Кремний: связь, структура, материал
Переключай условные виды структуры. На схеме показана связь между сетью, примесью и возможностью переноса заряда.
Схема объясняет процесс; размеры, расстояния и цвета частиц условны. Это учебная модель, а не инструкция проведения опыта.
Кремний рядом с углеродом
Кремний имеет атомный номер 14 и распределение электронов 2, 8, 4. Он находится в третьем периоде, группе 14. Четыре внешних электрона связывают его с углеродом, но размеры атомов и прочность разных связей приводят к отличиям химии.
В распространённых кислородных соединениях Si имеет степень окисления +4. В природе он обычно встречается связанным в SiO₂ и силикатах. Простой кремний не следует путать с кварцем: кварц содержит ещё и кислород.
| Объект | Состав | Тип |
|---|---|---|
| Si | Один элемент | Простое вещество |
| SiO₂ | Кремний и кислород | Кислотный оксид |
| Na₂SiO₃ | Натрий, кремний, кислород | Силикат |
Кремний имеет атомный номер 14 и распределение электронов 2, 8, 4. Он находится в третьем периоде, группе 14.
Атомная сеть и полупроводниковые свойства
Кристаллический кремний имеет протяжённую атомную структуру. Каждый атом связан с соседними, поэтому нельзя представлять кристалл как набор отдельных молекул Si. Он твёрдый, хрупкий и обладает характерным блеском.
Кремний — полупроводник: его электрические свойства заметно меняются при изменении температуры и введении контролируемых примесей. Для электроники важны чистота и структура кристалла. Блеск сам по себе не делает вещество типичным металлом.
Структура
Пространственная сеть связей Si—Si
Механическое свойство
Твёрдость и хрупкость
Электрическое свойство
Полупроводимость, зависимость от условий
Кристаллический кремний имеет протяжённую атомную структуру. Каждый атом связан с соседними, поэтому нельзя представлять кристалл как набор отдельных молекул Si.
Образец очищенного кремния
Простое вещество Si имеет блеск, но хрупко и обладает полупроводниковыми свойствами.
Enricoros · Wikimedia Commons · Public domain. Без изменений.
Не удалось загрузить изображение. Открыть источник
Кристаллы кварца
Кварц — кристаллический SiO₂ с пространственной сетью связей, а не набором отдельных молекул.
JJ Harrison · Wikimedia Commons · CC BY-SA 2.5. Без изменений.
Не удалось загрузить изображение. Открыть источник
Нагревание открывает путь реакциям
При обычных условиях кремний сравнительно устойчив, в том числе из-за поверхности. При нагревании взаимодействует с кислородом: Si + O₂ → SiO₂. Кремний повышает степень окисления с 0 до +4 и является восстановителем.
При взаимодействии с углеродом получают SiC — карбид кремния, твёрдый материал с сетчатой структурой. Формула отражает отношение атомов 1 : 1. Химическая реакция создаёт вещество со свойствами, отличными от обоих исходных простых веществ.
Окисление
Si + O₂ → SiO₂
Карбид
Si + C → SiC
Смысл условий
Для заметного протекания нужен нагрев
При обычных условиях кремний сравнительно устойчив, в том числе из-за поверхности. При нагревании взаимодействует с кислородом: Si + O₂ → SiO₂.
От распространённого сырья к чистому кристаллу
Кремний широко представлен в земной коре в составе минералов, но готового электронного материала в песке нет. Для получения простого вещества нужно удалить кислород из соединения, затем достичь высокой чистоты и нужной кристаллической структуры.
Роль сырья и роль готового вещества различаются. Кварцевый песок подходит для одних материалов, а очищенный кремний — для других. Именно последовательность химической переработки и очистки превращает распространённое сырьё в материал с заданными свойствами.
Минерал
Si связан с O и другими элементами
Восстановление
Получение простого Si
Очистка
Удаление мешающих примесей
Кристалл
Материал для полупроводниковых устройств
Кремний широко представлен в земной коре в составе минералов, но готового электронного материала в песке нет. Для получения простого вещества нужно удалить кислород из соединения, затем достичь высокой чистоты и нужной кристаллической структуры.
Шесть выводов
Тест по параграфу10 вопросов · 4 варианта · один правильный · 0,5 балла за ответ · максимум 5
Учебный источник и иллюстрации
Основа: предоставленный учебник «Химия, 9 класс», § 37. Материал переработан для объяснения; источник: 9 класс. Химия — § 37. Кремний — химический элемент и простое вещество.pdf. Научные уточнения учитывают различие молекулярного и немолекулярного строения и границы учебных моделей.
Иллюстрации загружаются непосредственно с Wikimedia Commons; авторы и лицензии указаны под изображениями. Схемы и обучающие модели созданы для этого конспекта.
Royal Society of Chemistry: данные о химических элементах