Krzem i jego właściwości lecznicze. Krzem: charakterystyka, cechy i zastosowania

KRZEM (łac. Krzem), Si, pierwiastek chemiczny IV grupy formy krótkiej (grupa 14 formy długiej) układu okresowego; liczba atomowa 14, masa atomowa 28,0855. Naturalny krzem składa się z trzech stabilnych izotopów: 28 Si (92,2297%), 29 Si (4,6832%), 30 Si (3,0872%). Radioizotopy o liczbach masowych 22-42 uzyskano sztucznie.

Odniesienie historyczne. Powszechne na Ziemi związki krzemu były stosowane przez człowieka od epoki kamienia; na przykład od czasów starożytnych do epoki żelaza do wyrobu narzędzi kamiennych używano krzemienia. Przetwarzanie związków krzemu – produkcja szkła – rozpoczęło się w IV tysiącleciu p.n.e. w starożytnym Egipcie. Krzem elementarny otrzymał w latach 1824-25 J. Berzelius w wyniku redukcji fluorku SiF 4 metalicznym potasem. Nowemu pierwiastkowi nadano nazwę „krzem” (od łacińskiego silex – krzemień; rosyjska nazwa „krzem”, wprowadzona w 1834 r. przez G. I. Hessa, również pochodzi od słowa „krzemień”).

Występowanie w przyrodzie. Pod względem występowania w skorupie ziemskiej krzem jest drugim pierwiastkiem chemicznym (po tlenie): zawartość krzemu w litosferze wynosi 29,5% masowych. W przyrodzie nie występuje w stanie wolnym. Najważniejszymi minerałami zawierającymi krzem są glinokrzemiany i naturalne krzemiany (naturalne amfibole, skalenie, mika itp.), a także minerały krzemionki (kwarc i inne polimorficzne modyfikacje dwutlenku krzemu).

Nieruchomości. Konfiguracja zewnętrznej powłoki elektronowej atomu krzemu to 3s 2 3p 2. W związkach wykazuje stopień utlenienia +4, rzadko +1, +2, +3, -4; Elektroujemność Paulinga wynosi 1,90, potencjały jonizacji Si 0 → Si + → Si 2+ → Si 3+ → Si 4+ wynoszą odpowiednio 8,15, 16,34, 33,46 i 45,13 eV; promień atomowy 22:00, promień jonu Si 4+ 40 pm (numer koordynacyjny 4), 54 pm (numer koordynacyjny 6).

Krzem jest ciemnoszarą, stałą, kruchą substancją krystaliczną o metalicznym połysku. Sieć krystaliczna jest sześcienna skupiona na ścianie; t temperatura topnienia 1414°C, temperatura wrzenia 2900°C, gęstość 2330 kg/m 3 (w 25°C). Pojemność cieplna 20,1 J/(mol∙K), przewodność cieplna 95,5 W/(m∙K), stała dielektryczna 12; Twardość w skali Mohsa 7. W normalnych warunkach krzem jest materiałem kruchym; zauważalne odkształcenie plastyczne obserwuje się w temperaturach powyżej 800°C. Krzem jest przezroczysty dla promieniowania podczerwonego o długości fali większej niż 1 mikron (współczynnik załamania światła 3,45 przy długości fali 2-10 mikronów). Diamagnetyczny (podatność magnetyczna - 3,9∙10 -6). Krzem jest półprzewodnikiem, pasmo wzbronione 1,21 eV (0 K); właściwy opór elektryczny 2,3∙10 3 Ohm∙m (w 25 °C), ruchliwość elektronów 0,135-0,145, dziury - 0,048-0,050 m 2 / (V s). Właściwości elektryczne krzemu są w dużym stopniu zależne od obecności zanieczyszczeń. Aby otrzymać monokryształy krzemu o przewodności typu p, stosuje się dodatki domieszkujące B, Al, Ga, In (zanieczyszczenia akceptorowe), a o przewodności typu n - P, As, Sb, Bi (zanieczyszczenia donorowe).

Krzem w powietrzu pokrywa się warstwą tlenku, dlatego jest chemicznie obojętny w niskich temperaturach; po podgrzaniu powyżej 400°C reaguje z tlenem (powstają tlenek SiO i dwutlenek SiO 2), halogenami (halogenki krzemu), azotem (azotek krzemu Si 3 N 4), węglem (węglik krzemu SiC) itp. Związki krzemu z wodór – silany – otrzymywany pośrednio. Krzem reaguje z metalami tworząc krzemki.

Drobny krzem jest środkiem redukującym: po podgrzaniu reaguje z parą wodną, ​​uwalniając wodór, redukując tlenki metali do wolnych metali. Kwasy nieutleniające pasywują krzem w wyniku tworzenia na jego powierzchni nierozpuszczalnego w kwasach filmu tlenkowego. Krzem rozpuszcza się w mieszaninie stężonego HNO 3 z HF i powstaje kwas wodorofluorokrzemowy: 3Si + 4HNO 3 + 18HF = 3H 2 + 4NO + 8H 2 O. Krzem (szczególnie drobno zdyspergowany) reaguje z zasadami, uwalniając wodór, na przykład: Si + 2NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 2H 2. Krzem tworzy różne związki krzemoorganiczne.

Rola biologiczna. Krzem jest mikroelementem. Dzienne zapotrzebowanie człowieka na krzem wynosi 20-50 mg (pierwiastek niezbędny do prawidłowego wzrostu kości i tkanki łącznej). Krzem dostaje się do organizmu człowieka wraz z pożywieniem, a także z wdychanym powietrzem w postaci pyłopodobnego SiO2. Przy długotrwałym wdychaniu pyłu zawierającego wolny SiO 2 dochodzi do krzemicy.

Paragon. Krzem o czystości technicznej (95-98%) otrzymuje się poprzez redukcję SiO2 węglem lub metalami. Krzem polikrystaliczny o wysokiej czystości otrzymuje się poprzez redukcję SiCl 4 lub SiHCl 3 wodorem w temperaturze 1000-1100 ° C, rozkład termiczny Sil 4 lub SiH 4; krzem monokrystaliczny o wysokiej czystości - metodą topienia strefowego lub metodą Czochralskiego. Wielkość światowej produkcji krzemu wynosi około 1600 tys. ton/rok (2003).

Aplikacja. Krzem jest głównym materiałem mikroelektroniki i urządzeń półprzewodnikowych; stosowany do produkcji szkła przezroczystego dla promieniowania podczerwonego. Krzem jest składnikiem stopów żelaza i metali nieżelaznych (w małych stężeniach krzem zwiększa odporność korozyjną i wytrzymałość mechaniczną stopów, poprawia ich właściwości odlewnicze, w dużych stężeniach może powodować kruchość); Do najważniejszych należą stopy żelaza, miedzi i aluminium zawierające krzem. Krzem stosowany jest jako materiał wyjściowy do produkcji związków krzemoorganicznych i krzemków.

Dosł.: Baransky P.I., Klochkov V.P., Potykevich I.V. Elektronika półprzewodnikowa. Właściwości materiałów: Katalog. K., 1975; Drozdov A. A., Zlomanov V. P., Mazo G. N., Spiridonov F. M. Chemia nieorganiczna. M., 2004. T. 2; Shriver D., Atkins P. Chemia nieorganiczna. M., 2004. T. 1-2; Krzem i jego stopy. Jekaterynburg, 2005.

Jednym z najczęstszych pierwiastków w przyrodzie jest krzem lub krzem. Tak szerokie rozmieszczenie wskazuje na wagę i znaczenie tej substancji. Zostało to szybko zrozumiane i nauczone przez ludzi, którzy nauczyli się, jak właściwie wykorzystywać krzem do swoich celów. Jego zastosowanie opiera się na specjalnych właściwościach, które omówimy dalej.

Krzem - pierwiastek chemiczny

Jeśli scharakteryzujemy dany pierwiastek według pozycji w układzie okresowym, możemy zidentyfikować następujące ważne punkty:

  1. Numer seryjny - 14.
  2. Okres jest trzecim małym.
  3. Grupa - IV.
  4. Podgrupa jest grupą główną.
  5. Strukturę zewnętrznej powłoki elektronowej wyraża wzór 3s 2 3p 2.
  6. Pierwiastek krzem jest reprezentowany przez symbol chemiczny Si, który wymawia się jako „krzem”.
  7. Wykazywane przez niego stany utlenienia to: -4; +2; +4.
  8. Wartościowość atomu wynosi IV.
  9. Masa atomowa krzemu wynosi 28,086.
  10. W przyrodzie występują trzy stabilne izotopy tego pierwiastka o liczbach masowych 28, 29 i 30.

Zatem z chemicznego punktu widzenia atom krzemu jest pierwiastkiem dość zbadanym, opisano wiele jego różnych właściwości.

Historia odkryć

Ponieważ różne związki tego pierwiastka są bardzo popularne i obfite w przyrodzie, ludzie już od czasów starożytnych stosowali i znali właściwości wielu z nich. Czysty krzem przez długi czas pozostawał poza ludzką wiedzą chemiczną.

Najpopularniejszymi związkami stosowanymi w życiu codziennym i przemyśle przez ludy kultur starożytnych (Egipcjan, Rzymian, Chińczyków, Rosjan, Persów i innych) były kamienie szlachetne i ozdobne na bazie tlenku krzemu. Obejmują one:

  • opal;
  • kryształ górski;
  • topaz;
  • chryzopraz;
  • onyks;
  • chalcedon i inne.

Od czasów starożytnych zwyczajem było również stosowanie kwarcu w budownictwie. Jednak sam krzem elementarny pozostawał nieodkryty aż do XIX wieku, chociaż wielu naukowców bezskutecznie próbowało wyizolować go z różnych związków, stosując katalizatory, wysokie temperatury, a nawet prąd elektryczny. Są to takie bystre umysły jak:

  • Karl Scheele;
  • Gay-Lussac;
  • Tenar;
  • Humphry'ego Davy'ego;
  • Antoine’a Lavoisiera.

Jensowi Jacobsowi Berzeliusowi udało się uzyskać krzem w czystej postaci w 1823 roku. W tym celu przeprowadził eksperyment polegający na stapianiu par fluorku krzemu i metalicznego potasu. W efekcie otrzymałem amorficzną modyfikację omawianego elementu. Ci sami naukowcy zaproponowali łacińską nazwę odkrytemu atomowi.

Nieco później, w 1855 roku, innemu naukowcowi - Sainte-Clair-Deville - udało się zsyntetyzować inną odmianę alotropową - krzem krystaliczny. Od tego czasu wiedza o tym pierwiastku i jego właściwościach zaczęła się bardzo szybko poszerzać. Ludzie zdali sobie sprawę, że ma unikalne funkcje, które można bardzo inteligentnie wykorzystać do własnych potrzeb. Dlatego dziś jednym z najpopularniejszych elementów w elektronice i technologii jest krzem. Jego użycie z roku na rok tylko poszerza swoje granice.

Rosyjską nazwę atomu nadał naukowiec Hess w 1831 roku. To właśnie utkwiło do dziś.

Pod względem obfitości w przyrodzie krzem zajmuje drugie miejsce po tlenie. Jego procent w porównaniu z innymi atomami skorupy ziemskiej wynosi 29,5%. Dodatkowo węgiel i krzem to dwa specjalne pierwiastki, które mogą tworzyć łańcuchy, łącząc się ze sobą. Dlatego dla tego ostatniego znanych jest ponad 400 różnych naturalnych minerałów, w których występuje on w litosferze, hydrosferze i biomasie.

Gdzie dokładnie występuje krzem?

  1. W głębokich warstwach gleby.
  2. W skałach, osadach i masywach.
  3. Na dnie zbiorników wodnych, zwłaszcza mórz i oceanów.
  4. W roślinach i życiu morskim królestwa zwierząt.
  5. W organizmie człowieka i zwierząt lądowych.

Możemy zidentyfikować kilka najpowszechniejszych minerałów i skał zawierających duże ilości krzemu. Ich skład chemiczny jest taki, że zawartość masowa czystego pierwiastka w nich sięga 75%. Jednak konkretna liczba zależy od rodzaju materiału. Zatem skały i minerały zawierające krzem:

  • skalenie;
  • mika;
  • amfibole;
  • opale;
  • chalcedon;
  • krzemiany;
  • piaskowce;
  • glinokrzemiany;
  • glinki i inne.

Gromadząc się w muszlach i egzoszkieletach zwierząt morskich, krzem ostatecznie tworzy potężne złoża krzemionki na dnie zbiorników wodnych. Jest to jedno z naturalnych źródeł tego pierwiastka.

Ponadto odkryto, że krzem może występować w czystej postaci natywnej – w postaci kryształów. Ale takie złoża są bardzo rzadkie.

Właściwości fizyczne krzemu

Jeżeli charakteryzujemy rozpatrywany pierwiastek według zespołu właściwości fizykochemicznych, to przede wszystkim konieczne jest wyznaczenie parametrów fizycznych. Oto kilka głównych:

  1. Występuje w postaci dwóch modyfikacji alotropowych – amorficznej i krystalicznej, które różnią się wszystkimi właściwościami.
  2. Sieć krystaliczna jest bardzo podobna do sieci diamentu, ponieważ węgiel i krzem są pod tym względem praktycznie takie same. Różna jest jednak odległość między atomami (większy jest krzem), dlatego diament jest znacznie twardszy i mocniejszy. Typ kratowy - sześcienny, centrowany twarzą.
  3. Substancja jest bardzo krucha i staje się plastyczna w wysokich temperaturach.
  4. Temperatura topnienia wynosi 1415˚C.
  5. Temperatura wrzenia - 3250˚С.
  6. Gęstość substancji wynosi 2,33 g/cm3.
  7. Kolor mieszanki jest srebrno-szary, z charakterystycznym metalicznym połyskiem.
  8. Ma dobre właściwości półprzewodnikowe, które mogą się różnić w zależności od dodatku niektórych środków.
  9. Nierozpuszczalny w wodzie, rozpuszczalnikach organicznych i kwasach.
  10. Szczególnie rozpuszczalny w alkaliach.

Zidentyfikowane właściwości fizyczne krzemu pozwalają ludziom manipulować nim i wykorzystywać go do tworzenia różnorodnych produktów. Na przykład zastosowanie czystego krzemu w elektronice opiera się na właściwościach półprzewodnictwa.

Właściwości chemiczne

Właściwości chemiczne krzemu są w dużym stopniu zależne od warunków reakcji. Jeśli mówimy o standardowych parametrach, to trzeba wskazać bardzo niską aktywność. Zarówno krzem krystaliczny, jak i amorficzny są bardzo obojętne. Nie wchodzą w interakcję z silnymi utleniaczami (z wyjątkiem fluoru) ani z silnymi środkami redukującymi.

Wynika to z faktu, że na powierzchni substancji natychmiast tworzy się film tlenkowy SiO 2, co zapobiega dalszym interakcjom. Może powstawać pod wpływem wody, powietrza i pary.

Jeśli zmienisz standardowe warunki i podgrzejesz krzem do temperatury powyżej 400˚C, wówczas jego aktywność chemiczna znacznie wzrośnie. W takim przypadku zareaguje:

  • tlen;
  • wszystkie rodzaje halogenów;
  • wodór.

Przy dalszym wzroście temperatury możliwe jest tworzenie produktów w wyniku interakcji z borem, azotem i węglem. Szczególne znaczenie ma karborund – SiC, który jest dobrym materiałem ściernym.

Również właściwości chemiczne krzemu są wyraźnie widoczne w reakcjach z metalami. W stosunku do nich jest środkiem utleniającym, dlatego produkty nazywane są krzemkami. Podobne związki są znane z:

  • alkaliczny;
  • ziemia alkaliczna;
  • metale przejściowe.

Związek otrzymany w wyniku stopienia żelaza i krzemu ma niezwykłe właściwości. Nazywa się ją ceramiką żelazokrzemową i jest z powodzeniem stosowana w przemyśle.

Krzem nie wchodzi w interakcję z substancjami złożonymi, dlatego ze wszystkich ich odmian może rozpuszczać się tylko w:

  • woda królewska (mieszanina kwasu azotowego i solnego);
  • żrące zasady.

W takim przypadku temperatura roztworu musi wynosić co najmniej 60˚C. Wszystko to po raz kolejny potwierdza fizyczną podstawę substancji - stabilną sieć krystaliczną przypominającą diament, która nadaje jej siłę i bezwładność.

Metody uzyskiwania

Otrzymywanie krzemu w czystej postaci jest procesem dość kosztownym pod względem ekonomicznym. Ponadto, ze względu na swoje właściwości, każda metoda daje jedynie produkt o czystości 90-99%, podczas gdy zanieczyszczenia w postaci metali i węgla pozostają takie same. Dlatego samo zdobycie substancji nie wystarczy. Należy go również dokładnie oczyścić z elementów obcych.

Ogólnie rzecz biorąc, produkcja krzemu odbywa się na dwa główne sposoby:

  1. Z białego piasku, który jest czystym tlenkiem krzemu SiO 2. Podczas kalcynowania metalami aktywnymi (najczęściej magnezem) powstaje wolny pierwiastek w postaci modyfikacji amorficznej. Czystość tej metody jest wysoka, produkt otrzymuje się z wydajnością 99,9%.
  2. Bardziej rozpowszechnioną metodą na skalę przemysłową jest spiekanie stopionego piasku z koksem w specjalistycznych piecach termicznych. Metodę tę opracował rosyjski naukowiec N. N. Beketow.

Dalsza obróbka polega na poddawaniu produktów metodom oczyszczania. W tym celu stosuje się kwasy lub halogeny (chlor, fluor).

Amorficzny krzem

Charakterystyka krzemu będzie niekompletna, jeśli każda z jego modyfikacji alotropowych nie będzie rozpatrywana osobno. Pierwszy z nich jest amorficzny. W tym stanie substancja, którą rozważamy, jest brązowobrązowym proszkiem, drobno zdyspergowanym. Ma wysoki stopień higroskopijności i wykazuje dość wysoką aktywność chemiczną po podgrzaniu. W standardowych warunkach jest w stanie oddziaływać tylko z najsilniejszym utleniaczem - fluorem.

Nazywanie krzemu amorficznego rodzajem krzemu krystalicznego nie jest całkowicie poprawne. Jego siatka wskazuje, że substancja ta jest jedynie formą drobno zdyspergowanego krzemu, występującego w postaci kryształów. Dlatego też modyfikacje te stanowią jeden i ten sam związek.

Jednak ich właściwości różnią się, dlatego zwyczajowo mówi się o alotropii. Sam amorficzny krzem ma wysoką zdolność pochłaniania światła. Ponadto pod pewnymi warunkami wskaźnik ten jest kilkakrotnie wyższy niż wskaźnik postaci krystalicznej. Dlatego jest używany do celów technicznych. W tej postaci (proszek) masę można łatwo nałożyć na dowolną powierzchnię, czy to plastik, czy szkło. Dlatego krzem amorficzny jest tak wygodny w użyciu. Aplikacja oparta na różnych rozmiarach.

Choć akumulatory tego typu dość szybko się zużywają, co wiąże się z ścieraniem cienkiej warstwy substancji, to ich zastosowanie i zapotrzebowanie jedynie rośnie. W końcu nawet w krótkim okresie użytkowania baterie słoneczne oparte na krzemie amorficznym mogą zapewnić energię całym przedsiębiorstwom. Ponadto produkcja takiej substancji jest bezodpadowa, co czyni ją bardzo ekonomiczną.

Modyfikację tę uzyskuje się poprzez redukcję związków metalami aktywnymi, na przykład sodem lub magnezem.

Krystaliczny krzem

Srebrno-szara błyszcząca modyfikacja danego elementu. Ta forma jest najczęstsza i najbardziej pożądana. Wyjaśnia to zestaw właściwości jakościowych, które posiada ta substancja.

Charakterystyka krzemu z siecią krystaliczną obejmuje klasyfikację jego typów, ponieważ jest ich kilka:

  1. Jakość elektroniczna - najczystsza i najwyższa jakość. Ten typ stosowany jest w elektronice do tworzenia szczególnie wrażliwych urządzeń.
  2. Słoneczna jakość. Sama nazwa określa obszar zastosowania. To także krzem o dość dużej czystości, którego użycie jest niezbędne do stworzenia wysokiej jakości i trwałego ogniwa słonecznego. Przetworniki fotoelektryczne powstałe na bazie struktury krystalicznej charakteryzują się wyższą jakością i odpornością na zużycie niż te powstałe przy zastosowaniu modyfikacji amorficznej poprzez napylanie na różnego rodzaju podłoża.
  3. Silikon techniczny. Do tej odmiany zaliczają się próbki substancji, które zawierają około 98% czystego pierwiastka. Cała reszta trafia do różnego rodzaju zanieczyszczeń:
  • aluminium;
  • chlor;
  • węgiel;
  • fosfor i inne.

Ostatni rodzaj omawianej substancji służy do otrzymywania polikryształów krzemu. W tym celu przeprowadza się procesy rekrystalizacji. W rezultacie pod względem czystości otrzymuje się produkty, które można zaliczyć do jakości solarnej i elektronicznej.

Ze swej natury polikrzem jest produktem pośrednim pomiędzy modyfikacjami amorficznymi i krystalicznymi. Ta opcja jest łatwiejsza w obsłudze, jest lepiej przetwarzana i czyszczona fluorem i chlorem.

Powstałe produkty można sklasyfikować w następujący sposób:

  • multikrzem;
  • monokrystaliczny;
  • profilowane kryształy;
  • złom krzemu;
  • krzem techniczny;
  • odpady produkcyjne w postaci fragmentów i skrawków materii.

Każdy z nich znajduje zastosowanie w przemyśle i jest w pełni wykorzystywany przez człowieka. Dlatego te, które dotykają krzemu, są uważane za nieodpadowe. To znacznie zmniejsza koszty ekonomiczne bez wpływu na jakość.

Używanie czystego krzemu

Przemysłowa produkcja krzemu jest już dość dobrze ugruntowana, a jej skala jest dość duża. Wynika to z faktu, że pierwiastek ten, zarówno czysty, jak i w postaci różnych związków, jest szeroko rozpowszechniony i poszukiwany w różnych dziedzinach nauki i techniki.

Gdzie stosuje się krzem krystaliczny i amorficzny w czystej postaci?

  1. W hutnictwie jako dodatek stopowy zmieniający właściwości metali i ich stopów. Dlatego stosuje się go do wytapiania stali i żeliwa.
  2. Aby uzyskać czystszą wersję - polikrzem, stosuje się różne rodzaje substancji.
  3. Związki krzemu to cały przemysł chemiczny, który zyskał dziś szczególną popularność. Materiały krzemoorganiczne są stosowane w medycynie, do produkcji naczyń, narzędzi i wielu innych.
  4. Produkcja różnych paneli słonecznych. Ta metoda pozyskiwania energii jest jedną z najbardziej obiecujących w przyszłości. Przyjazne dla środowiska, korzystne ekonomicznie i odporne na zużycie to główne zalety tego rodzaju wytwarzania energii elektrycznej.
  5. Krzem jest używany do zapalniczek od bardzo dawna. Już w czasach starożytnych ludzie używali krzemienia, aby wytworzyć iskrę podczas rozpalania ognia. Zasada ta stanowi podstawę produkcji różnego rodzaju zapalniczek. Obecnie istnieją typy, w których krzemień zastępuje się stopem o określonym składzie, co daje jeszcze szybszy wynik (iskrzenie).
  6. Elektronika i energia słoneczna.
  7. Produkcja zwierciadeł w urządzeniach lasera gazowego.

Zatem czysty krzem ma wiele korzystnych i specjalnych właściwości, które pozwalają na wykorzystanie go do tworzenia ważnych i niezbędnych produktów.

Zastosowanie związków krzemu

Oprócz prostej substancji stosuje się również różne związki krzemu i to bardzo szeroko. Istnieje cała branża zwana krzemianami. Polega na wykorzystaniu różnorodnych substancji zawierających ten niezwykły pierwiastek. Czym są te związki i co z nich powstaje?

  1. Kwarc lub piasek rzeczny - SiO 2. Stosowany do produkcji materiałów budowlanych i dekoracyjnych, takich jak cement i szkło. Każdy wie, gdzie wykorzystuje się te materiały. Żadna konstrukcja nie może obejść się bez tych składników, co potwierdza znaczenie związków krzemu.
  2. Ceramika silikatowa, do której zaliczają się materiały takie jak ceramika, porcelana, cegła oraz produkty na ich bazie. Składniki te znajdują zastosowanie w medycynie, przy produkcji naczyń, biżuterii dekoracyjnej, artykułów gospodarstwa domowego, w budownictwie i innych obszarach codziennej działalności człowieka.
  3. - silikony, żele krzemionkowe, oleje silikonowe.
  4. Klej silikatowy - stosowany do artykułów papierniczych, w pirotechnice i budownictwie.

Krzem, którego cena na rynku światowym jest różna, ale nie przekracza od góry do dołu granicy 100 rubli rosyjskich za kilogram (w przeliczeniu na postać krystaliczną), jest substancją poszukiwaną i cenną. Naturalnie związki tego pierwiastka są również szeroko rozpowszechnione i mają zastosowanie.

Biologiczna rola krzemu

Z punktu widzenia jego znaczenia dla organizmu, krzem jest ważny. Jego zawartość i rozmieszczenie w tkankach przedstawia się następująco:

  • 0,002% - mięśnie;
  • 0,000017% - kość;
  • krew - 3,9 mg/l.

Codziennie należy spożywać około jednego grama krzemu, w przeciwnym razie zaczną się rozwijać choroby. Żaden z nich nie jest śmiertelnie niebezpieczny, ale długotrwały głód krzemu prowadzi do:

  • wypadanie włosów;
  • pojawienie się trądziku i wyprysków;
  • kruchość i łamliwość kości;
  • łatwa przepuszczalność kapilar;
  • zmęczenie i bóle głowy;
  • pojawienie się licznych siniaków i siniaków.

Dla roślin krzem jest ważnym mikroelementem niezbędnym do prawidłowego wzrostu i rozwoju. Eksperymenty na zwierzętach wykazały, że osoby spożywające codziennie wystarczającą ilość krzemu rosną lepiej.

Krzem. Właściwości fizyczne i chemiczne krzemu

Krzem jest pierwiastkiem głównej podgrupy czwartej grupy trzeciego okresu układu okresowego pierwiastków chemicznych według D.I. Mendelejew, o liczbie atomowej 14. Oznaczony symbolem Si (łac. Krzem), niemetalowy. Właściwości fizyczne: krzem krystaliczny ma metaliczny połysk, jest ogniotrwały, bardzo twardy, półprzewodnikowy. 2. Właściwości chemiczne: krzem jest nieaktywny: a) w podwyższonych temperaturach (400-600

  • b) z substancji złożonych krzem reaguje z zasadami
  • c) reaguje z metalami tworząc krzemki

Krzemionka, jej właściwości i zastosowanie. Krzemiany naturalne i przemysłowe. Ich zastosowanie w budownictwie

Tlenek krzemu(IV). (dwutlenek krzemu, krzemionka SiO2) - bezbarwne kryształy, temperatura topnienia 1713-1728°C, charakteryzują się dużą twardością i wytrzymałością.

Dwutlenek krzemu stosowany jest w produkcji szkła, ceramiki, materiałów ściernych, wyrobów betonowych, do produkcji krzemu, jako wypełniacz w produkcji gumy, w produkcji krzemionkowych materiałów ogniotrwałych, w chromatografii itp. Kryształy kwarcu mają właściwości piezoelektryczne i dlatego są stosowane w radiotechnice, instalacjach ultradźwiękowych i zapalniczkach. Dwutlenek krzemu jest głównym składnikiem prawie wszystkich skał lądowych, a zwłaszcza ziemi okrzemkowej. 87% masy litosfery składa się z krzemionki i krzemianów. Amorficzny nieporowaty dwutlenek krzemu stosowany jest w przemyśle spożywczym jako substancja pomocnicza E551 zapobiegająca zbrylaniu i zbrylaniu, w parafarmaceutykach (pastach do zębów), w przemyśle farmaceutycznym jako substancja pomocnicza (zawarta w większości Farmakopei), a także jako dodatek do żywności lub lek jako enterosorbent. Sztucznie wytworzone warstwy dwutlenku krzemu stosowane są jako izolator w produkcji mikroukładów i innych elementów elektronicznych. Stosowany również do produkcji kabli światłowodowych. Używa się czystej topionej krzemionki z dodatkiem specjalnych składników. Włókno krzemionkowe wykorzystuje się także w elementach grzejnych papierosów elektronicznych, gdyż dobrze chłonie płyn i nie zapada się pod wpływem nagrzania cewki. Jako kamienie półszlachetne stosuje się duże, przezroczyste kryształy kwarcu; bezbarwne kryształy nazywane są kryształami górskimi, fioletowe kryształy nazywane są ametystami, a żółte kryształy nazywane są cytrynem. W mikroelektronice dwutlenek krzemu jest jednym z głównych materiałów. Stosowany jest jako warstwa izolacyjna, a także jako powłoka ochronna. Otrzymuje się go w postaci cienkich warstw poprzez termiczne utlenianie krzemu, chemiczne osadzanie z fazy gazowej i napylanie magnetronowe. Dwutlenek krzemu SiO2 jest tlenkiem kwasowym, który nie reaguje z wodą. Chemicznie odporny na kwasy, ale reaguje z gazowym fluorowodorem

i kwas fluorowodorowy:

Te dwie reakcje są szeroko stosowane w trawieniu szkła. Podczas fuzji SiO2 z zasadami i tlenkami zasadowymi, a także z węglanami metali aktywnych powstają krzemiany – sole bardzo słabych, nierozpuszczalnych w wodzie kwasów krzemowych o wzorze ogólnym xH2O ySiO2, które nie mają stałego składu (dość często w literaturze nie wspomina się o kwasach krzemowych, ale o kwasie krzemowym, chociaż w rzeczywistości mówimy o tej samej substancji).

Na przykład ortokrzemian sodu można otrzymać:

metakrzemian wapnia:

lub mieszany krzemian wapnia i sodu:

Z krzemianu

Na2CaSi6O14 (Na2O CaO · 6SiO2)

produkować szyby okienne. Większość krzemianów nie ma stałego składu. Ze wszystkich krzemianów tylko krzemiany sodu i potasu są rozpuszczalne w wodzie. Roztwory tych krzemianów w wodzie nazywane są płynnym szkłem. Roztwory te ze względu na hydrolizę charakteryzują się silnie zasadowym środowiskiem. Hydrolizowane krzemiany charakteryzują się tworzeniem nieprawdziwych, ale koloidalnych roztworów. Podczas zakwaszania roztworów krzemianów sodu lub potasu wytrąca się galaretowaty biały osad uwodnionych kwasów krzemowych. Głównym elementem strukturalnym zarówno stałego dwutlenku krzemu, jak i wszystkich krzemianów jest grupa, w której atom krzemu Si jest otoczony czworościanem czterech atomów tlenu O. W tym przypadku każdy atom tlenu jest połączony z dwoma atomami krzemu. Fragmenty można łączyć ze sobą na różne sposoby. Wśród krzemianów, zgodnie z charakterem połączeń w ich fragmentach, dzieli się je na wyspowe, łańcuchowe, taśmowe, warstwowe, ramowe i inne. Krzemiany to szeroka klasa związków utworzonych przez dwutlenek krzemu (krzemionkę) i tlenki innych pierwiastków. KRZEMIANY W NATURZE. Aby zrozumieć rolę krzemianów w życiu człowieka, przyjrzyjmy się najpierw budowie globu. Według współczesnych koncepcji kula ziemska składa się z szeregu muszli. Zewnętrzna skorupa Ziemi, skorupa ziemska lub litosfera, zbudowana jest z granitowych i bazaltowych muszli oraz cienkiej warstwy osadowej. Powłoka granitowa składa się głównie z granitu – gęstych przerostów skaleni, miki, amfiboli i piroksenów, a łupina bazaltowa – z takich granitopodobnych, ale cięższych skał krzemianowych, jak gabro, diabaz i bazalty. Skały osadowe powstają w wyniku zniszczenia innych skał pod wpływem warunków charakterystycznych dla powierzchni Ziemi. Składnikiem warstwy osadowej są zwłaszcza iły, których podstawą jest minerał krzemianowy, kaolinit. Litosfera przy 95% wag. % utworzony przez krzemiany. Jego średnia miąższość w obszarze kontynentalnym wynosi 30-40 km. Następnie jest skorupa simatic, czyli górny płaszcz, w którego minerałach prawdopodobnie dominują krzemiany żelaza i magnezu. Muszla ta pokrywa cały glob i sięga do głębokości 1200 km. Dalej od 1200 do 2900 km znajduje się powłoka pośrednia. Jego skład jest kontrowersyjny, ale zakłada się w nim istnienie krzemianów. Pod tą powłoką na głębokości od 2900 do 6370 km znajduje się rdzeń. Ostatnio zasugerowano, że rdzeń ma również skład krzemianowy. Podczas przemieszczania się z powierzchni Ziemi do jej centrum wzrasta gęstość i zasadowość skał składowych (stosunek zawartości tlenków metali do krzemionki), wzrasta ciśnienie i temperatura. Najstarsze narzędzia wykonywał człowiek z krzemienia – gęstego kruszywa chalcedonu, kwarcu i opalu (800-60 tys. lat p.n.e.). Później zaczęto do tego wykorzystywać jaspis, kryształ górski, agat, obsydian (szkło krzemianowe wulkaniczne), jadeit.Nie ma ogólnie przyjętej taksonomii (nomenklatury mineralogicznej) minerałów krzemianowych, ich nazwy najczęściej pochodzą od wyglądu kryształów, ich właściwości fizyczne, lokalizację lub imię naukowca, który je odkrył. Plagioklaz w tłumaczeniu z języka greckiego oznacza ukośnie rozszczepiony, a piroksen oznacza materiał ogniotrwały, co odpowiada właściwościom tych minerałów. Minerały kwarcowe, w zależności od charakteru domieszek, posiadają szeroką gamę barw, co determinuje ich nazwy: ametyst – fiolet, cytryn – żółty, kryształ górski – lód. Modyfikacje stiszowitu i koezytu krzemionkowego oraz biotytu mineralnego wywodzą się od nazwisk naukowców, którzy je odkryli, S.M. Stishov, L. Koes i Zh.B. Bio, a mineralny kaolinit bierze swoją nazwę od góry Kaoling w Chinach, gdzie od dawna wydobywa się glinę do produkcji porcelany. Naturalne krzemiany i sama krzemionka odgrywają ważną rolę jako surowce i produkty końcowe w procesach przemysłowych. Glinokrzemiany – plagioklaz, skaleń potasowy i krzemionka stosowane są jako surowce w przemyśle ceramicznym, szklarskim i cementowym. Do produkcji ognioodpornych i elektrycznie izolujących wyrobów tekstylnych (tkaniny, sznury, liny) szeroko stosuje się azbest należący do wodorokrzemianów - amfiboli. Niektóre rodzaje azbestu mają wysoką odporność na kwasy i są stosowane w przemyśle chemicznym. Biotyty, przedstawiciele grupy mików, stosowane są jako materiały do ​​izolacji elektrycznej i termicznej w budownictwie i produkcji instrumentów. Pirokseny wykorzystuje się w hutnictwie i odlewnictwie kamienia, natomiast piroksen LiAl wykorzystuje się do produkcji litu metalicznego. Pirokseny są składnikiem żużli wielkopiecowych i żużli hutniczych metali nieżelaznych, które z kolei wykorzystywane są także w gospodarce narodowej. Skały takie jak granity, bazalty, gabro i diabazy są doskonałymi materiałami budowlanymi. KRZEMIANY POCHODZENIA SZTUCZNEGO. Bez materiałów krzemianowych – różnego rodzaju cementu, betonu, żużla, ceramiki, szkła, powłok w postaci emalii i szkliw trudno wyobrazić sobie naszą codzienność. Skala produkcji materiałów silikatowych wydaje się imponująca. W tym artykule nie będziemy poruszać kwestii natury i zastosowania szkła. Kwestie te były już omawiane w. Najstarsze materiały krzemianowe to ceramika, otrzymywana z glin i ich mieszanin z różnymi dodatkami mineralnymi, wypalana do stanu przypominającego kamień. W starożytnym świecie wyroby ceramiczne były rozprowadzane po całej Ziemi. Od drugiej połowy XIX wieku do czasów współczesnych przemysł ceramiki przemysłowej niepomiernie rozszerzył produkcję i asortyment ceramiki. Przykładem sztucznego materiału krzemianowego jest cement portlandzki, jeden z najpowszechniejszych rodzajów spoiw mineralnych. Cement służy do łączenia części budynków w celu produkcji masywnych bloków konstrukcyjnych, płyt, rur i cegieł. Cement jest podstawą tak powszechnie stosowanych materiałów budowlanych jak beton, beton żużlowy i żelbet. Budowa jakiejkolwiek skali nie może istnieć bez cementu. Szkolny kurs chemii daje podstawowe pojęcia na temat składu chemicznego i technologii cementu, dlatego skupimy się tylko na niektórych wyjaśniających szczegółach. Przede wszystkim klinkier cementowy to produkt wypalenia mieszaniny gliny i wapienia, zaś cement to drobno zmielony klinkier z dodatkami mineralnymi regulującymi jego właściwości. Cement stosuje się w mieszaninie z piaskiem i wodą. Jego właściwości ściągające wynikają ze zdolności minerałów cementu do interakcji z H2O i SiO2 i jednoczesnego twardnienia, tworząc mocną strukturę przypominającą kamień. Podczas wiązania cementu zachodzą złożone procesy: hydratacja minerałów z utworzeniem wodorokrzemianów i wodoroglinianów, hydroliza, tworzenie roztworów koloidalnych i ich krystalizacja. Badania nad procesami utwardzania zapraw cementowych i minerałów klinkieru cementowego odegrały ważną rolę w rozwoju nauki o krzemianach i ich technologii. Na naszych budowach zużywane są duże ilości cementu, cegieł, płyt elewacyjnych, płytek, rur kanalizacyjnych, szkła i różnych naturalnych materiałów budowlanych.

DEFINICJA

Krzem- czternasty element układu okresowego. Oznaczenie - Si od łacińskiego „krzem”. Znajduje się w trzecim okresie, grupa IVA. Odnosi się do niemetali. Ładunek jądrowy wynosi 14.

Krzem jest jednym z najpowszechniejszych pierwiastków w skorupie ziemskiej. Stanowi 27% (wagowo) części skorupy ziemskiej dostępnej dla naszych badań, zajmując drugie miejsce pod względem obfitości po tlenie. W naturze krzem występuje wyłącznie w związkach: w postaci dwutlenku krzemu SiO 2, zwanego bezwodnikiem krzemu lub krzemionką, w postaci soli kwasów krzemowych (krzemianów). Najbardziej rozpowszechnione w przyrodzie są glinokrzemiany, tj. krzemiany zawierające aluminium. Należą do nich skalenie, miki, kaolin itp.

Podobnie jak węgiel, który jest częścią wszystkich substancji organicznych, krzem jest najważniejszym pierwiastkiem królestwa roślin i zwierząt.

W normalnych warunkach krzem jest substancją ciemnoszarą (ryc. 1). Wygląda jak metal. Materiał ogniotrwały - temperatura topnienia wynosi 1415 o C. Charakteryzuje się dużą twardością.

Ryż. 1. Krzem. Wygląd.

Masa atomowa i cząsteczkowa krzemu

Względna masa cząsteczkowa substancji (M r) to liczba pokazująca, ile razy masa danej cząsteczki jest większa niż 1/12 masy atomu węgla, a względna masa atomowa pierwiastka (A r) wynosi ile razy średnia masa atomów pierwiastka chemicznego jest większa niż 1/12 masy atomu węgla.

Ponieważ w stanie wolnym krzem występuje w postaci jednoatomowych cząsteczek Si, wartości jego mas atomowych i cząsteczkowych pokrywają się. Są równe 28,084.

Alotropia i alotropowe modyfikacje krzemu

Krzem może występować w postaci dwóch modyfikacji alotropowych: diamentopodobnej (sześciennej) (stabilnej) i grafitowej (niestabilnej). Krzem podobny do diamentu jest w stanie stałego agregatu, a krzem podobny do grafitu jest w stanie amorficznym. Różnią się także wyglądem i aktywnością chemiczną.

Krzem krystaliczny to ciemnoszara substancja o metalicznym połysku, a krzem amorficzny to brązowy proszek. Druga modyfikacja jest bardziej reaktywna niż pierwsza.

Izotopy krzemu

Wiadomo, że w przyrodzie krzem występuje w postaci trzech stabilnych izotopów 28Si, 29Si i 30Si. Ich liczby masowe wynoszą odpowiednio 28, 29 i 30. Jądro atomu izotopu krzemu 28 Si zawiera czternaście protonów i czternaście neutronów, a izotopy 29 Si i 30 Si zawierają tę samą liczbę protonów, odpowiednio piętnaście i szesnaście neutronów.

Istnieją sztuczne izotopy krzemu o liczbach masowych od 22 do 44, spośród których najdłużej żyjący jest 32Si z okresem półtrwania wynoszącym 170 lat.

Jony krzemu

Na zewnętrznym poziomie energii atomu krzemu znajdują się cztery elektrony, które są wartościowością:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 .

W wyniku interakcji chemicznych krzem może oddawać swoje elektrony walencyjne, tj. być ich dawcą i zamienić się w dodatnio naładowany jon, lub przyjąć elektrony z innego atomu, tj. będzie akceptorem i zamienia się w ujemnie naładowany jon:

Si 0 -4e → Si 4+ ;

Si 0 +4e → Si 4- .

Cząsteczka i atom krzemu

W stanie wolnym krzem występuje w postaci jednoatomowych cząsteczek Si. Oto niektóre właściwości charakteryzujące atom i cząsteczkę krzemu:

Stopy krzemu

Krzem jest stosowany w metalurgii. Służy jako składnik wielu stopów. Najważniejsze z nich to stopy na bazie żelaza, miedzi i aluminium.

Przykłady rozwiązywania problemów

PRZYKŁAD 1

Ćwiczenia Ile tlenku krzemu(IV) zawierającego 0,2 mas. zanieczyszczeń potrzeba, aby otrzymać 6,1 g krzemianu sodu.
Rozwiązanie Zapiszmy równanie reakcji wytwarzania krzemianu sodu z tlenku krzemu (IV):

SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O.

Znajdźmy ilość krzemianu sodu:

n(Na2SiO3) = m (Na2SiO3) / M(Na2SiO3);

n(Na2SiO3) = 6,1 / 122 = 0,05 mol.

Zgodnie z równaniem reakcji n(Na ​​​​2 SiO 3): n(SiO 2) = 1:1, tj. n(Na2SiO3) = n(SiO2) = 0,05 mol.

Masa tlenku krzemu (IV) (bez zanieczyszczeń) będzie równa:

M(SiO2) = Ar(Si) + 2×Ar(O) = 28 + 2×16 = 28 + 32 = 60 g/mol.

m czysty (SiO 2) = n(SiO 2) ×M(SiO 2) = 0,05 × 60 = 3 g.

Wówczas masa tlenku krzemu (IV) potrzebna do reakcji będzie równa:

m(SiO 2) = m czystego (SiO 2)/w zanieczyszczeniu = 3 / 0,2 = 15 g.
Odpowiedź 15 gr

PRZYKŁAD 2

Ćwiczenia Jaką masę krzemianu sodu można otrzymać stopiając tlenek krzemu (IV) z 64,2 g sody, w której udział masowy zanieczyszczeń wynosi 5%?
Rozwiązanie Zapiszmy równanie reakcji wytwarzania krzemianu sodu w wyniku stopienia sody i tlenku krzemu (IV):

SiO 2 + Na 2 CO 3 = Na 2 SiO 3 + CO 2 -.

Wyznaczmy teoretyczną masę sody (obliczoną z równania reakcji):

n(Na2CO3) = 1 mol.

M(Na2CO3) = 2×Ar(Na) + Ar(C) + 3×Ar(O) = 2×23 + 12 + 3×16 = 106 g/mol.

m(Na2CO3) = n(Na2CO3) ×M(Na2CO3) = 1 × 106 = 106g.

Znajdźmy praktyczną masę sody:

w czysty (Na2CO3) = 100% - w zanieczyszczenie = 100% - 5% = 95% = 0,95.

m czysty (Na 2 CO 3) = m (Na 2 CO 3) × w czysty (Na 2 CO 3);

m czysty (Na2CO3) = 64,2 × 0,95 = 61 g.

Obliczmy teoretyczną masę krzemianu sodu:

n(Na2SiO3) = 1 mol.

M(Na2SiO3) = 2×Ar(Na) + Ar(Si) + 3×Ar(O) = 2×23 + 28 + 3×16 = 122 g/mol.

m(Na 2 SiO 3) = n(Na ​​2 SiO 3) × M(Na 2 SiO 3) = 1 × 122 = 122 g.

Niech praktyczna masa krzemianu sodu będzie wynosić x g. Zróbmy proporcję:

61 g Na2CO3 - x g Na2SiO3;

106 g Na 2 CO 3 - 122 g Na 2 SiO 3.

Zatem x będzie równe:

x = 122 × 61 / 106 = 70,2 g.

Oznacza to, że masa uwolnionego krzemianu sodu wynosi 70,2 g.
Odpowiedź 70,2 g

Krzem (Si) to drugi pierwiastek głównej (A) podgrupy 4. grupy układu okresowego, ustalonej przez Dmitrija Iwanowicza Mendelejewa. Krzem występuje powszechnie w przyrodzie, dlatego pod względem liczebności zajmuje drugie miejsce (po tlenie). Zatem bez krzemu i jego związków nie istniałaby skorupa ziemska, która w ponad jednej czwartej składa się ze związków tego pierwiastka chemicznego. Jakie są cechy krzemu? Jakie są wzory jego związków i ich zastosowania? Jakie ważne substancje zawierają krzem? Spróbujmy to rozgryźć.

Pierwiastek krzem i jego właściwości

Krzem występuje w przyrodzie w kilku modyfikacjach alotropowych – najczęstsze to krzem krystaliczny i krzem amorficzny. Rozważmy każdą z tych modyfikacji osobno.

Krystaliczny krzem

Krzem w tej modyfikacji jest ciemnoszarą, dość twardą i kruchą substancją o stalowym połysku. Taki krzem jest półprzewodnikiem; Jego użyteczną właściwością jest to, że w przeciwieństwie do metali jego przewodność elektryczna wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Temperatura topnienia takiego krzemu wynosi 1415°C. Ponadto krystaliczny krzem nie jest w stanie rozpuścić się w wodzie i różnych kwasach.

Zastosowanie krzemu i jego związków w modyfikacji krystalicznej jest niezwykle różnorodne. Na przykład krzem krystaliczny jest częścią paneli słonecznych instalowanych na statkach kosmicznych i na dachach. Krzem jest półprzewodnikiem i ma zdolność przekształcania energii słonecznej w energię elektryczną.

Oprócz ogniw słonecznych, krzem krystaliczny wykorzystuje się do tworzenia wielu urządzeń elektronicznych i stali krzemowej.

Amorficzny krzem


Krzem amorficzny to brązowy/ciemnobrązowy proszek o strukturze przypominającej diament. W przeciwieństwie do krzemu krystalicznego, ta alotropowa modyfikacja pierwiastka nie ma ściśle uporządkowanej sieci krystalicznej. Pomimo tego, że krzem amorficzny topi się w temperaturze około 1400°C, jest on znacznie bardziej aktywny w porównaniu do krzemu krystalicznego. Krzem amorficzny nie przewodzi prądu i ma gęstość około 2 g/cm3.

Ten rodzaj krzemu jest najczęściej stosowany w przemyśle spożywczym oraz do produkcji leków.

Właściwości chemiczne krzemu

    Główną właściwością chemiczną krzemu jest spalanie w tlenie, w wyniku czego powstaje niezwykle powszechny związek – tlenek krzemu:

Si + O2 → SiO2 (w temperaturze).

    Po podgrzaniu krzem jako niemetal tworzy związki z różnymi metalami. Takie związki nazywane są krzemkami. Na przykład:

2Ca + Si → Ca2Si (w temperaturze).

    Z kolei krzemki rozkładają się bez trudu za pomocą wody lub niektórych kwasów. W wyniku tej reakcji powstaje specjalny wodorowy związek krzemu – gaz silanowy (SiH4):

Mg2Si + 4HCl → 2MgCl2 + SiH4.

    Krzem może również wchodzić w interakcję z fluorem (w normalnych warunkach):

Si + 2F2 → SiF4.

    A po podgrzaniu krzem oddziałuje z innymi niemetalami:

Si + 2Cl2 → SiCl4 (400–600°).

3Si + 2N2 → Si3N4 (1000°).

Si + C → SiC (2000°).

    Ponadto krzem, wchodząc w interakcję z zasadami i wodą, tworzy sole zwane krzemianami i gazowym wodorem:

Si + 2KOH + H2O → K2SiO3 + H2.

Jednak większość właściwości chemicznych tego pierwiastka przeanalizujemy, biorąc pod uwagę krzem i jego związki, ponieważ są to główne substancje, na których opiera się zastosowanie i interakcja krzemu z innymi pierwiastkami chemicznymi. Jakie są więc najpopularniejsze związki krzemu?

Związki krzemu


Wcześniej dowiedzieliśmy się, czym jest pierwiastek krzem i jakie ma właściwości. Przyjrzyjmy się teraz wzorom związków krzemu.

Przy udziale krzemu powstaje ogromna liczba różnych związków. Pierwsze miejsce w rozpowszechnieniu zajmują tlenowe związki krzemu. Do tej kategorii zalicza się SiO2 i nierozpuszczalny kwas krzemowy.

Kwaśna pozostałość kwasu krzemowego tworzy różne krzemiany (na przykład CaSiO3 lub Al2O3 SiO2). W przedstawionych powyżej solach i związkach krzemu z tlenem pierwiastek ma typowy stopień utlenienia +4.

Dość powszechne są także sole krzemu - krzemki (Mg2Si, NaSi, CoSi) i związki krzemu z wodorem (na przykład gaz silanowy). Jak wiadomo, silan zapala się samorzutnie w powietrzu oślepiającym błyskiem, a krzemki łatwo rozkładają się zarówno pod wpływem wody, jak i różnych kwasów.

Przyjrzyjmy się bliżej krzemowi i jego związkom, które są uważane za najczęstsze.

Krzemionka

Inną nazwą tego tlenku jest krzemionka. Jest to substancja stała i ogniotrwała, nierozpuszczalna w wodzie i kwasach, posiadająca atomową sieć krystaliczną. W naturze tlenek krzemu tworzy minerały i kamienie szlachetne, takie jak kwarc, ametyst, opal, agat, chalcedon, jaspis, krzemień i inne.

Warto zauważyć, że to z krzemu prymitywni ludzie wykonywali narzędzia pracy i polowań. Flint zapoczątkował tzw. epokę kamienia łupanego ze względu na jego powszechną dostępność i zdolność do tworzenia ostrych krawędzi skrawających w przypadku odprysków.

To tlenek krzemu sprawia, że ​​łodygi roślin, takich jak trzciny, trzciny i skrzypy, liście turzyc i łodygi zbóż, są mocne. Zewnętrzna powłoka ochronna niektórych zwierząt również zawiera krzemionkę.

Ponadto stanowi bazę kleju silikatowego, z którego tworzy się uszczelniacz silikonowy i kauczuk silikonowy.

Właściwości chemiczne tlenku krzemu

Dwutlenek krzemu oddziałuje z ogromną liczbą pierwiastków chemicznych - zarówno metali, jak i niemetali. Na przykład:

    W wysokich temperaturach krzemionka reaguje z zasadami, tworząc sole:

SiO2 + 2KOH → K2SiO3 + H2O (w temperaturze).

    Jako typowy tlenek kwasowy związek ten wytwarza krzemiany w reakcji z różnymi tlenkami metali:

SiO2 + CaO → CaSiO3 (w temperaturze).

    Lub z solami węglanowymi:

SiO2 + K2CO3 → K2SiO3 + CO2 (w temperaturze).

    Jedną z najważniejszych właściwości chemicznych dwutlenku krzemu jest możliwość uzyskania z niego czystego krzemu. Można tego dokonać na dwa sposoby – poprzez reakcję dwutlenku z magnezem lub węglem:

SiO2 + 2Mg → 2MgO + Si (w temperaturze).

SiO2 + 2C → Si + 2CO (w temperaturze)

Kwas krzemowy


Kwas krzemowy jest bardzo słaby. Jest nierozpuszczalny w wodzie i podczas reakcji tworzy galaretowaty osad, który czasami może wypełnić całą objętość roztworu. Po wyschnięciu tej mieszaniny widać powstały żel krzemionkowy, który służy jako adsorbent (pochłaniacz innych substancji).

Najbardziej dostępny i powszechny sposób otrzymywania kwasu krzemowego można wyrazić wzorem:

K2SiO3 + 2HCl → 2KCl + H2SiO3↓.

Krzemki

Rozważając krzem i jego związki, bardzo ważne jest, aby mówić o jego solach, takich jak krzemki. Krzem tworzy takie związki z metalami, uzyskując z reguły stopień utlenienia -4. Jednakże metale takie jak rtęć, cynk, beryl, złoto i srebro nie są w stanie oddziaływać z krzemem i tworzyć krzemki.

Najpopularniejszymi krzemkami są Mg2Si, Ca2Si, NaSi i kilka innych.

Krzemiany

Związki takie jak krzemiany zajmują drugie miejsce po dwutlenku krzemu. Sole krzemianowe są uważane za dość złożone substancje, ponieważ mają złożoną strukturę, a także są częścią większości minerałów i skał.

Do najczęściej spotykanych w przyrodzie krzemianów – glinokrzemianów – zalicza się granit, miki i różnego rodzaju gliny. Innym dobrze znanym krzemianem jest azbest, z którego wykonane są tkaniny ognioodporne.

Zastosowania krzemu


Przede wszystkim krzem wykorzystuje się do produkcji materiałów półprzewodnikowych i stopów kwasoodpornych. Węglik krzemu (SiC) jest często używany do ostrzenia obrabiarek i polerowania cennych kamieni.

Stopiony kwarc służy do produkcji stabilnych i mocnych naczyń kuchennych.

Związki krzemu stanowią podstawę produkcji szkła i cementu.


Okulary różnią się od siebie składem, który koniecznie zawiera krzem. Na przykład oprócz szkła okiennego istnieją szkła ogniotrwałe, kryształowe, kwarcowe, kolorowe, fotochromowe, optyczne, lustrzane i inne.

Po zmieszaniu cementu z wodą powstaje specjalna substancja - zaprawa cementowa, z której następnie uzyskuje się materiały budowlane, takie jak beton.

Produkcja tych substancji prowadzona jest przez przemysł krzemianowy. Oprócz szkła i cementu przemysł krzemianowy produkuje cegły, porcelanę, wyroby ceramiczne i różne produkty z nich wykonane.

Wniosek

Dowiedzieliśmy się więc, że krzem jest najważniejszym pierwiastkiem chemicznym, szeroko rozpowszechnionym w przyrodzie. Krzem wykorzystywany jest w budownictwie i działalności artystycznej, jest także niezbędny dla organizmów żywych. Wiele substancji, od zwykłego szkła po najcenniejszą porcelanę, zawiera krzem i jego związki.

Studiowanie chemii pozwala nam zrozumieć otaczający nas świat i zrozumieć, że nie wszystko wokół nas, nawet to najwspanialsze i najdroższe, jest tak tajemnicze i enigmatyczne, jak mogłoby się wydawać. Życzymy sukcesów w wiedzy naukowej i studiowaniu tak wspaniałej nauki, jak chemia!