Krzem i jego związki. Krzem w naturze. Zastosowanie krzemu

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-17 05:38

Krzem jest jednym z najbardziej poszukiwanych elementów w technologii i przemyśle. Zawdzięcza to swoim niezwykłym właściwościom. Obecnie istnieje wiele różnych związków tego pierwiastka, które odgrywają ważną rolę w syntezie i tworzeniu wyrobów technicznych, naczyń, szkła, wyposażenia, materiałów budowlanych i wykończeniowych, biżuterii i innych gałęzi przemysłu.

Ogólna charakterystyka krzemu

Jeśli weźmiemy pod uwagę położenie krzemu w układzie okresowym, możemy powiedzieć:

1. Znajduje się w grupie IV głównej podgrupy.
2. Liczba porządkowa 14.
3. Masa atomowa 28, 086.
4. Symbol chemiczny Si.
5. Nazwa - krzem, lub po łacinie - krzem.
6. Elektroniczna konfiguracja warstwy zewnętrznej 4e:2e:8e.

Sieć krystaliczna krzemu jest podobna do diamentu. Atomy znajdują się w węzłach, ich typ to sześcienny skoncentrowany na twarzy. Jednak ze względu na większą długość wiązania, właściwości fizyczne krzemu bardzo różnią się od właściwości alotropowej modyfikacji węgla.

Właściwości fizyczne i chemiczne

Są dwaalotropowe modyfikacje tego pierwiastka: amorficzne i krystaliczne. Są bardzo podobne. Jednak, podobnie jak w przypadku innych substancji, główną różnicą między nimi jest sieć krystaliczna krzemu.

W tym przypadku obie modyfikacje są proszkami o różnych kolorach.

1. Krzem krystaliczny to ciemnoszary błyszczący metalopodobny proszek. Jego struktura odpowiada diamentowi, ale właściwości są inne. Ma:

• kruchość;
• niska twardość;
• właściwości półprzewodników;
• temperatura topnienia 1415⁰C;
• 2.33g/cm³;
• punkt wrzenia 2700⁰C.

Jego aktywność chemiczna jest niska w porównaniu z innymi formami alotropowymi.

2. Krzem amorficzny - brązowo-brązowy proszek, ma strukturę silnie nieuporządkowanego diamentu. Aktywność chemiczna jest dość wysoka.

Ogólnie należy zauważyć, że krzem nie lubi reagować. Aby zareagował, potrzebujesz temperatury co najmniej 400-500⁰C. W tych warunkach powstają różne związki chemiczne krzemu. Takich jak:

• tlenki;
• halogenki;
• krzemki;
• azotki;
• bory;
• węgliki.

Możliwe oddziaływanie krzemu z kwasem azotowym lub zasadą, co nazywa się procesem trawienia. Związki krzemoorganiczne są szeroko rozpowszechnione i stają się coraz bardziej powszechne.

Przebywanie na łonie natury

Krzem występuje w naturze w dość znacznej ilości. Zajmuje drugie miejsce po tlenie pod względem rozpowszechnienia. Jego udział masowy wynosi około 30%. Woda morska również zawiera ten pierwiastek w przybliżonym stężeniu 3 mg/l. Dlatego nie można powiedzieć, że krzem jest rzadkim pierwiastkiem w przyrodzie.

Wręcz przeciwnie, istnieje wiele różnych skał i minerałów, w których występuje iz których można go wydobywać. Najpowszechniejsze naturalne związki krzemu to:

1. Krzemionka. Wzór chemiczny to SiO₂. Istnieje dość duża różnorodność form minerałów i skał na jej bazie: piasek, krzemień, skalenie, kwarc, kryształ górski, ametyst, chalcedon, karneol, opal, jaspis i inne.
2. Krzemiany i glinokrzemiany. Kaolin, drzewce, mika, sole kwasu krzemowego, azbest, talk.

Zatem krzem jest szeroko rozpowszechniony w przyrodzie, a jego związki są popularne i poszukiwane przez ludzi do zastosowań technicznych.

Krzem i jego związki

Ponieważ dany pierwiastek nie może istnieć w czystej postaci, dlatego ważne są jego różne związki. Z chemicznego punktu widzenia może wykazywać trzy stopnie utlenienia: +2, +4, -4. Wychodząc z tego, jak również z jego bezwładności, ale szczególnej struktury sieci krystalicznej, tworzy następujące główne typy substancji:

• związki binarne z niemetalami (silan, węglik, azotek, fosforek itp.;
• tlenki;
• krzemkwas;
• krzemiany metali.

Przyjrzyjmy się bliżej znaczeniu krzemu i jego związków, które są najbardziej powszechne i pożądane przez ludzi.

Tlenki krzemu

Istnieją dwie odmiany tej substancji, wyrażone wzorami:

• SiO;
• SiO₂.

Jednak najbardziej rozpowszechnionym jest dwutlenek. Występuje w naturze w postaci bardzo pięknych kamieni półszlachetnych:

• agat;
• chalcedon;
• opal;
• karneol;
• jaspis;
• ametyst;
• cyrkonie.

Zastosowanie krzemu w tej formie znalazło zastosowanie w produkcji biżuterii. Z tych półszlachetnych i półszlachetnych kamieni powstaje niesamowicie piękna biżuteria ze złota i srebra.

Kilka dodatkowych odmian dwutlenku krzemu:

• kwarc;
• rzeka i piasek kwarcowy;
• krzemień;
• Skalnie.

Zastosowanie krzemu w tych typach znajduje zastosowanie w pracach budowlanych, inżynierii, elektronice radiowej, przemyśle chemicznym i metalurgicznym. Razem wymienione tlenki należą do jednej substancji - krzemionki.

Węglik krzemu i jego zastosowania

Krzem i jego związki to materiały przyszłości i teraźniejszości. Jednym z takich materiałów jest karborund czyli węglik tego pierwiastka. Wzór chemiczny SiC. Występuje naturalnie jako minerał moissanit.

W czystej postaci związek węgla i krzemu jest pięknyprzezroczyste kryształy przypominające struktury diamentowe. Jednak do celów technicznych używane są substancje o kolorze zielonym i czarnym.

Główne cechy tej substancji, pozwalające na jej zastosowanie w przemyśle metalurgicznym, inżynieryjnym, chemicznym, są następujące:

• półprzewodnik z szeroką szczeliną;
• bardzo wysoka wytrzymałość (7 w skali Mohsa);
• odporny na wysokie temperatury;
• doskonała rezystancja elektryczna i przewodność cieplna.

Wszystko to umożliwia wykorzystanie karborundu jako materiału ściernego w metalurgii i syntezie chemicznej. A także na jego podstawie produkować diody LED o szerokim spektrum, części do pieców do topienia szkła, dysze, pochodnie, biżuterię (moissanit jest ceniony bardziej niż cyrkon).

Silan i jego znaczenie

Związek wodorowy krzemu nazywa się silanem i nie może być otrzymany przez bezpośrednią syntezę z materiałów wyjściowych. Aby go uzyskać, stosuje się krzemki różnych metali, które traktuje się kwasami. W wyniku tego uwalniany jest gazowy silan i powstaje sól metalu.

Co ciekawe, połączenie, o którym mowa, nigdy nie jest tworzone samodzielnie. Zawsze w wyniku reakcji powstaje mieszanina mono-, di- i trisilanu, w której atomy krzemu są połączone łańcuchami.

Dzięki swoim właściwościom związki te są silnymi środkami redukującymi. Jednocześnie same łatwo utleniają się tlenem, czasem wybuchem. W przypadku halogenów reakcje są zawsze gwałtowne, z dużą emisjąenergia.

Zastosowania silanów są następujące:

1. Reakcje syntezy organicznej, w wyniku których powstają ważne związki krzemoorganiczne - silikony, gumy, uszczelniacze, smary, emulsje i inne.
2. Mikroelektronika (monitory LCD, zintegrowane obwody techniczne itp.).
3. Otrzymywanie ultraczystego polikrzemu.
4. Stomatologia z protetyką.

Tak więc znaczenie silanów we współczesnym świecie jest wysokie.

Kwas krzemowy i krzemiany

Wodorotlenkiem danego pierwiastka są różne kwasy krzemowe. Podświetl:

• meta;
• orto;
• kwasy polikrzemowe i inne.

Wszystkie z nich łączą wspólne właściwości - skrajna niestabilność w stanie wolnym. Łatwo rozkładają się pod wpływem temperatury. W normalnych warunkach nie istnieją długo, zamieniając się najpierw w zol, a potem w żel. Po wyschnięciu takie struktury nazywane są żelami krzemionkowymi. Stosowane są jako adsorbenty w filtrach.

Istotne z punktu widzenia przemysłu są sole kwasów krzemowych – krzemiany. Leżą u podstaw produkcji substancji takich jak:

• szkło;
• beton;
• cement;
• zeolit;
• kaolin;
• porcelana;
• fajans;
• kryształ;
• ceramika.

Krzemiany metali alkalicznych są rozpuszczalne, wszystkie inne nie. Dlatego krzemian sodu i potasu nazywa się płynnym szkłem. Zwykły klej biurowy - to jest sódsól kwasu krzemowego.

Ale najbardziej interesującymi związkami są nadal szkła. Nieważne, ile wariantów tej substancji wymyślili! Dziś dostają opcje kolorowe, optyczne, matowe. Wyroby szklane uderzają swoim przepychem i różnorodnością. Dodając do mieszaniny pewne tlenki metali i niemetali można wytwarzać różne rodzaje szkła. Czasami nawet ten sam skład, ale inny procent składników prowadzi do różnicy we właściwościach substancji. Przykładem jest porcelana i fajans, których formuła to SiO₂AL₂O₃ K 2_O.

Szkło kwarcowe jest formą bardzo czystego produktu, którego skład określany jest jako dwutlenek krzemu.

Odkrycia w związkach krzemu

W ciągu ostatnich kilku lat badań udowodniono, że krzem i jego związki są najważniejszymi uczestnikami normalnego stanu organizmów żywych. Przy braku lub nadmiarze tego pierwiastka choroby takie jak:

• rak;
• gruźlica;
• artretyzm;
• zaćma;
• trąd;
• dyzenteria;
• reumatyzm;
• zapalenie wątroby i inne.

Sam proces starzenia jest również związany z ilościową zawartością krzemu. Liczne eksperymenty na ssakach dowiodły, że przy braku pierwiastka dochodzi do zawałów serca, udarów, raka i aktywacji wirusa zapalenia wątroby.