Кристаллический кремний.

Кварц, горный хрусталь, аметист, хал­цедон, топаз, оникс... Трудно пове­рить, но все эти и многие другие «чу­деса подземного мира» состоят из одного и того же вещества — кремне­зёма, или оксида кремния(IV) SiO₂. Предположения о том, что в крем­незёме содержится новый, ещё неиз­вестный элемент, высказывались учё­ными уже в XVIII столетии. Однако в виде простого вещества кремний был выделен лишь в XIX в. Й. Я. Берцели­усом. Вначале он нагревал смесь крем­незёма с порошком железа и углём до 1500 °С, но чистый кремний получить не удавалось: в присутствии железа об­разуется ферросилиций — сплав, со­держащий оба эти элемента. Поняв, в чём ошибка, Берцелиус изменил спо­соб синтеза. В 1823 г., когда он про­пустил над калием пары фторида кремния(IV), удача наконец улыбну­лась ему. По реакции SiF₄+4К=Si+4KF был получен порошок аморф­ного кремния. Берцелиус доказал таже, что, сгорая на воздухе, кремний переходит в кремнезём.

По содержанию в земной коре (28 %) Si уступает только кислороду. В природе кремний встречается исклю­чительно в форме соединений. Обыч­ный речной песок представляет собой кремнезём, загрязнённый примесью глины и соединений железа. Наряду с глиной (каолином Al₂О₃•2SiO₂•2Н₂О) он образуется при выветривании по­левого шпата под действием углекис­лого газа и влаги воздуха:

К₂О•Al₂О₃•6SiO₂+3Н₂О+2СО₂=Al₂О₃•2SiO₂•2Н₂О+2КНСО₃+4SiO₂.

Кристаллический кремний — туго­плавкое (t_пл=1410 °С) вещество серо­го цвета с металлическим блеском. Такой кремний имеет структуру алма­за, но значительно уступает ему по твёрдости. Кристаллический крем­ний — полупроводник. Для измене­ния полупроводниковых свойств в него вводят донорные (мышьяк) или акцепторные (бор) примеси.

Аморфный кремний представляет собой порошок бурого цвета, значи­тельно более реакционноспособный, чем кристаллическая модификация. При комнатной температуре аморф­ный кремний реагирует со фтором, а при нагревании — хлором, бромом, кислородом, серой и некоторыми активными металлами, например маг­нием: 2Mg+Si=Mg₂Si, с образовани­ем силицидов.

Если порошок силицида магния внести в раствор кислоты, происхо­дит его разложение, сопровождающе­еся сильным треском: Mg₂Si+4HCl=2MgCl₂+SiH₄­. Выделяющийся при этом неустойчивый газ силан SiH₄ самовоспламеняется на воздухе, так как содержит примесь других, ещё менее устойчивых соединений: SiH₄+2О₂=SiO₂+2Н₂О.

Кремний инертен по отношению к большинству кислот (исключение со­ставляет смесь азотной и плавиковой

*Донорными являются атомы примеси, содержа­щие большее число валент­ных электронов, чем атом кремния. К ним относятся элементы V группы перио­дической системы (мышьяк, сурьма). Акцепторные при­меси (бор, алюминий) име­ют меньшее число валент­ных электронов, чем кремний.

** Cuликаты — это соли кремниевой кислоты H₂SiO₃, которая выпадает в виде белого осадка при дей­ствии на них сильными ки­слотами. Кремниевая кисло­та даже слабее угольной: её можно осадить, пропуская через раствор силиката углекислый газ: Na₂SiO₃+2Н₂O+2СО₂=H₂SiO₃¯+2NaHCO₃. При нагрева­нии H₂SiO₃ легко теряет во­ду, превращаясь в SiO₂. кислот), но довольно легко взаимодей­ствует с растворами щелочей. При этом сначала образуется ортосиликат Na₄SiO₄, который со временем превра­щается в метасиликат Na₂SiO₃:

Si+4NaOH=^t°Na₄SiO₄+2H₂­ Na₄SiO₄ + H₂O=Na₂SiO₃+2NaOH.

Оксид кремния SiO₂ является кис­лотным оксидом, хотя напрямую с во­дой не взаимодействует. Его переводят в силикаты сплавлением с щелочами: SiO₂+2NaOH=Na₂SiO₃+Н₂О.

Реакцию оксида кремния с углеро­дом проводят в электропечах при температуре около 2000 °С: SiO₂+3С=SiC+2CO. Образующийся карбид кремния SiC — карборунд — постро­ен аналогично алмазу (в кристалличе­ской решётке алмаза каждый второй атом углерода замещён атомом крем­ния). Как и алмаз, карборунд облада­ет необычайно высокой прочностью, что делает его важным абразивным материалом, который используют для шлифовки металлов. На основе карбида кремния изготовляют огне­упорные и кислотоупорные материа­лы, стоматологический инструмент. В промышленности кремний по­лучают также восстановлением крем­незёма коксом в электродуговых печах, но используют другое соотноше­ние реагентов и иные условия: SiO₂+2С=Si+2CO.

Кристаллический кремний нахо­дит применение в микроэлектрони­ке как элемент полупроводниковых усилителей и фотосопротивлений. Аморфный кремний нужен в метал­лургии в качестве раскислителя.

Оксид кремния(IV) является одним из исходных веществ при производ­стве стекла, керамики, цемента и бе­тона, а также силикатного кирпича. Это вещество выдерживает сильное нагревание  (t_пл =1610 °С), что делает его прекрасным огнеупорным мате­риалом. Таким кирпичом выкладыва­ют, например, мартеновские печи. Высокопористый кремнезём (так на­зываемая инфузорная земля) исполь­зуется как фильтрующий и теплоизо­ляционный материал.

При быстром охлаждении рас­плавленного кварца  (кристаллического SiO₂) образуется кварцевое стекло. В отличие от обычного, оно обладает химической стойкостью и благодаря этому свойству применяет­ся для изготовления лабораторной посуды. Кварц почти не расширяется при нагревании, поэтому, если раска­лённое докрасна кварцевое стекло охладить под струёй холодной воды, оно не растрескается.

Аметистовая щётка