Свойства кремния

Размещено на http://www.allbest.ru/

Государственное автономное профессиональное общеобразовательное

Учреждение РБ «Уфимский медицинский колледж»

Реферат

На тему: «Свойства кремния»

Выполнила: Факкарова И.Ш.

Студентка 1-го курса

Группы: 11м

Город Уфа 2015



1. Происхождение кремния

Природные соединения кремния или силиция (англ. Silicon, франц. и нем. Silicium) - двуокись кремния (кремнезема) - известны очень давно. Древние хорошо знали горный хрусталь, или кварц, а также драгоценные камни, представляющие собой окрашенный в разные цвета кварц (аметист, дымчатый кварц, хальцедон, хризопраз, топаз, оникс и др.) Элементарный кремний был получен лишь в XIX в., хотя попытки разложить кремнезем предпринимались еще Шееле и Лавуазье, Дзви (с помощью Вольтова столба), Гей-Люссаком и Тенаром (химическим путем). Верцелиус, стремясь разложить кремнезем, нагревал его в смеси с железным порошком и углем до 1500° С и получил при этом ферросилиций. Лишь в 1823 r. при исследованиях соединений плавиковой кислоты, в том числе SiF₄, он получил свободный аморфный кремний ("радикал кремнезема") взаимодействием паров фтористого кремния и калия. Сент Клер-Девилль в 1855 г. получил кристаллический кремний.

Название силиций или кизель (Kiesel, кремень) было предложено Берцелиусом. Еще ранее Томсон предложил название силикон (Silicon), принятое в Англии и США, по аналогии с борон (Boron) и карбон (Carbon). Слово силиций (Silicium) происходит от силика (кремнезем); окончание "а" было принято в XVIII и XIX вв. для обозначения земель (Silica, Aluminia, Thoria, Terbia, Glucina, Cadmia и др.). В свою очередь слово силика связано с лат. Silex (крепкий, кремень).

2. Нахождение в природе

Содержание кремния в земной коре составляет по разным данным 27,6--29,5 % по массе. Таким образом, по распространённости в земной коре кремний занимает второе место после кислорода.

Встречается только в виде соединений. Оксид кремния образует большое количество природных веществ - горный хрусталь, кварц, кремнезем. Составляет основу многих полудрагоценных камней - агат, аметист, яшма и др. Также кремний входит в состав породообразующих минералов - силикатов и алюмосиликатов - полевых шпатов, глин, слюд и др.

Получение

В лаборатории

Восстановлением из оксида магнием или алюминием:

SiO₂ + 2Mg = Si + 2MgO;

3SiO₂ + 4Al = 3Si + 2Al₂O₃.

В промышленности

Восстановлением из оксида коксом в электрических печах:

SiO₂ + 2C = Si + 2CO.

При таком процессе кремний довольно сильно загрязнен карбидами кремния.

Наиболее чистый кремний получают восстановлением тетрахлорида кремния водородом при 1200 °С:

SiCl₄ + 2H₂ = Si + 4HCl,

или цинком:

SiCl₄ + 2Zn = Si + 2ZnCl₂.

Также чистый кремний получается при термическом разложении силана:

SiH₄ = Si + 2H₂.

3. Физические свойства кремния

Физические свойства: кристаллический кремний обладает металлическим блеском, тугоплавкий, очень твердый, полупроводник.

Кремний образует две аллотропные модификации - аморфный и кристаллический кремний.

Кристаллический кремний - вещество темно-серого цвета с металлическим блеском, имеет кубическую структуру алмаза, но значительно уступает ему по твердости, довольно хрупок. Температура плавления 1415 °C, температура кипения 2680 °C, плотность 2,33 г/см³. Обладает полупроводниковыми свойствами, его сопротивление понижается при повышении температуры.

Аморфный кремний - порошок бурого цвета на основе сильно разупорядоченной алмазоподобной структуры. Обладает большей реакционной способностью, чем кристаллический кремний.

4. Химические свойства

Взаимодействие с галогенами

При обычных условиях кремний довольно инертен, что объясняется прочностью его кристаллической решетки, непосредственно взаимодействует только с фтором, при этом проявляет восстановительные свойства:

Si + 2F₂ = SiF₄.

С хлором реагирует при нагревании до 400-600 °С:

Si + 2Cl₂ = SiCl₄.

Взаимодействие с кислородом

Измельченный кремний при нагревании до 400-600 °С реагирует с кислородом:

Si + O₂ = SiO₂.

Взаимодействие с другими неметаллами

При очень высокой температуре около 2000 °С реагирует с углеродом:

Si + C = SiC

и бором:

Si + 3B = B₃Si.

При 1000 °С реагирует с азотом:

3Si + 2N₂ = Si₃N₄.

С водородом не взаимодействует.

Взаимодействие с галогеноводородами

С фтороводородом реагирует при обычных условиях:

Si + 4HF = SiF₄ + 2H₂,

с хлороводородом - при 300 °С, с бромоводородом - при 500 °С.

Взаимодействие с металлами

Окислительные свойства для кремния менее характерны, но они проявляются в реакциях с металлами, при этом образует силициды:

2Ca + Si = Ca₂Si.

Взаимодействие с кислотами

Кремний устойчив к действию кислот, в кислой среде он покрывается нерастворимой пленкой оксида и пассивируется. Кремний взаимодействует только со смесью плавиковой и азотной кислот:

3Si + 4HNO₃ + 18HF = 3H₂[SiF₆] + 4NO + 8H₂O.

Взаимодействие со щелочами

Растворяется в щелочах, образуя силикат и водород:

Si + 2NaOH + H₂O = Na₂SiO₃ + H₂.

5. Биологическое значение

Еще великий В.И. Вернадский писал: "Никакой организм не может существовать без кремния". Кремний играет важную роль в процессе усвоения других элементов: кальция, фосфора, магния, серы, калия, алюминия, натрия и др. Поэтому употреблять большое количество биологически активных добавок не имеет смысла, если в организме не хватает соединений кремния. В дополнение ко всему, необходимо отметить, что из-за недостатка кремния развиваются различные заболевания.

Считается, что кальций основной участник формирования твердости тканей, а кремний ответственен за их гибкость. К примеру, без соединений кремния потеряют эластичность:

- соединительная ткань сухожилий;

- стенки сосудов и желудочно-кишечного тракта;

- железы внутренней секреции;

- хрящи;

- клапаны сердечно-сосудистой системы (сердца и вен).

При травмах и переломах костей в организме человека уровень кремния в костях повышается в 50 и более раз по сравнению с нормальным, здоровым состоянием. Как только происходит срастание тканей кости, содержание кремния становится прежним.

Кремний оказывает структурирующее действие на молекулы воды, что способствует удалению токсинов, грибков, вредных бактерий из организма.

В случае нехватки кремния в составе стенок сосудов, их эластичность падает. Вместе с этим уменьшается способность сосудов мозга сужаться и расширяться. Кроме того, в стенке начинают откладываться соли кальция, что еще больше снижает эластичность сосудов.

С нарушением обмена кремния связывают развитие следующих заболеваний:

· туберкулез;

· рожистое воспаление;

· катаракта;

· энцефалит;

· дерматиты;

· гепатиты;

· проказа.

Еще в 60-е годы XX века французскими учеными М. Лепгер и Ж. Лепгер были описаны факты, которые подтверждали, что у людей, страдающих атеросклерозом, зачастую очень низкий уровень кремния в тканях, составляющих основу стенки сосудов. Ученые также экспериментально доказали, что при дополнительном введении в организм соединений кремния приостанавливает формирование атеросклеротических бляшек, что позволяет длительно сохранять нормальную функцию сосудов.

Другие эффекты кремния в организме:

· стимулирующее воздействие на иммунную систему;

· улучшение роста волос и ногтей;

· уменьшение вероятности развития инфаркта и инсульта.

· алопеция (облысение) развивается в связи с гибелью волосяных фолликулов при нарушении обмена кремния.

В наибольших количествах Кремний обнаружен в плотной соединительной ткани, почках, поджелудочной железе. В суточном рационе человека содержится до 1 г Кремния. При высоком содержании в воздухе пыли оксида кремния (IV) она попадает в легкие человека и вызывает заболевание - силикоз. кремний химический аморфный

6. Пищевые источники кремния

Максимальное количество кремния содержится в нешлифованном рисе, овсяной крупе и просе. Пшеничные отруби и хлеб, сделанный из муки грубого помола, также являются доступным источником достаточного количества кремния. Включая в свой рацион шпинат, лук, сельдерей, морковь, огурцы, белокочанную капусту, человек получает данный микроэлемент. Молоко, мясо, яйца и другие продукты животного происхождения служат полноценными донорами кремния. Кроме вышеперечисленных источников, кремний содержится в следующих продуктах:

· семена подсолнуха

· перец

· томаты

· морская капуста

· свекла

· редис

· картофель

· топинамбур

· ревень

· вино, пиво

· абрикосы

· клубника

· кукуруза

Важная особенность, которую необходимо отметить: мясная пища препятствует поступлению кремния в организм, несмотря на то, что сама является хорошим источником данного микроэлемента. Овощи и фрукты, содержащие в своем составе растительную клетчатку, улучшают всасывание кремния. Углеводная и рафинированная пища не способствует повышению содержания кремния в сыворотке крови.

Большое количество кремния содержат следующие лекарственные растения:

· можжевельник

· хвощ полевой

· пижма

· полынь

· гинкго

· ромашка полевая

· тимьян

· китайский орех

· эвкалипт

Дефицит кремния

Недостаток содержания кремния в организме может приводить к развитию сахарного диабета, заболеваний сердечно-сосудистой системы и злокачественных новообразований, кандидоза. Нарушения деятельности нервной системы проявляются в виде расстройства координации движений, пошатывания при ходьбе; возникают общая слабость и раздражительность, чувство страха. Со стороны желудочно-кишечного тракта наблюдается возрастание частоты возникновения воспалительных заболеваний (гастрит, энтерит).

Дефицит кремния развивается не только в случае его недостаточного поступления, но и при ряде паразитарных заболеваний. Потребность в данном микроэлементе повышается в период активного роста у детей, физических перегрузках. Снижение кислотности желудочного сока приводит к нарушению всасывания кремния в желудке и тонком кишечнике.

Избыток кремния

Избыток кремния в организме развивается у людей, которые проживают в местности с высоким содержанием соединений кремния в воде и продуктах питания, что приводит к образованию камней в почках, развитию фиброза легких и опухолей плевры, органов брюшной полости. Мочекаменная болезнь в данном случае развивается в результате повышения активности процессов, заключающихся в кристаллизации солей в моче. При вдыхании кремния он в избыточном количестве накапливается в ткани легких, что служит причиной развития силикоза (затрудняется дыхание).

Значительно реже при избытке кремния наблюдаются:

· раздражительность;

· повышенная утомляемость;

· нарушение терморегуляции (снижение температуры тела ниже 36,4 °С либо повышение выше 38°С);

· снижение проницаемости сосудов;

· развитие депрессии.

Кремний используется в металлургии в качестве добавки к стали, в производстве сплавов. Их него изготавливают фотоэлементы, полупроводниковые приборы для производства радиоприёмников, телевизоров, компьютеров.

Силициды используются для получения жаропрочных и кислотоупорных сплавов и высокотемпературных полупроводниковых материалов.

Монооксид кремния применяется для создания изолирующих и защитных слоев в полупроводниковых устройствах.

Диоксид кремния применяется для производства стекла, керамики, бетонных изделий и кирпича. Чистый кварц используется в приборостроении.

Уравнения реакций:

Кремний горит в кислороде, образуя диоксид кремния, или оксид кремния:

Si+ 0₂ = SiO₂

Будучи неметаллом, при нагревании он соединяется с металлами с образованием силицидов, например:

Si + 2Mg = Мg₂Si

Силициды легко разлагаются водой или кислотами, при этом выделяется газообразное водородное соединение кремния -- силан:

Мg₂ Si + 2Н2SO₄ = 2MgSO₄ + SiH₄

В отличие от углеводородов силан на воздухе самовоспламеняется и сгорает с образованием диоксида кремния и воды:

SiH₄ + 20₂ = SiO₂ + 2Н₂О

Повышенная реакционная способность силана по сравнению с метаном СН4 объясняется тем, что у кремния больше размер атома, чем у углерода, поэтому химические связи --Н слабее связей С--Н.

Кремний взаимодействует с концентрированными водными растворами щелочей, образуя силикаты и водород:

Si + 2NаОН + Н₂0 = Na₂SiО₃ + 2Н₂

Кремний получают, восстанавливая его из диоксида магнием или углеродом. Оксид кремния(IV), или диоксид кремния, или кремнезем, как и С02, является кислотным оксидом. Однако в отличие от С02 имеет не молекулярную, а атомную кристаллическую решетку. Поэтому SiO2 твердое и тугоплавкое вещество. Он не растворяется в воде и кислотах, кроме, как вы знаете, плавиковой, но взаимодействует при высоких температурах со щелочами с образованием солей кремниевой кислоты -- силикатов.

Силикаты можно получить также сплавлением диоксида кремния с оксидами металлов или с карбонатами:

SiO₂ + СаО = СаSiO₃

SiO₂ + СаС0₃ = СаSiO₃ + С0₂

Силикаты натрия и калия называют растворимым стеклом. Их водные растворы -- это хорошо известный силикатный клей. Из растворов силикатов действием на них более сильных кислот -- соляной, серной, уксусной и даже угольной получается кремниевая кислота Н2SiO3:

К₂SiO₃ + 2НСl = 2КСl + Н₂SiO₃.

Следовательно, Н₂SiO₃ очень слабая кислота. Она нерастворима в воде и выпадает из реакционной смеси в виде студенистого осадка, иногда заполняющего компактно весь объем раствора, превращая его в полутвердую массу, похожую на студень, желе.

Размещено на Allbest.ru