Номер 4, страница 353 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава 7. Неметаллы. Параграф 49. Кремний и его соединения - номер 4, страница 353.

Условие.

4. Охарактеризуйте получение, свойства и применение кремния.

Решение.

Решение 2.

Получение кремния

В промышленности кремний технической чистоты (около 98-99%) получают путем восстановления его оксида $SiO_2$ (кремнезёма, чистого кварцевого песка) коксом (углеродом) в дуговых печах при температуре около 1800°C. Процесс описывается уравнением:
$SiO_2 + 2C \xrightarrow{t^\circ} Si + 2CO\uparrow$
Для получения кремния высокой чистоты, необходимого для полупроводниковой промышленности, используют более сложные многостадийные методы. Сначала технический кремний переводят в летучее соединение, например, трихлорсилан ($SiHCl_3$) или тетрахлорид кремния ($SiCl_4$), действуя на него хлороводородом при высокой температуре:
$Si_{техн.} + 3HCl \xrightarrow{300-350^\circ C} SiHCl_3 + H_2\uparrow$
Полученные хлорсиланы очищают от примесей методами ректификации, а затем восстанавливают чистым водородом при температуре 1000-1200°C, получая поликристаллический кремний высокой чистоты:
$SiHCl_3 + H_2 \xrightarrow{t^\circ} Si_{чистый} + 3HCl$
Для получения монокристаллического кремния, используемого в микроэлектронике, поликристаллический кремний подвергают дальнейшей очистке методом зонной плавки.
В лабораторных условиях кремний можно получить восстановлением $SiO_2$ более активными металлами, например, магнием или алюминием:
$SiO_2 + 2Mg \xrightarrow{t^\circ} Si + 2MgO$

Ответ: В промышленности кремний получают восстановлением кремнезёма ($SiO_2$) коксом для получения технического продукта, а кремний высокой чистоты — через хлорирование технического кремния с последующим восстановлением очищенного хлорсилана водородом.

Свойства кремния

Кремний — элемент 14-й группы (IVА группы), 3-го периода периодической системы, с атомным номером 14. Это неметалл, но проявляет некоторые металлоподобные свойства.

Физические свойства: Кремний существует в двух аллотропных модификациях: аморфной (бурый порошок) и кристаллической. Кристаллический кремний — твёрдое, очень хрупкое вещество тёмно-серого цвета с металлическим блеском. Он имеет алмазоподобную кубическую кристаллическую решётку. Кремний является полупроводником: его электропроводность невелика, но значительно возрастает при нагревании или введении примесей (легировании). Температура плавления — 1414 °C, температура кипения — 2355 °C.

Химические свойства: При обычных условиях кристаллический кремний довольно инертен из-за прочной оксидной плёнки на его поверхности. При нагревании его активность возрастает.

• Взаимодействие с простыми веществами: при нагревании реагирует со многими неметаллами. С кислородом образует оксид кремния(IV): $Si + O_2 \xrightarrow{400-600^\circ C} SiO_2$. Реагирует с галогенами (с фтором при комнатной температуре, с остальными при нагревании): $Si + 2F_2 \rightarrow SiF_4$. С углеродом образует карбид кремния (карборунд): $Si + C \xrightarrow{>2000^\circ C} SiC$. С активными металлами образует силициды: $2Mg + Si \xrightarrow{t^\circ} Mg_2Si$.
• Взаимодействие со сложными веществами: кремний устойчив к действию большинства кислот. Растворяется только в смеси плавиковой (HF) и азотной ($HNO_3$) кислот. Реагирует с концентрированными растворами щелочей с выделением водорода и образованием силикатов: $Si + 2NaOH + H_2O \rightarrow Na_2SiO_3 + 2H_2\uparrow$.

Ответ: Кремний — твёрдое, хрупкое кристаллическое вещество тёмно-серого цвета, являющееся полупроводником. Химически он инертен при комнатной температуре, но при нагревании реагирует с кислородом, галогенами и другими неметаллами. Растворяется в смеси плавиковой и азотной кислот, а также в концентрированных щелочах.

Применение кремния

Благодаря своим уникальным полупроводниковым свойствам, кремний является основой современной электроники.

• Электроника и микроэлектроника: сверхчистый кремний используется для производства интегральных схем (микрочипов), транзисторов, диодов и других полупроводниковых приборов, которые являются компонентами компьютеров, смартфонов и практически любой современной электроники.
• Солнечная энергетика: кремний — основной материал для изготовления фотоэлектрических преобразователей (солнечных батарей), которые преобразуют солнечную энергию в электрическую.
• Металлургия: технический кремний используется в качестве легирующей добавки к сталям (для повышения прочности и коррозионной стойкости), а также как раскислитель (для удаления кислорода из расплавленного металла). Он является важным компонентом многих сплавов, например, силумина (сплав алюминия с кремнием).
• Химическая промышленность: кремний является сырьём для производства кремнийорганических соединений — силиконов. Силиконы применяются для изготовления смазок, герметиков, клеев, эластомеров, имплантатов. Также из кремния получают силаны, используемые в различных синтезах.
• Производство материалов: из кремния получают карбид кремния ($SiC$), обладающий очень высокой твёрдостью и используемый как абразивный и огнеупорный материал.

Ответ: Основные области применения кремния — это производство полупроводниковых приборов для электроники, изготовление солнечных батарей, использование в металлургии в качестве легирующего и раскисляющего компонента, а также как сырьё для получения силиконов и других кремнийсодержащих материалов.