Номер 1, страница 134 - гдз по химии 9 класс учебник Рудзитис, Фельдман

Глава 6. Углерод и кремний. Параграф 37. Кремний. Оксид кремния (IV). Подумай, ответь, выполни... - номер 1, страница 134.

Условие.

1. Работая в парах, составьте характеристику кремния по плану: нахождение в природе → получение → состав → строение → свойства → применение.

Решение.

Решение 2.

Нахождение в природе

Кремний — второй по распространённости химический элемент в земной коре после кислорода, его массовая доля составляет около 28%. Из-за высокой химической активности по отношению к кислороду в свободном виде в природе он не встречается. Наиболее распространённым соединением кремния является диоксид кремния ($SiO_2$), который существует в виде различных минералов, таких как кварц (и его разновидности: горный хрусталь, аметист, агат), а также песок, кремень. Кроме того, кремний входит в состав многочисленных силикатов и алюмосиликатов — природных соединений, которые являются основой большинства горных пород, глин и почв (например, полевые шпаты, слюды, каолинит).

Ответ: Кремний — второй по распространенности элемент в земной коре, встречается в природе только в виде соединений, в основном как диоксид кремния ($SiO_2$) и силикаты.

Получение

В промышленности кремний технической чистоты (98–99%) получают путем восстановления диоксида кремния ($SiO_2$) (чистого кварцевого песка) коксом (углеродом) в дуговых электропечах при температуре около 1800 °C. Реакция протекает по уравнению:

$SiO_2 + 2C \xrightarrow{t} Si + 2CO\uparrow$

Для нужд полупроводниковой промышленности и микроэлектроники требуется кремний сверхвысокой чистоты. Его получают в несколько стадий. Сначала технический кремний обрабатывают хлороводородом, получая трихлорсилан ($SiHCl_3$).

$Si + 3HCl \xrightarrow{t} SiHCl_3 + H_2\uparrow$

Полученный трихлорсилан, являющийся летучей жидкостью, очищают методами дистилляции и ректификации, а затем восстанавливают чистым водородом на раскалённых кремниевых стержнях. В результате осаждается поликристаллический кремний высокой чистоты.

$SiHCl_3 + H_2 \xrightarrow{t} Si + 3HCl\uparrow$

Для получения монокристаллов кремния используют методы зонной плавки или метод Чохральского.

Ответ: Технический кремний получают восстановлением диоксида кремния углем, а кремний высокой чистоты — через химическое осаждение из газовой фазы, например, при восстановлении очищенного трихлорсилана водородом.

Состав

Кремний (лат. Silicium) — химический элемент с символом $Si$. Он расположен в 14-й группе (по старой классификации — IVА группа), 3-м периоде периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. Атомный номер кремния — 14. Его относительная атомная масса составляет приблизительно 28,085 а.е.м. Кремний является типичным представителем металлоидов. В природе встречается в виде трёх стабильных изотопов: $^{28}Si$ (92,23%), $^{29}Si$ (4,67%) и $^{30}Si$ (3,10%).

Ответ: Кремний ($Si$) — химический элемент с атомным номером 14, расположенный в 14-й группе, 3-м периоде периодической системы; является металлоидом.

Строение

Атом кремния состоит из ядра, содержащего 14 протонов, и 14 электронов, которые распределены по трём электронным оболочкам. Электронная конфигурация атома кремния: $1s^22s^22p^63s^23p^2$. На внешнем (третьем) энергетическом уровне находятся 4 валентных электрона, что определяет его основные химические свойства и валентность (наиболее характерная +4).

В твёрдом состоянии кристаллический кремний имеет атомную кристаллическую решётку типа алмаза. Каждый атом кремния связан прочными ковалентными связями с четырьмя соседними атомами, которые расположены в вершинах тетраэдра. Эта структура обусловливает его высокую твёрдость и тугоплавкость. Существует также аморфная форма кремния, которая не имеет дальнего порядка в расположении атомов.

Ответ: Атом кремния имеет 4 валентных электрона. В кристаллическом состоянии образует атомную кристаллическую решетку типа алмаза с прочными ковалентными связями.

Свойства

Физические свойства: Кристаллический кремний — твёрдое, но хрупкое вещество тёмно-серого цвета с металлическим блеском. Он имеет высокую температуру плавления (1414 °C) и кипения (3265 °C). Важнейшим физическим свойством кремния является его способность быть полупроводником. Его электропроводность сильно зависит от температуры и наличия примесей.

Химические свойства: При комнатной температуре кремний довольно инертен. Он не реагирует с большинством кислот, однако растворяется в смеси азотной и плавиковой кислот. Активно взаимодействует с галогенами (например, с фтором при комнатной температуре, с хлором — при нагревании): $Si + 2Cl_2 \xrightarrow{t} SiCl_4$. При нагревании на воздухе окисляется до диоксида кремния: $Si + O_2 \xrightarrow{t} SiO_2$. Реагирует с растворами щелочей с выделением водорода: $Si + 2NaOH + H_2O \rightarrow Na_2SiO_3 + 2H_2\uparrow$. Проявляет степени окисления от -4 до +4.

Ответ: Кремний — твердое, тугоплавкое, хрупкое вещество, являющееся полупроводником. Химически относительно инертен, но при нагревании реагирует с кислородом, галогенами и растворяется в щелочах.

Применение

Благодаря своим полупроводниковым свойствам, кремний высокой чистоты является основным материалом для современной электроники. Из него изготавливают транзисторы, микросхемы, диоды и другие компоненты, составляющие основу компьютеров, смартфонов и прочих электронных устройств.

Кремний — ключевой материал для производства солнечных батарей (фотоэлементов), преобразующих солнечную энергию в электрическую.

В металлургии кремний используется как легирующая добавка к сплавам (например, силумин — сплав алюминия с кремнием) и как раскислитель при производстве стали (в виде ферросилиция).

Соединения кремния имеют широкое применение. Диоксид кремния ($SiO_2$) — основное сырьё для производства стекла и керамики. Силикаты используются в производстве цемента и строительных материалов. На основе кремния создают кремнийорганические полимеры — силиконы, которые применяются как смазки, герметики, эластомеры, в медицине и косметике. Карбид кремния ($SiC$) используется как абразивный и огнеупорный материал.

Ответ: Основное применение кремния — в качестве полупроводникового материала в электронике и солнечной энергетике, а также в металлургии, производстве стекла, керамики и силиконовых полимеров.