Химические свойства какого элемента наиболее похожи на свойства элемента кремния

Строение кремния

Кремний – элемент третьего периода главной подгруппы IV группы Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Электронное строение атома кремния отражается конфигурацией:

$1s^22s^22p^63s^23p^2$

На внешнем энергетическом уровне атома углерода содержится 4 электрона, поэтому максимальная валентность кремния – IV. Кремний проявляет степени окисления:

$Si^0 + 4bar{e} rightarrow Si^{-4}$ окислитель
$Si^0 – 2bar{e} rightarrow Si^{+2}$ восстановитель
$Si^0 – 4bar{e} rightarrow Si^{+4}$ восстановитель

Кремний – типичный неметалл, в зависимости от типа превращения элемент может быть окислителем и восстановителем.

Аллотропные модификации кремния

Различают аморфный и кристаллический кремний.

Свойства	Аморфный кремний	Кристаллический кремний
Внешний вид	порошок бурого цвета	твердое вещество тёмно-серого цвета с металлическим блеском
Структура	сильно разупорядоченная алмазоподобная структура	кубическая структура алмаза
Химическая активность	обладает большей реакционной способностью, чем кристаллический кремний.	инертен

Нахождение в природе

Кремний – второй по распространенности элемент на Земле после кислорода. В свободном виде кремний не встречается, бывает только в виде соединений. Наиболее химически устойчивым соединением кремния является оксид кремния (IV), или кремнезем. Кристаллический кремнезем находится в природе главным образом в виде песка и минералов: кварца, горного хрусталя.

Кремний входит в состав многих полудрагоценных камней (агат, аметист, яшма и др.) и в состав породообразующих минералов – силикатов и алюмосиликатов (полевых шпатов, глин, слюд и др.).

Получение кремния

Кремний применяют главным образом для изготовления полупроводниковых приборов, в том числе солнечных батарей, получения сплавов, восстановления металлов из оксидов.

В лаборатории: кремний получают из кремнезема($SiO_2$) восстановлением магнием или алюминием:

$SiO_2 + 2Mg = Si + 2MgO$

$3SiO_2 + 4Al = 3Si + 2Al_2O_3$

В промышленности его также получают восстановлением из оксида. В качестве восстановителя используют кокс:

$SiO_2 + 2C = Si + 2CO$

Кремний, полученный таким образом, содержит примеси, поскольку может напрямую взаимодействовать с углеродом: $Si + C = SiC$ (карбид кремния)

Для получения чистого кремния используют другой способ: тетрахлорид кремния восстанавливают водородом при 1200 °С:

$SiCl_4 + 2H_2 xrightarrow[]{1200 ^circ C} Si + 4HCl$

или проводят термическое разложение силана:

$SiH_4xrightarrow[]{t, ^circ C}Si + 2H_2uparrow$

Химические свойства кремния

Кремний — темно-серое вещество с металлическим блеском. Он хрупок и, как и углерод, тугоплавок. Обладает полупроводниковыми свойствами. В химических реакциях проявляет свойства восстановителя.

Взаимодействие с простыми веществами

1) c металлами:

Окислительные свойства почти не характерны для кремния, однако при взаимодействии с металлами кремний восстанавливается, образуя силициды $Me_nSi$:

$Si + 2Mg = Mg_2Si$

2) с галогенами:

В силу высокой инертности непосредственно взаимодействует только со фтором, при этом проявляет восстановительные свойства:

$Si + 2F_2 = SiF_4$

С хлором реагирует при нагревании до 400–600 $^circ C$:

$Si + 2Cl_2 xrightarrow[]{400-600^circ C} SiCl_4$

3) с кислородом:

Измельченный кремний при нагревании до 400–600 $^circ C$ реагирует с кислородом:

$Si + O_2 xrightarrow[]{400-600^circ C} SiO_2$

4) с другими неметаллами:

При очень высокой температуре около 2000 $^circ C$, образуя карбид кремния $SiC $- карборунд, кристаллическое, построенное по типу алмаза вещество):

$Si +C xrightarrow[]{2000^circ C} SiC$

При 1000 $^circ C$ реагирует с азотом, образуя нитрид кремния ( $Si_3N_4$):

$3Si +2N_2 xrightarrow[]{1000^circ C} Si_3N_4$

С водородом непосредственно не взаимодействует. Соединения кремния с водородом (силаны) получают косвенными путями.

взаимодействие со сложными веществами

5) с кислотами

Кремний устойчив к действию кислот, в кислой среде он покрывается нерастворимой пленкой оксида и пассивируется. Кремний взаимодействует только со смесью плавиковой и азотной кислот:

$3Si + 4HNO_3 + 18HF = 3H_2[SiF_6] + 4NO + 8H_2O$

6) со щелочами

Кремний реагирует со щелочами очень энергично, проявляя слабо-кислые свойства:

$Si + 2NaOH + H_2O = Na_2SiO_3 + 2H_2$

7) с галогеноводородами

Кремний реагирует с галогеноводородными кислотами, образуя галогениды кремния:

$Si + 4HF xrightarrow[]{4textrm{н.у.}}SiF_4 + 2H_2$
$Si + 4HCl xrightarrow[]{300^circ C} SiCl_4 + 2H_2$
$Si + 4HBr xrightarrow[]{500^circ C} SiBr_4 + 2H_2$

Источник

3.6. Зависимость свойств элементов от строения их
атомов

Теория
строения атомов объясняет периодическое изменение свойств элементов при
увеличении порядкового номера.

Важнейшими
свойствами элементов являются металличность
(металлические свойства) и неметалличность
(неметаллические свойства).

Металличность – это
способность атомов элемента отдавать электроны. Количественной характеристикой
металличности элемента является энергия ионизации.

Энергия
ионизации атома
– это количество энергии, которое необходимо для отрыва электрона от атома
элемента, т.е. для превращения атомов в положительно заряженный ион:

Чем
меньше энергия ионизации, тем легче атом отдает электрон, тем сильнее
металлические свойства элемента.

Неметалличность – это
способность атомов элемента присоединять
электроны.

Количественной
характеристикой неметалличности элемента является сродство к электрону (Еср).

Сродство к
электрону – это энергия, которая выделяется при присоединении электрона к
нейтральному атому, т.е. при превращении
атомов в отрицательно заряженный ион:

Чем
больше сродство к электрону, тем легче атом присоединяет электрон, тем сильнее
неметаллические свойства элемента. Универсальной характеристикой металличности и
неметалличности элементов является электроотрицательность элемента (ЭО).

Электроотрицательность
элемента характеризует способность его атомов притягивать к себе электроны,
которые участвуют в образовании химических связей с другими атомами в молекуле.

Чем
больше металличность, тем меньше ЭО.

Чем
больше неметалличность, тем больше ЭО.

При
определении значений относительной электроотрицательности различных элементов
за единицу принята ЭО лития.

Рассмотрим,
как изменяются некоторые характеристики элементов в малых периодах слева направо:

Заряд ядер
атомов увеличивается.

Число
электронных слоев атомов не изменяется.

Число электронов
на внешнем слое атомов увеличивается от 1 до 8.

Радиус атомов
уменьшается.

Прочность связи
электронов внешнего слоя с ядром увеличивается.

Энергия ионизации
увеличивается.

Сродство к
электрону увеличивается.

Электроотрицательность
увеличивается.

Металличность
элементов уменьшается.

Неметалличность
элементов увеличивается.

В больших
периодах
с увеличением заряда ядер электронное строение атомов изменяется сложнее, чем в
малых периодах. Поэтому и изменение свойств элементов в больших периодах более
сложное.

Рассмотрим
это изменение свойств на примере четвертого периода. Он начинается, как и малые
периоды, двумя s-элементами – К и Са, в атомах которых на внешнем слое
находится соответственно 1 и 2 электрона. Эти элементы имеют наибольшие радиусы
атомов среди всех элементов IV периода, поэтому электроны внешнего слоя слабо
связаны с атомами, и эти элементы являются типичными металлами. Эти элементы
имеют самые низкие в IV периоде значения ЭО.

Рассмотрим,
как изменяются некоторые характеристики элементов в главных подгруппах сверху
вниз:

Число
электронных слоев атомов увеличивается.

Число электронов
на внешнем слое атомов одинаково.

Радиус атомов увеличивается.

Прочность связи
электронов внешнего слоя с ядром уменьшается.

Энергия
ионизации уменьшается.

Сродство к
электрону уменьшается.

Электроотрицательность
уменьшается.

Металличность
элементов увеличивается.

Неметалличность
элементов уменьшается.

В малых периодах
закономерно изменяется высшая
валентность элементов: во втором периоде от I у Li до V у N;
в третьем периоде от I у Na до VII у
Cl. В большом четвертом периоде высшая валентность увеличивается от I у K до VII
у Mn; у следующих элементов она понижается до II у Zn, а потом снова увеличивается от III у Ga
до VII у Br.

Периодическое
изменение высшей валентности объясняется периодическим изменением числа валентных электронов в атомах.

Валентные
электроны
– это электроны, которые могут участвовать в образовании химических связей.

В атомах s-
и p-элементов валентными
являются, как правило, все электроны внешнего слоя.

В атомах d-элементов
валентными являются электроны внешнего слоя, а также все или некоторые d-электроны
предвнешнего слоя.

Число
валентных электронов для большинства элементов равно номеру группы.

УПРАЖНЕНИЯ

Расположите в порядке усиления металлических
свойств, следующие элементы: As, Sb, N, P, Bi. Обоснуйте полученный ряд, исходя
из строения атомов этих элементов.

Решение:

N < P < As
< Sb < Bi → металлические свойства возрастают так как:
На внешнем энергетическом уровне у всех элементов по 5 электронов, но от N до
Bi возрастают радиусы атомов.
Чем больше радиус атома, тем слабее притяжение внешних электронов к ядру, тем
сильнее проявляются металлические свойства (способность отдавать электроны).

_____________________________________________________________

Расположите в порядке
усиления неметаллических свойств, следующие элементы: Si, Al, P, S, Cl, Mg, Na.
Обоснуйте полученный ряд, исходя из строения атомов этих элементов.

Решение:

Na
< Mg < Al < Si < P < S < Cl → неметаллические свойства
возрастают так как:
Число энергетических уровней постоянно.
Увеличивается число электронов на внешнем
уровне, и увеличивается заряд ядра. (от 11 у Na до 17 у Cl )
Следовательно притяжение электронов к ядру
увеличивается, и радиус, немного уменьшается.

Из-за усиления притяжения электронов к ядру
металлические свойства (способность отдавать электроны) уменьшается, а
неметаллические свойства увеличиваются.

_____________________________________________________________

Напишите формулы
оксидов бора, бериллия и лития и расположите их в порядке возрастания основных
свойств. Запишите формулы гидроксидов, соответствующих этим оксидам. Каков их
химический характер?

Решение:

B2O3 < BeO < Li2O →
основные свойства возрастают.

H3BO3 – борная
кислота, характер кислотный.
Be(OH)2 –
гидроксид бериллия, характер амфотерный.
LiOH – гидроксид лития,
характер основный.

_____________________________________________________________

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО
РЕШЕНИЯ

Электронная
конфигурация элемента 1s2 2s2 2p6 3s1. Назовите атомный
(порядковый) номер и группу, в которую входит этот элемент.

Приведены электронные
формулы внешних электронных оболочек элементов: а) 2s2 2p5, б) 3s2 3p4, в) 3d1 4s2. Составьте полные
электронные формулы и определите порядковые номера элементов. Какие это
элементы?

В каком периоде Периодической таблицы находится элемент с
полностью или частично заселенными орбиталями 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s?

По положению в
Периодической таблице определите: а) что лучший окислитель – сера или фосфор?
б) У селена или у мышьяка лучше выражены металлические свойства?

По положению элементов в периодической системе
определите, какой элемент имеет большую ЭО; больший радиус атома:

Объясните ответ.

Какой элемент имеет самую большую ЭО. Почему?

Напишите символы всех металлов третьего периода,
если первым неметаллом в этом периоде является кремний.

Напишите символы всех неметаллов главной подгруппы V группы, если известно, что в этой подгруппе два
элемента являются металлами.

Атомы каких элементов – металлов или неметаллов –
имеют обычно большее число электронов на внешнем электронном слое.

10.

Напишите символы всех элементов, атомы которых
содержат пять валентных электронов. Напишите формулы высших оксидов этих
элементов.

1. Химические свойства какого элемента наиболее похожи на свойства элемента кремния:
а) фосфора	б) алюминия
в) углерода	г) свинца
2. Какой из элементов IV-ого периода обладает наиболее выраженными металлическими свойствами:
а) калий	б) цинк
в) кальций	г) германий
3. Укажите символ элемента с наименее выраженными металлическими свойствами:
а) Mg	б) Ca
в) Be	г) Ba
4. Какие свойства атомов элементов уменьшаются при движении слева направо по периоду:
а) радиус атома	б) все ответы верны
в) число энергетических уровней в атоме	г) неметаллические
5. Какие свойства атомов элементов возрастают с увеличением атомного номера элемента в V-ой группе главной подгруппе:
а) металлические	б) все ответы верны
в) неметаллические	г) число электронов на внешнем энергетическом уровне
6. У какого из элементов VI группы неметаллические свойства выражены наиболее сильно:
а) хрома	б) теллура
в) кислорода	г) серы
7. Какие утверждения справедливы для последовательности элементов Si – P – Cl:
а) все ответы верны	б) справа налево неметаллические свойства уменьшаются
в) число энергетических уровней в атоме остается постоянным	г) число электронов на внешнем энергетическом уровне возрастает
8. Чем различаются между собой атомы расположенных в одном и том же периоде элементов Ca и Sc:
а) все ответы верны	б) радиусом
в) числом валентных электронов	г) формулой высшего оксида
9. Что одинаково для атомов расположенных в одной и той же группе элементов S и Сr:
а) радиус	б) число энергетических уровней
в) степень окисления	г) формула высшего оксида
10. В ряду элементов Be – Mg – Ca:
а) металлические свойства слева направо возрастают	б) в таком же порядке растет радиус атома
в) растет число энергетических уровней в атоме	г) все ответы верны

Ответы:

1	в
2	а
3	в
4	а
5	а
6	в
7	а
8	а
9	г
10	г

Источник

Процессор? Песок? А какие у вас с этим словом ассоциации? А может Кремниевая долина?
Как бы там ни было, с кремнием мы сталкиваемся каждый день и если вам интересно узнать что такое Si и с чем его едят, прошу под кат.

Введение

Будучи студентом одного из московских вузов с специальностью «Наноматериалы», я хотел познакомить тебя, дорогой читатель, с самыми важными химическими элементами нашей планеты. Я долго выбирал с чего начать, углерод или кремний, и все таки решил остановиться именно на Si, потому что сердце любого современного гаджета основано именно на нем, если можно так выразиться конечно. Излагать мысли постараюсь предельно просто и доступно, написав этот материал я рассчитывал, в основном на новичков, но и более продвинутые люди смогут почерпнуть что-то интересное, так же хотелось бы сказать, что статья написана исключительно для расширения кругозора заинтересовавшихся. Итак, приступим.

Silicium

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%).
Плотность (при н.у.) 2,33 г/см³
Температура плавления 1688 K

Порошковый Si

Историческая справка

Соединения Кремния, широко распространенные на земле, были известны человеку с каменного века. Использование каменных орудий для труда и охоты продолжалось несколько тысячелетий. Применение соединений Кремния, связанное с их переработкой, — изготовление стекла — началось около 3000 лет до н. э. (в Древнем Египте). Раньше других известное соединение Кремния — оксид SiO2 (кремнезем). В 18 веке кремнезем считали простым телом и относили к «землям» (что и отражено в его названии). Сложность состава кремнезема установил И. Я. Берцелиус. Он же впервые, в 1825, получил элементарный Кремний из фтористого кремния SiF4, восстанавливая последний металлическим калием. Новому элементу было дано название «силиций» (от лат. silex — кремень). Русское название ввел Г. И. Гесс в 1834.

Кремний очень распространен в природе в составе обыкновенного песка

Распространение Кремния в природе

По распространенности в земной коре Кремний — второй (после кислорода) элемент, его среднее содержание в литосфере 29,5% (по массе). В земной коре Кремний играет такую же первостепенную роль, как углерод в животном и растительном мире. Для геохимии Кремния важна исключительно прочная связь его с кислородом. Около 12% литосферы составляет кремнезем SiO2 в форме минерала кварца и его разновидностей. 75% литосферы слагают различные силикаты и алюмосиликаты (полевые шпаты, слюды, амфиболы и т. д.). Общее число минералов, содержащих кремнезем, превышает 400.

Физические свойства Кремния

Думаю тут останавливаться особо не стоит, все физические свойства имеются в свободном доступе, а я же перечислю самые основные.
Температура кипения 2600 °С
Кремний прозрачен для длинноволновых ИК-лучей
Диэлектрическая проницаемость 11,7
Твердость Кремния по Моосу 7,0
Хотелось бы сказать, что кремний хрупкий материал, заметная пластическая деформация начинается при температуре выше 800°С.
Кремний — полупроводник, именно поэтому он находит большое применение. Электрические свойства кремния очень сильно зависят от примесей.

Химические свойства Кремния

Тут много конечно можно сказать, но остановлюсь на самом интересном. В соединениях Si (аналогично углероду) 4-валентен.
На воздухе кремний благодаря образованию защитной оксидной пленки устойчив даже при повышенных температурах. В кислороде окисляется начиная с 400 °С, образуя оксид кремния (IV) SiO2.
Кремний устойчив к кислотам и растворяется только в смеси азотной и фтористоводородной кислот, легко растворяется в горячих растворах щелочей с выделением водорода.
Кремний образует 2 группы кислородсодержащих силанов — силоксаны и силоксены. С азотом Кремний 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, а так же для производства огнеупоров. Высокой твердостью, а также термической и химической стойкостью отличаются соединения Кремния с углеродом (карбид кремния SiC) и с бором (SiB3, SiB6, SiB12).

Получение Кремния

Я думаю это самая интересная часть, тут остановимся поподробнее.
В зависимости от предназначения различают:
1. Кремний электронного качества (т. н. «электронный кремний») — наиболее качественный кремний с содержанием кремния свыше 99,999 % по весу, удельное электрическое сопротивление кремния электронного качества может находиться в интервале примерно от 0,001 до 150 Ом•см, но при этом величина сопротивления должна быть обеспечена исключительно заданной примесью т. е. попадание в кристалл других примесей, хотя бы и обеспечивающих заданное удельное электрическое сопротивление, как правило, недопустимо.
2. Кремний солнечного качества (т. н. «солнечный кремний») — кремний с содержанием кремния свыше 99,99 % по весу, используемый для производства фотоэлектрических преобразователей (солнечных батарей).

3. Технический кремний — блоки кремния поликристаллической структуры, полученного методом карботермического восстановления из чистого кварцевого песка; содержит 98 % кремния, основная примесь — углерод, отличается высоким содержанием легирующих элементов — бора, фосфора, алюминия; в основном используется для получения поликристаллического кремния.

Кремний технической чистоты (95-98%) получают в электрической дуге восстановлением кремнезема SiO2 между графитовыми электродами. В связи с развитием полупроводниковой техники разработаны методы получения чистого и особо чистого кремния. Это требует предварительного синтеза чистейших исходных соединений кремния, из которых кремний извлекают путем восстановления или термического разложения.
Поликристаллический кремний («поликремний») — наиболее чистая форма промышленно производимого кремния — полуфабрикат, получаемый очисткой технического кремния хлоридными и фторидными методами и используемый для производства моно- и мультикристаллического кремния.
Традиционно поликристаллический кремний получают из технического кремния путём перевода его в летучие силаны (моносилан, хлорсиланы, фторсиланы) с последующими разделением образующихся силанов, ректификационной очисткой выбранного силана и восстановлением силана до металлического кремния.
Чистый полупроводниковый кремний получают в двух видах: поликристаллический (восстановлением SiCl4 или SiHCl3 цинком или водородом, термическим разложением SiI4 и SiH4) и монокристаллический (бестигельной зонной плавкой и «вытягиванием» монокристалла из расплавленного кремния — метод Чохральского).

Тут можно увидеть процесс выращивания кремния, методом Чохральского.

Метод Чохральского

— метод выращивания кристаллов путём вытягивания их вверх от свободной поверхности большого объёма расплава с инициацией начала кристаллизации путём приведения затравочного кристалла (или нескольких кристаллов) заданной структуры и кристаллографической ориентации в контакт со свободной поверхностью расплава.

Применение Кремния

Специально легированный кремний широко применяется как материал для изготовления полупроводниковых приборов (транзисторы, термисторы, силовые выпрямители тока, тиристоры; солнечные фотоэлементы, используемые в космических кораблях, а так же много всякой всячины).
Поскольку кремний прозрачен для лучей с длиной волны от 1 до 9 мкм, его применяют в инфракрасной оптике.
Кремний имеет разнообразные и все расширяющиеся области применения. В металлургии Si
используется для удаления растворенного в расплавленных металлах кислорода (раскисления).
Кремний является составной частью большого числа сплавов железа и цветных металлов.
Обычно Кремний придает сплавам повышенную устойчивость к коррозии, улучшает их литейные свойства и повышает механическую прочность; однако при большем его содержании Кремний может вызвать хрупкость.
Наибольшее значение имеют железные, медные и алюминиевые сплавы, содержащие кремний.
Кремнезем перерабатываются стекольной, цементной, керамической, электротехнической и другими отраслями промышленности.
Сверхчистый кремний преимущественно используется для производства одиночных электронных приборов (например процессор твоего компьютера) и однокристальных микросхем.
Чистый кремний, отходы сверхчистого кремния, очищенный металлургический кремний в виде кристаллического кремния являются основным сырьевым материалом для солнечной энергетики.
Монокристаллический кремний — помимо электроники и солнечной энергетики используется для изготовления зеркал газовых лазеров.

Сверхчистый кремний и продукт его производства

Кремний в организме

Кремний в организме находится в виде различных соединений, участвующих главным образом в образовании твердых скелетных частей и тканей. Особенно много кремния могут накапливать некоторые морские растения (например, диатомовые водоросли) и животные (например, кремнероговые губки, радиолярии), образующие при отмирании на дне океана мощные отложения оксида кремния (IV). В холодных морях и озерах преобладают биогенные илы, обогащенные кремнием, в тропических морях — известковые илы с низким содержанием кремния. Среди наземных растений много кремния накапливают злаки, осоки, пальмы, хвощи. У позвоночных животных содержание оксида кремния (IV) в зольных веществах 0,1-0,5%. В наибольших количествах кремний обнаружен в плотной соединительной ткани, почках, поджелудочной железе. В суточном рационе человека содержится до 1 г кремния. При высоком содержании в воздухе пыли оксида кремния (IV) она попадает в легкие человека и вызывает заболевание — силикоз.

Заключение

Ну вот и все, если вы дочитали до конца и немного вникли, то вы на шаг ближе к успеху. Надеюсь писал я не зря и пост понравился хоть кому-то. Спасибо за внимание.

Источник