додати матеріал


Кремній

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Коробецький Анастасія 10А клас
КРЕМНІЙ
Науковий керівник: Сукачова Т.А.
Ядро: можлива велика частка силікатів
Земна кора: глини, граніти, базальти, польові шпати.
Верхня мантія: силікати заліза і магнію (близько 90%)
Нижня мантія: передбачається силікатна складу
Рис.1 Вміст кремнію в різних шарах Землі

Кремній - другий за поширеністю (після кисню) елемент земної кори. У верхніх шарах осадових він міститься у вигляді глин, кварцу та інших з'єднань і становить 27,6% складу земної кори .. Під осадовим знаходиться шар базальтів і гранітів, до складу яких також входить кремній. Ці шари утворюють земну кору і знаходяться на глибині до 35 км. У верхніх шарах мантії (до 900 км) переважають силікати заліза і магнію. Ядро і нижня мантія, за припущеннями вчених, також складаються в основному з силікатів (рис.1).
У чистому вигляді кремній в природі не зустрічається. Найбільш поширений оксид кремнію і силікати. Перший зустрічається у вигляді мінералу кварцу (кремнезем, кремінь). У природі з цього з'єднання складено цілі гори. Трапляються дуже великі, до 40 т кристали кварцу. Звичайний пісок складається з дрібного кварцу з різними домішками. Гірський кришталь - абсолютно прозорі кристали кварцу. Залежно від домішок він може набувати різне забарвлення. Так, оксиди марганцю і заліза дають фіолетовий відтінок. Це аметист. Жовтуватий кришталь - цитрин, димчастий - раухтопаз. У ньому можуть знаходиться і різні включення. Котяче око включає в себе волокнисті матеріали, «стріли Амура» - включення оксиду титану.
Аналіз місячного грунту показав присутність оксиду кремнію (IV) в кількості більше 40%. У складі кам'яних метеоритів вміст кремнію досягає 20%.
Оксид кремнію - кремінь - зіграв важливу роль в історії розвитку людства. Саме з крем'яних наконечників списів, ножів і сокирок починається історії більшості народів. Пізніше кремінь став джерелом вогню - мандрівники нікуди не відправлялися без кресала. А глиняні хати, посуд, предмети побуту! Важко сказати, як би розвивався світ без скла.
У наші дні все більш необхідний стає чистий кремній, як напівпровідник. Так звані «дев'ять дев'яток чистоти» - 99,9999999% чистого кремнію - перша вимога до напівпровідника. Жоден із сучасних комп'ютерів не існував би без кремнію. Теж можна сказати і про ряд інших технічних засобів. Велике значення різних речовин, основою яких є сполуки кремнію. Це бетон, кераміки, скло.
У мистецтві кремній теж грав велику роль. Більшість коштовних і напівкоштовних каменів - сполуки того ж кремнію. І знову ж згадуються скляні, кришталеві і глиняні вироби.
Багато чого у з'єднаннях кремнію залишається не до кінця зрозумілим. Тривають дослідження, висуваються нові гіпотези. Але багато чого вже відомо. Спробуємо розібратися в цьому.
Проста речовина і елемент кремній

Si +14 2) 8) 4)
Рис.2 Електронна будова атома вуглецю і його зовнішнього електронного шару з валентністю рівною: а) двом; б) чотирьом
а
б

Кремній - другий елемент у IV групі Періодичної таблиці Д.І. Менделєєва. Він знаходиться прямо під вуглецем і, отже, має подібні з ним властивості. На зовнішньому електронному шарі у нього чотири електрона, з яких у звичайному стані два не спарених. У кремнію існують відповідні цьому стану двовалентні з'єднання, наприклад SiO. Але набагато більш природним при звичайних температурах для кремнію є чотирьохвалентний стан, при якому один з електронів «перестрибує» з s-підрівня на p-підрівень (рис.2).
Зовнішній електронний шар у кремнію знаходиться далі від ядра, ніж у вуглецю, сила тяжіння валентних електронів до нього менше, тому властивості кремнію ближче до металевих. Кристалічний кремній володіє металевим блиском, є напівпровідником. Останнє його властивість пояснюється малою міцністю ковалентних зв'язків, що існують між атомами кремнію. Вони починають руйнуватися вже при кімнатній температурі. При подальшому її підвищенні вивільняється велика кількість вільних електронів. Вважають, що при абсолютному нулі ідеально чистий і правильний кремній повинен бути ідеальним електроізоляторів. Але ідеальна чистота і абсолютний нуль недосяжні, тому ми володіємо хорошим напівпровідником.
У природі існує три ізотопи кремнію з масовими числами 28, 29 і 30. Переважає (92,27%) легкий ізотоп - кремній-28. Відомі також кілька радіоактивних ізотопів.
Кремній - активний елемент. У природі він не зустрічається у вільному вигляді, і більшість його сполук дуже стійкі. Незважаючи на поширеність кремнію у природі, відкритий він був порівняно пізно. У 1825р. видатний шведський хімік і мінералог Якоб Берцеліус зумів у двох реакціях виділити не дуже чистий кремній. Це був аморфний сірий порошок. Для цього він відновив калієм газоподібний тетрафторид кремнію SiF4. Новий елемент був названий силіцієм (від латинського silex - камінь). Російське назва з'явилася через дев'ять років і збереглося до наших днів.
Кремній, як і вуглець, утворює різні алотропні модифікації. Кристалічний кремній так само мало схожий на аморфний, як алмаз на графіт. Це тверда речовина сіро-сталевого кольору з металевим блиском і гранецентрованої кристалічної гратами того ж типу, що й у алмазу.
Технічно чистий кремній (95-98%) зараз отримують головним чином відновленням кремнезему в електричній дузі між графітовими електродами. Використовується також спосіб відновлення кремнезему коксом в електричних печах. Такий кремній використовують в металургії як розкислювач, що зв'язує і видаляє з металу кисень, і як легувальну добавку, яка підвищує міцність і корозійну стійкість сталей і багатьох сплавів на основі кольорових металів. У сплави його додають у невеликих кількостях: надлишок кремнію приводить до крихкості.
Один із способів отримання високочистого напівпровідникового кремнію був розроблений у другій половині XIX століття російським хіміком М.М. Бекетовим і був одним з перших способів отримання кремнію в промисловості. Він заснований на реакції між парами цинку і тетрахлориду кремнію. Для реакції беруть високочисті реагенти і проводять її при 950 ° С у трубчастому реакторі, виготовленому з плавленого кварцу. Елементарний кремній утворюється у вигляді голчастих кристалів, які потім подрібнюють і промивають соляною кислотою, теж вельми чистою. Потім слід ще один щабель отчистки - зонна плавка, і лише після неї полікристалічну кремнієву масу перетворюють на монокристали.
Є й інші реакції, в яких отримують Високочистий напівпровідниковий кремній. Це відновлення воднем трихлорсилану SiHCl 3 або чотирихлористого кремнію SiCl 4 і термічне розкладання моносілана, гідриду кремнію SiH 4 або тетраіодіда SiI 4. В останньому випадку розкладання сполуки відбувається на розігрітій до 1000 ° С танталовой стрічці. Додаткове очищення зонної плавкою слід після кожної з цих реакцій.
Сполуки кремнію
Кремній дає два типу оксидів - оксид кремнію (IV) та оксид кремнію (II). Оксид кремнію (IV) найбільш міцний, не розкладається при високих температурах і вище 223 ° С переходить в пароподібний стан. Не відновлює його і водень. Більш того: сам кремній іноді застосовується як відновника, наприклад при отриманні молібдену:
2MoO 3 +3 Si Ž 3SiO 2 +2 Mo
Оскільки при окисленні кремнію виділяється величезна кількість теплоти, оксид кремнію (IV) і молібден виходять в розплавленому стані.
У оксиді кремнію (IV) молекул немає, так як за рахунок хімічної в'язі Si-О-Si утворюється своєрідний просторовий каркас. Таким чином, шматок кварцу як би одну гігантську молекулу. Кварц є неорганічний полімер, і його формула (SiO 2) n.
Чистий оксид кремнію (IV) знаходиться в природі у вигляді гірського кришталю, кристали якого досягають іноді великих розмірів. Найбільший кристал, знайдений у Казахстані, важив 70 т.
У великих кількостях у промисловості готують силікагель - частково гідратований оксид кремнію (IV). Для його отримання на розчин рідкого скла діють соляною кислотою:
Na 2 SiO 3 +2 HCl Ž 2NaCl 'nH 2 SiO 3
Випала в осад метакремнієвої кислоту відмивають від хлориду натрію водою і висушують при 170 -180 ° С. При цьому утворюється аморфний оксид кремнію, що містить невелику кількість хімічно зв'язаної води. Тому силікагель надають умовну формулу SiO 2 'nH 2 O. Висушений силікагель може адсорбувати значну кількість парів води, його застосовують для осушування газів.
Широко застосовується оксид кремнію (IV) у промисловості і при наукових дослідженнях. У вигляді кварцового піску його використовують в скляної промисловості; SiO 2 - головний компонент силікатних стекол. Кварцовий пісок - найважливіший будівельний матеріал. Кварцовий пісок йде у великих кількостях для виготовлення одного з кращих вогнетривів - динасів. Його одержують спіканням кварцового піску, до якого додано 2-2,5% вапна. Дінас розм'якшується тільки при 1700 ° С, він служить для викладки мартенівських печей і різних печей для одержання кольорових металів.
Плавлений кварц (SiO 2) n дає кварцове скло, що володіє цікавою властивістю: воно має найнижчий температурний коефіцієнт розширення, тобто при нагріванні кварцове скло практично не розширюється. Тому при різкому нагріванні чи охолодженні посуд із кварцового скла не розтріскується. Застосовують кварцову посуд у хімічних лабораторіях. Її широкому поширенню заважає велика крихкість і значні труднощі у виготовленні (дуже висока температура плавлення кварцу).
Кремній дає і оксид SiO, який виходить взаємодією оксиду кремнію (IV) з кремнієм:
SiO 2 + SiŽ2SiO
Оксид кремнію SiO - сірий порошок, будь-якого застосування він не знаходить. Цікаво відзначити, що при нагріванні цей оксид досить швидко розпадається:
2SiO Ž Si + SiO 2
Це вказує на те, що двовалентне стан для кремнію не настільки характерно, як чотирьохвалентний.
Сполуки кремнію з воднем називаються кремневодородамі або сіланом. Їх склад відповідає загальній формулі Si n H 2 n +2 аналогічної загальною формулою вуглеводнів граничного ряду. Найпростіший представник цього класу - силан SiH 4 - вперше отриманий німецьким хіміком Д. Велером в 1857 р. Сілан і його гомологи (H 3 Si - SiH 3 - дісілан, H 3 Si - SiH 2 - SiH 3 - трісілан і т. д. ) мають будову, подібне метану, етану і пропану. Ненасичені силани, відповідні за будовою вуглеводнів етилену і ацетиленового рядів, у вигляді індивідуальних сполук поки не виділені. Найбільш просто силани виходять за методом, розробленим у 1883 р. російськими вченими Н. Н. Бекетовим і А. Д. Чирикова. Метод полягає в розкладанні силіцидів металів мінеральними кислотами:
Mg 2 Si +4 HCl → 2MgCl 2 + SiH 4
Сілан і дісілан - гази з неприємним запахом. Трісілан Si 3 H 8, тетрасілан Si 4 H 10, пентасілан Si 5 H 12 і наступні гомологи - при кімнатній температурі леткі рідини з неприємним запахом. Кремневодороди дуже отруйні. На відміну від вуглеводнів силани - нестійкі сполуки. Вони самовоспламеняются, іноді вибухають на повітрі, легко розкладаються лугами і водою в присутності слідів кислот і лугів:
SiH 4 + 2H 2 O → SiO 2 +4 H 2
Кремневодороди термічно мало стійкі і розкладаються на кремній і водень вже при 400 ° С:
SiH 4 → Si + 2H 2
При цьому виходить особливо чистий кремній.
Нестійкість кремневодородов підтверджується тим, що гомологів вище октасілана Si 8 H 18 виділити у вільному стані поки не вдалося. Силани є сильними відновниками і енергійно окислюються киснем:
SiH 4 + 2O 2 → SiO 2 + 2H 2 O
При взаємодії силанов з галогенами всі атоми водню миттєво (з вибухом) перезаписуються атомами галогену. Хлор-і бромпохідної силанов утворюються і при каталітичної обробці їх хлороводородом або бромоводородом:
SiH 4 + HCl → SiH 3 Cl + H 2
SiH 3 Cl + HCl → SiH 2 Cl 2 + H 2
SiH 2 Cl + HCl → SiHCl 2 + H 2
SiHCl 3 + HCl → SiCl 4 + H 2

Для гомологічного ряду граничних вуглеводнів аналогічна реакція з НСl або НВг невідома. Сполуки кремнію з воднем представляють великий науковий і практичний інтерес для хімії кремнійорганічних сполук. Галогеніди кремнію отримують при безпосередньому з'єднанні кремнію з галогенами, або галогенирование оксидів у присутності вугілля:
SiO 2 + 2C + 2Cl 2 → SiCl 4 + 2CO
У лабораторії хлорування кремнію можна проводити в скляних трубках, що мають перетяжки. Реакція йде при невеликому нагріванні. Рідкий конденсат збирається в коліні трубки. Для очищення конденсат нагріванням переганяють в наступне коліно трубки.
Бромування і йодування можна також проводити в скляних трубках з перетяжками, але для перенесення брому або йоду використовують газ-носій, наприклад аргон, азот, оксид вуглецю (IV). Отримані галогеніди гігроскопічні і легко гідролізуються під дією вологи повітря, тому їх запаюють в одному з колін трубки.
Нітридами називають хімічні сполуки азоту з різними елементами. Для IV групи характерні нітриди і з ковалентним зв'язком, і освічені впровадженням атомів азоту в кристалічну решітку елемента. Нітриди елементів головної підгрупи дуже тугоплавкі речовини, що володіють великою твердістю і теплопровідністю. Нітриди досить термостійкі при нагріванні і мають відносну хімічної стійкістю.
Кремній утворює нітрид з кристалічною гратами, в якій атоми азоту пов'язані з атомами кремнію ковалентними зв'язками. Такий нітрид має формулу, що відповідає звичайної валентності елемента, і може розглядатися як похідне аміаку, в якому атоми водню заміщені на кремній - Si 3 N 4.
Загальним способам отримання нітридів є безпосередня взаємодія речовин з азотом або аміаком:
3Si + 2N 2 → Si 3 N 4
3Si + 4NH 3 → Si 3 N 4 + 6H 2
Реакцію здійснюють при 1000-1200 ° С в електричних печах. Застосовувані для реакції азот та аміак не повинні містити парів води і кисню, щоб уникнути забруднення нітриду оксидами відповідних елементів.
Висока жаропрочность і жаростійкість нітриду кремнію використовується при створенні сплавів з високою жароміцністю для техніки високих температур, енергетики та інших галузей. Його виняткова стійкість до впливу хімічних реагентів, навіть таких, як плавикова кислота, розплави лугів і металів, у поєднанні з вогнетривкістю використовується в хімічній промисловості. З нього виготовляють футеровку ванн для отримання металів електролізом розплавлених солей, футерованную арматуру, сопла для розпилення розплавлених металів, тиглі для плавки надчистих металів і т. д.
Метакремнієва кислота H 2 SiO 3 та ортокремніевая кислота H 4 SiO 4 - найбільш поширені з кислот кремнію. Метакремнієва кислота виходить взаємодією силікатів з соляною кислотою або хлоридом амонію:
Na 2 SiO 3 + 2HCl → H 2 SiO 3 + 2NaCl
Na 2 SiO 3 + 2NH 4 Cl → H 2 SiO 3 + 2NaCl + 2NH 3
Вільна метакремнієва кислота відома у вигляді декількох форм з перемінним вмістом води. Ця кислота слабкіша, ніж вугільна, вона нерозчинна у воді, але легко утворює колоїдні розчини - золі. Метакремнієва кислота термічно нестійка і при нагріванні розкладається:
H 2 SiO 3 → H 2 O + SiO 2
Відщеплення води від декількох молекул метакремнієвої кислоти відбувається у водному розчині і при кімнатній температурі з утворенням прозорою драглистої маси - гелю кремнієвої кислоти. Висушений гель кремнієвої кислоти називають силікагелем.
Силікагель володіє дуже великою поверхнею - на 1 г силікагелю доводиться до 400 м 2 поверхні - і високою адсорбційною здатністю. Він виготовляється в промисловому масштабі і знаходить широке застосування для вилучення летких та пахучих речовин з парів і газів, очищення мінеральних масел і нафти, знебарвлення рідких органічних продуктів. Силікагель жадібно поглинає воду, і ця властивість використовується при сушінні газів і рідин. Високоякісні сорти силікагелю, що не містять домішок, знаходять застосування в медичній практиці. Вільний від домішок силікагель отримують гідролізом силану SiH 4, тетрахлориду кремнію SiCl 4 і кремнійорганічних сполук - тетраетоксісілана Si (OC 2 H 5) 4 та ін Використовується силікагель також як носій каталізатора. Введенням золів кремнієвої кислоти в целюлозні матеріали досягається міцність, водонепроникність і вогнестійкість вироби.
Ортокремніевая кислота виходить при гідролізі тетрахлориду кремнію:
SiCl 4 +4 H 2 O → Si (OH) 4 +4 HCl
За структурою ортокремніевая кислота близька кварцу: атом кремнію оточений тетраедром з чотирьох атомів кисню з приєднаним до кисню воднем. Солі ортокремніевой кислоти також носять назву силікатів. Солі лужних металів кремнієвих кислот розчиняються у воді, силікати інших елементів нерозчинні. Молекулярна маса свежевиделенних кремнієвої кислоти (формула Si (OH) 4) близько 100 у. е. Через кілька днів молекулярна маса кислоти досягне 1000 у. е. і більше. Це пояснюється надзвичайною легкістю самоконденсаціі кислоти, що супроводжується виділенням води.
Кремній утворює кислотні, амфотерні й основні гідроксиди. Всі вони нерозчинні у воді. Оксид кремнію (IV) і оксиди його аналогів з водою практично не реагують, тому отримати кислоти цим способом не можна.
Силікати - тугоплавкі і пасивні речовини. Більшість їх нерастворимо у воді. Вони існують у газоподібному, рідкому і твердому вигляді, а також утворюють високодисперсні, або колоїдні, системи з розміром частинок силікатів від 10 - 6 до 10 - 9 м. Колоїдні системи схожі на розчини, але на відміну від них мають поверхню розділу між частинками силікатів дисперсійним середовищем, тобто середовищем в якій розчинено речовина. Прикладами колоїдних систем є халцедони і опали. Спектр складу силікатів надзвичайно широкий (алюмосилікати, гідросилікати та ін)
Для силікатних мінералів немає систематичних назв, тому назви відображають їх зовнішній вигляд і властивості. Плагіоклаз в перекладі з давньогрецької «косо страшенний», піроксен - «тугоплавкий». Назви також даються за іменами людей, які відкрили ці мінерали.
У різний час представлення про будову силікатів були різними. Першою науковою теорією була полікремнієвої. Вона відігравала важливу роль у середині XIX ст. - 1920-х рр.. Відповідно до цієї теорії силікати є солі кремнієвих кислот. Всі кремнієві кислоти можна задати формулою n SiO 2 'm H 2 O. Прикладами служать метакремнієва кіслотаH 2 SiO 3 (n = 1, m = 1), ортокремніевая кислота H 4 SiO 4 (n = 1, m = 2), дікремніевая кислота H 2 Si 2 O 5 (n = 2 m = 1), пірокремніевая кислота H 6 Si 2 O 7 (n = 2, m = 2). Відповідні назви силікати носять і зараз, хоча полікремнієвої теорія вже не користується популярністю.
Через колоїдного характеру силікатів, їх можна отримати у чистому вигляді. Тому постає питання про солеобразние природі силікатів. Але це не все. Розглянемо два схожих за будовою силікату: жадеїт Na Al [Si 2 O 6] і лейцит K Al [Si 2 O 6]. За полікремнієвої теорії вони є солями метакремнієвої кислоти, а, отже, повинні володіти подібними властивостями. Але по своїй природі це два абсолютно різних речовини. Дана теорія не пояснює залежності між складом і властивостями речовин, хоча це є основною її завданням.
Ще Д.І. Менделєєв зазначав недоліки цієї теорії. Він припускав ізоморфізм в кристалах силікатів, тобто здатність атомів заміщати одне одного в кристалічних структурах. Причому це можуть бути атоми не тільки одного типу, але і різних. Так, він проявляється в кристалах алюмосилікатів, хоча алюміній і кремній - різні за типом атоми. Д.І. Менделєєв називав подібні кристали «невизначеними сполуками», схожими із сплавами, але це сплави не простих речовин, а близьких оксидів. Полімерні солі кремнію існують не через існування полімерних кислот, а через полімеризації сполук кремнію. Дослідження Д.І. Менделєєва відіграли важливу роль у формуванні поглядів на цю проблему.
Рис.3 Схеми будови піроксінових ланцюжків
У 1925-1931гг. У.Л. Брегг досліджував кристали алюмосилікатів, в тому числі і за допомогою рентгена. Він запропонував структурну класифікацію силікатів. На його думку, силікати представляли собою полімерні структури, що складаються з тетраедрів - оксидів кремнію, атомів замістивши його. З'єднуються вони за допомогою атомів кисню, що стали «загальними» для двох тетраедрів. Такі атоми кисню називаються мостіковимі, ​​а ті, що не беруть участь в утворенні таких зв'язків - не мостіковимі. Таким чином, створюються зв'язку Si - O - Si або Si - O - Al. Різноманіття силікатів пояснюється різними способами з'єднання цих тетраедрів.
Брегг пропонував класифікувати силікати за типами кремнекислородних радикалів:
1. Ортосілікати [SiO 4] 4 - У цього радикала всі атоми кисню є немостіковимі.
2. Острівні [Si 2 O 7] 6 -, [Si 3 O 8] 6 -, [Si 4 O 12] 8 -. Два кисню в кожному тетраедра служать для утворення кільця, а два інших є не мостіковимі.
3. Ізольовані [SiO 2] 2 - і здвоєні [Si 4 O 11] 6 - радикали утворюють нескінченні ланцюжки
4. Шаруваті структури з радикалами [Si 2 O 5] 2 -
5. Каркасні структури
Розглянемо будову ортосіліката натрію. Його формула 2Na 2 O 'SiO 2. Даний ортосілікат відноситься до першої групи. У ньому тетраедри [SiO 4] 4 - з'єднані між собою іонами натрію.
Представниками силікатів третьої групи є піроксени з формулою LiAl [Si 2 O 6]. У них один атом кремнію з трьох замістити на атом алюмінію. Піроксени утворюють нескінченні ланцюжки різної будови (рис.3). Будова ланцюжка визначає властивості піроксену.
Області застосування сполук кремнію
Солі кремнієвих кислот надзвичайно поширені в природі у вигляді руд і мінералів. Найважливішими силікатами є алюмосилікати, на частку яких припадає більше половини маси земної кори. Природні силікати обчислюються багатьма сотнями представників. До них відносять кварц, граніти, польові шпати, кристалічні сланці (слюди), азбест.
Кварц - п'єзоелектриків. Де тільки не для технічних потреб кристал кварцу у вигляді платівки! Наприклад, кварцові годинники високої точності служать для «зберігання» точного часу, обумовленого астрономічними методами. Точність добового ходу кварцових годин ± 0,001 с. Основною деталлю п'єзо-кварцових стабілізаторів довжини радіохвиль (частоти), перетворювачів тиску в електричну величину з точністю ± 1,5%, перетворювачів електричної енергії в звукову (гучномовці та ін) і механічну (мікрофони, шумопеленгатори, ультразвукова механіка) є платівка з кварцу .
Характерна особливість кварцового скла - висока термічна стійкість. Таке скло можна сильно нагріти і зараз же остудити в холодній воді. Це пояснюється тим, що у кварцового скла коефіцієнт об'ємного розширення у 25 разів менше, ніж у звичайного скла. Кварцове скло прозоро як для видимого світла, так і для ультрафіолетового. Тому з кварцового скла виготовляють балони кварцових ламп - джерела ультрафіолетових променів. Спеціальні медичні кварцові лампи застосовують для опромінення ультрафіолетовими променями для профілактики грипу, лікування рахіту та інших захворювань.
Граніти - одна з найпоширеніших порід у земній корі - чудовий будівельний і облицювальний матеріал. Незамінний граніт і для монументальної скульптури. Відполірований до дзеркального блиску, він створює неповторну гру вкраплень, а необроблена, шорстка поверхня створює особливу виразність, поглинаючи світло.
Польові шпати - сировина для керамічної, порцелянової, скляної, цементної та інших галузей промисловості. У будівництві їх застосовують як матеріалів виробів. Кристалічні сланці (слюди) мають високу термостійкість і високими електроізоляційними властивостями і знаходять застосування в електротехніці, радіотехніці. Вони також використовуються як звуко-і теплоізоляційні матеріали. Азбест - мінерал з волокнистої структурою - теплоізоляційний і вогнетривкий матеріал. Широке застосування знаходять шаруваті мінерали - слюди, тальк, каолініт. Коштовні та напівкоштовні камені - смарагд, топаз, аквамарин - добре освічені кристали природних силікатів, забарвлені різними оксидами.
Штучні силікати також відіграють важливу роль у житті людини. Знайомство людини з склом - першим штучним силікатом - відбулося за 3500 років до н. е..
Основний склад віконного скла Na 2 'CaO'6SiO 2. Однак часткова заміна натрію, кальцію або кремнію на інші елементи дозволяє отримувати різноманітні сорти скла. Кварцове, кришталеве, пляшкове, посудній, електроламповий, дзеркальне, пористе (піноскло), захисне, архітектурно-будівельне, світлотехнічне, скло для світловодів і стеклосфер, оптичне, лабораторне - ось далеко не повний їх перелік. Вводячи всередину скляного листа металеву сітку, отримують армоване скло. Тришарове скло (триплекс) виготовляють склейкою листа плівки з двома листами скла.
Здавна людина навчилася застосовувати хімічні сполуки для фарбування скла. В давнину було відомо, що скло в залежності від домішок може мати різний колір: синій (від оксиду кобальту СоО), зелений (від оксиду хрому Сг 2 O 3 або оксиду міді СuО), фіолетовий (від оксиду марганцю Мn 2 O 3), рожевий (від селену). Застосовувалися і «глушники» (сполуки фосфору, миш'яку, сурми), додавали склу матову білизну. Молочне скло, наприклад, отримували, додаючи в скляну масу каситерит (оксид олова). Рецепти сполук, інтенсивно офарблюють скло, зберігалися в суворій таємниці й передавалися в спадщину з покоління в покоління.
Кольорові скла не втратили свого значення і в наші дні. Рецептура отримання кольорового скла безперервно розширюється.
На початку XX ст. стали застосовуватися з'єднання селену, які забарвлюють скло в червоні, рожеві і помаранчеві тони. Після впровадження в 30-х рр.. оксидів рідкісноземельних елементів у промисловості палітра художнього скла значно розширилася - була отримана недосяжна раніше напівтонова забарвлення всіх кольорів спектру.
При фотографічних роботах потрібно червоне освітлення, тому застосовують скла, що містять незначну кількість дрібнодисперсного золота. При повільному охолодженні скла, найдрібніші частинки золота рівномірно розподіляються по всій масі розплаву. Вкраплені частинки неможливо розрізнити навіть у мікроскоп, але забарвлюють скло в інтенсивно червоний колір. Таке скло носить назву рубінового. З рубінового скла зроблені п'ятикутні зірки Кремля. Площа скління кожної зірки становить близько 6 м 2. Цікаво відзначити, що поверхня зірки складається з трьох шарів: скла: рубінового, кришталевого і молочно-білого. Верхній шар - рубінове скло різних відтінків. Це дозволяє відтінити променисту форму зірок. Внутрішній шар - молочно-біле скло. У денний час червоне скло, освітлене зовні, а не на просвіт, здається майже чорним. Прошарок молочного скла відображає велику частину денного світла, пом'якшуючи темряву рубінового скла. Крім того, молочно-біле скло добре розсіює світло ламп розжарювання, розміщених усередині зірки. Проміжний шар - кришталеве скло - додає склінню міцність. Адже на висоті веж Московського Кремля дуже складні атмосферні умови: град, ураганний вітер і т. д.
Введення в скло оксиду алюмінію А1 2 О 3 замість оксиду кремнію (IV) надає склу підвищену механічну міцність. З такого скла виготовляють спеціальні пляшки для насичених вуглекислим газом напоїв (шипучих). Вони можуть витримувати тиск до 2'10 6 -3 '10 6 Па. У 1926-1928 рр.. при розробці промислового способу отримання синтетичного каучуку радянський хімік С. В. Лебедєв досліджував реакцію полімеризації бутадієну СН 2 = СН-СН = СН 2 під тиском. У ці роки в Радянському Союзі відчувався брак в хімічному лабораторному обладнанні. Як реактора С. В. Лебедєв використовував пляшки з-під шампанських вин.
Скло, що захищають від інфрачервоних, ультрафіолетових і надмірно яскравих видимих ​​променів, отримують, вводячи різні барвники. Такі стекла застосовують як захисні пристосування при зварювальних роботах, в металургії та ін У деяких випадках ставиться протилежна завдання - треба не поглинати, а, навпаки, добре пропускати ті чи інші промені. З цією метою застосовуються увіолеві скла. Вони вільно пропускають ультрафіолетові промені, які поглинаються звичайними стеклами. Такими стеклами остекляют вікна лікарень, санаторіїв, оранжерей. З них виготовляють лабораторне обладнання. Для отримання увіолевого скла використовують вапняно-натрієві склади. Оксидів заліза в склі має бути не більше 0,01%.
Спеціальні стекла, стійкі до різного роду радіоактивним випромінюванням і потокам повільних нейтронів, отримують, вводячи в їх склад елементи з високим порядковим номером - свинець, вісмут, вольфрам і ін Скло, в якому практично відсутня відображення (невидиме скло), створили польські фахівці з м. Зелена Гура. Такі стекла необхідні як в науці і техніці, так і в побуті. Наприклад, світлові відблиски і віддзеркалення часто заважають прочитати напис за склом шкали приладу, розглянути картину і т. д.
Багато витрачено сил, часу і коштів вченими всього світу для створення світловодів - скляного волокна високої прозорості, що відбиває промені світла від внутрішньої поверхні. Промінь світла, проходячи по такому волокну, не виходить за його межі і може бути використаний для передачі інформації. На основі оптичного волокна випускаються деталі приладів для радіоелектронної, приладобудівної та інших галузей промисловості. Важко оцінити перспективу використання світловодів. Світловий джгут для телефонного зв'язку забезпечить 2000 телефонних переговорів одночасно. Можна транслювати одночасно дві кольорові телепередачі. За допомогою світловодів стало можливим проводити раніше недоступні медичні дослідження внутрішніх поверхонь органів, моделювати нервову систему вищих тварин і людини. З стекловодов роблять «голки», використовувані для світлових мікроуколов ядра живої клітини.
Дуже перспективні роботи із застосування волоконної оптики в електронно-обчислювальних пристроях. Їх назвали ОВМ (оптичні обчислювальні машини) на відміну від звичайних ЕОМ. Завдяки їм з'явилася можливість введення в ОВМ прямої інформації - мови, зображення, тексту і пр.
Кремнійорганічні сполуки
Хімія кремнійорганічних з'єднань являє собою великий розділ сучасної науки. До числа найважливіших хімічних продуктів, необхідних для народного господарства (мастила, смоли, лаки, каучуки і т. д.), відносяться мономірні та полімерні кремнійорганічні сполуки. Перше кремнийорганической з'єднання було отримано в 1845 р. французьким хіміком Ж. Ебельменом. Взаємодією тетрахлориду кремнію і етилового спирту він отримав етиловий ефір ортокремніевой кислоти (тетраетоксісілан, етилсилікати Si (ОЗ 2 Н 5) 4). Далі були отримані четирехзамещенние органічні сполуки кремнію з загальною формулою SiR 4 та інші з'єднання.
| |
- Si - O - Si - O -
| |
Рис.4 силоксановой зв'язку

Підпис: | | - Si - O - Si - O - | | Рис.4 силоксановой зв'язку Серед вчених панувало уявлення про повну подібність сполук кремнію та вуглецю. Вважалося, що заміна атомів вуглецю в органічних сполуках атомами кремнію не призводить до істотної зміни властивостей органічних сполук кремнію. У цей період Д.І. Менделєєв опублікував кілька робіт з хімії кремнію і кремнійорганічних сполук. Його дисертація на звання приват-доцента, не втратила своєї цінності до теперішнього часу, називалася «Про будову кремнеземистих сполук» (1856 р.). Д.І. Менделєєв першим з хіміків показав, що кремній на відміну від вуглецю здатний утворювати з киснем продукти полімерної структури (рис. 4). Такі полімери містять у своєму складі чергуються зв'язку кремній - кисень (силоксанові зв'язку).
Д.І. Менделєєв заклав основи хімії кремнійорганічних сполук. Він детально вивчив відкриту раніше Ж. Ебельменом реакцію утворення тетраетоксісілана, встановив правильну будову цього з'єднання і чотирьохвалентного кремнію, а також визначив ряд фізичних констант. Приділяючи велику увагу хімії кремнійорганічних сполук. Поглядів Д.І. Менделєєва на будову кисневих сполук кремнію дотримувалися А.М. Бутлеров, М. А. Меншуткин та інші російські хіміки. За кордоном роботи Д.І. Менделєєва цього періоду були або невідомі, чи не зрозуміли.
В історії розвитку хімії кремнійорганічних сполук провідна роль належить нашій вітчизняній науці. Початком сучасного розвитку хімії високомолекулярних кремнійорганічних сполук є розробка академіком К.А. Андріянова з співробітниками способу синтезу кремнійорганічних смол (1937 р.) і освоєння промислового виробництва кремнійорганічних полімерів. Відразу різко зріс інтерес до елементоорганічних сполук цього класу. В даний час синтезовано кілька тисяч кремнійорганічних сполук, вивчено їх фізико-хімічні властивості, методи синтезу і області їх практичного застосування.
Всі кремнійорганічні сполуки умовно розділені на дві великі групи - низькомолекулярні і високомолекулярні з'єднання. З них практичне значення отримали не кремнійорганічні сполуки c ланцюгами кремній - кремній (силани), а сполуки, що містять ланцюга кремній - кисень (силоксан). Чим пояснити переваги кремнійорганічних сполук, що містять силоксанові ланцюга?
Зв'язок кремнію з кремнієм в кремнійорганічних сполуках термічно нестійка. Нагрівання сполук, що містять цей зв'язок, до 200-250 ° С призводить до їх повного розкладання. Силоксанова зв'язок відрізняється високою термічною стійкістю. У залежності від складу і будови кремнійорганічних сполук їх термічна стабільність знаходиться в межах 300-500 ° С. У хімічному відношенні зв'язок кремній - кисень значно стійкіші зв'язку кремній - кремній. Вона руйнується тільки при взаємодії з фтором, сірчаної кислотою і міцними лугами при нагріванні.
Кремнійорганічні мономірні сполуки є найважливішими напівпродукти для синтезу кремнійорганічних полімерів. Вихідним доступним сировиною для отримання кремнійорганічних мономерних сполук є кремній, кремнезем, кокс, хлор, хлороводень і т. д. Найбільше поширення отримали методи отримання кремнійорганічних мономерів з кремнезему через тетрахлорид кремнію і з кремнезему через елементарний кремній. Структура кремнійорганічних полімерів аналогічна структурі кварцу і силікатів, вони також мають велику термічної стійкістю. Різниця в структурах - наявність органічних радикалів у кремнійоргакіческіх полімерів, які надають високу еластичність молекулі полімеру. Оксид кремнію (IV) і силікати також мають полімерне будову.
Кремнійорганічні мономери в основному використовують для отримання полімерів, але вони знаходять також і самостійне застосування. З них основне промислове значення має етиловий ефір ортокремніевой кислоти Si (OC 2 H 5) 4 (етил-силікат) - сполучна речовина при отриманні цементів, кераміки, фарбувальних речовин. Після просочення етилсилікати тканин, шкір, вати, паперу, дерева, азбесту, гіпсу, бетону і т. д. ці матеріали стають водонепроникними і менш горючими. Етилсилікати застосовують також для приготування спеціальних клеїв. Етиловий ефір ортокремніевой кислоти використовують для отримання жаростійких ливарних форм у виробництві точного лиття.
Кремнійорганічні рідини можуть бути отримані з широким діапазоном температур кипіння і в'язкості. Їх в'язкість дуже мало змінюється в інтервалі температур від -70 до +250 ° С.
Температура замерзання більшості кремнійорганічних рідин близько -70 ° С (іноді -130 ° С і нижче), в той час як у нафтових масел з тією ж температурою кипіння вона складає від -20 до -40 ° С.
Поліорганосілоксановие рідини термічно стабільні. Вони не змінюють кольору і практично не окисляються киснем повітря при тривалому нагріванні до 200 ° С. В атмосфері інертних газів, а також на повітрі у присутності інгібіторів вони стійкі і при більш високих температурах.
Кремнійорганічні смоли - безбарвні або від жовтого до коричневого кольору продукти. Вони добре розчиняються в багатьох органічних розчинниках, і їх розчини використовуються як лаки. Кремнійорганічні смоли володіють виключно високою термічною стійкістю і стійкістю до окислення.
Раніше використовували різні способи підвищення водостійкості матеріалів шляхом нанесення на їх поверхню захисних покриттів або просочень. Однак переважна більшість запропонованих складів мали суттєві недоліки: одні змінювали зовнішній вигляд оброблюваної поверхні, інші погіршували фізико-хімічні та механічні властивості оброблюваного матеріалу або значно збільшували його масу; пористі матеріали ставали повітронепроникними і т. д.
В даний час знайдено позбавлена ​​цих недоліків можливість підвищення водостійкості матеріалів, що полягає в обробці останніх різними кремнійорганічними сполуками. Оброблені кремнійорганічними сполуками матеріали не змочуються ні водою, ні водними розчинами. Пористі матеріали після обробки кремнійорганіческнмі сполуками перестають вбирати в себе воду, а їх повітропроникність при цьому практично не змінюється. Така дія кремнійорганічних сполук зумовлено появою на поверхні обробленого матеріалу найтоншої полімерної плівки товщиною 3'10 -6 см.
Водовідштовхувальні властивості можна надати папері введенням кремннйорганіческой рідини безпосередньо в паперову масу перед виготовленням з неї паперу (проклейка паперу). Такий папір утримує на поверхні чорнильні штрихи без пропускання чорнила на зворотний бік і без розтікання їх по її поверхні. Текстильні тканини, просочені кремнійорганічними рідинами, стають непромокальними, до них не пристають чорнило та інші рідини. Вода на поверхні такої тканини збирається у вигляді кульок і стікає з неї. Навіть струмінь води не змочує оброблену кремнійорганіки тканину.
Широко застосовують кремнійорганічні рідини як мастил самого різного призначення. Вони забезпечують тривалу роботу машин і механізмів як при низькій (до -70 ° С), так і при високій (до +260 ° C) температурі. Чудовою особливістю кремнійорганічних сполук - масел - є сталість в'язкості в широкому інтервалі температур. Випробування кремнійорганічних рідин на піддослідних тварин, а потім і на людях показали, що вони нешкідливі. Тому кремнійорганічні рідини стали використовувати для приготування кремів, мазей та інших косметичних препаратів. У літературі є вказівки на можливість використання кремнійорганічних рідин в якості розчинників, ліків, що застосовуються для внутрішньом'язового вливання, і в якості середовища для стерилізації хірургічних інструментів. В останньому випадку інструмент під час стерилізації одночасно і змащується.
Інтенсивно розширюється сфера застосування кремнійорганічних смол, лаків і каучуків. Висока теплостійкість кремнійорганічних смол, стійкість до дії вологи, кисню, озону, сонячного світла, а також високі захисні властивості та діелектричні характеристики кремнійорганічних лакових плівок забезпечили їх широке застосування у господарстві. З каучуків спеціального призначення великий інтерес представляють кремнійорганічні каучуки, що стали незамінними в багатьох галузях сучасної техніки. Характерними властивостями, що вигідно відрізняють поліорганної-силоксанові каучуки вуглеводневих від, є термо-і морозостійкість, високі ізоляційні та діелектричні властивості, хімічна стійкість і багато інших.
Кремнійорганічні каучуки знайшли також застосування як термостійких клеїв для склеювання скла, сталі, алюмінію, латуні і т. п., а також для склеювання каучуків та гум один з одним. Синтетичний кремнійорганічний клей при складанні великих металевих споруд замінює заклепки, дозволяє обходитися без зварювання деталей. У місті Брно (Чехословаччина) побудований міст, деталі якого скріплені за допомогою цього клею. В даний час розроблені нові види кремнійорганічних каучуків з бензомаслостойкостью, зберігають ці властивості як при низьких, так і при високих температурах.
У людському організмі кремній міститься повсюдно, але найбільше - в кістках, шкірі, сполучної тканини, а також в деяких залозах. При переломах кісток вміст кремнію в місці перелому підвищується майже в 50 разів. Мінеральні води з високим вмістом кремнію роблять благотворний вплив на здоров'я людей, особливо літніх. З віком вміст кремнію в організмі суттєво зменшується, тому у людей похилого віку повільніше зростаються зламані кістки.
Але, з іншого боку, давно відомо серйозне захворювання - силікоз, що викликається тривалим вдиханням пилу, що містить вільний двоокис кремнію. Деякі кремнійорганічні сполуки виявилися токсичними для всіх теплокровних організмів.
Кремнієва життя
Ще кілька років тому американський професор астрономії Том Голд висловив переконання в тому, що всередині Землі могло зародитися життя, заснована на кремнії і не має нічого спільного зі звичними нам формами організмів. Науковий світ поставився до його гіпотезі прохолодно. А сьогодні вже відкрито і абсолютно доведено існування на Землі кремнієвої форми життя.
Унікальний матеріал, що підтверджує наявність кремнієвої форми життя на Землі, яку автор відкриття назвав Крей, опублікований А.А. Боковикова. Його відкриття було вивчено в Томському відділенні мінералогічного товариства РАН (Томо РАН) і одержало позитивний висновок. До доповіді додавалися 24 кольорові фотографії, на яких можна було бачити різні етапи розвитку агатів і навіть «народження» маленького агатіка.
Протягом семи років А. Боковиков збирав і досліджував агати - не мертві камені, а, як було доведено їхнє, живі організми з багатьма ознаками, властивими білкову форму життя, зокрема:
Ø Чітко виражена анатомія кремнієвих організмів
Ø Наявність підлог
Ø Розмноження насінням і відбрунькування
Ø Внутрікаменное розвиток зародка
Ø Наявність шкіри
Ø Линяння шкіри
Ø Регенерація шкіри
Ø заліковування ран, тріщин, сколів
Ø Кристалічне тіло - сховище спадкової інформації
Надзвичайно цікаві спостереження автора. Агат має чітко виражену анатомію: на кольорових фотографіях, зроблених в ході досліджень, добре видно шкіру, смугасте тіло, кристалічне тіло. У даному випадку шкірою названа зовнішня оболонка; смугасте тіло - це чоловіче тіло, а кристалічна - жіноче. Останні - це, за твердженням автора, гени агатів. Причому наявність підлог у крее визначено дослідником з великою вірогідністю. Так, виникнення і розвиток зародків агата відбувається тільки в кристалічному тілі і ніколи смугастому. Автор припустив, що навколо яйцеклітини, як і інших біологічних структур, існує біополе. Один з різновидів біополя - лазерне поле, здатне випромінювати не тільки світло, Ної звук. На акустичні коливання клітина накладає генетичну інформацію, яка може здійснити партеногенез, тобто статеве розмноження без запліднення яйцеклітини. Здатністю звуку переносити генетичну інформацію пояснюється і поява зародків кремнієвих організмів всередині цілого і монолітного шматка базальту. При пошкодженні поверхні агата з'явилися подряпини і тріщини незабаром затягуються, відколи розрівнюються, хоча від них залишаються сліди.
Інші дослідження показали, що глини теж мають ознаки життя. Л. Койн з Каліфорнійського університету в Сан-Хосе знайшла, що каолінітові глини можуть збирати енергію, яка виділяється при радіоактивному розпаді, з навколишнього середовища, зберігати його і вивільняти в тих випадках, коли структура глини порушується певним чином, наприклад при її змочуванні чи висушуванні .
Але це не все. Були виявлені морські губки, що утворюють колонії на великій глибині. Їх основа - кремнієві полімери. Ці губки ростуть, харчуються і розмножуються без звичних для нас білкових структур. Те, що ці організми розвивалися на глибині, тобто під тиском, і практично без світла, доводить особливість кремнієвої життя. Для інших морських організмів - радіолярій, діатомей, морських зірок - діоксид кремнію становить основу скелета. Рослинам кремній надає міцність, тому що входить до складу механічної тканини. Чим жорсткіше стебло рослини, тим більше кремнію знаходять в його золі.
Постає питання: а чи має Крей перспективу розвитку на Землі? Адже існуючі кремнієві форми життя знаходяться на порівняно низькому ступені еволюцію, в той час як наша планета заселена розвиненими білковими істотами. Я вважаю, що це можливо, так як Крей має інші склад і структуру, і, отже, кремнієва життя взагалі не буде конкурувати з білкової. У них будуть різні місця проживання, їжа. Але, можливо, Крей не зможе розвиватися в земних умовах, і тоді питання про конкурентоспроможність відпадає.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Хімія | Реферат
91.1кб. | скачати


Схожі роботи:
Кремній в організмі людини
Каучуки і кремній органічні сполуки
Економічне обгрунтування програмного забезпечення на базі підприємства ЗАТ Кремній
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru