Дать полную характеристику элемента №14.

Элемент № 14 — кремний (Si). Ниже — развернутая характеристика, как обычно отвечают на сайтах с вопросами и ответами по химии.

1. Общие сведения

• Название: кремний

• Латинское название: Silicium

• Химический символ: Si

• Порядковый номер: 14

• Относительная атомная масса: ≈ 28,09

• Группа: 14 (IV A, группа углерода)

• Период: 3

• Блок: p-блок

• Тип элемента: типичный неметалл, часто относят к полуметаллам (металлоиды)

• Природные изотопы:

  • ²⁸Si (~92 %)

  • ²⁹Si (~5 %)

  • ³⁰Si (~3 %)

Радиоактивный ³²Si используется в научных исследованиях, но в природе почти не встречается.

2. Положение в периодической системе и электронное строение

Электронная конфигурация атома Si:

Или в сокращённом виде:
[Ne] 3s² 3p².

У кремния 4 валентных электрона, поэтому он химически напоминает углерод (так же, как C — элемент 2-го периода этой же группы). Типичные степени окисления: +4 и +2, но наиболее устойчивая и важная — +4.

3. Физические свойства

В обычных условиях кремний — твердое вещество с кристаллической решеткой.

• Агрегатное состояние: твёрдое

• Цвет: серо-темный, с металлическим блеском (у кристаллического)

• Плотность: около 2,33 г/см³ (при 20 °C)

• Температура плавления: ≈ 1414 °C

• Температура кипения: ≈ 3265 °C

• Твёрдость: высокая, хрупкий

• Тепло- и электропроводность: хуже, чем у металлов; кремний — полупроводник с шириной запрещённой зоны ~1,1 эВ при комнатной температуре.

По кристаллической структуре кремний аналогичен алмазу: каждый атом связан с четырьмя соседями тетраэдрически.

4. Аллотропные модификации

У кремния выделяют в основном:

1. Кристаллический кремний

   • Тетраэдрическая (алмазоподобная) решетка.

   • Полупроводник.

   • Используется в микроэлектронике.

2. Аморфный кремний

   • Бесформенный, порошкообразный или пленочный.

   • Более химически активен, чем кристаллический.

   • Применяется в тонкоплёночных солнечных батареях.

5. Химические свойства

Кремний довольно устойчив при комнатной температуре благодаря пассивирующей плёнке SiO₂ на поверхности, но при нагревании проявляет заметную химическую активность.

5.1. Отношение к простым веществам

• С кислородом
  При нагревании горит в кислороде, образуя диоксид кремния:

  $$\mathrm{Si + O_2 \rightarrow SiO_2}$$

• С галогенами
  Активно реагирует при нагревании, образуя тетрагалогениды:

  $$\mathrm{Si + 2Cl_2 \rightarrow SiCl_4}$$

  Аналогично — с Br₂, I₂, F₂.

• С водородом
  Прямая реакция протекает при очень высоких температурах и в присутствии катализаторов, образуется силан:

  $$\mathrm{Si + 2H_2 \rightarrow SiH_4}$$

• С азотом, углеродом и др.
  При высоких температурах образует нитрид кремния Si₃N₄, карбид кремния SiC и т.п.

5.2. Реакции с кислотами и щелочами

• С обычными кислотами (HCl, H₂SO₄ разб.) при комнатной температуре почти не реагирует из-за устойчивой оксидной плёнки.

• С концентрированной щёлочью (например, горячий раствор NaOH) кремний реагирует в присутствии воды, образуя силикаты и выделяя водород:

  $$\mathrm{Si + 2NaOH + H_2O \rightarrow Na_2SiO_3 + 2H_2}$$

• С плавиковой кислотой (HF)
  SiO₂ растворяется в HF, образуя гексафторкремниевую кислоту и её соли. Сам кремний при наличии окислителя также может разъедаться HF.

6. Основные соединения кремния

6.1. Оксид кремния(IV), SiO₂

Один из важнейших оксидов в природе.

• Встречается в виде минералов: кварц, кремень, песок, аметист и др.

• Твёрдое вещество, практически нерастворимое в воде.

• Химически очень устойчив.

• Растворяется в расплавах щелочей и карбонатов щелочных металлов, образуя силикаты.

Пример реакции:

6.2. Кремниевая кислота и силикаты

Кремниевая кислота — H₂SiO₃ (в реальности существует в виде сложных поликремниевых кислот и гелей).

Её соли — силикаты — составляют основу огромного количества минералов:

• Полевые шпаты

• Слюды

• Амфиболы, пироксены

• Цеолиты
  и т.д.

Силикаты — основа горных пород и минералов земной коры, а также стекла и керамики.

6.3. Галогениды кремния

Наиболее известен тетрахлорид кремния SiCl₄:

• Бесцветная, легко кипящая жидкость.

• При взаимодействии с водой гидролизуется:

  $$\mathrm{SiCl_4 + 4H_2O \rightarrow H_4SiO_4 + 4HCl}$$

Аналогично ведут себя SiBr₄, SiI₄.

6.4. Гидриды кремния (силаны)

Общая формула: SiH₄, Si₂H₆, Si₃H₈ … — аналог алканов, но сильно менее устойчивые.

• Основной представитель — силан SiH₄.

• Бесцветный газ, самовоспламеняется на воздухе.

• Используется в полупроводниковой промышленности (осаждение тонких плёнок Si).

6.5. Карбид кремния, SiC

• Очень твёрдый материал (близок по твёрдости к алмазу).

• Используется как абразив, огнеупорный и конструкционный материал.

7. Нахождение в природе

Кремний — один из самых распространённых элементов земной коры (по массе занимает второе место после кислорода).

Основные формы существования:

• Песок, кварц (SiO₂)

• Различные силикаты (полевые шпаты, слюды, глины)

• Диоксид кремния в скелетах некоторых организмов (диатомовые водоросли, радиолярии)

В свободном виде в природе почти не встречается, только в следовых количествах в метеоритах и некоторых редких минералах.

8. Получение

В промышленности кремний получают в основном из кварца или песка (SiO₂) восстановлением углеродом в электропечах:

Так получают технический кремний (с примесями). Для электронной промышленности нужен особо чистый кремний, который получают дополнительными методами:

• Химическое очищение (через летучие хлориды или гидриды, например, SiCl₄, SiH₄, с последующим разложением).

• Зонная плавка.

• Выращивание монокристаллов по методу Чохральского и др.

9. Биологическая роль

Кремний в больших количествах в организме не нужен, но следовые количества важны:

• Участвует в формировании соединительной ткани, костей, хрящей, кожи, волос.

• Входит в состав раковин и скелетов у ряда организмов (диатомовые, радиолярии, некоторые губки).

Явно выраженной токсичности растворимые формы кремния в малых количествах не имеют, но пыль SiO₂ (особенно мелкодисперсная) при длительном вдыхании опасна (силикоз).

10. Применение

Кремний — один из ключевых элементов современной цивилизации.

10.1. Полупроводниковая промышленность

• Основа микроэлектроники: транзисторы, микросхемы, процессоры.

• Используется в виде монокристаллических пластин (ваферов).

• Благодаря подходящей ширине запрещённой зоны и развитым технологиям очистки кремний — основной материал «кремниевой эпохи».

10.2. Солнечная энергетика

• Кристаллический и аморфный кремний — главный материал для солнечных батарей (фотоэлектрические элементы).

• Применяются монокристаллические, поликристаллические и тонкоплёночные элементы на основе Si.

10.3. Стекло, керамика, строительные материалы

Через соединения:

• SiO₂ — основа обычного силикатного стекла.

• Силикаты — сырьё для керамики, бетона, кирпича, стеклокерамики.

• Песок — один из основных компонентов строительных смесей.

10.4. Металлургия

• Кремний добавляют в сталь и чугун как раскислитель и легирующий элемент, улучшая механические и электрические свойства.

• Силиконизация (покрытие кремнием) улучшает коррозионную стойкость.

10.5. Химическая промышленность и материалы

• Силиконы (органосиликоновые полимеры) — масла, смолы, каучуки, герметики, медицинские импланты, смазки, водоотталкивающие покрытия.

• Адсорбенты и катализаторы на основе SiO₂ (например, силикагель).

11. Токсичность и меры предосторожности

Сам по себе химически чистый кремний относительно нетоксичен. Опасности связаны в основном с формой и соединениями:

• Пыль SiO₂ (особенно кристаллическая, мелкая) вызывает тяжёлое профессиональное заболевание лёгких — силикоз.

• Тетрахлорид кремния и некоторые другие соединения при гидролизе образуют HCl, раздражающий слизистые.

• Силаны (SiH₄ и др.) — взрывоопасные и самовоспламеняющиеся газы.

Поэтому при работе с кремниевыми материалами используются пылеулавливающие системы, респираторы, вытяжки, защитные очки.

Итог: элемент № 14 — это кремний, неметалл/полуметалл 14-й группы, один из основных «строительных блоков» земной коры и ключевой материал современной электроники, стекольной, строительной и химической промышленности.