Кремний и диоксид кремния

9 заданий

Кремний

Кремний — второй по распространённости элемент земной коры (27 %), но в свободном виде не встречается: только в кремнезёме и силикатах.

scienceПолучение кремния

\(\ce{SiO2 + 2C ->[2000 °C] Si + 2CO}\) — технический кремний (98–99 %) для сплавов.
\(\ce{Si + 3HCl ->[300 °C] SiHCl3 + H2}\) — перевод в летучий трихлорсилан, его очищают ректификацией.
\(\ce{SiHCl3 + H2 ->[1100 °C] Si + 3HCl}\) — процесс Сименса: осаждение сверхчистого кремния (99,9999999 %).
Из расплава вытягивают монокристалл (метод Чохральского, 1916) и режут на пластины для микросхем и солнечных батарей.

auto_awesomeДевять девяток

Для микросхем нужен кремний с одной примесной частицей на миллиард атомов кремния — «девять девяток». Это самый чистый материал, который производит человечество в промышленных масштабах.

Химические свойства. Кремний покрыт плёнкой \(\ce{SiO2}\) и инертен к кислотам (кроме смеси HF с окислителем). Со щелочами реагирует энергично: \(\ce{Si + 2NaOH + H2O -> Na2SiO3 + 2H2 ^}\). С фтором горит: \(\ce{Si + 2F2 -> SiF4}\); с хлором — при нагревании. Смесь \(\ce{HF}\) и \(\ce{HNO3}\) травит кремниевые пластины: \(\ce{3Si + 4HNO3 + 18HF -> 3H2SiF6 + 4NO + 8H2O}\).

Диоксид кремния: почему не как CO₂

\(\ce{CO2}\) — газ из маленьких молекул O=C=O. \(\ce{SiO2}\) — твёрдое вещество (т. пл. около 1700 °C), трёхмерный каркас тетраэдров \(\ce{SiO4}\), соединённых вершинами. Почему такая разница?

Кремний — атом 3-го периода: его 3p-орбитали крупнее и хуже перекрываются «бок о бок» с 2p-орбиталями кислорода, поэтому π-связи Si=O слабые. Выгоднее образовать четыре прочные одинарные связи Si–O (452 кДж/моль), чем две двойные. У углерода наоборот: связь C=O (799 кДж/моль) прочнее двух одинарных C–O.

Модификации \(\ce{SiO2}\): кварц (устойчив при обычных условиях), тридимит, кристобалит, стеклообразный кварц; аморфный — опал, кремень, диатомит.

auto_awesomeПьезокварц

Кристалл кварца под механическим давлением даёт электрическое напряжение, и наоборот — колеблется в переменном поле с очень стабильной частотой. Кварцевая пластинка — «сердце» наручных часов (32 768 колебаний в секунду) и почти любой электроники.

scienceДиоксид кремния в реакциях

\(\ce{SiO2 + 4HF -> SiF4 ^ + 2H2O}\) — единственная кислота, которая его растворяет.
\(\ce{SiO2 + 2NaOH ->[t] Na2SiO3 + H2O}\) — сплавление; концентрированная щёлочь медленно растворяет и стекло.
\(\ce{SiO2 + Na2CO3 ->[t] Na2SiO3 + CO2 ^}\) — варка стекла.
\(\ce{SiO2 + 2Mg ->[t] Si + 2MgO}\) — магниетермия, лабораторное получение кремния.

Кремний в технике и природе

scienceКремний и его соединения в технике

Ферросилиций (сплав Fe–Si) — раскислитель стали: \(\ce{2FeO + Si -> 2Fe + SiO2}\).
\(\ce{Si + C ->[t] SiC}\) — карбид кремния (урок 146).
\(\ce{SiO2}\) высокой чистоты — оптическое волокно: свет проходит по нему десятки километров с малыми потерями.
Кремниевые солнечные батареи — p–n-переход из кремния, легированного бором и фосфором.

auto_awesomeКремень и история

Кремень (плотный микрокристаллический \(\ce{SiO2}\)) — первый «высокотехнологичный» материал человечества: из него сотни тысяч лет делали ножи и наконечники. Его раковистый излом даёт острейшие кромки — обсидиановыми скальпелями и сегодня иногда пользуются хирурги.

boltКремний — полупроводник

В чистом кремнии мало свободных носителей. Примесь фосфора (5 валентных электронов) даёт лишний электрон — n-тип; примесь бора (3 электрона) — «дырку», p-тип. Весь мир электроники держится на этой простой электронной бухгалтерии.

push_pinГлавное

Кремний получают восстановлением кварца углём в дуговой печи (\(\ce{SiO2 + 2C -> Si + 2CO}\)), для электроники очищают через \(\ce{SiHCl3}\) (процесс Сименса) и выращивают монокристаллы. Кремний растворяется в щелочах (\(\ce{Si + 2NaOH + H2O -> Na2SiO3 + 2H2}\)) и в смеси \(\ce{HF + HNO3}\), но не в отдельных кислотах. \(\ce{SiO2}\) — полимерный каркас тетраэдров \(\ce{SiO4}\) (кварц, твёрдый, т. пл. 1700 °C), в отличие от молекулярного \(\ce{CO2}\): кремний не образует прочных π-связей, и выгоднее четыре одинарные связи Si–O. С кислотами \(\ce{SiO2}\) не реагирует (кроме HF), со щелочами и содой — при сплавлении.

Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.