ХІМІЯ - Комплексна підготовка до зовнішнього незалежного оцінювання

РОЗДІЛ II. НЕОРГАНІЧНА ХІМІЯ

9. Неметалічні елементи та їхні сполуки. Неметали

9.5. Елементи IV групи

9.5.6. Силіцій

Силіцій — 14-й елемент періодичної таблиці, заряд ядра — +14. Хімічний символ — Si, відносна атомна маса — 28. Відомо три стабільні природні ізотопи Силіцію: ²⁸Si (92,27 %), ²⁹Si, ³⁰Si. Утворює просту речовину кремній. Електронна формула — ₁₄Si 1s²2s²2p⁶3s²3p²; валентність — II (основний стан), IV (збуджений стан).

Виявляє ступені окиснення -4, 0, +2, +4. Існує невелика кількість сполук з валентністю II і ступенем окиснення +2. Збуджений атом Силіцію має чотири неспарені електрони, а тому найхарактерніша валентність — IV, а найхарактерніший ступінь окиснення — +4.

Поширеність Силіцію в природі

Силіцій — один з найпоширеніших елементів (27,6 % маси) земної кори, посідає друге місце за поширеністю після Оксигену. Концентрація у воді (і морській, і прісній) — 3 мг/л.

Найчастіше в природі Силіцій трапляється у вигляді кремнезему — сполук на основі силіцій(ІV) оксиду SiO₂ (близько 12 % маси земної кори). Це пісок, кварц (утворює низку природних коштовних і напівкоштовних мінералів), кремінь, складова частина граніту (25-30 %) і базальту (45-53 %).

Стікати — велика група (близько 800) складних мінералів на основі сполук Силіцію й Оксигену. Якщо до складу природного силікату входить ще й алюміній оксид Аl₂O₃, то їх називають алюмосилікатами (до 50 % маси земної кори). Це біла глина Al₂O₃ · 2SiO₂ · 2Н₂O, польові шпати (К, Na, Са)O₂ · Аl₂O₃ · SiO₂ (з яких на 60-65 % складається граніт), слюда К₂O · Аl₂O₃ · 6SiO₂ · Н₂O. Силікати разом з алюмосилікатами становлять близько 90% мінералів літосфери. Деякі природні силікати є дорогоцінними каменями: аквамарин, топаз, смарагд, нефрит, родоніт, турмалін, берил, гранат.

Гірські породи, що лежать на поверхні, із часом вивітрюються, тобто руйнуються за участі атмосферних, біологічних чинників і води. Розрізняють вивітрювання фізичне (механічне, внаслідок дії вітру і заморожування-розморожування води), біологічне і хімічне. Ось приклад хімічного вивітрювання:

Унаслідок вивітрювання утворюються поклади глини, піску та солей. Зрідка трапляється самородний кремній. У живій природі Силіцію не дуже багато. Його накопичують деякі рослини: злаки (оболонка зерна, стебло: що воно твердіше, то більше там Силіцію), польовий хвощ, бамбук, очерет, деякі водорості. Він основа скелетів деяких морських організмів — радіолярій, діатомей, губок, морських зірок. В організмі людини він міститься у незначній кількості (близько 1 г), головним чином у кістках, нігтях та волоссі, але при переломах кісток його концентрація в місці перелому зростає майже в 50 разів.

Фізичні властивості простих речовин Силіцію

Силіцій утворює дві прості речовини, тобто дві алотропічні видозміни: силіцій кристалічний та аморфний (насправді це тонко-дисперсний порошок з кристалічного кремнію).

Кристалічний кремній має алмазоподібні кристалічні ґратки. Однак зв’язки між атомами Силіцію є набагато слабшими, ніж зв’язки між атомами Карбону в алмазі. За стандартних умов частина зв’язків руйнується і з’являються вільні електрони, які зумовлюють незначну електропровідність. Кристалічний кремній має темно-сірий колір і металічний блиск, твердий, але крихкий, напівпровідник. Його електропровідність зростає при освітленні та нагріванні.

Аморфний кремній — це бурий порошок, більш хімічно активний, ніж кристалічний. Не розчиняється в жодному розчиннику.

Добування кремнію

У лабораторії проводять реакцію між чистим кварцовим піском і магнієм:

У промисловості силіцій добувають з піску і коксу в електропечах за температури 1800 °С:

Хімічні властивості кремнію

Силіцій — неметал з невисокою хімічною активністю. Його неметалічні властивості менше виражені порівняно з вуглецем. Аморфний силіцій значно активніший за кристалічний. Хімічна активність кристалічного силіцію зростає при нагріванні. Усі реакції, характерні для силіцію, є окисно-відновними. Більш характерні є відновні властивості.

Взаємодія з простими речовинами. За стандартних умов кремній реагує лише із фтором, а при нагріванні сполучається з іншими галогенами, киснем, сіркою, азотом, вуглецем:

Окислювальні властивості силіцію виявляються в реакціях з металами:

Силіциди легко розкладаються кислотами і водою:

Силан SiH₄ — газ, що самозапалюється на повітрі:

Взаємодія зі складними речовинами. З кислотами силіцій не реагує. Силіцій реагує з розчинами лугів, виділяючи водень:

Застосування кремнію

Кремній як напівпровідник використовують у мікроелектроніці, обчислювальній техніці. Це сировина для металургії (виплавляння чавуну, бронзи, силуміну); кремній уводять до складу сплавів, для яких характерна здатність до швидкого намагнічування і розмагнічування (виготовлення трансформаторів); сталі із вмістом Силіцію 20 % є кислотостійкими (виготовлення хімічної апаратури). Кремній також використовують для виготовлення фотоелементів, сонячних батарей. Із кремнію добувають карборунд, завдяки його великій твердості (9-9;5 за шкалою Мооса) його використовують як абразивний матеріал, у виробництві композитних матеріалів, ювелірних виробів тощо. Силіцій застосовують у виробництві кремнійорганічних сполук, які, у свою чергу, є сировиною для виготовлення мастил, полімерів, гум, каучуків (з температурним інтервалом від -80 до +260 °С), кремнійорганічних рідин та емульсій.