Кремний и диоксид кремния — Неорганическая химия для олимпиад
Неорганическая химияКурс для олимпиад

Кремний и диоксид кремния

9 заданий

Кремний

Кремний составляет 27 % массы земной коры и занимает второе место среди элементов по распространённости. В свободном виде он не встречается: кремний входит в состав кремнезёма и силикатов. Чтобы получить его из кремнезёма, диоксид кремния восстанавливают углём. Для производства микросхем полученный кремний затем очищают.

scienceПолучение и очистка кремния

  1. \(\ce{SiO2 + 2C ->[2000 °C] Si + 2CO}\) — при восстановлении диоксида кремния углём получают технический кремний чистотой 98–99 %, который используют для сплавов.
  2. \(\ce{Si + 3HCl ->[300 °C] SiHCl3 + H2}\) — кремний превращают в летучий трихлорсилан, который очищают ректификацией.
  3. \(\ce{SiHCl3 + H2 ->[1100 °C] Si + 3HCl}\) — в процессе Сименса из очищенного трихлорсилана осаждают кремний чистотой 99,9999999 %.

Затем из расплава вытягивают монокристалл методом Чохральского (1916) и разрезают его на пластины для микросхем и солнечных батарей.

auto_awesomeДевять девяток

Для микросхем нужен кремний с одной примесной частицей на миллиард атомов кремния. Чистоту 99,9999999 % называют «девять девяток». Кремний относится к числу самых чистых материалов, которые человечество производит в промышленных масштабах.

При обычных условиях поверхность кремния покрыта плёнкой \(\ce{SiO2}\). Поэтому кремний не реагирует с кислотами, кроме смеси HF с окислителем. Со щелочами он реагирует энергично: \(\ce{Si + 2NaOH + H2O -> Na2SiO3 + 2H2 ^}\). Во фторе кремний горит: \(\ce{Si + 2F2 -> SiF4}\); с хлором он реагирует при нагревании. Смесь \(\ce{HF}\) и \(\ce{HNO3}\) применяют для травления кремниевых пластин: \(\ce{3Si + 4HNO3 + 18HF -> 3H2SiF6 + 4NO + 8H2O}\).

Диоксид кремния: почему не как CO₂

Почему два диоксида элементов одной группы устроены по-разному? \(\ce{CO2}\) представляет собой газ, состоящий из небольших молекул O=C=O. Напротив, \(\ce{SiO2}\) является твёрдым веществом с температурой плавления около 1700 °C. Его атомы образуют трёхмерный каркас из тетраэдров \(\ce{SiO4}\), соединённых вершинами.

Причина различия заключается в прочности связей с кислородом. Кремний — элемент 3-го периода: его 3p-орбитали крупнее и хуже перекрываются сбоку с 2p-орбиталями кислорода. Поэтому π-связи Si=O получаются слабыми, и для кремния выгоднее образовать четыре прочные одинарные связи Si–O (452 кДж/моль), чем две двойные. У углерода, напротив, связь C=O (799 кДж/моль) прочнее двух одинарных связей C–O.

Кристаллическими модификациями \(\ce{SiO2}\) являются кварц, устойчивый при обычных условиях, тридимит и кристобалит. Стеклообразный кварц имеет аморфное строение; опал и диатомит содержат аморфный диоксид кремния. Кремень, в отличие от них, состоит преимущественно из микрокристаллов диоксида кремния.

auto_awesomeПьезокварц

При механическом давлении на кристалле кварца возникает электрическое напряжение. Возможен и обратный эффект: в переменном электрическом поле кристалл колеблется с очень стабильной частотой. Кварцевая пластинка служит основой генератора частоты в наручных часах (32 768 колебаний в секунду) и во многих электронных устройствах.

Различие в строении определяет и химические свойства диоксидов. Диоксид кремния реагирует с плавиковой кислотой, а при нагревании — со щёлочью и содой.

scienceДиоксид кремния в реакциях

  1. \(\ce{SiO2 + 4HF -> SiF4 ^ + 2H2O}\) — плавиковая кислота реагирует с диоксидом кремния, в отличие от остальных кислот.
  2. \(\ce{SiO2 + 2NaOH ->[t] Na2SiO3 + H2O}\) — при сплавлении диоксида кремния со щёлочью образуется силикат натрия; концентрированная щёлочь медленно растворяет также стекло.
  3. \(\ce{SiO2 + Na2CO3 ->[t] Na2SiO3 + CO2 ^}\) — при варке стекла диоксид кремния реагирует с содой с образованием силиката натрия.
  4. \(\ce{SiO2 + 2Mg ->[t] Si + 2MgO}\) — при нагревании магний восстанавливает диоксид кремния; эту реакцию называют магниетермией и применяют для лабораторного получения кремния.

Кремний в технике и природе

Свойства кремния и его соединений позволяют использовать их в производстве стали, твёрдых материалов, оптического волокна и электронных устройств.

scienceКремний и его соединения в технике

  1. \(\ce{2FeO + Si -> 2Fe + SiO2}\) — кремний в составе ферросилиция (сплава Fe–Si) восстанавливает оксид железа; поэтому ферросилиций используют как раскислитель стали.
  2. \(\ce{Si + C ->[t] SiC}\) — при нагревании кремния с углеродом получают карбид кремния (урок 146).

Диоксид кремния \(\ce{SiO2}\) высокой чистоты используют для изготовления оптического волокна: свет проходит по нему десятки километров с малыми потерями. В кремниевых солнечных батареях применяют p–n-переход — границу между областями кремния, одна из которых легирована бором, а другая легирована фосфором.

auto_awesomeКремень и история

Кремень — плотный микрокристаллический \(\ce{SiO2}\). Сотни тысяч лет из него делали ножи и наконечники: благодаря раковистому излому кремень образует очень острые кромки. Раковистый излом характерен и для обсидиана; изготовленными из него скальпелями хирурги иногда пользуются и сегодня.

boltПримеси и проводимость кремния

Кремний является полупроводником. В чистом кремнии мало свободных носителей электрического заряда, но примеси изменяют его проводимость. Атом фосфора с 5 валентными электронами создаёт лишний электрон; такую проводимость называют проводимостью n-типа. Атом бора с 3 электронами создаёт недостаток электрона в связи. Такой недостаток называют дыркой, а соответствующую проводимость — проводимостью p-типа. Сочетание областей с этими типами проводимости широко используют в электронике.

push_pinГлавное

Кремний получают восстановлением кварца углём в дуговой печи (\(\ce{SiO2 + 2C -> Si + 2CO}\)), для электроники очищают через \(\ce{SiHCl3}\) в процессе Сименса, а затем выращивают монокристаллы. Кремний реагирует со щелочами (\(\ce{Si + 2NaOH + H2O -> Na2SiO3 + 2H2}\)) и со смесью \(\ce{HF + HNO3}\), но не с каждой из этих кислот по отдельности. В отличие от молекулярного \(\ce{CO2}\), диоксид кремния \(\ce{SiO2}\) образует каркас из тетраэдров \(\ce{SiO4}\); кварц твёрд и плавится при температуре около 1700 °C. Такое строение объясняется тем, что кремний не образует с кислородом прочных π-связей и ему выгоднее образовать четыре одинарные связи Si–O. Из кислот с \(\ce{SiO2}\) реагирует плавиковая кислота; со щелочами и содой он реагирует при сплавлении.

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

Неорганическая химия для олимпиад · репетитор-кузьмин.рф
© 2026. Программа — авторская, по официальным комплектам ВсОШ, «Высшей пробы», «Ломоносова» и программе IChO; последовательность уроков и критерии перехода — методика курса.