinātnieki ir strādājuši un turpina strādāt šajā ķīmijas jomā. Padomju silīcija organiskās ķīmijas skolu dibināja akadēmiķis K. A. Andrianovs, kurš tālajā 1937. gadā ieguva pasaulē pirmos silīcija organiskos polimērus – poliorganosiloksānus.

Pirms desmit gadiem rakstītā apskata rakstā par silīciju šāda sadaļa nebūtu bijusi vajadzīga. Zinātne pārāk maz zināja par silīcija lomu augstāko dzīvnieku un cilvēku dzīvē. Bija zināms, ka silīcijs (tā dioksīds) veido pamatu dažu jūras organismu skeletiem - radiolariāniem, kramaļģiem, dažiem sūkļiem, jūras zvaigznēm. Ir arī zināms, ka tas ir vajadzīgs augiem: no graudaugiem un grīšļiem līdz palmām un bambusam. Jo stingrāks ir auga stublājs, jo vairāk silīcija ir tā pelnos. Augi, tāpat kā jūras dzīvnieki, ņem silīciju no ūdens. Apmēram 3 mg/l silīcija tiek izšķīdināts gan saldūdenī, gan sālsūdenī (silīcija skābju un to sāļu veidā). Silīcija loma augstāko dzīvnieku un cilvēku dzīvē ilgu laiku palika neskaidra. Plaši tika uzskatīts, ka silīcija savienojumi ir bioloģiski inerti un bezjēdzīgi.

Bet, no otras puses, jau sen ir zināma nopietna slimība - silikoze, ko izraisa ilgstoša brīvo silīcija dioksīdu saturošu putekļu ieelpošana. Daži silīcija organiskie savienojumi – arilsilatroni – ir izrādījušies toksiski visiem siltasiņu dzīvniekiem. Un tajā pašā laikā ir zināms, ka silīcijs ir atrodams gandrīz visur cilvēka organismā, visvairāk kaulos, ādā, saistaudos un arī dažos dziedzeros. Kad kauli tiek lauzti, silīcija saturs lūzuma vietā palielinās gandrīz 50 reizes. Minerālūdeņi ar augstu silīcija saturu (piemēram, slavenais Kaukāza ūdens “Jermuk”) labvēlīgi ietekmē cilvēku, īpaši vecāka gadagājuma cilvēku, veselību.

Nevarētu teikt, ka silīcija loma dzīvē būtu pilnībā noskaidrota – drīzāk gluži otrādi: jaunas informācijas parādīšanās arvien sarežģītāk padara ainu. Daudzas laboratorijas visā pasaulē šobrīd nodarbojas ar bioloģiski aktīvo silīcija savienojumu sintēzi un izpēti. Irkutskas Organiskās ķīmijas institūta darbinieki PSRS Zinātņu akadēmijas korespondētāja M. G. Voronkova vadībā ļoti aktīvi strādā pie problēmu kopuma, ko īsumā var saukt par tādu pašu, kā nosaukta šī nodaļa, t.i., silīcija un dzīvi. Vienā no saviem rakstiem viņš rakstīja: “Jau pieejamie daudzie novērojumi ļauj secināt, ka ir nepieciešami plaši un rūpīgi pētījumi (arī molekulārā līmenī) par silīcija lomu dzīvos organismos un izpētīt iespējas. izmantot šī elementa savienojumus dažādu slimību un traumu ārstēšanai un profilaksei, kā arī cīņai pret novecošanu. Droši vien tikai pēdējā tēze šeit prasa skaidrojumu. Fakts ir tāds, ka ir konstatētas ar vecumu saistītas silīcija metabolisma pazīmes organismā: ar vecumu šī elementa saturs kaulu audos, artērijās un ādā ievērojami samazinās...

Šī mūsu zināšanu sadaļa par elementu Nr.14 vēl nav kļuvusi par vispārpieņemtu, iedibinātu patiesību kopumu. Taču, acīmredzot, šajās dienās notiek cīņa par zināšanām par silīciju, tuvāko oglekļa analogu, kas ir svarīgs elements.

Ogleklis spēj veidot vairākas alotropiskas modifikācijas. Tie ir dimants (inertākā alotropiskā modifikācija), grafīts, fullerēns un karbīns.

Kokogles un sodrēji ir amorfs ogleklis. Ogleklim šajā stāvoklī nav sakārtotas struktūras, un tas faktiski sastāv no sīkiem grafīta slāņu fragmentiem. Amorfo ogli, kas apstrādāta ar karsta ūdens tvaiku, sauc par aktīvo ogli. 1 gramam aktīvās ogles, jo tajā ir daudz poru, kopējā virsma ir vairāk nekā trīs simti kvadrātmetru! Pateicoties spējai absorbēt dažādas vielas, aktīvā ogle tiek plaši izmantota kā filtra pildviela, kā arī enterosorbents dažāda veida saindēšanās gadījumos.

No ķīmiskā viedokļa amorfs ogleklis ir tā aktīvākā forma, grafīts uzrāda mērenu aktivitāti, un dimants ir ārkārtīgi inerta viela. Šā iemesla dēļ oglekļa ķīmiskās īpašības, kas aplūkotas turpmāk, galvenokārt būtu attiecināmas uz amorfo oglekli.

Samazinošas oglekļa īpašības

Kā reducētājs ogleklis reaģē ar nemetāliem, piemēram, skābekli, halogēniem un sēru.

Atkarībā no skābekļa pārpalikuma vai trūkuma ogļu sadegšanas laikā ir iespējama oglekļa monoksīda CO vai oglekļa dioksīda CO 2 veidošanās:

Ogleklim reaģējot ar fluoru, veidojas oglekļa tetrafluorīds:

Karsējot oglekli ar sēru, veidojas oglekļa disulfīds CS 2:

Ogleklis spēj reducēt metālus pēc alumīnija aktivitāšu sērijās no to oksīdiem. Piemēram:

Ogleklis reaģē arī ar aktīvo metālu oksīdiem, taču šajā gadījumā parasti tiek novērota nevis metāla reducēšanās, bet gan tā karbīda veidošanās:

Oglekļa mijiedarbība ar nemetālu oksīdiem

Ogleklis iesaistās koproporcijas reakcijā ar oglekļa dioksīdu CO 2:

Viens no svarīgākajiem procesiem no rūpnieciskā viedokļa ir t.s tvaika ogļu pārveide. Process tiek veikts, izlaižot ūdens tvaikus caur karstām oglēm. Notiek šāda reakcija:

Augstās temperatūrās ogleklis spēj reducēt pat tādu inertu savienojumu kā silīcija dioksīds. Šajā gadījumā atkarībā no apstākļiem ir iespējama silīcija vai silīcija karbīda veidošanās ( karborunds):

Arī ogleklis kā reducētājs reaģē ar oksidējošām skābēm, jo ​​īpaši ar koncentrētu sērskābi un slāpekļskābi:

Oglekļa oksidatīvās īpašības

Ķīmiskais elements ogleklis nav ļoti elektronnegatīvs, tāpēc vienkāršajām vielām, ko tas veido, reti ir oksidējošas īpašības pret citiem nemetāliem.

Šādu reakciju piemērs ir amorfā oglekļa mijiedarbība ar ūdeņradi, karsējot katalizatora klātbūtnē:

un arī ar silīciju 1200-1300 o C temperatūrā:

Ogleklim piemīt oksidējošas īpašības attiecībā pret metāliem. Ogleklis spēj reaģēt ar aktīviem metāliem un dažiem vidējas aktivitātes metāliem. Sildot, rodas reakcijas:

Aktīvos metālu karbīdus hidrolizē ūdens:

kā arī neoksidējošu skābju šķīdumi:

Šajā gadījumā veidojas ogļūdeņraži, kas satur oglekli tādā pašā oksidācijas stāvoklī kā sākotnējā karbīdā.

Silīcija ķīmiskās īpašības

Silīcijs, tāpat kā ogleklis, var pastāvēt kristāliskā un amorfā stāvoklī, un, tāpat kā oglekļa gadījumā, amorfais silīcijs ir ievērojami ķīmiski aktīvāks nekā kristāliskais silīcijs.

Dažreiz amorfo un kristālisko silīciju sauc par alotropiskām modifikācijām, kas, stingri ņemot, nav pilnīgi taisnība. Amorfais silīcijs būtībā ir sīku kristāliskā silīcija daļiņu konglomerāts, kas nejauši atrodas viena pret otru.

Silīcija mijiedarbība ar vienkāršām vielām

nemetāli

Normālos apstākļos silīcijs savas inerces dēļ reaģē tikai ar fluoru:

Silīcijs reaģē ar hloru, bromu un jodu tikai sildot. Raksturīgi, ka atkarībā no halogēna aktivitātes ir nepieciešama attiecīgi atšķirīga temperatūra:

Tātad ar hloru reakcija notiek 340-420 o C temperatūrā:

Ar bromu – 620-700 o C:

Ar jodu – 750-810 o C:

Visus silīcija halogenīdus viegli hidrolizē ūdens:

kā arī sārmu šķīdumi:

Silīcija reakcija ar skābekli notiek, bet tai nepieciešama ļoti spēcīga karsēšana (1200-1300 o C), jo spēcīga oksīda plēve apgrūtina mijiedarbību:

1200–1500 o C temperatūrā silīcijs lēnām mijiedarbojas ar oglekli grafīta veidā, veidojot karborunda SiC - vielu ar atomu kristālisko režģi, kas ir līdzīgs dimantam un gandrīz nav zemāks par to:

Silīcijs nereaģē ar ūdeņradi.

metāli

Zemās elektronegativitātes dēļ silīcijam var būt oksidējošas īpašības tikai attiecībā uz metāliem. No metāliem silīcijs reaģē ar aktīviem (sārmu un sārmzemju) metāliem, kā arī daudziem vidējas aktivitātes metāliem. Šīs mijiedarbības rezultātā veidojas silicīdi:

Aktīvo metālu silicīdus viegli hidrolizē ūdens vai atšķaidīti neoksidējošu skābju šķīdumi:

Šajā gadījumā veidojas silāna gāze SiH 4 - metāna CH 4 analogs.

Silīcija mijiedarbība ar sarežģītām vielām

Silīcijs nereaģē ar ūdeni pat vārot, tomēr amorfais silīcijs mijiedarbojas ar pārkarsētiem ūdens tvaikiem aptuveni 400-500 o C temperatūrā. Tādā gadījumā veidojas ūdeņradis un silīcija dioksīds:

No visām skābēm silīcijs (amorfā stāvoklī) reaģē tikai ar koncentrētu fluorūdeņražskābi:

Silīcijs izšķīst koncentrētos sārmu šķīdumos. Reakciju pavada ūdeņraža izdalīšanās.

Silīcijs ir Mendeļejeva periodiskās sistēmas IV grupas ķīmiskais elements, atomskaitlis 14, atommasa 28,0855. Kādas īpašības piemīt silīcijam un kādas ir tā īpašības?

Silīcija vispārīgās ķīmiskās īpašības

Silīcijs ir IVA grupas trešā perioda elements, p-elements. Silīcija atomā ir piecas neaizņemtas d-orbitāles. Ar viņu līdzdalību silīcijs veido savienojumus, kuros tā koordinācijas skaitlis ir 6. Silīciju raksturo ķēžu veidošanās, kurās mijas silīcija un skābekļa atomi, kas savienoti ar spēcīgām saitēm.

Rīsi. 1. Silīcijs.

Silīcijs dabā sastopams saistītā veidā: vairāk nekā pusi no zemes garozas veido silīcija dioksīds SiO 2, silikāta aluminosilikāta ieži, piemēram, kaolinīts Al 2 O 3 *2SiO 2 *2H 2 O, galvenās smilšu un māla sastāvdaļas.

Šis elements savu nosaukumu ieguvis no minerāla ar latīņu nosaukumu silisium (silex nozīmē krams). Krievu nosaukums "silīcija" tika ieviests 1834. Akadēmiķis G.I. Hess.

Fizikālās īpašības

Ir zināms amorfs un kristālisks silīcijs. Kristāliskā silīcija būtība ir tāda, ka tas ir tumši pelēks ar metālisku spīdumu, ugunsizturīga, trausla kristāliska viela ar nenozīmīgu vadītspēju.

Si atomu izvietojums ir tāds pats kā C atomiem dimantā. Katrs silīcija atoms atrodas tetraedra centrā un ir kovalenti saistīts ar četriem citiem silīcija atomiem. Amorfs silīcijs ir brūns pulveris, kas ir vairāk reaģējošs.

Silīcijam ir trīs stabili izotopi, kas atrodami dabā.

Rīsi. 2. Silīcija izotopi.

Ķīmiskās īpašības

Tā kā silīcija atomam ārējā enerģijas līmenī ir četri elektroni, tā raksturīgie oksidācijas stāvokļi ir +4 un -4.

Savienojumi, kas satur silīciju ar +2 oksidācijas pakāpi, ir reti sastopami.

Savienojumos silīcijam ir IV valence, kas karsējot mijiedarbojas ar vienkāršām vielām (fluoru, hloru, skābekli, oglekli).

Normālos apstākļos silīcijs reaģē tikai ar fluoru starp vienkāršām vielām:

Si+2F2 = SiF4 (silīcija tetrafluorīds)

Rīsi. 3. Silīcija tetrafluorīds.

Reakcijas ar skābekli un fluoru notiek pie +400-+600 grādiem:

Si+O 2 =SiO 2

Si+2Cl=SiCl4 (silīcija tetrahlorīds)

Silīcijs nereaģē ar skābēm. Tikai amorfs silīcijs, kas samalts pulverī, reaģē ar fluorūdeņražskābi.

Silīcijs reaģē ar karstiem sārmu šķīdumiem, veidojot silikātus un ūdeņradi:

Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2

Silīcijs ķīmiski reaģē ar daudziem metāliem, veidojot silicīdus:

2Ca+Si=Ca2Si (kalcija silicīds)

2Mg+Si=Mg2Si (magnija silicīds)

Kad sālsskābe iedarbojas uz magnija silicīdu Mg 2 Si, veidojas silāns SiH 4:

Mg2Si+4HCl=SiH4+2MgCl2

Silāns ir bezkrāsaina indīga gāze, metāna analogs, kas gaisā pašaizdegas un deg, veidojot silīcija oksīdu un ūdeni:

SiH4 +2O2 =SiO2 +2H2O

Ko mēs esam iemācījušies?

Rakstā ir aprakstītas elementa silīcija fizikālās un ķīmiskās īpašības. Silīcija valence gandrīz vienmēr ir IV, un tikai dažos savienojumos parādās II valence. Silīcijs, karsējot, spēj reaģēt ar metāliem, nemetāliem un sārmiem.

Tests par tēmu

Ziņojuma izvērtēšana

Vidējais vērtējums: 4.1. Kopējais saņemto vērtējumu skaits: 62.