Получение кремния

В промышленности кремний получают, восстанавливая SiO₂ магнием или углем:

SiO₂ + 2Mg Si + 2MgO

SiO₂ + 2C Si + 2CO

Этими способами получают кремний, загрязненный карбидами (Mg₂Si, SiC).

Особо чистый кремний образуется при восстановлении газообразного SiCl₄ цинком:

SiCl₄ + 2Zn 2ZnCl₂ + Si

или при термическом разложении силана:

SiH₄ Si + 2H₂ ↑

Применение кремния

Кремний используют в качестве полупроводника. Его применяют для изготовления фотоэлементов, солнечных батарей, в радиоэлектронной промышленности. Кремний используют в металлургии для получения кремнистых сталей (жаростойких и кислотоупорных); он служит составной частью многих сплавов.

Оксид кремния

Кремний способен образовывать 2 вида оксидов, состав которых отображается следующими формулами: и .

Кремний(II)-оксид является несолеобразующим, устойчив в газообразном состоянии при температуре выше 1000^оС (в инертной атмосфере). При быстром охлаждении конденсируется в аморфный порошок светло-коричневого цвета. Легко окисляется кислородом воздуха с образованием более устойчивого оксида

2SiO + O₂ → 2SiO₂

Кремний(II)-оксид образуется при восстановлении SiO₂ кремнием, углеродом, окислении Si при недостатке O₂

SiO₂ + Si 2 SiO

Кремний(IV)-оксид – это твердое тугоплавкое вещество полимерного строения (SiO₂)_n с атомной кристаллической решёткой. Молекул SiO₂ при обычных условиях подобно молекулам СО₂ не существует, SiO₂ – формульная единица (или простейшая формула) оксида.

С троение кристаллической решётки SiO₂ в плоскостном изображении можно представить так (рис. 14):

Рис. 14. Схема образования связей в кремний(IV)-оксиде

Несходство строения SiO₂ с родственным ему углекислым газом CO₂ (который имеет молекулярную структуру: O=C=O) вызвано тем, что атомы Si в отличие от атомов углерода, не могут образовывать устойчивых π-связей, как между собой, так и с другими атомами. Поэтому все связи атомов кремния в соединениях одинарные (σ-связи).

Такое строение оксида кремния накладывает отпечаток и на его свойства, придавая ему химическую инертность, особенно при обычных условиях.

Оксид кремния – кислотный оксид, ему соответствует кремниевая кислота Н₂SiO₃. Однако с Н₂О оксид кремния не взаимодействует ни при обычных условиях, ни при нагревании. Это объясняется высокой прочностью связей в кристаллической решётке SiO₂. Поэтому получают кремниевую кислоту косвенным путем, действуя сильными кислотами на растворы ее солей:

Na₂SiO₃ + 2HCl = H₂SiO₃↓ + 2NaCl

В остальном SiO₂ обладает всеми свойствами кислотных оксидов. Так, при нагревании он взаимодействует с основными оксидами, гидроксидами металлов, образуя соли кремниевой кислоты – силикаты:

CaO + SiO₂ CaSiO₃

Na₂O + SiO₂ Na₂SiO₃

SiO₂ + Ca(OH)_{2 тв.} CaSiO₃ + H₂O

SiO₂ + 2NaOH _тв. Na₂SiO₃ + H₂O

Они являются полимерными соединениями и более правильно их состав следует отображать как твердые сплавы: Na₂O ∙ SiO₂, СaO ∙ SiO₂.

Аналогично протекает реакция и с солями кислот, которые при нагревании легко разлагаются на летучие кислотные оксиды:

SiO₂ + Na₂CO₃ Na₂SiO₃ + CO₂↑

Оксид кремния обладает также некоторыми специфическими свойствами. Так, он взаимодействует с плавиковой (фтороводородной) кислотой:

SiO₂ + 4HF = SiF₄ + 2H₂O

При нагревании SiO₂ с углеродом образуется карборунд (SiC), вещество, по твердости не уступающее алмазу:

SiO₂ + 3C SiC + 2CO

Кремний в оксиде находится в своей высшей степени окисления +4, поэтому SiO₂ в окислительно-восстанови-тельных реакциях может выступать только в роли окислителя:

SiO₂ + 2Mg 2MgO + Si (эта реакция используется для получения кремния).

В промышленности оксид кремния получают из песка или кварца.

В лаборатории его можно получить при сжигании Si:

Si + O₂ SiO₂

Или при разложении свежеосажденной кремниевой кислоты:

H₂SiO₃ H₂O + SiO₂

В этом случае образуется не кристаллический, а аморфный SiO₂, который называется иначе силикагелем.