Fyzikálne vlastnosti kryštalického kremíka. Kremík a jeho liečivé vlastnosti. Výskyt v prírode: ložiská

Ako nezávislý chemický prvok sa kremík stal známym ľudstvu až v roku 1825. Čo, samozrejme, nebránilo použitiu zlúčenín kremíka v toľkých oblastiach, že je jednoduchšie vymenovať tie, kde sa prvok nepoužíva. Tento článok osvetlí fyzikálne, mechanické a užitočné chemické vlastnosti kremíka a jeho zlúčenín, aplikácie a povieme si aj to, ako kremík ovplyvňuje vlastnosti ocele a iných kovov.

Najprv sa pozrime na všeobecné charakteristiky kremíka. Od 27,6 do 29,5 % hmotnosti zemskej kôry tvorí kremík. V morskej vode je koncentrácia prvku tiež značná – až 3 mg/l.

Z hľadiska množstva v litosfére je kremík na druhom mieste po kyslíku. Jeho najznámejšou formou, oxidom kremičitým, je však oxid a práve jeho vlastnosti sa stali základom pre také široké využitie.

Toto video vám povie, čo je kremík:

Koncept a vlastnosti

Kremík je nekov, ale za rôznych podmienok môže vykazovať kyslé aj zásadité vlastnosti. Je to typický polovodič a v elektrotechnike je mimoriadne široko používaný. Jeho fyzikálne a chemické vlastnosti sú do značnej miery určené jeho alotropným stavom. Najčastejšie sa zaoberajú kryštalickou formou, pretože jej kvality sú v národnom hospodárstve viac žiadané.

  • Kremík je jedným zo základných makroprvkov v ľudskom tele. Jeho nedostatok nepriaznivo ovplyvňuje stav kostného tkaniva, vlasov, kože a nechtov. Okrem toho kremík ovplyvňuje výkonnosť imunitného systému.
  • V medicíne prvok alebo skôr jeho zlúčeniny našli svoje prvé uplatnenie práve v tejto funkcii. Voda zo studní vystlaných kremíkom bola nielen čistá, ale mala aj pozitívny vplyv na odolnosť voči infekčným chorobám. Dnes zlúčeniny s kremíkom slúžia ako základ liekov proti tuberkulóze, ateroskleróze a artritíde.
  • Vo všeobecnosti je nekov málo aktívny, ale je ťažké ho nájsť v čistej forme. Je to spôsobené tým, že vo vzduchu je rýchlo pasivovaný vrstvou oxidu a prestáva reagovať. Pri zahrievaní sa chemická aktivita zvyšuje. V dôsledku toho je ľudstvo oveľa lepšie oboznámené so zlúčeninami hmoty ako so sebou samým.

Kremík teda tvorí zliatiny takmer so všetkými kovmi – silicidy. Všetky sa vyznačujú žiaruvzdornosťou a tvrdosťou a používajú sa vo vhodných oblastiach: plynové turbíny, ohrievače pecí.

Nekov je umiestnený v tabuľke D.I. Mendelejeva v skupine 6 spolu s uhlíkom a germániom, čo naznačuje určitú zhodu s týmito látkami. Čo má teda spoločné s uhlíkom, je jeho schopnosť vytvárať zlúčeniny organického typu. Zároveň kremík, podobne ako germánium, môže pri niektorých chemických reakciách vykazovať vlastnosti kovu, ktorý sa využíva pri syntéze.

Výhody a nevýhody

Ako každá iná látka z hľadiska použitia v národnom hospodárstve má kremík určité užitočné alebo nie veľmi užitočné vlastnosti. Sú dôležité práve pre určenie oblasti použitia.

  • Významnou výhodou látky je jej dostupnosť. V prírode sa síce nenachádza vo voľnej forme, ale predsa len technológia výroby kremíka nie je až taká zložitá, aj keď je energeticky náročná.
  • Druhá najdôležitejšia výhoda je tvorba mnohých zlúčenín s nezvyčajne užitočnými vlastnosťami. Patria sem silány, silicidy, oxid a samozrejme široká škála silikátov. Schopnosť kremíka a jeho zlúčenín vytvárať komplexné tuhé roztoky je takmer nekonečná, čo umožňuje nekonečne získavať širokú škálu variácií skla, kameňa a keramiky.
  • Vlastnosti polovodičov nekov jej poskytuje miesto ako základný materiál v elektrotechnike a rádiotechnike.
  • Nekov je netoxický, ktorý umožňuje použitie v akomkoľvek odvetví a zároveň nepremieňa technologický proces na potenciálne nebezpečný.

Medzi nevýhody materiálu patrí iba relatívna krehkosť s dobrou tvrdosťou. Kremík sa nepoužíva na nosné konštrukcie, ale táto kombinácia umožňuje správne opracovanie povrchu kryštálov, čo je dôležité pre výrobu nástrojov.

Poďme si teraz povedať o základných vlastnostiach kremíka.

Vlastnosti a charakteristiky

Keďže kryštalický kremík sa najčastejšie používa v priemysle, dôležitejšie sú jeho vlastnosti, ktoré sú uvedené v technických špecifikáciách. Fyzikálne vlastnosti látky sú nasledovné:

  • teplota topenia – 1417 C;
  • bod varu – 2600 C;
  • hustota je 2,33 g/cu. cm, čo naznačuje krehkosť;
  • tepelná kapacita, ako aj tepelná vodivosť nie sú konštantné ani na najčistejších vzorkách: 800 J/(kg K), alebo 0,191 cal/(g deg) a 84-126 W/(m K), alebo 0,20-0, 30 cal/(cm.sec.deg);
  • transparentné až dlhovlnné infračervené žiarenie, ktoré sa používa v infračervenej optike;
  • dielektrická konštanta – 1,17;
  • tvrdosť na Mohsovej stupnici – 7.

Elektrické vlastnosti nekovu sú vysoko závislé od nečistôt. V priemysle sa táto funkcia využíva moduláciou požadovaného typu polovodiča. Pri bežných teplotách je kremík krehký, ale pri zahriatí nad 800 C je možná plastická deformácia.

Vlastnosti amorfného kremíka sú nápadne odlišné: je vysoko hygroskopický a reaguje oveľa aktívnejšie aj pri normálnych teplotách.

Štruktúra a chemické zloženie, ako aj vlastnosti kremíka sú diskutované vo videu nižšie:

Zloženie a štruktúra

Kremík existuje v dvoch alotropných formách, ktoré sú pri normálnych teplotách rovnako stabilné.

  • Crystal má vzhľad tmavosivého prášku. Látka, hoci má kryštálovú mriežku podobnú diamantu, je krehká v dôsledku príliš dlhých väzieb medzi atómami. Zaujímavé sú jeho polovodičové vlastnosti.
  • Pri veľmi vysokých tlakoch sa môžete dostať šesťuholníkový modifikácia s hustotou 2,55 g/cu. cm Táto fáza však zatiaľ nenašla praktický význam.
  • Amorfný– hnedo-hnedý prášok. Na rozdiel od kryštalickej formy reaguje oveľa aktívnejšie. Dôvodom nie je ani tak inertnosť prvej formy, ale skutočnosť, že vo vzduchu je látka pokrytá vrstvou oxidu uhličitého.

Okrem toho je potrebné vziať do úvahy ďalší typ klasifikácie súvisiaci s veľkosťou kryštálu kremíka, ktoré spolu tvoria látku. Kryštalická mriežka, ako je známe, predpokladá usporiadanie nielen atómov, ale aj štruktúr, ktoré tieto atómy tvoria - takzvaný ďalekonosný poriadok. Čím je väčšia, tým homogénnejšia bude látka vo vlastnostiach.

  • Monokryštalický– vzorka je jeden kryštál. Jeho štruktúra je maximálne usporiadaná, jeho vlastnosti sú homogénne a dobre predvídateľné. Ide o materiál, ktorý je v elektrotechnike najžiadanejší. Je to však aj jeden z najdrahších druhov, keďže proces jeho získavania je zložitý a rýchlosť rastu je nízka.
  • Multikryštalický– vzorka pozostáva z množstva veľkých kryštalických zŕn. Hranice medzi nimi tvoria ďalšie úrovne defektov, čo znižuje výkon vzorky ako polovodiča a vedie k rýchlejšiemu opotrebovaniu. Technológia pestovania multikryštálov je jednoduchšia, a preto je materiál lacnejší.
  • Polykryštalický– pozostáva z veľkého počtu zŕn umiestnených náhodne voči sebe. Ide o najčistejší typ priemyselného kremíka, ktorý sa používa v mikroelektronike a solárnej energii. Pomerne často sa používa ako surovina na pestovanie multi- a monokryštálov.
  • Samostatnú pozíciu v tejto klasifikácii zaujíma aj amorfný kremík. Tu je poradie atómov zachované len na najkratších vzdialenostiach. V elektrotechnike sa však stále používa vo forme tenkých vrstiev.

Nekovová výroba

Získanie čistého kremíka nie je také jednoduché, vzhľadom na inertnosť jeho zlúčenín a vysokú teplotu topenia väčšiny z nich. V priemysle sa najčastejšie uchyľujú k redukcii uhlíkom z oxidu uhličitého. Reakcia prebieha v oblúkových peciach pri teplote 1800 C. Týmto spôsobom sa získa nekov s čistotou 99,9 %, čo na jeho použitie nestačí.

Výsledný materiál sa chlóruje za vzniku chloridov a hydrochloridov. Potom sú zlúčeniny čistené všetkými možnými metódami od nečistôt a redukované vodíkom.

Látka sa môže čistiť aj získaním silicidu horečnatého. Silicid je vystavený pôsobeniu kyseliny chlorovodíkovej alebo octovej. Získa sa silán, ktorý sa čistí rôznymi metódami - sorpciou, rektifikáciou atď. Potom sa silán rozloží na vodík a kremík pri teplote 1000 C. V tomto prípade sa získa látka s podielom nečistôt 10 -8 -10 -6 %.

Aplikácia látky

Pre priemysel sú elektrofyzikálne vlastnosti nekovov najzaujímavejšie. Jeho monokryštálová forma je polovodič s nepriamou medzerou. Jeho vlastnosti sú určené nečistotami, čo umožňuje získať kryštály kremíka so špecifikovanými vlastnosťami. Pridanie bóru a india teda umožňuje pestovať kryštál s dierovou vodivosťou a zavedenie fosforu alebo arzénu umožňuje pestovať kryštál s elektrónovou vodivosťou.

  • Kremík doslova slúži ako základ modernej elektrotechniky. Vyrábajú sa z neho tranzistory, fotobunky, integrované obvody, diódy atď. Navyše o funkčnosti zariadenia takmer vždy rozhoduje len povrchová vrstva kryštálu, ktorá určuje veľmi špecifické požiadavky na povrchovú úpravu.
  • V metalurgii sa technický kremík používa ako modifikátor zliatiny - dáva väčšiu pevnosť, ako aj ako zložka - napríklad v a ako deoxidačné činidlo - pri výrobe liatiny.
  • Ultračisté a vyčistené hutnícke materiály tvoria základ slnečnej energie.
  • Nekovový oxid sa v prírode vyskytuje v mnohých rôznych formách. Jeho krištáľové odrody - opál, achát, karneol, ametyst, horský krištáľ - našli svoje miesto v šperkoch. V metalurgii, stavebníctve a rádioelektronike sa používajú modifikácie, ktoré nie sú až také atraktívne - pazúrik, kremeň.
  • Zlúčenina nekovu s uhlíkom, karbid, sa používa v metalurgii, výrobe nástrojov a chemickom priemysle. Ide o širokopásmový polovodič, ktorý sa vyznačuje vysokou tvrdosťou - 7 na Mohsovej stupnici a pevnosťou, ktorá umožňuje jeho použitie ako brúsneho materiálu.
  • Silikáty – teda soli kyseliny kremičitej. Nestabilný, ľahko sa rozkladá vplyvom teploty. Ich pozoruhodnou vlastnosťou je, že tvoria početné a rozmanité soli. Ale posledné sú základom pre výrobu skla, keramiky, kameniny, krištáľu atď. Môžeme s istotou povedať, že moderná konštrukcia je založená na rôznych silikátoch.
  • Sklo tu predstavuje najzaujímavejší prípad. Jeho základom sú hlinitokremičitany, ale nepatrné prímesi iných látok – zvyčajne oxidov – dodávajú materiálu množstvo rôznych vlastností vrátane farby. -, kamenina, porcelán má v podstate rovnaký vzorec, aj keď s iným pomerom zložiek a úžasná je aj jeho rozmanitosť.
  • Nekov má ešte jednu schopnosť: tvorí zlúčeniny ako uhlík, vo forme dlhého reťazca atómov kremíka. Takéto zlúčeniny sa nazývajú organokremičité zlúčeniny. Rozsah ich použitia je nemenej známy - sú to silikóny, tmely, mazivá atď.

Kremík je veľmi bežným prvkom a má nezvyčajne veľký význam v mnohých oblastiach národného hospodárstva. Okrem toho sa aktívne používa nielen samotná látka, ale všetky jej rôzne a početné zlúčeniny.

Toto video vám povie o vlastnostiach a aplikáciách kremíka:

Na zemi rozšírené zlúčeniny kremíka sú človeku známe už od doby kamennej. Používanie kamenných nástrojov na prácu a lov pokračovalo niekoľko tisícročí. Používanie zlúčenín kremíka spojené s ich spracovaním – výrobou skla – sa začalo okolo roku 3000 pred Kristom. e. (v starovekom Egypte). Najstaršia známa zlúčenina kremíka je oxid Si02 (oxid kremičitý). V 18. storočí bol oxid kremičitý považovaný za jednoduchú pevnú látku a označoval sa ako „zeminy“ (ako sa odráža v jeho názve). Zložitosť zloženia oxidu kremičitého stanovil I. Ya Berzelius. Prvýkrát, v roku 1825, získal elementárny kremík z fluoridu kremíka SiF 4, pričom ho redukoval kovom draslíka. Nový prvok dostal názov „kremík“ (z latinského silex – pazúrik). Ruské meno zaviedol G. I. Hess v roku 1834.

Distribúcia kremíka v prírode. Kremík je druhý najrozšírenejší prvok v zemskej kôre (po kyslíku), jeho priemerný obsah v litosfére je 29,5 % (hmotn.). V zemskej kôre hrá kremík rovnakú primárnu úlohu ako uhlík vo svete zvierat a rastlín. Pre geochémiu kremíka je dôležité jeho mimoriadne silné spojenie s kyslíkom. Asi 12 % litosféry tvorí oxid kremičitý SiO 2 vo forme minerálu kremeňa a jeho odrôd. 75 % litosféry tvoria rôzne silikáty a hlinitokremičitany (živce, sľudy, amfiboly atď.). Celkový počet minerálov obsahujúcich oxid kremičitý presahuje 400.

Počas magmatických procesov dochádza k slabej diferenciácii kremíka: hromadí sa v granitoidoch (32,3 %) aj v ultrabázických horninách (19 %). Pri vysokých teplotách a vysokom tlaku sa zvyšuje rozpustnosť Si02. Je možná aj jeho migrácia vodnou parou, preto sa pegmatity hydrotermálnych žíl vyznačujú výraznými koncentráciami kremeňa, ktorý je často spájaný s rudnými prvkami (zlato-kremeň, kremeň-kasiterit a iné žily).

Fyzikálne vlastnosti kremíka. Kremík tvorí tmavosivé kryštály s kovovým leskom, ktoré majú plošne centrovanú kubickú mriežku diamantového typu s periódou a = 5,431 Á a hustotou 2,33 g/cm3. Pri veľmi vysokých tlakoch sa získala nová (zrejme šesťuholníková) modifikácia s hustotou 2,55 g/cm3. Kremík sa topí pri 1417 °C a vrie pri 2600 °C. Špecifická tepelná kapacita (pri 20-100 °C) 800 J/(kg K), alebo 0,191 cal/(g stupňov); tepelná vodivosť ani pre najčistejšie vzorky nie je konštantná a je v rozsahu (25 °C) 84-126 W/(m K), alebo 0,20-0,30 cal/(cm sec deg). Teplotný koeficient lineárnej rozťažnosti je 2,33·10 -6 K -1, pod 120 K je záporný. Kremík je transparentný pre dlhovlnné infračervené lúče; index lomu (pre λ = 6 um) 3,42; dielektrická konštanta 11,7. Kremík je diamagnetický, atómová magnetická susceptibilita je -0,13-10 -6. Tvrdosť kremíka podľa Mohsa 7,0, podľa Brinella 2,4 Gn/m2 (240 kgf/mm2), modul pružnosti 109 Gn/m2 (10 890 kgf/mm2), koeficient stlačiteľnosti 0,325·10 -6 cm2 /kg. Kremík je krehký materiál; znateľná plastická deformácia začína pri teplotách nad 800°C.

Kremík je polovodič s mnohými možnosťami využitia. Elektrické vlastnosti kremíka sú veľmi závislé od nečistôt. Vlastný špecifický objemový elektrický odpor kremíka pri izbovej teplote sa považuje za 2,3·103 ohm·m (2,3·105 ohm·cm).

Polovodičový kremík s vodivosťou typu p (aditíva B, Al, In alebo Ga) a typu n (aditíva P, Bi, As alebo Sb) má výrazne nižší odpor. Elektricky meraná zakázaná pásma je 1,21 eV pri 0 K a klesá na 1,119 eV pri 300 K.

Chemické vlastnosti kremíka. V súlade s pozíciou kremíka v Mendelejevovej periodickej tabuľke je 14 elektrónov atómu kremíka rozdelených do troch obalov: v prvom (od jadra) 2 elektróny, v druhom 8, v treťom (valencia) 4; konfigurácia elektrónového obalu 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2. Sekvenčné ionizačné potenciály (eV): 8,149; 16,34; 33,46 a 45,13. Atómový polomer 1,33 Á, kovalentný polomer 1,17 Á, iónové polomery Si 4+ 0,39 Á, Si 4- 1,98 Á.

V zlúčeninách je kremík (podobný uhlíku) 4-mocný. Na rozdiel od uhlíka však kremík spolu s koordinačným číslom 4 vykazuje koordinačné číslo 6, čo sa vysvetľuje veľkým objemom jeho atómu (príkladom takýchto zlúčenín sú silikofluoridy obsahujúce skupinu 2-).

Chemická väzba atómu kremíka s inými atómami sa zvyčajne uskutočňuje prostredníctvom hybridných sp 3 orbitálov, ale je tiež možné zapojiť dva z jeho piatich (prázdnych) 3d orbitálov, najmä ak je kremík šesťkoordinovaný. S nízkou hodnotou elektronegativity 1,8 (oproti 2,5 pre uhlík; 3,0 pre dusík atď.) je kremík v zlúčeninách s nekovmi elektropozitívny a tieto zlúčeniny sú polárneho charakteru. Vysoká väzbová energia Si - O s kyslíkom, rovná 464 kJ/mol (111 kcal/mol), určuje stabilitu jeho kyslíkatých zlúčenín (SiO 2 a silikáty). Energia väzby Si - Si je nízka, 176 kJ/mol (42 kcal/mol); Na rozdiel od uhlíka sa kremík nevyznačuje tvorbou dlhých reťazcov a dvojitých väzieb medzi atómami Si. Na vzduchu je kremík stabilný aj pri zvýšených teplotách v dôsledku tvorby ochranného oxidového filmu. V kyslíku oxiduje už pri 400 °C a vytvára oxid kremičitý (IV) SiO2. Známy je aj oxid kremičitý SiO, stabilný pri vysokých teplotách vo forme plynu; v dôsledku rýchleho ochladenia možno získať pevný produkt, ktorý sa ľahko rozkladá na riedku zmes Si a Si02. Kremík je odolný voči kyselinám a rozpúšťa sa iba v zmesi kyseliny dusičnej a fluorovodíkovej; ľahko sa rozpúšťa v horúcich alkalických roztokoch za uvoľňovania vodíka. Kremík reaguje s fluórom pri teplote miestnosti as inými halogénmi pri zahrievaní za vzniku zlúčenín všeobecného vzorca SiX4. Vodík nereaguje priamo s kremíkom a oxid kremičitý (silány) sa získavajú rozkladom silicídov (pozri nižšie). Vodíkové silikóny sú známe od SiH 4 do Si 8 H 18 (zloženie je podobné nasýteným uhľovodíkom). Kremík tvorí 2 skupiny silánov obsahujúcich kyslík – siloxány a siloxény. Kremík reaguje s dusíkom pri teplotách nad 1000 °C, praktický je nitrid Si3N4, ktorý neoxiduje na vzduchu ani pri 1200 °C, je odolný voči kyselinám (okrem kyseliny dusičnej) a zásadám, ako aj proti roztaveným kovom a troske význam., čo z neho robí cenný materiál pre chemický priemysel, na výrobu žiaruvzdorných materiálov a iné. Zlúčeniny kremíka s uhlíkom (karbid kremíka SiC) a bórom (SiB 3, SiB 6, SiB 12) sa vyznačujú vysokou tvrdosťou, ako aj tepelnou a chemickou odolnosťou. Pri zahrievaní kremík reaguje (v prítomnosti kovových katalyzátorov, ako je meď) s organochlórovými zlúčeninami (napríklad CH3CI) za vzniku organohalosilánov [napríklad Si(CH3)3Cl], ktoré sa používajú na syntézu mnohých organokremičitých zlúčenín.

Kremík tvorí zlúčeniny takmer so všetkými kovmi - silicidy (zlúčeniny len s Bi, Tl, Pb, Hg neboli nájdené). Získalo sa viac ako 250 silicídov, ktorých zloženie (MeSi, MeSi 2, Me 5 Si 3, Me 3 Si, Me 2 Si a iné) zvyčajne nezodpovedá klasickým valenciám. Silicídy sú žiaruvzdorné a tvrdé; Najväčší praktický význam má ferosilikón (redukčné činidlo pri tavení špeciálnych zliatin, pozri Ferozliatiny) a silicid molybdénu MoSi 2 (elektrické ohrievače pecí, lopatky plynových turbín atď.).

Získanie kremíka. Kremík technickej čistoty (95-98 %) sa získava v elektrickom oblúku redukciou oxidu kremičitého SiO 2 medzi grafitovými elektródami. V súvislosti s rozvojom polovodičovej technológie boli vyvinuté metódy výroby čistého a vysoko čistého kremíka, čo si vyžaduje predbežnú syntézu najčistejších východiskových zlúčenín kremíka, z ktorých sa kremík získava redukciou alebo tepelným rozkladom.

Čistý polovodičový kremík sa získava v dvoch formách: polykryštalický (redukciou SiCl 4 alebo SiHCl 3 zinkom alebo vodíkom, tepelným rozkladom SiI 4 a SiH 4) a monokryštál (tavenie v zóne bez téglika a „vytiahnutie“ monokryštálu z roztavený kremík - Czochralského metóda).

Aplikácia kremíka.Špeciálne dopovaný kremík je široko používaný ako materiál na výrobu polovodičových zariadení (tranzistory, termistory, výkonové usmerňovače, tyristory; solárne fotočlánky používané v kozmických lodiach atď.). Pretože kremík je transparentný pre lúče s vlnovými dĺžkami od 1 do 9 mikrónov, používa sa v infračervenej optike,

Kremík má rôznorodé a rozširujúce sa aplikácie. V metalurgii sa kremík používa na odstránenie kyslíka rozpusteného v roztavených kovoch (deoxidácia). Kremík je súčasťou veľkého množstva zliatin železa a neželezných kovov. Kremík zvyčajne dodáva zliatinám zvýšenú odolnosť proti korózii, zlepšuje ich odlievacie vlastnosti a zvyšuje mechanickú pevnosť; avšak pri vyšších úrovniach môže kremík spôsobiť krehkosť. Najdôležitejšie sú železo, meď a zliatiny hliníka s obsahom kremíka. Rastúce množstvo kremíka sa používa na syntézu organokremičitých zlúčenín a silicídov. Oxid kremičitý a mnohé silikáty (íly, živce, sľuda, mastenec atď.) sa spracúvajú v sklárskom, cementárskom, keramickom, elektrotechnickom a inom priemysle.

Kremík sa v tele nachádza vo forme rôznych zlúčenín, podieľa sa najmä na tvorbe tvrdých častí a tkanív kostry. Niektoré morské rastliny (napríklad rozsievky) a živočíchy (napríklad kremičité špongie, rádiolariáni) môžu akumulovať obzvlášť veľké množstvá kremíka a vytvárať husté usadeniny oxidu kremičitého, keď zomierajú na dne oceánu. V studených moriach a jazerách prevládajú biogénne kaly obohatené kremíkom, v trópoch. moria - vápenaté kaly s nízkym obsahom kremíka. Medzi suchozemskými rastlinami sa v obilninách, ostriciach, palmách a prasličkách hromadí veľa kremíka. U stavovcov je obsah oxidu kremičitého v popolových látkach 0,1 – 0,5 %. Kremík sa nachádza v najväčšom množstve v hustom spojivovom tkanive, obličkách a pankrease. Denná ľudská strava obsahuje až 1 g kremíka. Keď je vo vzduchu vysoký obsah prachu oxidu kremičitého (IV), dostáva sa do ľudských pľúc a spôsobuje ochorenie - silikózu.

Kremík v tele. Kremík sa v tele nachádza vo forme rôznych zlúčenín, podieľa sa najmä na tvorbe tvrdých častí a tkanív kostry. Niektoré morské rastliny (napríklad rozsievky) a živočíchy (napríklad kremičité špongie, rádiolariáni) môžu akumulovať obzvlášť veľké množstvá kremíka a vytvárať husté usadeniny oxidu kremičitého, keď zomierajú na dne oceánu. V studených moriach a jazerách prevládajú biogénne kaly obohatené kremíkom, v trópoch. moria - vápenaté kaly s nízkym obsahom kremíka. Medzi suchozemskými rastlinami sa v obilninách, ostriciach, palmách a prasličkách hromadí veľa kremíka. U stavovcov je obsah oxidu kremičitého v popolových látkach 0,1 – 0,5 %. Kremík sa nachádza v najväčšom množstve v hustom spojivovom tkanive, obličkách a pankrease. Denná ľudská strava obsahuje až 1 g kremíka. Keď je vo vzduchu vysoký obsah prachu oxidu kremičitého (IV), dostáva sa do ľudských pľúc a spôsobuje ochorenie silikózu.

So všetkými, ako sa hovorí, s následnými následkami. Z týchto hľadísk to samozrejme stojí za zváženie kremík je celkom obyčajný a celkom výnimočný prvok.

Prírodné zlúčeniny kremíka

„Ukazujú mi,“ napísal akademik A.E. Fersman v jednej zo svojich obľúbených kníh, „veľmi rozmanité predmety: priehľadnú guľu trblietajúcu sa na slnku čistotou studenej pramenitej vody, krásny pestrý achát, žiarivú hru viacerých - farebný opál, čistý piesok na brehu mora, moruše tenké vlákno z taveného kremeňa alebo z neho vyrobeného žiaruvzdorného riadu, krásne brúsené kopy horského krištáľu, tajomný dizajn fantastického jaspisu, skamenené drevo premenené na kameň, hrubo opracovaný hrot šípu starovekého muža... toto všetko je jedna a tá istá chemická kombinácia prvkov kremíka a kyslíka.“

Bez ohľadu na to, aký rôznorodý je tento zoznam, samozrejme nevyčerpáva rozmanitosť prírodných zlúčenín kremíka. Začnime však tými spomenutými. „Nahrubo opracovaný hrot šípu starovekého človeka“ bol vyrobený z pazúrika. Čo je pazúrik? Moderný človek videl tieto tipy, ako aj kremenné zbrane, snáď len v historickom múzeu. „Kremene“ vložené do zapaľovačov pre fajčiarov nie sú vzhľadom ani zložením vôbec podobné týmto kamienkom. Mnohí z nás však v detstve iskrili údermi kamienkov o kamienky a s najväčšou pravdepodobnosťou sme vtedy mali v rukách skutočné kamienky.

Čo je teda pazúrik? Na túto otázku odpovie chemik doslova podľa Fersmana: oxid kremičitý, oxid kremičitý. Možno dodá, že kremík je amorfný, na rozdiel od kryštalického kremeňa z kremenného piesku a horského kryštálu, a že niektorí chemici považujú kremík za kryštalický hydrát mSi02-nH20.

Geológ odpovie na tú istú otázku inak, ale aj všeobecne každodenným spôsobom: medzi ložiskami vápenca a kriedy sa zvyčajne nachádza minerálny útvar, rozšírený a málo zaujímavý, vrstvy a „uzlíky“ pazúrika...

A len humanista-historik odpovie, musí zareagovať s nadšením pre pazúrik, pretože to bol pazúrik - nenápadný a málo odolný kameň - ktorý svojho času pomohol človeku stať sa Človekom. Doba kamenná je dobou pazúrikových nástrojov. Dôvodom nie je len a nie tak rozšírenosť a dostupnosť pazúrika, ale jeho schopnosť vytvárať ostré rezné hrany pri štiepaní.

Prejdime teraz ku kryštalickým analógom pazúrika: „krásne vybrúsené kopy horského krištáľu“, „čistý piesok na brehu mora“... Rozdiel medzi nimi je malý, v podstate len vo veľkosti a nečistotách. Čistý piesok je čistý kryštalický oxid kremičitý. Čistý horský krištáľ je rovnaký. A čo je tiež veľmi dôležité, obe tieto látky sú polyméry, anorganické polyméry.

Jedným z prvých, ktorí navrhli polymérnu štruktúru oxidu kremičitého, bol Dmitrij Ivanovič Mendelejev. Práve touto okolnosťou vysvetlil neprchavosť a žiaruvzdornosť látok so zložením SiO 2 alebo správnejšie (SiO 2)n. Röntgenové štrukturálne štúdie našich dní potvrdili správnosť tohto odhadu. Zistilo sa, že kryštalický oxid kremičitý je trojrozmerný sieťový polymér. Reťazec kremík-kyslíkových tetraérov je veľmi silný, väzba medzi kremíkom a kyslíkom je oveľa silnejšia ako napríklad väzba medzi atómami uhlíka v reťazcoch organických polymérov. Kremíkovo-kyslíkové reťazce majú tiež dostatočnú flexibilitu, no vo svete minerálov tvoria tuhé plexy v podobe priestorových mriežok a sietí, ktoré sú pri mechanickom spracovaní krehké a nepoddajné. Aby reťazce kremíka a kyslíka zostali flexibilné a elastické, musia byť navzájom izolované, obklopené inými atómami alebo skupinami atómov. Urobili to chemici, ktorí syntetizovali teraz početné organokremičité polyméry, o ktorých sa bude diskutovať nižšie. Príroda však poskytla aj výborný príklad vláknitej polymérnej zlúčeniny kyslíka a kremíka – ide o azbest.

Dnes je veľmi ťažké odpovedať na detskú otázku, ktorá z odrôd kryštalického oxidu kremičitého - piesok alebo horský krištáľ - je pre moderných ľudí dôležitejšia. Ak vezmeme do úvahy iba prírodný horský krištáľ, ktorého zásoby sú takmer vyčerpané, potom je odpoveď jasná: samozrejme piesok. Kremenné sklo sa vyrába z kremenného piesku a vyrába sa z neho vynikajúce laboratórne sklo, valce lámp na špeciálne účely a mnoho ďalšieho. Horský krištáľ nie je len okrasným materiálom, ale je aj piezoelektrickým. Rádiotechnika ho potrebuje v čoraz väčšom množstve a prudký rozvoj tohto odvetvia by bol sotva možný, keby sa ľudia nenaučili pestovať veľkokryštalický umelý kremeň vo forme monokryštálov.

V 30-tych rokoch Alexander Evgenievich Fersman napísal: „O niekoľko desaťročí už geológovia nebudú riskovať svoje životy, aby vyliezli na vrcholy Álp, Uralu alebo Kaukazu v honbe za kryštálmi; nebudú ich ťažiť vo vyprahnutých púštiach Južná Brazília alebo v sedimentoch Madagaskaru. Som si istý, že potrebné kusy kremeňa si telefonicky objednáme zo štátneho kremenného závodu.“ Kremenné továrne sa objavili ešte skôr, ako vedec predpovedal. Vyrábajú kryštály kremeňa, ktoré nie sú o nič horšie ako prírodný horský krištáľ, v množstve postačujúcom nielen pre rádioelektronický priemysel, nielen pre optiku, ale aj pre šperkárstvo. Ak o tomto tvrdení pochybujete, odporúčame vám obrátiť sa na klenotníctvo najbližšie k vášmu bydlisku.

Zámerne sme obmedzili príbeh zlúčenín prírodného kremíka na tri látky a v podstate jednu zlúčeninu. V krátkej eseji stále nemôžete povedať všetko, ale najdôležitejšie sú zlúčeniny s kyslíkom. Vráťme sa však k samotnému kremíku.

Napriek rozšírenosti v prírode bol tento prvok objavený pomerne neskoro. V roku 1825 sa vynikajúcemu švédskemu chemikovi a mineralógovi Jensovi Jakobovi Berzeliusovi podarilo izolovať nie príliš čisté amorfné kremík vo forme hnedého prášku. Aby to urobil, redukoval plynnú látku kovom draslíka, teraz známy ako fluorid kremičitý SiF 4, a navyše vykonal nasledujúcu reakciu:

K2SiF6 + 4K → 6KF + Si.

Nový prvok dostal názov silicium (z latinského silex – pazúrik). Ruský názov pre tento prvok sa objavil o deväť rokov neskôr, v roku 1834, a šťastne prežil, na rozdiel, povedzme, „borotvor“ dodnes.

Kremík, podobne ako uhlík, tvorí rôzne alotropické modifikácie. Kryštalický kremík je tak málo podobný amorfnému kremíku ako diamant grafitu. Ide o oceľovosivú tuhú látku s kovovým leskom a tvárovo centrovanou kryštálovou mriežkou rovnakého typu ako diamant. Amorfný kremík však, ako sa ukázalo, tiež nie je amorfný, ale jemne kryštalický.

Prvý priemyselný spôsob výroby kremíka, vynájdený v druhej polovici 19. storočia. slávny ruský chemik N.N.Beketov, je založený na redukcii chloridu kremičitého SiCl 4 parami zinku. Technicky čistý kremík (95-98% Si) sa dnes vyrába hlavne redukciou oxidu kremičitého v elektrickom oblúku medzi grafitovými elektródami. Metóda redukcie oxidu kremičitého koksom v elektrických peciach, vynájdená ešte v minulom storočí, sa stále používa. Touto metódou sa vyrába aj technický kremík, ktorý je potrebný v metalurgii ako dezoxidant, ktorý viaže a odstraňuje kyslík z kovu, a ako legovacia prísada, ktorá zvyšuje pevnosť a odolnosť voči korózii ocelí a mnohých zliatin na báze neželezných kovov. Je však dôležité, aby ste to nepreháňali: prebytok kremíka môže viesť k krehkosti.

Beketova metóda výroby kremíka (pri reakcii medzi parami zinku a chloridom kremičitým, prchavá bezfarebná kvapalina s bodom varu iba 57,6 °C) sa nestala minulosťou. Toto je jeden zo spôsobov, ako získať vysoko čistý polovodičový kremík.

Predpokladá sa, že pri absolútnej nule by mal byť ideálnym elektrickým izolantom čistý a ideálne pravidelný monokryštalický kremík. Ale ideálna čistota je nedosiahnuteľná ako absolútna nula. V našom prípade sa tomu hovorí dobro. Nie ideálny, ale jednoducho vysoko čistý a ultračistý kremík sa stal najdôležitejším polovodičovým materiálom. Pri teplote odlišnej od absolútnej nuly v nej vzniká vlastná vodivosť a nositeľmi elektrického prúdu nie sú len voľné elektróny, ale aj takzvané diery - miesta opustené elektrónmi.

Zavedením určitých legujúcich prísad do ultračistého kremíka (v mikromnožstvách; zvyčajne sa to robí pomocou zariadení s iónovým lúčom) sa v ňom vytvorí taká alebo onaká vodivosť. Prídavky prvkov tretej skupiny periodickej tabuľky vedú k vytvoreniu dierovej vodivosti a piatej - elektronickej. Čo pre nás dnes znamenajú polovodiče, je asi zbytočné vysvetľovať. Povedzme si krátko o metódach výroby polovodičového kremíka.

Jedna z týchto metód je uvedená vyššie. Poznamenávame len, že reakcia pary zinku vysokej čistoty s veľmi čistým chloridom kremičitým sa uskutočňuje pri teplote 950 °C v rúrkovom reaktore vyrobenom z taveného kremeňa. Elementárny kremík vzniká vo forme ihličkovitých kryštálov, ktoré sa následne drvia a premývajú kyselinou chlorovodíkovou, samozrejme tiež veľmi čistou. Nasleduje ďalší krok čistenia - zónové tavenie a až potom sa hmota polykryštalického kremíka premení na monokryštály.

Existujú aj iné reakcie, pri ktorých vzniká polovodičový kremík vysokej čistoty. Ide o redukciu trichlórsilánu SiHCl 3 alebo chloridu kremičitého SiCl 4 vodíkom a tepelný rozklad monosilánu, hydridu kremíka SiH 4 alebo tetrajodidu SiJ 4 . V druhom prípade dochádza k rozkladu zlúčeniny na tantalovej páske zahriatej na 1000 °C. Po každej z týchto reakcií nasleduje ďalšie čistenie zónovým tavením. V polovodičovom kremíku je obsah nečistôt extrémne nízky - 10-5-10-6% a ešte menej.

Organokremičité

Prvá organická zlúčenina obsahujúca kremík bola získaná už v roku 1845 reakciou etylalkoholu s chloridom kremičitým: SiCl 4 + 4C 2 H 5 OH → Si(OC 2 H 5) 4 + 4HCl. Nebola to však prvá syntéza organokremičitej zlúčeniny v tom zmysle, že moderná chemická nomenklatúra tomuto konceptu rozumie. Len tie zlúčeniny, ktoré obsahujú väzbu uhlík-kremík, sa teraz považujú za organokremičité. Takže prvá organokremičitá zlúčenina - tetraetylsilikón Si (C 2 H 5) 4 - bola získaná až v roku 1863.

Samozrejme, v tom čase nikto nepredpokladal, že o 100 rokov neskôr sa organokremičité rozvinie do samostatného a dôležitého odvetvia chemickej vedy, že organokremičité zlúčeniny, najmä polymérne, získajú prvoradý význam pre mnohé druhy priemyslu, pre dopravu a stavebníctvo, aj pre každodenný život.

Skúsená gazdinka si pred umývaním namastí ruky silikónovým krémom, ktorý ich ochráni nielen pred vodou, ale aj pred korozívnymi účinkami sódy či pracieho prášku. Keď odovzdávame šaty alebo oblek na čistenie, ochotne si priplatíme za nepokrčivý sklad a za „impregnáciu“, vďaka ktorej sa šaty menej zašpinia. V oboch prípadoch bude naše oblečenie v továrni na chemické čistenie ošetrené organokremičitými kvapalinami...

Toto isté odvetvie chemickej vedy nám poskytlo syntetické kaučuky najviac odolné voči teplu a zároveň najviac mrazuvzdorné. Rozsah prevádzkových teplôt organokremičitých kaučukov je od -80 do +260 °C a tieto kaučuky už dávno neexistujú vo forme exotických laboratórnych vzoriek, ale vo forme masových priemyselných produktov.

Pre modernú elektrotechniku ​​sú veľmi dôležité organokremičité laky, čo sú roztoky organokremičitých polymérov. Majú vynikajúce elektroizolačné vlastnosti a sú odolné voči poveternostným vplyvom, teplotným zmenám a slnečnému žiareniu. Tu je len jeden príklad účinnosti takýchto materiálov v technológii. Pred zavedením organokremičitých lakov trvala izolácia elektromotora rezacieho stroja v bani v priemere 5 mesiacov. Pri použití organokremičitého laku ako izolácie sa životnosť motora pred prvou opravou zvýšila na 3 roky.

Podobných príkladov možno uviesť desiatky a ich počet sa bude každým rokom znásobovať: objavujú sa nové látky, medzi ktoré okrem kremíka a tradičných prvkov organického sveta patrí aj hliník, titán a ďalšie kovy. Každý prináša do molekuly niečo iné a v určitom štádiu sa kvantita mení na kvalitu.

Kremík v mikroorganizmoch

V tejto oblasti chémie pracovalo a naďalej pracuje mnoho známych vedcov. Sovietsku školu organokremičitej chémie založil akademik K. A. Andrianov, ktorý v roku 1937 získal prvé organokremičité polyméry na svete - polyorganosiloxány.

V prehľadnom článku o kremíku napísanom pred desiatimi rokmi by takáto časť nebola potrebná. Veda vedela príliš málo o úlohe kremíka v živote vyšších zvierat a ľudí. Bolo známe, že kremík (jeho oxid) tvorí základ kostry niektorých morských organizmov - rádiolariánov, rozsievok, niektorých húb, hviezdice. Je tiež známe, že to potrebujú rastliny: od obilnín a ostríc až po palmy a bambus. Čím tvrdšia je stonka rastliny, tým viac kremíka sa nachádza v jej popole. Rastliny, podobne ako morské živočíchy, berú kremík z vody. V sladkej aj slanej vode (vo forme kyselín kremičitých a ich solí) sa rozpustí asi 3 mg/l kremíka. Úloha kremíka v živote vyšších živočíchov a ľudí zostávala dlho nejasná. Všeobecne sa verilo, že zlúčeniny kremíka sú biologicky inertné a nepoužiteľné.

Ale na druhej strane je už dlho známe vážne ochorenie - silikóza, spôsobená dlhodobým vdychovaním prachu obsahujúceho voľný oxid kremičitý. Niektoré organokremičité zlúčeniny – arylsilatróny – sa ukázali ako toxické pre všetky teplokrvné živočíchy. A zároveň je známe, že kremík sa nachádza takmer všade v ľudskom tele, najviac v kostiach, koži, spojivovom tkanive a tiež v niektorých žľazách. Pri zlomenine kostí sa obsah kremíka v mieste zlomeniny zvýši takmer 50-krát. Minerálne vody s vysokým obsahom kremíka (napríklad slávna kaukazská voda „Jermuk“) priaznivo pôsobia na zdravie ľudí, najmä starších ľudí.

Nemožno povedať, že úloha kremíka v živote bola úplne objasnená - skôr naopak: objavenie sa nových informácií stále viac komplikuje obraz. Mnoho laboratórií po celom svete sa teraz zaoberá syntézou a štúdiom biologicky aktívnych zlúčenín kremíka. Pracovníci Irkutského inštitútu organickej chémie pod vedením člena korešpondenta Akadémie vied ZSSR M. G. Voronkova veľmi aktívne pracujú na súbore problémov, ktoré možno stručne nazvať tak, ako sa volá táto kapitola, teda kremík a života. V jednom zo svojich článkov napísal: „Množstvo už dostupných pozorovaní nám umožňuje dospieť k záveru o potrebe rozsiahleho a dôkladného výskumu (aj na molekulárnej úrovni) o úlohe kremíka v živých organizmoch a preskúmať možnosti použitie zlúčenín tohto prvku na liečbu a prevenciu rôznych chorôb a zranení a tiež na boj proti starnutiu. Tu si zrejme vyžaduje vysvetlenie len posledná téza. Faktom je, že sa zistili vlastnosti metabolizmu kremíka v tele súvisiace s vekom: s vekom sa obsah tohto prvku v kostnom tkanive, tepnách a koži výrazne znižuje...

Táto časť našich vedomostí o prvku č. 14 sa ešte nestala súborom všeobecne uznávaných, ustálených právd. Ale je zrejmé, že práve tu sa v týchto dňoch odohráva popredné miesto v boji o poznanie kremíka, najbližšieho analógu uhlíka, životne dôležitého prvku.

Uhlík je schopný vytvárať niekoľko alotropných modifikácií. Sú to diamant (najinertnejšia alotropická modifikácia), grafit, fullerén a karbín.

Drevené uhlie a sadze sú amorfný uhlík. Uhlík v tomto stave nemá usporiadanú štruktúru a v skutočnosti pozostáva z drobných úlomkov grafitových vrstiev. Amorfné uhlie upravené horúcou vodnou parou sa nazýva aktívne uhlie. 1 gram aktívneho uhlia, vďaka prítomnosti mnohých pórov v ňom, má celkovú plochu viac ako tristo metrov štvorcových! Vďaka svojej schopnosti absorbovať rôzne látky je aktívne uhlie široko používané ako filtračná náplň, ako aj ako enterosorbent pre rôzne druhy otravy.

Z chemického hľadiska je amorfný uhlík jeho najaktívnejšou formou, grafit vykazuje miernu aktivitu a diamant je extrémne inertná látka. Z tohto dôvodu by sa nižšie uvedené chemické vlastnosti uhlíka mali pripisovať predovšetkým amorfnému uhlíku.

Redukujúce vlastnosti uhlíka

Ako redukčné činidlo uhlík reaguje s nekovmi, ako je kyslík, halogény a síra.

V závislosti od prebytku alebo nedostatku kyslíka pri spaľovaní uhlia je možný vznik oxidu uhoľnatého CO alebo oxidu uhličitého CO2:

Keď uhlík reaguje s fluórom, vzniká tetrafluorid uhličitý:

Keď sa uhlík zahrieva so sírou, vytvorí sa sírouhlík CS 2:

Uhlík je schopný redukovať kovy po hliníku v sérii aktivít z ich oxidov. Napríklad:

Uhlík tiež reaguje s oxidmi aktívnych kovov, ale v tomto prípade sa spravidla nepozoruje redukcia kovu, ale tvorba jeho karbidu:

Interakcia uhlíka s oxidmi nekovov

Uhlík vstupuje do koproporcionačnej reakcie s oxidom uhličitým CO2:

Jedným z najdôležitejších procesov z priemyselného hľadiska je tzv konverzia parného uhlia. Proces sa uskutočňuje prechodom vodnej pary cez horúce uhlie. Nastáva nasledujúca reakcia:

Pri vysokých teplotách je uhlík schopný redukovať aj takú inertnú zlúčeninu, akou je oxid kremičitý. V tomto prípade je v závislosti od podmienok možná tvorba kremíka alebo karbidu kremíka ( karborundum):

Uhlík ako redukčné činidlo tiež reaguje s oxidačnými kyselinami, najmä koncentrovanými kyselinami sírovou a dusičnou:

Oxidačné vlastnosti uhlíka

Chemický prvok uhlík nie je vysoko elektronegatívny, takže jednoduché látky, ktoré tvorí, zriedkavo vykazujú oxidačné vlastnosti voči iným nekovom.

Príkladom takýchto reakcií je interakcia amorfného uhlíka s vodíkom pri zahrievaní v prítomnosti katalyzátora:

a tiež s kremíkom pri teplote 1200-1300 o C:

Uhlík má vo vzťahu ku kovom oxidačné vlastnosti. Uhlík je schopný reagovať s aktívnymi kovmi a niektorými stredne aktívnymi kovmi. Pri zahrievaní dochádza k reakciám:

Aktívne karbidy kovov sú hydrolyzované vodou:

ako aj roztoky neoxidačných kyselín:

V tomto prípade vznikajú uhľovodíky obsahujúce uhlík v rovnakom oxidačnom stave ako v pôvodnom karbide.

Chemické vlastnosti kremíka

Kremík môže existovať podobne ako uhlík v kryštalickom a amorfnom stave a rovnako ako v prípade uhlíka je amorfný kremík chemicky výrazne aktívnejší ako kryštalický kremík.

Niekedy sa amorfný a kryštalický kremík nazývajú alotropické modifikácie, čo, prísne vzaté, nie je úplne pravda. Amorfný kremík je v podstate konglomerát drobných častíc kryštalického kremíka, ktoré sú navzájom náhodne umiestnené.

Interakcia kremíka s jednoduchými látkami

nekovy

Za normálnych podmienok kremík vďaka svojej inertnosti reaguje iba s fluórom:

Kremík reaguje s chlórom, brómom a jódom iba pri zahrievaní. Je charakteristické, že v závislosti od aktivity halogénu je potrebná zodpovedajúca iná teplota:

Takže s chlórom reakcia prebieha pri 340-420 o C:

S brómom – 620-700 o C:

S jódom – 750-810 °C:

Všetky halogenidy kremíka sa ľahko hydrolyzujú vodou:

ako aj alkalické roztoky:

Reakcia kremíka s kyslíkom prebieha, ale vyžaduje veľmi silné zahrievanie (1200-1300 o C), pretože silný oxidový film sťažuje interakciu:

Pri teplote 1200 - 1500 o C kremík pomaly interaguje s uhlíkom vo forme grafitu za vzniku karborunda SiC - látky s atómovou kryštálovou mriežkou podobnou diamantu, ktorej pevnosť takmer nie je nižšia:

Kremík nereaguje s vodíkom.

kovy

Vďaka svojej nízkej elektronegativite môže kremík vykazovať oxidačné vlastnosti iba voči kovom. Z kovov kremík reaguje s aktívnymi kovmi (alkalické a alkalické zeminy), ako aj s mnohými kovmi strednej aktivity. V dôsledku tejto interakcie sa tvoria silicidy:

Silicidy aktívnych kovov sa ľahko hydrolyzujú vodou alebo zriedenými roztokmi neoxidačných kyselín:

V tomto prípade vzniká silánový plyn SiH 4 - analóg metánu CH 4.

Interakcia kremíka s komplexnými látkami

Kremík nereaguje s vodou ani pri varení, avšak amorfný kremík interaguje s prehriatou vodnou parou pri teplote asi 400-500 o C. V tomto prípade vzniká vodík a oxid kremičitý:

Zo všetkých kyselín kremík (v amorfnom stave) reaguje iba s koncentrovanou kyselinou fluorovodíkovou:

Kremík sa rozpúšťa v koncentrovaných alkalických roztokoch. Reakcia je sprevádzaná uvoľňovaním vodíka.

Kremík je chemický prvok skupiny IV periodického systému Mendelejeva, atómové číslo 14, atómová hmotnosť 28,0855. Aké vlastnosti má kremík a aké sú jeho vlastnosti?

Všeobecné chemické vlastnosti kremíka

Kremík je prvkom tretieho obdobia skupiny IVA, p-prvkom. V atóme kremíka je päť neobsadených d-orbitálov. Kremík za ich účasti vytvára zlúčeniny, v ktorých je jeho koordinačné číslo 6. Kremík sa vyznačuje tvorbou reťazcov, v ktorých sa striedajú atómy kremíka a kyslíka, spojené pevnými väzbami.

Ryža. 1. Kremík.

Kremík sa v prírode vyskytuje vo viazanej forme: viac ako polovicu zemskej kôry tvorí oxid kremičitý SiO 2, silikátové hlinitokremičitanové horniny ako kaolinit Al 2 O 3 *2SiO 2 *2H 2 O, hlavné zložky piesku a ílu.

Tento prvok dostal svoj názov podľa minerálu s latinským názvom silisium (silex znamená pazúrik). Ruský názov „kremík“ bol zavedený v roku 1834. Akademik G.I. Hess.

Fyzikálne vlastnosti

Amorfný a kryštalický kremík je známy. Povaha kryštalického kremíka je taká, že je to tmavosivá s kovovým leskom, žiaruvzdorná, krehká kryštalická látka so zanedbateľnou vodivosťou.

Usporiadanie atómov Si je rovnaké ako u atómov C v diamante. Každý atóm kremíka sa nachádza v strede štvorstenu a je kovalentne viazaný na štyri ďalšie atómy kremíka. Amorfný kremík je hnedý prášok, ktorý je reaktívnejší.

Kremík má v prírode tri stabilné izotopy.

Ryža. 2. Izotopy kremíka.

Chemické vlastnosti

Pretože atóm kremíka má na vonkajšej energetickej úrovni štyri elektróny, jeho charakteristické oxidačné stavy sú +4 a -4.

Zriedkavé sú zlúčeniny obsahujúce kremík s oxidačným stavom +2.

V zlúčeninách kremík vykazuje valenciu IV a pri zahrievaní interaguje s jednoduchými látkami (fluór, chlór, kyslík, uhlík).

Za normálnych podmienok kremík medzi jednoduchými látkami reaguje iba s fluórom:

Si+2F2 = SiF4 (fluorid kremičitý)

Ryža. 3. Fluorid kremičitý.

Reakcie s kyslíkom a fluórom prebiehajú pri +400-+600 stupňoch:

Si+02 = Si02

Si+2Cl=SiCl4 (chlorid kremičitý)

Kremík nereaguje s kyselinami. Len amorfný kremík, rozomletý na prášok, reaguje s kyselinou fluorovodíkovou.

Kremík reaguje s horúcimi alkalickými roztokmi a vytvára silikáty a vodík:

Si+2NaOH+H20=Na2Si03+2H2

Kremík chemicky reaguje s mnohými kovmi a vytvára silicidy:

2Ca+Si=Ca2Si (silicid vápenatý)

2Mg+Si=Mg2Si (silicid horečnatý)

Keď kyselina chlorovodíková pôsobí na silicid horečnatý Mg2Si, vzniká silán SiH4:

Mg2Si+4HCl=SiH4+2MgCl2

Silán je bezfarebný jedovatý plyn, analóg metánu, ktorý sa na vzduchu samovznieti a horí za vzniku oxidu kremičitého a vody:

SiH4+202=Si02+2H20

Čo sme sa naučili?

Článok popisuje fyzikálne a chemické vlastnosti prvku kremíka. Valencia kremíka je takmer vždy IV a len v niektorých zlúčeninách sa objavuje valencia II. Kremík je po zahriatí schopný reagovať s kovmi, nekovmi a zásadami.

Test na danú tému

Vyhodnotenie správy

Priemerné hodnotenie: 4.1. Celkový počet získaných hodnotení: 62.