Хімія. Профільний рівень. 11 клас. Григорович

§ 56. Силіцій: хімічний елемент і проста речовина

Фізичні властивості та будова простої речовини

Силіцій утворює дві алотропні видозміни: кристалічний та аморфний силіцій. Ці обидві видозміни є неметалами.

Кристалічний силіцій порівняно легкий (густина 2,33 г/см³), не розчиняється у воді й інших розчинниках, має металічний блиск. Силіцій слабо проводить електричний струм (є напівпровідником). Кристалічний силіцій має кристалічні ґратки, як в алмазу. Але довжина зв’язку Si-Si більша порівняно з С-С, тому кристалічний силіцій значно поступається алмазу за твердістю.

Силіцій крихкий, лише за нагрівання вище 800 °С він стає пластичним, за 1415 °С плавиться, а за 2350 °С закипає.

Мал. 56.1. Кристалічний силіцій

Аморфний силіцій — це бурий порошок, трохи легший за кристалічний силіцій, густина 2,0 г/см³. Під час переплавлення перетворюється на кристалічний силіцій, тому має схожі фізичні й хімічні властивості. Аморфний силіцій хімічно значно активніший, оскільки кристалічний силіцій майже інертний унаслідок утворення на його поверхні щільної плівки силіцій(ІV) оксиду.

Добування та хімічні властивості

У природі силіцій у вигляді простої речовини не трапляється. Його добувають відновленням кварцу. Реакція порошку магнію з добре висушеним кварцовим піском відбувається настільки бурхливо, що пробірка часто тріскається. При цьому утворюється аморфний силіцій:

SiO₂ + 2Mg = 2MgO + Si

Силіцій не дуже хімічно активний, але за нагрівання реагує з багатьма неметалами: киснем, хлором, сіркою. У реакціях із неметалами Силіцій окиснюється до вищого ступеня окиснення:

Si + О₂ = SiO₂

Si + 2Сl₂ = SiCl₄

За звичайної температури силіцій взаємодіє лише з фтором. Під час реакції силіцію з вугіллям утворюється силіцій карбід SiC — карборунд. Його кристалічні ґратки схожі на ґратки алмазу, в яких атоми Карбону чергуються з атомами Силіцію. Карборунд за твердістю наближається до алмазу. З нього виготовляють шліфувальні кола, точильні камені. Усім відомий наждачний папір («шкурка») являє собою порошок карборунду, наклеєний на тканину.

Під час нагрівання силіцію з активними металами утворюються силіциди:

2Mg + Si = Mg₂Si

У них Силіцій виявляє нижчий ступінь окиснення. Про це свідчить взаємодія силіцидів із водою, під час якої утворюється летка сполука Силіцію з Гідрогеном — силан (сполука, подібна до метану):

Mg₂Si + 4Н₂О = 2Mg(OH)₂ + SiH₄↑

Силіцій стійкий до дії більшості кислот. За звичайних умов може взаємодіяти лише з флуоридною кислотою завдяки утворенню розчинної флуоросилікатної кислоти:

Si + 6HF = H₂SiF₆ + 2Н₂↑

Аморфний силіцій також може взаємодіяти з гарячими розчинами лугів, окиснюючись до солей силікатної кислоти:

Si + 2NaOH + Н₂О = Na₂SiO₃ + 2Η₂↑

Застосування силіцію

Силіцій виявляє дуже цінні електрофізичні властивості, на яких ґрунтується його застосування. За опромінення світлом Силіцій стає джерелом електричного струму, тому з нього виготовляють фотоелементи для сонячних батерей.

Додавання до силіцію домішок трьох- або п’ятивалентних елементів, наприклад Бору чи Арсену, збільшує його електропровідність. Такий модифікований силіцій використовують у напівпровідниковій техніці. Усі сучасні мікропроцесори виготовлені на основі надчистого кристалічного силіцію (мал. 56.2).

Мал. 56.2. Один з перших мікропроцесорів. За віконцем видно підкладку з кристалічного силіцію, на якому виготовлена мікросхема

Силіцій також застосовують у металургії як відновник. Додавання силіцію до чавуну й сталі покращує їхні механічні властивості, робить їх стійкими до дії кислот.

Ключова ідея

Силіцій — головний елемент сучасної електроніки.

Запитання та завдання

336. Схарактеризуйте алотропні видозміни Силіцію. Чим вони відрізняються за фізичними та хімічними властивостями?

337. Ґрунтуючись на яких фізичних властивостях можна стверджувати, що в силіцію атомні кристалічні ґратки.

338. Опишіть застосування силіцію в техніці. Який силіцій більш застосовний: аморфний чи кристалічний? Відповідь обґрунтуйте.

339. З якими речовинами силіцій взаємодіє як окисник, а з якими — як відновник? Доведіть свою відповідь рівняннями реакцій.

340. Для реакції силіцію з натрій гідроксидом складіть електронний баланс. Назвіть окисник і відновник.