Кремний және оның қосылыстарының құрылысы, қасиеттері және қолданылуы. Химия, 9 сынып, дидактикалық материал.

1-жұп

Кремнийдің аллотропиясы.

Кремнийдің екі аллотропиялық түрөзгерісі бар. Ол – кристалдық және аморфты кремний.

Кристалдық кремний – қара сұр, металдық жылтыры бар, өте қатты, сынғыш, қиын балқитын, аздап электр тоғын өткізетін зат. Құрылымы алмаз тәріздес және берік ковалентті байланыс түзеді. Инертті.

Аморфты кремний – сұрғылт түсті, ылғал тартқыш (гигроскопты), құрылымы алмаз тәріздес, реакцияға қабілетті ұнтақ зат.

Кристалды кремний Аморфты кремний

2-жұп

Кремний

Алынуы. Кремнийді лабораторияда магнийді ұнтақ ақ құммен қосып қызыдырып алады:

+ +

Реакция нәтижесінде сұрғылт ұнтақ аморфты кремний алынады.

Өнеркәсіпте құм мен көмір өоспасын қыздырып алады:

+ +

Физикалық қасиеттері. Қатты, кристалды, қиын балқитын зат, t_б= 1728°C, t_қ = 2590°C.

Қолданылуы. Таза кремний – жартылай өткізгіш, сол себепті техникада, электротехникада, фотоэлемент жасауда кеңінен қолданылады. Жартылай өткізгіштерде кремний кристалдары күн энергиясының сәулесін электр энергиясына айналдыратыны пайдаланылады. Сонымен қатар отқа және қышқылға төзімді болат алу үшін де кремний қажет. Кремнийдің құймаларға қосылуы олардың коррозияға төзімділігін арттырады.

 3-жұп

Кремнийдің химиялық қасиеттері. Кремний атомдары өзара ковалентті полюссіз байланыс түзеді. Оның кристалдық торы – атомдық. Кәдімгі жағдайда кремний химиялық инертті элемент және бөлме температурасында тек фтор газымен әрекеттесе алады: Si +2F₂ = SiF₄↑

Кремнийді қыздырса, белсенділігі жоғарылайды.

Аморфты кремний қыздырғанда тотықсыздандырғыш ретінде жай заттармен әрекеттеседі.

Кремнийді 400—500 °C қыздырғанда O₂, Cl₂, Br₂, S заттарымен әрекеттеседі: 

Si + O₂  SiO₂ Si + 2Cl₂  SiCl₄

Азотпен кремний 1000 °C температурада әрекеттесіп, нитрид Si₃N₄ түзеді; бормен – термиялық және химиялық тұрақты боридтер SiB₃, SiB₆ и SiB₁₂ түзеді; көміртекпен – кремний карбидін SiC (карборунд) түзеді.

Кремний сутегімен тікелей әрекеттеспейді, оның ұшқыш сутекті қосылысын SiH₄ (силан) еритін металл силицидтеріне күшті қышқыл қосу арқылы алады: Mg₂Si + 4HCl → SiH₄ + 2MgCl₂

Кремний қыздырғанда металдармен силицидтер түзеді. Металмен әрекеттескенде тотықтырғыш рөлін атқарады: Si + 2Mg Mg₂Si

Кремний қышқылдармен әрекеттеспейді, тек НNO₃ мен HF қышқылдарының қоспасымен әрекеттеседі: 3Si+8HNO₃+18HF=3H₂[SiF₆]+4NO+8H₂O

Сілті ерітінділерінде суықта қарқынды ериді (бейметалдық қасиеттері):

Si + 2NaOH + H₂O = Na₂SiO₃ + 2H₂

Жоғары температурада сумен баяу әрекеттеседі: Si + 3H₂O H₂SiO₃ + 2H₂

4-жұп

Кремний диоксиді

Құрылысы. Кремний диоксиді – кремнийоттекті тетраэдрлардан тұратын полимерлі құрылысы алмазға ұқсас атомдық кристалдық торы бар қатты зат.

Кремний диоксидінің кристалдық торы берік ковалентті байланыспен байланысқан кремний және оттегі атомдарынан тұрады. Әрбір кремний атомына оттегінің төрт атомы қосылған, ал әр оттегі атомы кремнийдің екі атомымен байланысқан.

Физикалық қасиеттері. Кремнезем – қиын балқитын зат. Оның балқу температурасы 1714°С. Балқыған кремнезем суығанда аморфты кварц шынысына айналады. Құрамында кремний диоксиді өзі ғана болса, ақ түсті құм, ал темір қосылыстары араласса, сары немесе қызғылт қоңыр түсті болады.

Химиялық қасиеттері. Кремний диоксиді – қышқылдық оксид. Қышқылдық оксид ретінде негіздік оксидтермен және сілтілермен әрекеттесе алады, ал сумен реакция мүлдем жүрмейді. Ол іс жүзінде суда ерімейді.

Оны сілтімен қосып ұзақ қыздырғанда, силикат түзіледі: SiO₂ + 2NaOH Na₂SiO₃ + H₂O

Кремний диоксидін карбонаттармен қосып қыздырғанда, ұшқыш газ СО₂ бөлінеді:

SiO₂ + Na₂CO₃ Na₂SiO₃ + CO₂

Фтормен және фторсутекпен оңай әрекеттеседі: 

SiO₂ + 4HF = SiF₄ + 2 H₂O

SiO₂ + F₂ = SiF₄ + O₂

Қолданылуы. Табиғи кремнезем – барлық кремний қосылыстарын алудың басты шикізаты. Оны байланыстырғыш ретінде құрылыста және шыны, қыш, цемент, оптикалық линзалар өндірісінде, адсорбент алатын басты шикізат ретінде қолданады.

5-жұп

SiC – кремний карбиді (карборунд).

Құрылысы. Кремний карбидінде атомдық кристалдық тор, мұндағы кремнийдің әрбір атомы көміртектің төрт атомымен қоршалған, және керісінше. Атомдар арасындағы ковалентті байланыстар өте берік. Сондықтан карборунд қаттылығы бойынша алмазға жақын. 

Физикалық қасиеттері. Кремний карбиді – түссіз қиын балқитын қатты зат.

Алынуы. Құм және кокс қоспасынан электрлік пеште алады: SiO₂ + 3C SiC + 2CO

Химиялық қасиеттері. Кремний карбиді химиялық байланысының беріктігі арқасында басқа заттардан жоғары химиялық және радиациялық төзімділігімен, физикалық қасиеттерінің температуралық тұрақтылығымен, механикалық беріктігімен және қаттылығымен ерекшеленеді. Инертті атмосферада кремний карбиді тек өте жоғары температурада айырылады:

SiC Si + C

Қатты қыздырылған буда кремний карбиді айырылады: SiC + 2H₂O SiO₂ + CH₄

Қыздырғанда оттегімен әрекеттеседі: 2SiC + 3O₂ 2SiO₂ + 2CO

Галогендермен әрекеттеседі: 1000^оС температурада SiC + 4Cl₂  SiCl₄ + CCl₄ 

100^оС температурада SiC + 2Cl₂  SiCl₄ + C 

Азотпен кремний нитридін түзеді:

6SiC + 7N₂ 2Si₃N₄ + 3C₂N₂

Белсенді металдармен силицид түзеді: 2SiC + 5Mg 2Mg₂Si + MgC₂

Концентрленген фторсутек (балқытқыш), азот және ортофосфор қышқылдарынан басқа қышқылдармен мүлдем әрекеттеспейді.

Қолданылуы. Жасанды бағалы тастар және қайрақ тастар, темір қорытпаларын өңдейтін құралдар жасауда қолданылады. Карборунд сондай-ақ бұрғылар, тегістегіш заттар жасауда, стамотологиялық құралдар өндірісінде, отқа, қышқылға төзімді заттар алу үшін де пайдаланылады.

6-жұп

Кремний қышқылы

Кремний қышқылын шартты түрде былай келтіруге болады:

H₂Si0₃ - метакремний қышқылы,

H₄Si0₄ - ортокремний қышқылы,

H₄Si₃0₈ - трикремний қышқылы.

Метакремний қышқылы іркілдек (коллоид) күйінде болады.

Алынуы. Еритін тұзынан күшті қышқылмен бөліп алуға болады:

Na₂Si0₃ + H₂S0₄ (конц.) = H₂Si0₃↓+ Na₂S0₄

Физикалық қасиеттері.  H₂SiO₃ – өте әлсіз (көмір қышқылынан да), тұрақсыз, суда аз еритін (гель тәрізді қоймалжың ерітінді түзеді).

Химиялық қасиеттері. Н₂Si0₃ қыздырғанда оңай айырылады: H₂Si0₃  Н₂0 + Si0₂

Екі сатыда диссоциацияланады; тұздары СИЛИКАТТАР деп аталады:

NaHSiO₃- натрий гидросиликаты

Na₂Si0₃ - натрий силикаты

1) қышқылдармен: Na₂SiO₃+H₂O+CO₂=Na₂CO₃+H₂SiO₃

2) тұздармен: Na₂SiO₃+CaCl₂=2NaCl+CaSiO₃↓

3) Минералдардың құрамына кіретін силикаттар табиғи жағдайларда су мен көмірқышқыл газының әсерінен бұзылады – тау жыныстарының мүжілуі:

K₂O • Al₂O₃ • 6SiO₂ (дала шпаты)  + CO₂ + 2H₂O → Al₂O₃ • 2SiO₂ • 2H₂O (каолинит (ақ балшық)) + 4SiO₂ (кремнезём (құм)) + K₂CO₃

Na₂Si0₃, K₂Si0₃ - еритін тұздар, оларды сұйық шыны деп атайды, желім ретінде қолданылады.