Номер 2, страница 127 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян, Остроумов

2. Охарактеризуйте способы получения, свойства и применение кристаллического кремния. Ответ подтвердите уравнениями соответствующих реакций.

Способы получения

Получение кристаллического кремния — это многостадийный процесс, который начинается с получения технического кремния и заканчивается глубокой очисткой для получения полупроводникового материала.

1. Промышленный способ (карботермическое восстановление). Технический кремний (чистотой 98-99%) получают в дуговых печах при температуре около $1800^{\circ}C$ восстановлением диоксида кремния (кремнезёма, $SiO_2$), который является основным компонентом песка, с помощью кокса (углерода).
Уравнение реакции:
$SiO_2 + 2C \xrightarrow{1800^{\circ}C} Si + 2CO\uparrow$

2. Получение кремния высокой чистоты (полупроводникового). Технический кремний для использования в электронике недостаточен и требует дальнейшей очистки. Наиболее распространенным является хлоридный (или Сименс-процесс) метод.
Стадия 1: Технический кремний обрабатывают хлороводородом при температуре $300-350^{\circ}C$ с образованием летучего трихлорсилана ($SiHCl_3$).
$Si_{техн.} + 3HCl \xrightarrow{300-350^{\circ}C} SiHCl_3 + H_2\uparrow$
Стадия 2: Полученный трихлорсилан очищают методом фракционной перегонки, а затем восстанавливают чистым водородом при высокой температуре ($1000-1200^{\circ}C$) на поверхности раскаленных кремниевых стержней. В результате осаждается поликристаллический кремний высокой чистоты (99,9999% и выше).
$SiHCl_3 + H_2 \xrightarrow{1000-1200^{\circ}C} Si_{чист.} + 3HCl$

3. Лабораторный способ (магнийтермия). В лаборатории кремний можно получить восстановлением диоксида кремния активными металлами, например, магнием или алюминием. При этом обычно образуется аморфный кремний.
$SiO_2 + 2Mg \xrightarrow{t} Si + 2MgO$

Для получения монокристаллического кремния, необходимого для производства интегральных схем, используют методы зонной плавки или метод Чохральского, которые позволяют из поликристаллического кремния вырастить единый крупный кристалл.

Ответ: Основной промышленный способ получения технического кремния — восстановление $SiO_2$ коксом ($SiO_2 + 2C \rightarrow Si + 2CO$). Для получения кремния высокой чистоты используют Сименс-процесс: превращение технического кремния в трихлорсилан ($Si + 3HCl \rightarrow SiHCl_3 + H_2$) с последующим его восстановлением водородом ($SiHCl_3 + H_2 \rightarrow Si + 3HCl$).

Свойства

Кристаллический кремний обладает рядом характерных физических и химических свойств.

Физические свойства:
Кремний — это твёрдое, хрупкое кристаллическое вещество тёмно-серого цвета с металлическим блеском. Он имеет алмазоподобную кубическую кристаллическую решетку (атомного типа). Кремний является полупроводником: его электропроводность невелика при комнатной температуре, но значительно возрастает при нагревании или при введении примесей (легировании). Температура плавления — $1414^{\circ}C$, температура кипения — $3265^{\circ}C$. Плотность — $2,33$ г/см³.

Химические свойства:
При обычных условиях кремний довольно инертен из-за образования на его поверхности тонкой защитной плёнки диоксида кремния $SiO_2$. При нагревании его химическая активность возрастает.
1. Взаимодействует с неметаллами при нагревании:
- С кислородом (горение при $t > 400^{\circ}C$): $Si + O_2 \xrightarrow{t} SiO_2$
- С галогенами (с фтором реагирует при комнатной температуре, с хлором при $400-600^{\circ}C$): $Si + 2Cl_2 \xrightarrow{t} SiCl_4$ (тетрахлорид кремния)
- С азотом (при $t > 1000^{\circ}C$): $3Si + 2N_2 \xrightarrow{t} Si_3N_4$ (нитрид кремния)
- С углеродом (при $t > 2000^{\circ}C$): $Si + C \xrightarrow{t} SiC$ (карбид кремния, или карборунд)

2. Отношение к кислотам и щелочам:
- Кремний устойчив к действию большинства кислот (кроме плавиковой). Он растворяется в смеси азотной и плавиковой кислот:
$3Si + 4HNO_3 + 18HF \rightarrow 3H_2[SiF_6] + 4NO\uparrow + 8H_2O$
- Легко реагирует с водными растворами щелочей с выделением водорода и образованием силикатов:
$Si + 2NaOH + H_2O \rightarrow Na_2SiO_3 + 2H_2\uparrow$

3. Взаимодействует с активными металлами при сплавлении, образуя силициды:
$2Mg + Si \xrightarrow{t} Mg_2Si$ (силицид магния)

Ответ: Кристаллический кремний — тёмно-серый тугоплавкий полупроводник. Химически инертен при комнатной температуре, но при нагревании реагирует с кислородом ($Si + O_2 \rightarrow SiO_2$), галогенами ($Si + 2Cl_2 \rightarrow SiCl_4$) и другими неметаллами. Растворяется в щелочах ($Si + 2NaOH + H_2O \rightarrow Na_2SiO_3 + 2H_2$) и смеси плавиковой и азотной кислот.

Применение

Благодаря своим уникальным полупроводниковым свойствам, кристаллический кремний является основным материалом для современной электроники.

1. Электроника и микроэлектроника. Кремний сверхвысокой чистоты используется для производства полупроводниковых приборов: транзисторов, диодов, тиристоров, а также интегральных микросхем, которые являются основой компьютеров, смартфонов и другой электроники.

2. Солнечная энергетика (фотовольтаика). Поликристаллический и монокристаллический кремний — основной материал для изготовления солнечных батарей (фотоэлектрических преобразователей), которые преобразуют энергию солнечного света в электрическую.

3. Металлургия. Технический кремний используется в качестве легирующей добавки при производстве сталей и сплавов (например, силумина — сплава алюминия с кремнием, обладающего хорошими литейными свойствами). Также он применяется как раскислитель для удаления кислорода из расплавленных металлов.

4. Химическая промышленность. Кремний является сырьем для получения кремнийорганических соединений — силиконов. Силиконы применяются для производства смазок, герметиков, каучуков, смол и жидкостей с широким диапазоном рабочих температур. Из кремния получают карбид кремния ($SiC$), который используется как абразивный материал и компонент для создания композитов и огнеупоров.

Ответ: Кристаллический кремний применяется в основном в электронике (микросхемы, транзисторы) и солнечной энергетике (солнечные батареи) благодаря своим полупроводниковым свойствам. Также он используется в металлургии для легирования и раскисления сталей и в химической промышленности для производства силиконов и карбида кремния.