Министерство общего и профессионального образования

Новосибирский Государственный Технический университет.

РГР по Органической Химии.

«КРЕМНИЙ»

Факультет: ЭМ

Группа: ЭМ-012

Выполнил: Данилов И.В.

Преподаватель: Шевницына ЛВ

Новосибирск,2001г.

Кремний (лат. Silicium), Si, химический элемент IV группы периодической системы Менделеева; атомный номер 14, атомная масса 28,086. В природе элемент представлен тремя стабильными изотопами: ²⁸Si (92,27%), ²⁹Si (4,68%) и ³⁰Si (3,05%).

Кремний в живых организмах.

Кремний в организме находится в виде различных соединений, участвующих главным образом в образовании твёрдых скелетных частей и тканей. Особенно много К. могут накапливать некоторые морские растения (например, диатомовые водоросли) и животные (например, кремнероговые губки, радиолярии), образующие при отмирании на дне океана мощные отложения двуокиси кремния. В холодных морях и озёрах преобладают биогенные илы, обогащенные К., в тропических морях — известковые илы с низким содержанием К. Среди наземных растений много К. накапливают злаки, осоки, пальмы, хвощи. У позвоночных животных содержание двуокиси кремния в зольных веществах 0,1—0,5%. В наибольших количествах К. обнаружен в плотной соединительной ткани, почках, поджелудочной железе. В суточном рационе человека содержится до 1 г К. При высоком содержании в воздухе пыли двуокиси кремния она попадает в лёгкие человека и вызывает заболевание —Силикоз (от лат. silex — кремень),заболевание человека, вызываемое длительным вдыханием пыли, содержащей свободную двуокись кремния, относится к профессиональным болезням. Встречается у рабочих горнорудной, фарфорофаянсовой, металлургической, машиностроительной промышленности. С. — наиболее неблагоприятно протекающее заболевание из группы пневмокониозов; чаще, чем при других заболеваниях, отмечаются присоединение туберкулёзного процесса (т. н. силикотуберкулёз) и другие осложнения.

История открытия и использование.

Историческая справка. Соединения К., широко распространённые на земле, были известны человеку с каменного века. Использование каменных орудий для труда и охоты продолжалось несколько тысячелетий. Применение соединений К., связанное с их переработкой, — изготовление стекла — началось около 3000 лет до н. э. (в Древнем Египте). Раньше других известное соединение К. — двуокись SiO₂ (кремнезём). В 18 в. кремнезём считали простым телом и относили к «землям» (что и отражено в его названии). Сложность состава кремнезёма установил И. Я. Берцелиус. В свободном состоянии кремний впервые был получен в 1811 году французским учёным Ж. Гей-Люссаком и О. Тенаром. В 1825 году шведский минералог и химик Иенс Якоб Берцелиус получил аморфный кремний. Бурый порошок аморфного кремния был получен восстановлением металлическим калием газообразного тетрафторида кремния:

SiF4 + 4K = Si + 4KF

Позже была получена кристаллическая форма кремния. Перекристаллизацией кремния из расплавленных металлов были получены серого цвета твёрдые, но хрупкие кристаллы с металлическим блеском. Русские названия элимента кремния ввёл в обиход Г. И. Гесс в 1834 году.

Распространение в природе.

Кремний после кислорода – самый распространённый элемент (27,6%) на земле. Это элемент, который входит в большинство минералов и горных пород, составляющих твёрдую оболочку земной коры. В земной коре К. играет такую же первостепенную роль, как углерод в животном и растительном мире. Для геохимии К. важна исключительно прочная связь его с кислородом. Наиболее широко распространённые соединения кремния – оксид кремния SiO2 и производные кремниевых кислот, называемые силикатами. Оксид кремния (IV) встречается в виде минерала кварца (кремнезем, кремень). В природе из этого соединения сложены целые горы. Попадаются очень крупные, массой до 40 тонн, кристаллы кварца. Обычный песок состоит из мелкого кварца, загрязнённого различными примесями. Ежегодное мировое потребление песка достигает 300 млн. тонн.

Из силикатов наиболее широко в природе распространены алюмосиликаты (каолин Al2O3*2SiO2*2H2O, асбест CaO*3MgO*4SiO2, ортоклаз K2O*Al2O3*6SiO2 и др.). Если в состав минерала кроме оксидов кремния и алюминия входят оксиды натрия, калия или кальция, то минерал носит название полевого шпата (белая слюда и др.). На долю полевых шпатов приходится около половины известных в природе силикатов. Горные породы гранит и гнейс включают кварц, слюду, полевой шпат.

В состав растительного и животного мира кремний входит в незначительных кол-вах. Его содержат стебли некоторых видов овощей и хлебных злаков. Этим объясняется повышенная прочность стеблей этих растений. Панцири инфузорий, тела губок,яйца и перья птиц, шерсть животных, волосы, стекловидное тело глаза также содержат кремний.

Анализ обрасцов лунного грунта, доставленного кораблями показали присутствие оксида кремния в кол-ве более 40 процентов. В составе каменных метеоритов содержание кремния достигает 20 процентов.

Строение атома и основные хим.и физ. св-ва.

К. образует тёмно-серые с металлическим блеском кристаллы, имеющие кубическую гранецентрированную решётку типа алмаза с периодом а = 5,431Å, плотностью 2,33 г/см³. При очень высоких давлениях получена новая (по-видимому, гексагональная) модификация с плотностью 2,55 г/см³. К. плавится при 1417°С, кипит при 2600°С. Удельная теплоёмкость (при 20—100°С) 800 дж/(кг×К), или 0,191 кал/(г×град); теплопроводность даже для самых чистых образцов не постоянна и находится в пределах (25°С) 84—126 вт/(м×К), или 0,20—0,30 кал/(см×сек×град). Температурный коэффициент линейного расширения 2,33×10^-6 К^-1; ниже 120K становится отрицательным. К. прозрачен для длинноволновых ИК-лучей; показатель преломления (для l=6 мкм) 3,42; диэлектрическая проницаемость 11,7. К. диамагнитен, атомная магнитная восприимчивость —0,13×10^-6. Твёрдость К. по Моосу 7,0, по Бринеллю 2,4 Гн/м² (240 кгс/мм²), модуль упругости 109 Гн/м² (10890 кгс/мм²), коэффициент сжимаемости 0,325×10^-6 см²/кг. К. хрупкий материал; заметная пластическая деформация начинается при температуре выше 800°С.

К. — полупроводник, находящий всё большее применение. Электрические свойства К. очень сильно зависят от примесей. Собственное удельное объёмное электросопротивление К. при комнатной температуре принимается равным 2,3×10³ ом×м (2,3×10⁵ ом×см).

Полупроводниковый К. с проводимостью р-типа (добавки В, Al, In или Ga) и n-типа (добавки Р, Bi, As или Sb) имеет значительно меньшее сопротивление. Ширина запрещенной зоны по электрическим измерениям составляет 1,21 эв при 0 К и снижается до 1,119 эв при 300 К.

В соответствии с положением К. в периодической системе Менделеева 14 электронов атома К. распределены по трём оболочкам: в первой (от ядра) 2 электрона, во второй 8, в третьей (валентной) 4; конфигурация электронной оболочки 1s²2s²2p⁶3s²3p². Последовательные потенциалы ионизации (эв): 8,149; 16,34; 33,46 и 45,13. Атомный радиус 1,33Å, ковалентный радиус 1,17Å, ионные радиусы Si⁴⁺ 0,39Å, Si^4- 1,98Å.

В соединениях К. (аналогично углероду) 4-валентен. Однако, в отличие от углерода, К. наряду с координационым числом 4 проявляет координационное число 6, что объясняется большим объёмом его атома (примером таких соединений являются кремнефториды, содержащие группу [SiF₆]^2-).

Химическая связь атома К. с другими атомами осуществляется обычно за счёт гибридных sp³-орбиталей, но возможно также вовлечение двух из его пяти (вакантных) 3d-орбиталей, особенно когда К. является шестикоординационным. Обладая малой величиной электроотрицательности, равной 1,8 (против 2,5 у углерода; 3,0 у азота и т. д.), К. в соединениях с неметаллами электроположителен, и эти соединения носят полярный характер. Большая энергия связи с кислородом Si—O, равная 464 кдж/моль (111 ккал/моль), обусловливает стойкость его кислородных соединений (SiO₂ и силикатов). Энергия связи Si—Si мала, 176 кдж/моль (42 ккал/моль); в отличие от углерода, для К. не характерно образование длинных цепей и двойной связи между атомами Si. На воздухе К. благодаря образованию защитной окисной плёнки устойчив даже при повышенных температурах. В кислороде окисляется начиная с 400°С, образуя кремния двуокись SiO₂. Известна также моноокись SiO, устойчивая при высоких температурах в виде газа; в результате резкого охлаждения может быть получен твёрдый продукт, легко разлагающийся на тонкую смесь Si и SiO₂. К. устойчив к кислотам и растворяется только в смеси азотной и фтористоводородной кислот; легко растворяется в горячих растворах щелочей с выделением водорода. К. реагирует с фтором при комнатной температуре, с остальными галогенами — при нагревании с образованием соединений общей формулы SiX₄ (см. Кремния галогениды). Водород непосредственно не реагирует с К., и кремневодороды (силаны) получают разложением силицидов (см. ниже). Известны кремневодороды от SiH₄ до Si₈H₁₈ (по составу аналогичны предельным углеводородам). К. образует 2 группы кислородсодержащих силанов — силоксаны и силоксены. С азотом К. реагирует при температуре выше 1000°С. Важное практическое значение имеет нитрид Si₃N₄, не окисляющийся на воздухе даже при 1200°С, стойкий по отношению к кислотам (кроме азотной) и щелочам, а также к расплавленным металлам и шлакам, что делает его ценным материалом для химической промышленности, для производства огнеупоров и др. Высокой твёрдостью, а также термической и химической стойкостью отличаются соединения К. с углеродом (кремния карбид SiC) и с бором (SiB₃, SiB₆, SiB₁₂). При нагревании К. реагирует (в присутствии металлических катализаторов, например меди) с хлорорганическими соединениями (например, с CH₃Cl) с образованием органогалосиланов [например, Si (CH₃)₃CI], служащих для синтеза многочисленных кремнийорганических соединений.

Получение.

Наиболее простым и удобным лабораторным способом получения кремния является восстановление оксида кремния SiO2 при высоких температурах металлами-востановителями. Вследствие устойчивости оксида кремния для восстановления применяют такие активные восстановители, как магний и алюминий:

3SiO2 + 4Al = 3Si + 2Al2O3

При восстановлении металлическим алюминием получают кристаллический кремний. Способ восстановления металлов из их оксидов металлическим алюминием открыл русский физикохимик НН Бекетов в 1865 году. При восстановлении оксида кремния алюминием выделяющейся теплоты не хватает для расплавления продуктов реакции – кремния и оксида алюминия, который плавится при 2050 С. Для снижения температуры плавления продуктов реакции в реакционную смесь добавляют серу и избыто алюминия. При реакции образуется легкоплавкий сульфид алюминия:

2Al + 3S = Al2S3

Капли расплавленного кремния опускаются на дно тигля.

К. технической чистоты (95—98%) получают в электрической дуге восстановлением кремнезёма SiO₂ между графитовыми электродами.

SiO2+2C=Si+2CO

В связи с развитием полупроводниковой техники разработаны методы получения чистого и особо чистого К. Это требует предварительного синтеза чистейших исходных соединений К., из которых К. извлекают путём восстановления или термического разложения.

Чистый полупроводниковый К. получают в двух видах: поликристаллический (восстановлением SiCI₄ или SiHCl₃ цинком или водородом, термическим разложением Sil₄ и SiH₄) и монокристаллический (бестигельной зонной плавкой и «вытягиванием» монокристалла из расплавленного К. — метод Чохральского).

Путём хлорирования технического кремния получают тетрахлорид кремния. Старейшим методом разложения тетрахлорида кремния является метод выдающегося русского химика академика Н.Н.Бекетова. Метод этот можно представить уравнением:

SiCl4+Zn=Si+2ZnCl2.

Здесь пары тетрахлорида кремния, кипящего при температуре 57,6°C, взаимодействуют с парами цинка.

В настоящее время тетрахлорид кремния восстанавливают водородом. Реакция протекает по уравнению:

SiCl4+2Н2=Si+4НCl.

Кремний получается в порошкообразном виде. Применяют и йодидный способ получения кремния, аналогичный описанному ранее йодидному методу получения чистого титана.

Чтобы получить чистыми кремний, его очищают от примесей зонной плавкой аналогично тому, как получают чистый титан.

Для целого ряда полупроводниковых приборов предпочтительны полупроводниковые материалы, получаемые в виде монокристаллов, так как в поликристаллическом материале имеют место неконтролируемые изменения электрических свойств.

При вращении монокристаллов пользуются методом Чохральского, заключающимся в следующем: в расплавленный материал опускают стержень, на конце которого имеется кристалл данного материала; он служит зародышем будущего монокристалла. Стержень вытягивают из расплава с небольшой скоростью до 1-2 мм/мин. В результате постепенно выращивают монокристалл нужного размера. Из него вырезают пластинки, используемые в полупроводниковых приборах.

Применение.

Специально легированный К. широко применяется как материал для изготовления полупроводниковых приборов (транзисторы, термисторы, силовые выпрямители тока, управляемые диоды — тиристоры; солнечные фотоэлементы, используемые в космических кораблях, и т. д.). Поскольку К. прозрачен для лучей с длиной волны от 1 до 9 мкм, его применяют в инфракрасной оптике (см. также Кварц).

К. имеет разнообразные и всё расширяющиеся области применения. В металлургии К. используется для удаления растворённого в расплавленных металлах кислорода (раскисления). К. является составной частью большого числа сплавов железа и цветных металлов. Обычно К. придаёт сплавам повышенную устойчивость к коррозии, улучшает их литейные свойства и повышает механическую прочность; однако при большем его содержании К. может вызвать хрупкость. Наибольшее значение имеют железные, медные и алюминиевые сплавы, содержащие К. Всё большее количество К. идёт на синтез кремнийорганических соединений и силицидов. Кремнезём и многие силикаты (глины, полевые шпаты, слюды, тальки и т. д.) перерабатываются стекольной, цементной, керамической, электротехнической и др. отраслями промышленности.