Физические свойства кремния

Элемент кремний при обычных условиях образует только одну аллотропную модификацию, кристаллическая решетка которой подобна решетке алмаза. В ней каждый атом Si находится в состоянии sp³-гибридизации, тетраэдрически окружен четырьмя другими атомами и связан с ними ковалентными σ-связями.

Это твердое вещество серебристо-серого цвета с металлическим блеском, хрупкое, имеющее высокую температуру плавления (t_плав. > 1415^оС), обладающее полупроводниковыми свойствами.

При высоких давлениях могут образовываться из расплава и существовать другие полиморфные модификации кремния, неустойчивые при обычных условиях.

Химические свойства кремния

В таблице Менделеева элемент кремний имеет порядковый номер 14 и расположен в третьем периоде IVA группе. Заряд ядра равен +14, вокруг ядра вращаются 14 электронов. Графическая электронная формула выглядит так:

Si

В невозбужденном состоянии на внешнем энергетическом уровне у атома Si находятся 2 неспаренных электрона. Значит, по обменному механизму он в этом случае может образовать 2 ковалентные связи, проявляя валентность, равную 2. Но такое значение валентности для кремния в соединениях нехарактерно.

Чаще всего он проявляет валентность, равную четырем, за счет распаривания в возбужденном состоянии электронной пары на 3s-подуровне.

Si*

Кремний в соединениях может проявлять и валентность более четырех. Дополнительные ковалентные связи при этом образуются по донорно-акцепторному механизму, причем Si выступает в роли акцептора электронных пар, т.к. имеет на внешнем слое вакантные орбитали 3d-подуровня. Примером такого соединения может служить комплексная кислота Н₂[SiF₆], в которой валентность кремния равна 6.

Атомы кремния в соединениях могут иметь как положительную, так и отрицательную степень окисления.

Положительную степень окисления они проявляют при образовании связей с более электроотрицательными атомами, чем сами (F, O, Cl, N, S, C, P), выступают в роли восстановителя и отдают с внешнего слоя свои неспаренные электроны. Величина степени окисления при этом равна +2 (в невозбужденном состоянии) или +4 (в возбужденном состоянии). Степень окисления +2 для Si мало характерна, так как такие его соединения неустойчивы, и в момент образования легко превращаются в соединения, где степень окисления Si равна +4.

Отрицательную степень окисления атомы Si проявляют при образовании связей с атомами менее электроотрицательных элементов, чем сами. При этом они выступают в роли окислителя и забирают от других атомов 4 недостающих до завершения своего внешнего слоя электрона. Величина степени окисления в этом случае равна -4.

Кремний является сравнительно инертным веществом и вступает в реакции только при высоких температурах. Исключение составляет F₂. С ним Si может реагировать уже при обычных условиях:

Si + 2F₂ = SiF₄

C хлором, кислородом и серой кремний реагирует при нагревании:

Si + 2Сl₂

Si + O₂

Si + 2S

При этом могут образовываться и соединения кремния со степенью окисления +2 (SiCl₂, SiO), но они неустойчивы и в момент образования легко превращаются в SiCl₄ или SiO₂. При очень высоких температурах Si способен реагировать с N₂ и углеродом.

3 Si + 2N₂

Si + C – карборунд

Это вещество, имеет атомную кристаллическую решетку (рис. 13), по твёрдости уступает только алмазу, широко используется в технике, где его обычно получают косвенным путем:

SiO₂ + 3C SiC + 2CO

Рис. 13. Схема образования ковалентных связей в карборунде

При нагревании Si может взаимодействовать только с наиболее активными металлами (щелочными, щелочноземельными). В результате образуются силициды, которые легко разлагаются H₂O и растворами кислот:

Si + 4Na → натрий-силицид

Si + 2Ca → кальций-силицид

Na₄Si + 4H₂O = 4NaOH + SiH₄ ↑

Ca₂Si + 4H₂O = 2Ca(OH)₂ + SiH₄ ↑

Na₄Si + 4HCl = 4NaCl + SiH₄ ↑

Ca₂Si + 4HCl = 2CaCl₂ + SiH₄ ↑

Соединение кремния с водородом SiH₄ (силан) неустойчиво, его получают косвенным путем из силицидов. Силан горюч и может самовоспламеняться уже на воздухе при обычных условиях:

SiН₄ + 2О₂ = SiO₂ + 2Н₂О

Кремний (особенно мелкодисперсный) активно растворяется в щелочах и при сильном нагревании взаимодействует с H₂O:

Si + 2NaOH + H₂O Na₂SiO₃ + 2H₂ ↑

Si + 2H₂O SiO₂ + 2H₂ ↑

Кислоты, в том числе и Н₂SО_{4 конц.} и HNO_{3 конц.} на кремний не действуют. Он способен реагировать только с плавиковой кислотой или газообразным фтороводородом:

Si + 4HF SiF₄ + 2H₂ ↑

фторо-

водород

В концентрированной плавиковой кислоте может образоваться комплексное соединение:

Si + 6HF = H₂[SiF₆] + 2H₂ ↑

гексафторокремниевая кислота