Кремний

10 июня, 2019 12:21

ЖОСПАР:

Кіріспе

1.Бөлім

1.1 Кремнийдің табиғатта таралуы

1.2 Периодтық жүйедегі орны

2.бөлім

2.1 Кремнийдің химиялық қолылыстары

2.1.1Кремнийдің металдармен,азотпен,сутекпен және галогенмен қолыстары

2.1.2Кремнийдің оттекті қолыстары

2.1.3Силикаттар

2.2 Кремнийдің алынуы

2.3 Кремнийдің маңызы

 

Төртінші негізгі топтың көміртектен соңғы келесі элементі кремний.Кремний, жаратылыста таралуы жағынан салмақ проценті бойынша оттектен кейін екінші орын алады. Көміртек органикалық заттардың құрамындағы негізгі элемент болатын болса , кремний жер қыртысын түзетін минрералдық заттардың құрамындағы негізгі элемент . Кремний жаратылыста қосылыстар түрінеде ғана болады; ол қосылыстары: кремний диоксиді SiO (кварц,құм) , жер қыртысының негізгі  массасы силикатты жыныстар (далалық шпат , слюда , каолин т.б). Кремнийдің тұрақты үш изотопы бар: 28 Si  (92,27%) 29 Si(4.68%), 30 Si (3.05%) .

 

Кремнийді алу үшін , ақ қиыршақ ұсақ құмды магниймен араластырып қыздырады:

SiO+2Mg=2MgO+Si H=-372 кДж/моль

 

Кремнийдің  MgO және реакцияласпай қалған SiO-ден тазарту үшін , шыққан массаны  тұз қышқылымен және фторсутек қышқылымен әрекеттейді. Магнийдің орнына тотықсызщдандырғыш ретінде алюминий, көміртек (техникада) алуға болады.

Мұнда шығатын амофрты кремний сұр түсті ұнтақ зат , тығыздығы 2.35 г/ см-ке жуық. Кремнийді балқыған металда ерітіп қайта кристалдауға болады , онда кристалдық кремний түзіледі; бұл болат сияқты сұр, металдық жылтыры бар , қатты кристалдық зат , тығыздығы  2,4г/см .

Кремнийдің сыртқы электрондық құрылысы 3s3p , оның атомында sp- гибридизация болады. Ол оған үш өлшемді , алмаз тәрізді тұрақты құрылымы тән.

Кремний түрлі құймалардың құрамына араластыруға колданылады. Мысалы кремний көп қосылған темір құймалары қышқылға берік болады, 4% кремний аралаасқан темір электр трансформаторын жасау үшін жұмсалады . Соңғы кезде кремнийді шала өткізгіштертехникасында қолданатын болды ; ол үшін алынуы жоғарыда жазылған техникалық кремний (94-95% Si) жарамайды , өте таза кремний керек ондай кремнийді алу үшін SiCl4 мырыш буымен тотықсыздандырады:

 

SiCl+2Zn=Si+2ZnCl

 

Немесе кремний гидридін қыздырып алынады:

SiH=Si+2H

 

 

КРЕМНИЙДІ ҢМЕТАЛДАРМЕН, АЗОТПЕН,СУТЕКПЕН ЖӘНЕ ГАЛОГЕНДЕРМЕН ҚОСЫЛЫСТАРЫ

 Химиялық қасиеті жағынан кремнийдің кристалдық түрі инертті , аморфты түрі реакцияласқышырақ. Айталық, фтормен  қалыпты жағдайда-ақ оттек , хлор , бром және күкіртпен 400-600 , азот және көміртекпен өте жоғары температурада реякцияласады.

Жеке қышқылдар кремнийге еш әсер етпейді, қайта пассивтеніп кетеді, кремний HF мен HNO қоспасында ериді:

3Si+4HNO+18HF=3HSiF+4NO+8HO

Сілтілердің әрекетінен кремний тұзға айналады:

 

Құм мен коксты тиісті мөлшерде араластырып қыздырса , кремний мен көміртектін қосылысы  — кремний гарбиді SiC түзіледі, оны көбіне карбарунд деп атайды.

SiO+3C=SiC+2CO

 

Таза карборунд – түссіз кристалдық, өте қатты зат , қаттылығы алмаздан ғана кем , тығыздығы 3,2г/ см. техникада карборунд көп мөлшерде өндіріліп , қаттылығын пайдаланып , қайрақ тастар , шлифтайтын дөңгелектер жасауға т.б. және отқа берік материал ретінде пайдаланылады.

Құм мен магний арасындағы реакцияда , магнийді артығырақ алса , тотықсызданып шыққан кремний магниймен қосылып магний силицидің MgSi түзеді:

4Mg+SiO=MgSi+2MgO

 

Материалды кремнийден тотықтырғанда (700-1200С) металл оксидімен кремнийді араластырып инертті атмосферада қыздырғанда силициттер түзіледі:

6MnO+5Si=2MnSi+2SiO

 

 

Силицидтер қасиеті және құрылымы жағынан  да карбидтарға ұқсамайды . Қосылушы металдың қасиетіне тәуелді силицидтердегі байлайныс ионды , коваленттіден металдыққа дейін өзгере береді,  осыған байланысты кейбір силицидтер өткізгіш , кейбіреулері шалаөтөткізгіш болып келеді.

Силицидтер қатты қыздырғанда айырылмайтын қосылыстар , кейбірактив металдың силицидтері сумен , қышқылмен реакцияласады.

Силицидтерді отқа берік , қышқылға төзімді құймалар , жоғары температурада ұсталатын шала өткізгіштер (CrSi,COSi,ReSi) жасауда қолдланады . Кейбір силицидтер атомдық техникада пайдаланылады.

Иагний силицидіне хлорсутекпен әрекет етсек кремний сутексилан   деп аталатын зат түзіледі:

MgSi+4HCl=2MgCl+SiH

 

Силан SiH — түссіз, ауада өзінен-өзі тұтанып , жанып кететін газ, жанғанда  кремнийдің диоксиді және су түзіледі:

SiH+2O= SiO+2HO  H=-1287.4 кДж/моль

 

 

SiH басқа тағы бірсыпыра силандар  деп аталатын кремнийсутекті қосылыстар — SiH, SiH, SiH бар; бұлар метанның гомолог қатары сияқты. Бірақ көміртек атомдарының арасындағыдай емес, кремний атомдарының арасындағы байланыс нашар болғандықтан бұлардың тұрақтылығы кем, реакцияласқыш болады.

Кремний галогенидтерінің жалпы формуласы SiГ, тікелей синтезбен  Si+2 Г=Si Г алынуы мүмкін. Бұлардың барлығы да түссіз, Si F-  газ, SiCl — қатты зат. Іс жүзінде басқа жолмен де алуға болады:

 

SiO+4HF=SiF+2HO

SiO+2C+2Cl=SiCl+2CO

 

 

Кремнийдің галогендері сумен жақсы реакцияласады, реакцияларының жалпы схемасы мынадай:

 

Si Г+2HO SiO+4HГ

 

Кремнгий фторпидін SiFсуға жіберсе , онда кремний фторсутек қышқылы сутекгексафторосиликаты HSiF түзіледі:

 

3iF+3HO=2 HSiF+HSiF

 

Кремний фторсутек қышқылын былайша , тікелей де алуға   болады:

 

2HF+ SiF= HSiF

 

Ерітіндісін салқындатса екі молекула суды қоса кристалданады.

 

Кремний фторсутек қышқылы   күшті қышқылдардың бірі, 0,1 н. Ерітіндісін диссоциациялану дәрежесі 0,75% . Күшті дезинфектор . Тұздары фторсиликаттар , көпшілігі ерімтал , өсімдік зиянкестерін тұтынылады,  эмаль жасағанда жұмсалады.

Кремнийдің азотты қосылыстары. Кремний нитриді   химиялық өте тұрақты , ыстыққа төзімді () қосылыс. Ол фторсутек әсеріне төзімді, балқыған металдар мен сілтілерде өзгеріске ұшырамайды.  кристалдары түссіз, гексогоналды құрылымы бар шала өткізгіш (). Кремний нитриді отқа , каррозияға төзімді материалдар, қиын балқитын құймалар жасауда шала өткізгіштер алуға пайдаланылады.

 

 

 

КРЕМНИЙДІҢ ОТТЕКТІ ҚОСЫЛЫСТАРЫ

 

Кремнийдің көп кездесетін , әрі өте тұрақты қосылысы оның диоксиді SiO, оның элементтерден түзілуі оңай, әрі көп жылу бөліп шығаратын реакциялар қатарына жатады:

 

 

SiO+ O =SiO                       H=-848,5 кДж/мол

 

Кремний диоксиді – түссіз қатты зат,

Кремнийдің бұдан басқа оксиді (SiO)х бар, жаратылыста кездеспейді, қолдан алады  ():

 

SiO+Si=2SiO

 

Қошқыл сары түсті, борпылдақ, ұнтақ, баяу тотығып SiO айналады , «монокс» деген бояу жасау үшін және изоляцияға қолданылады.

 

Кремнийдің диоксиді – кремний ангидриді және кремнезем деп те аталады,; бұл жаратылыста көп кездесетін зат, дербес күйінің өзі жер қыртысы массасының жартысынан артығы кремний диоксиді үлесіне келеді. Кремнезем кристалдық және аморфты күйде боады.

Кристалдық кремнеземнің маңыздысы кварц деген минерал, ол түссіз, мөлдір, алты қырлы призма, ұшы алты қырлы пирамида болып бітетін кристалдар оны тау хрусталі деп атайды. Тау хрусталі түрлі тұздар арласуынан түсі өзгереді, оның жасылдауын – аметист, күңгірттеуін түтінді (дымчатый) топаз дейді. Кварцтың бір түрі шақпақ тас. Кварцтың өте ұсақ кристалды түрін агат, яшма деп те атайды.

Кәдімгі құм да кварц. Ақ киыршық құм таза кварц, бірақ түрлі қосаплардың (көбіне темір тұздарының) араласуынан түсі өзгеріп сары құм, қызыл құм, қара құм деп те аталады.

Аморфты кремнезем жаратылыста азырақ. Кейбір қарапайым су өсімдіктерінің панцірі (тас қабығы) негізінде аморфты кремнеземнен құрылған. Сондай панцірьлардың көп жиылып қалған жерінде трепель, инфузор топырағы деп аталатын тау жынысының бір түрі пайда болады. Кремний қышқылын қыздырса суы ұшып,  қалған кремний диоксиді ақ түсті, аморфты , сусылдақ ұнтаққа айналады.

Қышқылдары. Кремний диоксиді SiO кремний қыщқылының ангидриді болғанымен , суда ерімейді ,әрі онымен реакцияласпайды. Кремний қышқылына сәкес келетін қышқыл ортокремний қышқылы , ол қышқыл оңай конденсацияланып полиметакремний қышқылын () түзеді, оны қысқартып  деп те жазады.

Кремний қышқылын алу үшін әдетте  не  ерітіндісін күкірт , не тұз қышқылымен әрекеттейді., сонда алдында мөп-мөлдір ерітінді кілегейленіп қатады, не каллоид күйіне көшеді, ол ерітіндіде түзілген кремний қышқылы, бұл процестің теңдігі мынадай:

 

 

Бұл теңдікте кремний қышқылының формуласы да келісім бойынша шартпен жазылып отыр , өйткені бұл реакциядан құрамын бір формуламен жазатын бір қщышқыл түзілмейді. Фосфордағы сияқты кремнийдің де , біренеше толып жатқан қышқылдары бар,  айырмашылығы құрамынндағы судың мөлшерінде. Жаңағы реакция нәтижесінде сол қышқылдардың қоспасы түзіледі.

Кремний қышқылдарының құрамын   деп жазады. x пен y мәні реакция жағдайына қарай өзгере береді, онда қышқылдардың құрамы да өзгереді,мысалы (59-кесте):

болса оларды поликремний қышқылдары дейді, жер қыртысын түзетін минералдаросы полиқышқылдардың туындылары.

Кремний қышқылдары силикаттардың қыщқылымен әрекеттесуінен басқа кремнийдің кейбір қосылыстарының (галогенид, сульфид т.б.) гидролизінен де түзіледі. Мысалы, гидролизінде әуелі ортокремний қышқылы  () түзіледі:

					59-кесте
Кремний қышқылдары
x	y	Қышқылдың
		формуласы		аты
1	1			мета
1	2			орта
2	1			димета
2	3			диорто

 

 

 

 

 

Бұл қышқылдың суда ерімтал , бірақ біраз тұрса полимерленіп кетеді. Сол полимерленудің жеке сатылары ретінде мынадай қышқылдардың түзілуін көруге болады:

 

 

 

Бұл диортокремний қышқылынан тетраокремний қышқылы түзіледі:

 

 

 

Ақырында , сақина тұйықталған кезде тетраметакремний қышқылы:

 

түзіледі.

 

 

КРЕМНИЙ

Бос түріндегі кремнийді бірінші болып 1823 жылы швед химигі Я.Берцелиус бөліп алады да оны силиций деп атайды. Оның кремний аталуын 1834 жылы Г.И.Гесс латынның ляпис креманс – от беретін тас немесе кремень , деген сөзінің негізінде ұсынған.

Кремний жерде ең көп тараған элемнттердің бірі , және де оның оксиді SiO2 жер қыртысының 50% көбін құрайды . Өте таза кристалдық SiO2  кварц ретінде (негізінен құм және кремний түрінде) және таулы хрусталь ретінде белгілі.

Табиғаттағы кремний тек қосылыс – силикаттық жыныс түрінде кездеседі. Мысалы , слюда (қабаттас) K2O.Al2O3.6SiO2.H2O, ақ саз Al2O3.2SiO2.H2O6 дала шпаты K2O.Al2O3.6SiO2 және тағы басқа.

Таза түріндегі көптеген табиғи силикаттар асыл да қымбат тастар болып келеді (мысалы, аквамарин,зүмірет,топаз және басқалар).

Кремнийді алудың белгілі әдістері, олар:

-кокспен таза құмды тотықсыздандыру:

 

 

 

Бұл процесті өнеркәсіпте кеңінен пайдаланады, ол жоғары температура кезінде элекрлік пеште жүреді;

-балқыған кремнийфторлы натрийді  электролиздеп;

—  магниймен немесе аллюминиймен тотықсыздындандыру (зертханалық әдіс):

 

 

Cутекпен немесе мырышпен кремний тетрахлоридін тотықсыздындадыру (барынша таза кремний түзіледі):

 

 

 

 

 

Кремнийдің физикалық қасиеттері

Бос кремний – ол әлсіз металдық жылтырағы бар, сұр болат түсті қатты зат; оның жылу және тоқ өткізгіштік қасиеті бар. Бұл элемент екі аллотроптық түрөзгерісінде (модификацияда) болады.

Аморфты кремний – ол  температурада балқитын, қоңыр түсті ылғал тартқыш (гигроскопты) ұнтақ, ол жоғары температура кезінде барлық бейметалдармен дерлік және көптеген металдармен әрекеттеседі.

Кристалдық кремний, аморфты кремнийді қайта кристалдау кезінде түзіледі, жартылай өткізгіштік қасиеті бар.

Оның элнктроөткізгіштігі қыздырған және жарық түсірген кезде өседі. Бұл кристалдардың құрылысымен байланысты, ондағы әрбір атомы басқа төрт атоммен тэтраэдрлік қоршалған  және олармен әлсіз ковалентті байланыстармен байланысқан. Бұл байланыстар тіпті қалыпты жағдайларда да ішінара бұзылады, олар сияқты қоспалар қатысында бұзылатын байланыстар саны артады, бұл элекутроөткізгіштік жоғарылауына әкеледі.

 

 

Кремний және оның қосылыстарының химиялық қасиеттері

Кремний – металл емес, яғни бейметалл (металлоид) және көміртектің ұқсасы (аналогы); негізінен қосылытарында -4;0;+4 тотығу дәрежесін байқатады.

Бұл элемент қалыпты жағдайда едәуір тұрақты,бұл оның кристалдық торының құрылысы беріктігімен байланысты.

Кремний тіпті азот қышқылында да ерімейді, өйткені оның беттік ауданы тығызоксидтік жұқа қабатпен   жұқа қабатпен жабындылады да ол реакцияға кедергі жасайды. Әйтседе, ол азот және балқытқыш қышқылдар қоспасымен әрекеттеседі, өйткені фторсутекті қышқыл бұл қорғаушы қабаттың өзін ерітеді:

 

 

Кремний концентрленген сілті ерітінділерінде жеңіл ериді де кремнмй қышқылдарының тұздарын түзеді:

 

 

Тікелей  қалыпты температурада  ол тек фтормен ғана әрекеттеседі:

 

 

Фторлы кремний  — өткір иісті түссіз газ, оны кремнийдің  фторлы сутекпен әрекеттесуі кезінде алуға болады:

 

 

Немесе кремнеземге балқыиқыш қышқылмен әрекет еткенде:

 

 

Немесе концентрленген күкірт қышқылымен балқытқыш шпат пен құмды әлсіз қыздырғанда:

 

Ауада  күшті түтінденеді, өйткені ол су буларымен әрекеттеседі:

 

 

Алынатын фторсутекті қышқыл әлі ыдырамаған  қосылып, кремнийфторсутекті қышқылды  түзеді. Бұл екінегізді өте күшті қышқыл (күші бойынша  жуық), су ерітіндісінде тұрқты. Оны металдардың оксидтері мен гидроксидтері бейтараптайды да фторсиликаттарды түзеді:

 

 

Сілтілік металдардың (аммоний мен литийден басқалардың) фторсиликаттары суда айтарлықтай қиын ериді.

 

 

Хлорлы кремний  — ол түссіз ұшқыш сұйықтық. Оны 400-600  температура кезіндегі құрғақ хлормен кремнийдің реакциясы нәтижесінде алады:

 

 

Немесе  құрғақ хлор ағымында аморфты кремнеземді қыздырғанда:

 

 

 

Хлорлы кремний жеңіл гидролизденеді де кремнтй қышқылы мен хлорлы сутекті түзеді:

 

 

аммиакпен қою түтін береді, мұны түтіннен қорғанышперде жасау үшін пайдаланады.

 

 

Кремний карбиді немесе карборунд, түссіз кристалдық зат; құм және кокс қоспасынан электрлік пеште алады:

 

 

Карборундте критсталдық тор болады,ондағы кремнийдің әрбір атомы көміртектің төрт атомымен қоршалған, және керісінше. Атомдар арсындағы ковалентті байланыстар өте берік. Сондықтан карборунд қаттылығы бойынша алмазға жақын.

 

Карборунд қышқылдармен әрекеттеспейді бірақ сілтілермен бірге балқытқанда кремнийт және көмір қышқылдарының тұздарын түзе отырып, бұзылады:

 

 

 

азот пен  атмосферада  жоғары қыздырғанда ыдырайды да графитті түзеді.

Кремний карбидін техникада әртүрлі қайрақ тастарды дайындау үшін пайдаланылады.

Кремнийдің тотықсыздандырғыш қасиеттерін металдардың оксидтерінен кейбір металдарды алу үшін пайдаланылады, мысалы:

 

 

Кремний металдармен әрекеттескен кезде тотықтырғыштың рөлін атқарады. Осы тұста силицидтер –металдық жылтырағы бар қатты қосылыстар түзіледі:

 

 

Оларды келесі реакцияда да алуға болмақ, мысалы:

 

 

 

Сілтілік және сілтілікжер металдардың силицидтері жеңіл тотығады, гидролизденеді және қышқылдар мен сілтілердің ерітінділерімен әрекеттеседі.

Көптеген металдардың силицидтеріне жоғары термотұрақтылық, ылғалға тұрақтылық және химиялық енжарлық (инерттілік) бар. Мысалы, молибденнің силициді барлық белгілі қышқылдарымен және олардың қоспаларымен әрекеттеспейді.

Периодтық жүйедегі орны

Кремний 3 периодтың, 4 топтың негізгі топшасының элементі, реттік нөмірі 14, ядросында 14 протон және 14 нейтроны бар (). Электрондар саны да 14.

 

Электрондық құрылысы

Электрондық қабаттарда электрондар  болып бөлінеді, валенттілік электрондары .

Оларды орбитальда орналастырсақ:

 

 

 

 

 

Олай болса кремний қосылыстарында 2 және 4 валенттілік көрсетеді ( және  — құм,  — силан)

 

Алынуы:   зертханада

өндірісте  

Кремний  тау хрусталі немесе кварц () құрамында болады; ол () қиын балқитын, металдық жылтыры бар, сұр түсті қатты, оның қаттылығы алмаздан төмендеу, жартылай өтікзгіз зат.

Аморфты кремний қоңыр түсті ұнтақ, реакцияға түсуі оңай зат. Табиғатта кездесуі жағынан екінші орын

Химиялық қасиеті:

а) жай заттармен:

1)         кремний оксиді

2)        кремний фториді

3)           карборунд

4)       магний силициді

 

 

Қолданылуы:

— электроникада жжартылай өткізгіш ретнде қолданылады

карборунд – бұрғылар , тегістегіш заттар жасауда , стамоталогтялық құралдар өндірісінде , отқа , қышқылға төзімді заттар алады.

 

Кремний  сутекті қосылысы: силан —

 

 

Құрылымдылық формуласы: ─

Кремний

Табиғатта таралуы:

Кремний жер қыртысының 27,6% қамтиды. Кремний қосылыстарының ең маңыздысы  (кремнезем). — қосылыстары ақ саз, дала шпаты, азбест және слюда ретінде кездеседі.

 

Физикалық қасиеті:

табиғатта екі түрде кездеседі: кристалды және аморфты күйде.

 

 

Химиялық қаисеті:

тотығу дәрежелері -4 және +4 . активті, жоғары инертті элемент. Ол галлогендермен әрекеттеседі. Азотпен күкірт және оттекпен әрекеттседі.

 

 

қышқылдарда ерімейді:

 

 

фтор сутекпен реакцияға түседі.

 

 

сілті ерітінділерінде жақсы ериді.

 

 

кейбір металдармен қыздырып әрекеттескенде силицидтер түзеді.

 

 

силициді қышқылмен жәнесумен әрекеттеседі және ыдырау арқылы Si сутек түзеді.

 

алынуы.

техникалық мақсаттарда алу үшін арнаулы пештерде, кокс жоғары  температурада қыздырады:

қолданылуы.

химия өнеркәсібінде өте көп қолданылады. Өте таза  фотоэлементтерде, реистерде, ғарыш ракеталарында, жасанды жер серігінде және күн сәулесі батареяларын жасауға қолданылады.

 

Кремний қосылыстары:

қосылыстарындағы басты элемент кремний оксиді (). Ол таза күйінде түссіз, қатты, қиын балқитын зат. Бұл заттарды қышқылдармен әрекеттестіру арқылы силикаттар аламыз:

 

 

Силикаттар техникада өндірісте, құрылыста қолданылады.

Шыныны алу үшін  натрий содасы

 

 

Құрамында кремний қосылыстары болатын техникада маңызы зор материал(цемент, бетон):

 

Топырақтан алынған саз құрамы төмендегідей: