Кремний және оның қосылыстары. Табиғатта кремний. Кремнийді қолдану

2024 Автор: Angel Austin | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2023-12-17 05:33

Кремний – технология мен өнеркәсіптегі ең сұранысқа ие элементтердің бірі. Бұл оның ерекше қасиеттеріне байланысты. Бүгінгі таңда бұл элементтің көптеген әртүрлі қосылыстары бар, олар техникалық өнімдерді, ыдыстарды, шыныларды, жабдықтарды, құрылыс және әрлеу материалдарын, зергерлік бұйымдарды және басқа да өнеркәсіптерді синтездеу және жасауда маңызды рөл атқарады.

Кремнийдің жалпы сипаттамасы

Егер кремнийдің периодтық жүйедегі орнын қарастырсақ, мынаны айта аламыз:

1. Негізгі ішкі топтың IV тобында орналасқан.
2. Реттік сан 14.
3. Атомдық массасы 28, 086.
4. Химиялық таңбасы Si.
5. Атауы - кремний немесе латын тілінде - кремний.
6. Сыртқы қабаттың электрондық конфигурациясы 4e:2e:8e.

Кремнийдің кристалдық торы алмаздың торына ұқсас. Атомдар түйіндерде орналасады, оның түрі бетке бағытталған текше. Дегенмен, байланыс ұзындығының ұзағырақ болуына байланысты кремнийдің физикалық қасиеттері көміртегінің аллотропиялық модификациясынан өте ерекшеленеді.

Физикалық және химиялық қасиеттері

Екі барБұл элементтің аллотропты модификациялары: аморфты және кристалды. Олар өте ұқсас. Алайда, басқа заттар сияқты, олардың арасындағы негізгі айырмашылық кремнийдің кристалдық торында.

Бұл жағдайда екі модификация да әртүрлі түсті ұнтақтар болып табылады.

1. Кристалды кремний – қара сұр түсті жылтыр металл тәрізді ұнтақ. Оның құрылымы алмазға сәйкес келеді, бірақ қасиеттері әртүрлі. Оның бар:

• қызғыштық;
• төмен қаттылық;
• жартылай өткізгіш қасиеттері;
• балқу температурасы 1415⁰C;
• 2,33г/см³;
• қайнау температурасы 2700⁰C.

Оның химиялық белсенділігі басқа аллотропты түрімен салыстырғанда төмен.

2. Аморфты кремний – қоңыр-қоңыр ұнтақ, құрылымы өте ретсіз алмас. Химиялық белсенділік өте жоғары.

Жалпы алғанда, кремний реакцияға түсуді ұнатпайтынын атап өткен жөн. Оны әрекет ету үшін сізге кемінде 400-500⁰C температура қажет. Бұл жағдайда кремнийдің әртүрлі химиялық қосылыстары түзіледі. Мысалы:

• оксидтер;
• галогенидтер;
• силицидтер;
• нитридтер;
• боридтер;
• карбидтер.

Кремнийдің азот қышқылымен немесе сілтімен ықтимал әрекеттесуі, бұл оппортировка процесі деп аталады. Кремнийорганикалық қосылыстар кең тараған және бүгінде көбірек таралуда.

Табиғатта болу

Кремний табиғатта айтарлықтай мөлшерде кездеседі. Таралуы бойынша оттегінен кейін екінші орында. Оның массалық үлесі шамамен 30% құрайды. Теңіз суында да бұл элемент шамамен 3 мг/л концентрацияда болады. Сондықтан кремнийді табиғатта сирек кездесетін элемент деп айтуға болмайды.

Керісінше, ол кездесетін және оны өндіруге болатын көптеген тау жыныстары мен минералдар бар. Ең көп таралған табиғи кремний қосылыстары мыналар:

1. Кремний диоксиді. Химиялық формуласы SiO₂. Оның негізіндегі минералдар мен тау жыныстарының көптеген түрлері бар: құм, шақпақтас, дала шпаттары, кварц, рок-кристалл, аметист, халцедон, карнелиан, опал, яшма және т.б.
2. Силикаттар және алюмосиликаттар. Каолин, шпат, слюда, кремний қышқылының тұздары, асбест, тальк.

Осылайша, кремний табиғатта кеңінен таралған және оның қосылыстары техникалық қолдану үшін адамдар арасында танымал және сұранысқа ие.

Кремний және оның қосылыстары

Қарастырылған элемент таза күйінде бола алмайтындықтан, оның әртүрлі қосылыстары маңызды. Химиялық тұрғыдан ол үш тотығу күйін көрсете алады: +2, +4, -4. Осыған сүйене отырып, оның инерттілігі сияқты, бірақ кристалдық тордың құрылымында ерекше, ол келесі заттардың негізгі түрлерін құрайды:

• бейметалдармен екілік қосылыстар (силан, карбид, нитрид, фосфид және т.б.;
• оксидтер;
• кремнийқышқыл;
• металл силикаттар.

Кремний мен оның қосылыстарының маңыздылығын толығырақ қарастырайық, олар ең көп таралған және адамдар үшін сұранысқа ие.

Кремний оксидтері

Бұл заттың формулалармен өрнектелген екі түрі бар:

• SiO;
• SiO₂.

Алайда ең көп таралғаны – диоксид. Ол табиғатта өте әдемі жартылай асыл тастар түрінде кездеседі:

• агат;
• халцедон;
• opal;
• carnelian;
• яшма;
• аметист;
• ринстон.

Кремнийді осы пішінде қолдану зергерлік бұйымдар өндірісінде өз қолдануын тапты. Керемет әдемі алтын және күміс зергерлік бұйымдар осы жартылай бағалы және жартылай асыл тастардан жасалған.

Кремний диоксидінің тағы бірнеше нұсқасы:

• кварц;
• өзен және кварц құмы;
• шақпақтас;
• далалық шпаттар.

Бұл түрлерде кремнийді пайдалану құрылыс жұмыстарында, машина жасауда, радиоэлектроникада, химия өнеркәсібінде және металлургияда қолданылады. Тізімдегі оксидтер бірге бір затқа жатады - кремний диоксиді.

Кремний карбиді және оның қолданылуы

Кремний және оның қосылыстары болашақ пен бүгінгі күннің материалдары. Осы материалдардың бірі карборунд немесе осы элементтің карбиді болып табылады. SiC химиялық формуласы. Табиғи түрде моиссанит минералы түрінде кездеседі.

Таза күйінде көміртегі мен кремний қосылысы әдеміалмаз құрылымдарына ұқсайтын мөлдір кристалдар. Дегенмен, жасыл және қара түсті заттар техникалық мақсатта қолданылады.

Металлургияда, машина жасауда, химия өнеркәсібінде қолдануға мүмкіндік беретін бұл заттың негізгі сипаттамалары келесідей:

• кең аралық жартылай өткізгіш;
• өте жоғары беріктік (Mohs шкаласы бойынша 7);
• жоғары температураға төзімді;
• тамаша электр кедергісі және жылу өткізгіштік.

Мұның бәрі металлургия мен химиялық синтезде карборундты абразивті материал ретінде пайдалануға мүмкіндік береді. Сондай-ақ оның негізінде кең спектрлі жарықдиодты шамдар, шыны балқыту пештерінің бөлшектері, саптамалар, шамдар, зергерлік бұйымдар (моиссанит текше цирконийден жоғары бағаланады).

Силан және оның мағынасы

Кремнийдің сутегі қосылысы силан деп аталады және оны бастапқы материалдардан тікелей синтездеу арқылы алуға болмайды. Оны алу үшін әртүрлі металдардың силицидтері қолданылады, олар қышқылдармен өңделеді. Нәтижесінде газ тәрізді силан бөлініп, металл тұзы түзіледі.

Бір қызығы, қарастырылып отырған байланыс ешқашан жалғыз құрылмайды. Әрқашан реакция нәтижесінде кремний атомдары өзара тізбекте байланысқан моно-, ди- және трисилан қоспасы алынады.

Қасиеттері бойынша бұл қосылыстар күшті тотықсыздандырғыштар болып табылады. Сонымен бірге олардың өздері оттегімен оңай тотығады, кейде жарылыспен. Галогендермен реакциялар әрқашан күшті, үлкен эмиссиямен жүредіэнергия.

Силандардың қолданылуы келесідей:

1. Маңызды кремнийорганикалық қосылыстар – силикондар, каучуктар, тығыздағыштар, майлау материалдары, эмульсиялар және т.б. түзілетін органикалық синтез реакциялары.
2. Микроэлектроника (СКД мониторлары, интегралды техникалық схемалар, т.б.).
3. Аса таза полисилиций алу.
4. Протезі бар стоматология.

Осылайша, қазіргі әлемде силандардың маңыздылығы жоғары.

Кремний қышқылы және силикаттар

Қарастырылған элементтің гидроксиді әртүрлі кремний қышқылдары. Бөлек нүкте:

• meta;
• орто;
• полисилиций және басқа қышқылдар.

Олардың барлығын ортақ қасиеттер біріктіреді - еркін күйдегі төтенше тұрақсыздық. Олар температураның әсерінен оңай ыдырайды. Қалыпты жағдайда олар ұзақ уақыт өмір сүрмейді, алдымен зольге, содан кейін гельге айналады. Кептіруден кейін мұндай құрылымдар силикагельдер деп аталады. Олар сүзгілерде адсорбенттер ретінде пайдаланылады.

Өнеркәсіп тұрғысынан кремний қышқылдарының тұздары – силикаттар маңызды. Олар келесі заттардың өндірісінің негізін құрайды:

• әйнек;
• бетон;
• цемент;
• цеолит;
• каолин;
• фарфор;
• фаянс;
• кристал;
• керамика.

Сілтілік металдардың силикаттары ериді, қалғандарының бәрі ериді. Сондықтан натрий мен калий силикатын сұйық шыны деп атайды. Кәдімгі кеңсе желім - бұл натрийкремний қышқылының тұзы.

Бірақ ең қызықты қосылыстар әлі де көзілдірік. Бұл заттың қанша нұсқасын ойлап тапса да! Бүгінде олар түсті, оптикалық, күңгірт опцияларды алады. Шыны ыдыстар өзінің әсемдігімен және әртүрлілігімен таң қалдырады. Қоспаға белгілі бір металл және бейметалл оксидтерін қосу арқылы әртүрлі шыны түрлерін алуға болады. Кейде тіпті бірдей құрам, бірақ компоненттердің әртүрлі пайызы заттың қасиеттерінің айырмашылығына әкеледі. Мысалы, фарфор мен фаянс, формуласы SiO₂AL₂O₃ K 2_O.

Кварц шыны - құрамы кремний диоксиді ретінде сипатталған өте таза өнім түрі.

Кремний қосылыстарындағы ашылулар

Соңғы бірнеше жылдағы зерттеулерде кремний мен оның қосылыстары тірі организмдердің қалыпты жағдайының ең маңызды қатысушылары екені дәлелденді. Бұл элементтің жетіспеуі немесе артық болуымен келесі аурулар:

• рак;
• туберкулез;
• артрит;
• катаракта;
• лепра;
• дизентерия;
• ревматизм;
• гепатит және басқалар.

Қартаю процесінің өзі де кремнийдің сандық құрамымен байланысты. Сүтқоректілерге жүргізілген көптеген тәжірибелер элементтердің жетіспеушілігінен инфаркт, инсульт, қатерлі ісік пайда болатынын және гепатит вирусының белсендірілетінін дәлелдеді.