Главная Аудитория 4 Некоторые физико-химические свойства кремния и его соединений. Области применения чистого кремния. Кремнезем, его свойства и применение. Природные и промышленные силикаты. Их применение в строительстве

Некоторые физико-химические свойства кремния и его соединений. Области применения чистого кремния. Кремнезем, его свойства и применение. Природные и промышленные силикаты. Их применение в строительстве

Понятие элемента кремний.

Второй представитель элементов главной подгруппы IV группы Периодической системы Д.И.Менделеева. В природе кремний - второй по распространенности после кислорода химический элемент. Земная кора более чем на четверть состоит из его соединений.

Историческая справка.

В 1825 году шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус действием металлического калия на фтористый кремний SiF4 получил чистый элементарный кремний. Новому элементу было дано название «силиций» (от лат. silex — кремень). Русское название «кремний» введено в 1834 году российским химиком Германом Ивановичем Гессом. В переводе c др.-греч. κρημνός — «утёс, гора».

Нахождение в природе.

Чаще всего в природе кремний встречается в виде кремнезема - соединений на основе диоксида кремния (IV) SiO2 (около 12% массы земной коры). Основные минералы и горные породы, образуемые диоксидом кремния - это песок (речной и кварцевый), кварц и кварциты, кремень, полевые шпаты. Вторую по распространенности в природе группу соединений кремний составляют силикаты и алюмосиликаты.

Были отмечены единичные факты нахождения чистого кремния в самородном виде.

Физические свойства.

Кремний - полупроводник. Кремний существует в двух модификациях: аморфной и кристаллической. Аморфный кремний - порошок бурого цвета, плотностью 2,33 г/см3, растворяется в расплавах металлов. Кристаллический кремний - кристаллы темно-серого цвета, обладающие стальным блеском, твердый и хрупкий, плотностью 2,4 г/см3. Кремний состоит из трех изотопов: Si (28), Si (29), Si (30). В отличие от металлов электропроводность кремния с повышением температуры увеличивается.

Химические свойства.

Кремний горит в кислороде, образуя оксид кремния (IV).

Будучи неметаллом, при нагревании кремний соединяется с металлами с образованием силицидов. Силициды легко разлагаются водой или кислотами, при этом выделяется газообразное водородное соединение кремния - силан. В отличие от углеводородов силан на воздухе самовоспламеняется и сгорает с образованием оксида кремния (IV) и воды. Кремний взаимодействует с концентрированными водными растворами щелочей, образуя силикат и водород.

Получение кремния.

Свободный кремний можно получить прокаливанием с магнием мелкого белого песка, который представляет собой диоксид кремния:

SiO2 + 2Mg → 2MgO + Si

При этом образуется бурый порошок аморфного кремния.

В промышленности кремний технической чистоты получают, восстанавливая расплав SiO2 коксом при температуре около 1800оС в руднотермических печах шахтного типа. Чистота полученного таким образом кремния может достигать 99,9% (основные примеси - углерод, металлы). Возможна дальнейшая очистка кремния от примесей.

Применение кремния.

Кремний применяют для получения полупроводниковых материалов, а также кислотоупорных сплавов. При сплавлении кварцевого песка с углем при высоких температурах образуется карбид кремния SiC, который по твердости уступает только алмазу. Поэтому его используют для затачивания резцов металлорежущих станков и шлифовки драгоценных камней. Из расплавленного кварца изготавливают различную кварцевую химическую посуду, которая может выдерживать высокую температуру и не трескается при резком охлаждении. Соединения кремния служат основой для производства стекла и цемента.

Источники

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Кремний - четырнадцатый элемент Периодической таблицы. Обозначение - Si от латинского «silicium». Расположен в третьем периоде, IVА группе. Относится к неметаллам. Заряд ядра равен 14.

Кремний - один из самых распространенных в земной коре элементов. Он составляет 27% (мас.) доступной нашему исследованию части земной коры, занимая по распространенности второе место после кислорода. В природе кремний встречается только в соединениях: в виде диоксида кремния SiO 2 , называемого кремниевым ангидридом или кремнеземом, в виде солей кремниевых кислот (силикатов). Наиболее широко в природе распространены алюмосиликаты, т.е. силикаты, в состав которых входит алюминий. К ним относятся полевые шпаты, слюды, каолин и др.

Как углерод, входя в состав всех органических веществ, кремний является важнейшим элементом растительного и животного царства.

В обычных условиях кремний представляет собой вещество темно-серого цвета (рис. 1). По внешнему виду похож на металл. Тугоплавок - температура плавления равна 1415 o С. Характеризуется высокой твердостью.

Рис. 1. Кремний. Внешний вид.

Атомная и молекулярная масса кремния

Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Поскольку в свободном состоянии кремний существует в виде одноатомных молекул Si, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 28,084.

Аллотропия и аллотропные модификации кремния

Кремний может существовать в виде двух аллотропных модификаций: алмазоподобной (кубической) (устойчивая) и графитоподобной (неустойчивая). Алмазоподобный кремний находится в твердом агрегатном состоянии, а графитоподобный - в аморфном. Они также различаются по внешнему виду и химической активности.

Кристаллический кремний представляет собой вещество темно-серого цвета с металлическим блеском, а аморфный - порошок бурого цвета. Вторая модификация обладает большей реакционной способностью, чем первая.

Изотопы кремния

Известно, что в природе кремний может находиться в виде трех стабильных изотопов 28 Si, 29 Si и 30 Si. Их массовые числа равны 28, 29 и 30 соответственно. Ядро атома изотопа кремния 28 Si содержит четырнадцать протонов и четырнадцать нейтронов, а изотопов 29 Si и 30 Si - такое же количество протонов, пятнадцать и шестнадцать нейтронов соответственно.

Существуют искусственные изотопы кремния с массовыми числами от 22- х до 44-х, среди которых наиболее долгоживущим является 32 Si с периодом полураспада равным 170 лет.

Ионы кремния

На внешнем энергетическом уровне атома кремния имеется четыре электрона, которые являются валентными:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3р 2 .

В результате химического взаимодействия кремний может отдавать свои валентные электроны, т.е. являться их донором и превращаться в положительно заряженный ион, или принимать электроны от другого атома, т.е. быть акцептором, и превращается в отрицательно заряженный ион:

Si 0 -4e → Si 4+ ;

Si 0 +4e → Si 4- .

Молекула и атом кремния

В свободном состоянии кремний существует в виде одноатомных молекул Si. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу кремния:

Сплавы кремния

Кремний используется в металлургии. Он служит составной частью многих сплавов. Важнейшие из них - это сплавы на основе железа, меди и алюминия.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

Сколько потребуется оксида кремния (IV), содержащего 0,2 массовых примесей, чтобы получить 6,1 г силиката натрия.

Решение

Запишем уравнение реакции получения силиката натрия из оксида кремния (IV):

SiO 2 + 2NaOH = Na 2 SiO 3 + H 2 O.

Найдем количество вещества силиката натрия:

n(Na 2 SiO 3) = m (Na 2 SiO 3) / M(Na 2 SiO 3);

n(Na 2 SiO 3) = 6,1 / 122 = 0,05моль.

Согласно уравнению реакции n(Na 2 SiO 3) :n(SiO 2) = 1:1, т.е. n(Na 2 SiO 3) = n(SiO 2) = 0,05 моль.

Масса оксида кремния (IV) (без примесей) будет равна:

M(SiO 2) = Ar(Si) + 2×Ar(O) = 28 + 2×16 = 28 + 32 = 60 г/моль.

m pure (SiO 2) = n(SiO 2) ×M(SiO 2) = 0,05×60 = 3г.

Тогда масса оксида кремния (IV), необходимая для реакции будет равна:

m(SiO 2) =m pure (SiO 2)/w impurity = 3 / 0,2 = 15 г.

Ответ

15 г

ПРИМЕР 2

Задание

Какую массу силиката натрия можно получить при сплавлении оксида кремния (IV) с 64,2 г соды, массовая доля примесей в которой составляет 5%?

Решение

Запишем уравнение реакции получения силиката натрия путем сплавления соды и оксида кремния (IV):

SiO 2 + Na 2 CO 3 = Na 2 SiO 3 + CO 2 -.

Определим теоретическую массу соды (рассчитывается по уравнению реакции):

n(Na 2 CO 3) = 1 моль.

M(Na 2 CO 3) = 2×Ar(Na) + Ar(C) + 3×Ar(O) = 2×23 + 12 + 3×16 = 106 г/моль.

m(Na 2 CO 3) = n(Na 2 CO 3) ×M(Na 2 CO 3) = 1×106 = 106г.

Найдем практическую массу соды:

w pure (Na 2 CO 3) = 100% — w impurity = 100% — 5% = 95% = 0,95.

m pure (Na 2 CO 3) = m(Na 2 CO 3) ×w pure (Na 2 CO 3);

m pure (Na 2 CO 3) = 64,2 × 0,95 = 61 г.

Рассчитаем теоретическую массу силиката натрия:

n(Na 2 SiO 3) = 1 моль.

M(Na 2 SiO 3) = 2×Ar(Na) + Ar(Si) + 3×Ar(O) = 2×23 + 28 + 3×16 = 122 г/моль.

m(Na 2 SiO 3) = n(Na 2 SiO 3) ×M(Na 2 SiO 3) = 1×122 = 122г.

Пусть практическая масса силиката натрия равна х г. Составим пропорцию:

61 г Na 2 CO 3 - х г Na 2 SiO 3 ;

106 г Na 2 CO 3 - 122 г Na 2 SiO 3 .

Отсюда х будет равен:

х = 122 × 61 / 106 = 70,2 г.

Значит масса выделившегося силиката натрия равна 70,2 г.

Ответ

70,2 г

Соединения Кремния, широко распространенные на земле, были известны человеку с каменного века. Использование каменных орудий для труда и охоты продолжалось несколько тысячелетий. Применение соединений Кремния, связанное с их переработкой, - изготовление стекла - началось около 3000 лет до н. э. (в Древнем Египте). Раньше других известное соединение Кремния - оксид SiO 2 (кремнезем). В 18 веке кремнезем считали простым телом и относили к "землям" (что и отражено в его названии). Сложность состава кремнезема установил И. Я. Берцелиус. Он же впервые, в 1825, получил элементарный Кремний из фтористого кремния SiF 4 , восстанавливая последний металлическим калием. Новому элементу было дано название "силиций" (от лат. silex - кремень). Русское название ввел Г. И. Гесс в 1834.

Распространение Кремния в природе. По распространенности в земной коре Кремний - второй (после кислорода) элемент, его среднее содержание в литосфере 29,5% (по массе). В земной коре Кремний играет такую же первостепенную роль, как углерод в животном и растительном мире. Для геохимии Кремния важна исключительно прочная связь его с кислородом. Около 12% литосферы составляет кремнезем SiO 2 в форме минерала кварца и его разновидностей. 75% литосферы слагают различные силикаты и алюмосиликаты (полевые шпаты, слюды, амфиболы и т. д.). Общее число минералов, содержащих кремнезем, превышает 400.

При магматических процессах происходит слабая дифференциация Кремния: он накапливается как в гранитоидах (32,3%), так и в ультраосновных породах (19%). При высоких температуpax и большом давлении растворимость SiO 2 повышается. Возможна его миграция и с водяным паром, поэтому для пегматитов гидротермальных жил характерны значительные концентрации кварца, с которым нередко связаны и рудные элементы (золото-кварцевые, кварцево-касситеритовые и других жилы).

Физические свойства Кремния. Кремний образует темно-серые с металлическим блеском кристаллы, имеющие кубическую гранецентрированную решетку типа алмаза с периодом а = 5.431Å, плотностью 2,33 г/см 3 . При очень высоких давлениях получена новая (по-видимому, гексагональная) модификация с плотностью 2,55 г/см 3 . Кремний плавится при 1417 °С, кипит при 2600 °С. Удельная теплоемкость (при 20-100 °С) 800 Дж/(кг·К), или 0,191 кал/(г·град); теплопроводность даже для самых чистых образцов не постоянна и находится в пределах (25 °С) 84-126 вт/(м·К), или 0,20-0,30 кал/(см·сек·град). Температурный коэффициент линейного расширения 2,33·10 -6 К -1 , ниже 120 К становится отрицательным. Кремний прозрачен для длинноволновых ИК-лучей; показатель преломления (для λ = 6 мкм) 3,42; диэлектрическая проницаемость 11,7. Кремний диамагнитен, атомная магнитная восприимчивость -0,13-10 -6 . Твердость Кремния по Моосу 7,0, по Бринеллю 2,4 Гн/м 2 (240 кгс/мм 2), модуль упругости 109 Гн/м 2 (10 890 кгс/мм 2), коэффициент сжимаемости 0,325·10 -6 см 2 /кг. Кремний хрупкий материал; заметная пластическая деформация начинается при температуре выше 800°С.

Кремний - полупроводник, находящий большое применение. Электрические свойства Кремния очень сильно зависят от примесей. Собственное удельное объемное электросопротивление Кремния при комнатной температуре принимается равным 2,3·10 3 ом·м (2,3·10 5 ом·см).

Полупроводниковый Кремний с проводимостью р-типа (добавки В, Al, In или Ga) и n-типа (добавки Р, Bi, As или Sb) имеет значительно меньшее сопротивление. Ширина запрещенной зоны по электрическим измерениям составляет 1,21 эв при 0 К и снижается до 1,119 эв при 300 К.

Химические свойства Кремния. В соответствии с положением Кремния в периодической системе Менделеева 14 электронов атома Кремния распределены по трем оболочкам: в первой (от ядра) 2 электрона, во второй 8, в третьей (валентной) 4; конфигурация электронной оболочки 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 . Последовательные потенциалы ионизации (эв): 8,149; 16,34; 33,46 и 45,13. Атомный радиус 1,ЗЗÅ, ковалентный радиус 1,17Å, ионные радиусы Si 4+ 0,39Å, Si 4- 1,98Å.

В соединениях Кремний (аналогично углероду) 4-валентен. Однако, в отличие от углерода, Кремний наряду с координационным числом 4 проявляет координационное число 6, что объясняется большим объемом его атома (примером таких соединений являются кремнефториды, содержащие группу 2-).

Химическая связь атома Кремния с другими атомами осуществляется обычно за счет гибридных sр 3 -орбиталей, но возможно также вовлечение двух из его пяти (вакантных) 3d-орбиталей, особенно когда Кремний является шестикоординационным. Обладая малой величиной электроотрицательности, равной 1,8 (против 2,5 у углерода; 3,0 у азота и т. д.), Кремний в соединениях с неметаллами электроположителен, и эти соединения носят полярный характер. Большая энергия связи с кислородом Si - О, равная 464 кДж/молъ (111 ккал/молъ), обусловливает стойкость его кислородных соединений (SiO 2 и силикатов). Энергия связи Si - Si мала, 176 кДж/молъ (42 ккал/моль); в отличие от углерода, для Кремния не характерно образование длинных цепей и двойной связи между атомами Si. На воздухе Кремний благодаря образованию защитной оксидной пленки устойчив даже при повышенных температурах. В кислороде окисляется начиная с 400 °С, образуя оксид кремния (IV) SiO 2 . Известен также оксид кремния (II) SiO, устойчивый при высоких температурах в виде газа; в результате резкого охлаждения может быть получен твердый продукт, легко разлагающийся на тонкую смесь Si и SiO 2 . Кремний устойчив к кислотам и растворяется только в смеси азотной и фтористоводородной кислот; легко растворяется в горячих растворах щелочей с выделением водорода. Кремний реагирует с фтором при комнатной температуре, с остальными галогенами - при нагревании с образованием соединений общей формулы SiX 4 . Водород непосредственно не реагирует с Кремнием, и кремневодороды (силаны) получают разложением силицидов (см. ниже). Известны кремневодороды от SiH 4 до Si 8 H 18 (по составу аналогичны предельным углеводородам). Кремний образует 2 группы кислородсодержащих силанов - силоксаны и силоксены. С азотом Кремний реагирует при температуре выше 1000 °С, Важное практическое значение имеет нитрид Si 3 N 4 , не окисляющийся на воздухе даже при 1200 °С, стойкий по отношению к кислотам (кроме азотной) и щелочам, а также к расплавленным металлам и шлакам, что делает его ценным материалом для химической промышленности, для производства огнеупоров и других. Высокой твердостью, а также термической и химической стойкостью отличаются соединения Кремния с углеродом (карбид кремния SiC) и с бором (SiB 3 , SiB 6 , SiB 12). При нагревании Кремний реагирует (в присутствии металлических катализаторов, например меди) с хлорорганическими соединениями (например, с СН 3 Сl) с образованием органогалосиланов [например, Si(СН 3) 3 Cl], служащих для синтеза многочисленных кремнийорганических соединений.

Кремний образует соединения почти со всеми металлами - силициды (не обнаружены соединения только с Bi, Tl, Pb, Hg). Получено более 250 силицидов, состав которых (MeSi, MeSi 2 , Me 5 Si 3 , Me 3 Si, Me 2 Si и других) обычно не отвечает классическим валентностям. Силициды отличаются тугоплавкостью и твердостью; наибольшее практическое значение имеют ферросилиций (восстановитель при выплавке специальных сплавов, см. Ферросплавы) и силицид молибдена MoSi 2 (нагреватели электропечей, лопатки газовых турбин и т. д.).

Получение Кремния. Кремний технической чистоты (95-98%) получают в электрической дуге восстановлением кремнезема SiO 2 между графитовыми электродами. В связи с развитием полупроводниковой техники разработаны методы получения чистого и особо чистого Кремния Это требует предварительного синтеза чистейших исходных соединений Кремния, из которых Кремний извлекают путем восстановления или термического разложения.

Чистый полупроводниковый Кремний получают в двух видах: поликристаллический (восстановлением SiCl 4 или SiHCl 3 цинком или водородом, термическим разложением SiI 4 и SiH 4) и монокристаллический (бестигельной зонной плавкой и "вытягиванием" монокристалла из расплавленного Кремния - метод Чохральского).

Применение Кремния. Специально легированный Кремний широко применяется как материал для изготовления полупроводниковых приборов (транзисторы, термисторы, силовые выпрямители тока, тиристоры; солнечные фотоэлементы, используемые в космических кораблях, и т. д.). Поскольку Кремний прозрачен для лучей с длиной волны от 1 до 9 мкм, его применяют в инфракрасной оптике,

Кремний имеет разнообразные и все расширяющиеся области применения. В металлургии Кремний используется для удаления растворенного в расплавленных металлах кислорода (раскисления). Кремний является составной частью большого числа сплавов железа и цветных металлов. Обычно Кремний придает сплавам повышенную устойчивость к коррозии, улучшает их литейные свойства и повышает механическую прочность; однако при большем его содержании Кремний может вызвать хрупкость. Наибольшее значение имеют железные, медные и алюминиевые сплавы, содержащие Кремний. Все большее количество Кремния идет на синтез кремнийорганических соединений и силицидов. Кремнезем и многие силикаты (глины, полевые шпаты, слюды, тальки и т. д.) перерабатываются стекольной, цементной, керамической, электротехнической и других отраслями промышленности.

Кремний в организме находится в виде различных соединений, участвующих главным образом в образовании твердых скелетных частей и тканей. Особенно много Кремния могут накапливать некоторые морские растения (например, диатомовые водоросли) и животные (например, кремнероговые губки, радиолярии), образующие при отмирании на дне океана мощные отложения оксида кремния (IV). В холодных морях и озерах преобладают биогенные илы, обогащенные Кремнием, в тропич. морях - известковые илы с низким содержанием Кремния. Среди наземных растений много Кремния накапливают злаки, осоки, пальмы, хвощи. У позвоночных животных содержание оксида кремния (IV) в зольных веществах 0,1-0,5%. 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 в организме. Кремний в организме находится в виде различных соединений, участвующих главным образом в образовании твердых скелетных частей и тканей. Особенно много Кремния могут накапливать некоторые морские растения (например, диатомовые водоросли) и животные (например, кремнероговые губки, радиолярии), образующие при отмирании на дне океана мощные отложения оксида кремния (IV). В холодных морях и озерах преобладают биогенные илы, обогащенные Кремнием, в тропич. морях - известковые илы с низким содержанием Кремния. Среди наземных растений много Кремния накапливают злаки, осоки, пальмы, хвощи. У позвоночных животных содержание оксида кремния (IV) в зольных веществах 0,1-0,5%. 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 (латинский Silicium), Si, химический элемент IV группы короткой формы (14-й группы длинной формы) периодической системы; атомный номер 14, атомная масса 28,0855. Природный кремний состоит из трёх стабильных изотопов: 28 Si (92,2297%), 29 Si (4,6832%), 30 Si (3,0872%). Искусственно получены радиоизотопы с массовыми числами 22-42.

Историческая справка . Широко распространённые на земле соединения кремния использовались человеком с каменного века; например, с глубокой древности до железного века кремень применяли для выделки каменных орудий труда. Переработка соединений кремния - изготовление стекла - началась в 4-м тысячелетии до нашей эры в Древнем Египте. Элементарный кремний получен в 1824-25 Й. Берцелиусом при восстановлении фторида SiF 4 металлическим калием. Новому элементу было дано название «силиций» (от латинского silex - кремень; русское название «кремний», введённое в 1834 Г. И. Гессом, также происходит от слова «кремень»).

Распространённость в природе . По распространённости в земной коре кремний - второй химический элемент (после кислорода): содержание кремния в литосфере составляет 29,5% по массе. В свободном состоянии в природе не встречается. Важнейшие минералы, содержащие кремний, - алюмосиликаты и силикаты природные (амфиболы природные, полевые шпаты, слюды и др.), а также кремнезёма минералы (кварц и другие полиморфные модификации кремния диоксида).

Свойства . Конфигурация внешней электронной оболочки атома кремния 3s 2 3р 2 . В соединениях проявляет степень окисления +4, редко +1, +2, +3, -4; электроотрицательность по Полингу 1,90, потенциалы ионизации Si 0 → Si + →Si 2+ → Si 3+ →Si 4+ соответственно равны 8,15, 16,34, 33,46 и 45,13 эВ; атомный радиус 110 пм, радиус иона Si 4+ 40 пм (координационное число 4), 54 пм (координационное число 6).

Кремний - тёмно-серое твёрдое хрупкое кристаллическое вещество с металлическим блеском. Кристаллическая решётка кубическая гранецентрированная; t пл 1414 °С, t кип 2900 °С, плотность 2330 кг/м 3 (при 25 °С). Теплоёмкость 20,1 Дж/(моль∙К), теплопроводность 95,5 Вт/(м∙К), диэлектрическая проницаемость 12; твёрдость по Моосу 7. При обычных условиях кремний - хрупкий материал; заметная пластическая деформация наблюдается при температурах выше 800 °С. Кремний прозрачен для ИК-излучения с длиной волны больше 1 мкм (коэффициент преломления 3,45 при длине волны 2-10 мкм). Диамагнитен (магнитная восприимчивость - 3,9∙10 -6). Кремний - полупроводник, ширина запрещённой зоны 1,21 эВ (0 К); удельное электрическое сопротивление 2,3∙10 3 Ом∙м (при 25 °С), подвижность электронов 0,135-0,145, дырок - 0,048-0,050 м 2 /(В с). Электрические свойства кремния очень сильно зависят от наличия примесей. Для получения монокристаллов кремния с проводимостью р-типа используют легирующие добавки В, Al, Ga, In (акцепторные примеси), с проводимостью n-типа - Р, As, Sb, Bi (донорные примеси).

Кремний на воздухе покрывается оксидной плёнкой, поэтому при низких температурах химически инертен; при нагревании выше 400 °С взаимодействует с кислородом (образуются оксид SiO и диоксид SiO 2), галогенами (кремния галогениды), азотом (кремния нитрид Si 3 N 4), углеродом (кремния карбид SiC) и др. Соединения кремния с водородом - силаны - получают косвенным путём. Кремний взаимодействует с металлами с образованием силицидов.

Мелкодисперсный кремний - восстановитель: при нагревании взаимодействует с парами воды с выделением водорода, восстанавливает оксиды металлов до свободных металлов. Кислоты-неокислители пассивируют кремний вследствие образования на его поверхности нерастворимой в кислотах оксидной плёнки. Кремний растворяется в смеси концентрированной HNO 3 с HF, при этом образуется кремнефтороводородная кислота: 3Si + 4HNO 3 + 18HF = 3Н 2 + 4NO + 8Н 2 О. Кремний (особенно мелкодисперсный) взаимодействует со щелочами с выделением водорода, например: Si + 2NaOH + Н 2 О = Na 2 SiO 3 + 2Н 2 . Кремний образует различные кремнийорганические соединения.

Биологическая роль. Кремний относится к микроэлементам. Суточная потребность человека в кремнии 20-50 мг (элемент необходим для правильного роста костей и соединительных тканей). В организм человека кремний попадает с пищей, а также с вдыхаемым воздухом в виде пылеобразного SiO 2 . При длительном вдыхании пыли, содержащей свободный SiO 2 , возникает силикоз.

Получение . Кремний технической чистоты (95-98%) получают восстановлением SiO 2 углеродом или металлами. Высокочистый поликристаллический кремний получают восстановлением SiCl 4 или SiHCl 3 водородом при температуре 1000-1100 °С, термическим разложением Sil 4 или SiH 4 ; монокристаллический кремний высокой чистоты - зонной плавкой или по методу Чохральского. Объём мирового производства кремния около 1600 тысяч т/год (2003).

Применение . Кремний - основной материал микроэлектроники и полупроводниковых приборов; используется при изготовлении стёкол, прозрачных для ИК-излучения. Кремний является компонентом сплавов железа и цветных металлов (в малых концентрациях кремний повышает коррозионную стойкость и механическую прочность сплавов, улучшает их литейные свойства; в больших концентрациях может вызвать хрупкость); наибольшее значение имеют железные, медные и алюминиевые кремнийсодержащие сплавы. Кремний применяют в качестве исходного вещества для получения кремнийорганических соединений и силицидов.

Лит.: Баранский П. И., Клочков В. П., Потыкевич И. В. Полупроводниковая электроника. Свойства материалов: Справочник. К., 1975; Дроздов А. А., Зломанов В. П., Мазо Г. Н., Спиридонов Ф. М. Неорганическая химия. М., 2004. Т. 2; Шрайвер Д., Эткинс П. Неорганическая химия. М., 2004. Т. 1-2; Кремний и его сплавы. Екатеринбург, 2005.

Физические свойства. Кремний хрупок. При нагревании выше 800° C увеличивается его пластичность. Он устойчив к воздействию кислот. В кислой среде покрывается нерастворимой пленкой оксида и пассивируется.

Микроэлемент прозрачен для инфракрасного излучения, начиная с длины волны 1,1 мкм.

Химические свойства. Кремний взаимодействует:

с галогенами (фтором) с проявлением восстановительных свойств: Si + 2F2 = SiF4. С хлороводородом вступает в реакцию при 300° С, с бромоводородом – при 500° С;
с хлором при нагревании до 400–600° С: Si + 2Cl2 = SiCl4;
с кислородом при нагревании до 400–600° С: Si + O2 = SiO2;
с другими неметаллами. При температуре 2000° С реагирует с углеродом (Si + C = SiC) и бором (Si + 3B = B3Si);
с азотом при температуре 1000° С: 3Si + 2N2 = Si3N4;
с металлами с образованием силицидов: 2Ca + Si = Ca2Si;
с кислотами – только со смесью плавиковой и азотной кислот: 3Si + 4HNO3 + 18HF = 3H2 + 4NO + 8H2O;
с щелочью. Кремний растворяется и образуется силикат и водород: Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + H2.

С водородом не взаимодействует.

Взаимодействие в организме с витаминами и минералами

Кремний взаимодействует с витаминами , и . Сочетание злаков с цитрусовыми и зелеными овощами считается самым полезным.

Кремний участвует в борьбе со свободными радикалами. Взаимодействуя с тяжелыми металлами (свинцом), микроэлемент образует устойчивые соединения. Они выводятся мочеполовой системой. То же самое происходит со шлаками и токсичными веществами.

Кремний улучшает усвоение железа (Fe) и кальция (Ca) , кобальта (Cb), марганца (Mn), фтора (F).

Снижение концентрации кремния в соединительной ткани приводит к поражению сосудов, атеросклерозу, нарушению прочности костной ткани.

Роль кремния в возникновении и течении различных заболеваний

При недостатке кремния в организме увеличивается концентрация холестерина в крови. Из-за этого образуются холестериновые бляшки, ухудшается отток.

При потреблении кремния менее 20 мг в сутки ослабевает иммунитет. Появляются аллергические высыпания, кожа становится сухой и шелушится, развивается грибок.

Волосы истончаются, кожа головы шелушится и появляется зуд. Ногтевые пластины деформируются.

Работоспособность и психическое состояние ухудшаются из-за нарушения оттока крови и насыщения головного мозга кислородом.

При понижении количества кремния в организме до 1,2-1,6% чревато возникновением инсульта, инфаркта, сахарного диабета, вируса гепатита и онкологии.

Переизбыток кремния приводит к отложению солей в мочевыводящих путях и суставах, фиброзу и патологиям кровеносных сосудов. При наихудшем сценарии увеличивается печень, отекают конечности, синеют кожные покровы, появляется одышка.

Функциональный потенциал кремния

Главная задача кремния в организме – формирование костной, хрящевой ткани и стенок сосудов. 90% минерала содержится в соединительной и костной ткани, лимфатических узлах, щитовидной железе, волосах и коже. Однако этим функциональный потенциал химического элемента не ограничивается. Благодаря кремнию:

Источники кремния

Категория	Продукт	Примерное содержание кремния
Растительное масло	Кедровое, кунжутное, горчичное, миндальное, оливковое, арахисовое, тыквенное, льняное, соевое
Животные масла	Бараний, говяжий, свиной жиры, сало, маргарин, масло.Рыба: камбала, палтус, чавыча	Незначительное, после переработки кремний отсутствует
Сок	Виноградный, грушевый, клюквенный	В стакане – 24% суточной нормы микроэлемента
Орехи	Грецкие, фундук, фисташки, семена подсолнечника	В горсти орехов от 12 до 100% суточной нормы. Больше всего кремния в грецких орехах и фундуке (100% в 50 г), меньше всего – в фисташках (25% в 50 г)
Злаки	Нешлифованный рис, овсяная крупа, просо, пшеничные отруби, кукуруза, ячмень	Порция каши (200 г) содержит суточную норму кремния
Овощи	Капуста белокочанная, лук, сельдерей, огурцы, морковь, шпинат, картофель, редис, свекла. А также томаты, перец, ревень; фасоль, зелёные бобы и соя
Фрукты и ягоды	Абрикосы, бананы, яблоки; клубника, вишня, слива	В 200 г фруктов – до 40% суточной нормы кремния, в таком же количестве ягод – до 30%
Сухофрукты	Финики, инжир, изюм
Молочные продукты	Кислое молоко, кефир, яйца
Мясо и морепродукты	Курица, говядина; морская капуста, водоросли

Совет! Хотите быстро восполнить запасы кремния в организме? Забудьте о мясе с гарниром. Само по себе мясо, хоть и содержит достаточное количество кремния (30-50 мг в 100 г), препятствует его усвоению из других продуктов. Раздельное питание – наоборот. Сочетайте нешлифованный рис, ячмень, просо, пшено, гречку с овощами и фруктами. Устраивайте «разгрузочные» дни на абрикосах, грушах и вишне

Сочетание с другими питательными веществами

Избегайте сочетания кремния с алюминием. Действие последнего противоположно действию кремния.

Кремний совместно с другими микроэлементами участвует в химических реакциях синтеза коллагена и эластина, входящих в состав соединительной ткани кожи, волос и ногтей.

Кремний усиливает антиоксидантные свойства витаминов С, А, Е. Последние борются со свободными радикалами, вызывающими онкологические заболевания.

Для профилактики онкологических заболеваний употребляйте совместно такие продукты (описано в таблице)

Продукты, богатые витамином А:	Продукты, богатые витамином С:	Продукты, богатые витамином Е:
морковь, петрушка, щавель и рябина; свежий зеленый горошек, шпинат; горох, листья салата; тыква, помидоры, персик, абрикос; капуста белокочанная, фасоль стручковая зеленая, слива синяя, ежевика; красный перец, картофель, зеленый лук; шиповник, облепиха, чернослив; чечевица, соя, яблоки; бахчевые культуры; крапива, мята перечная	ягоды облепихи, клубника, черная смородина; цитрусовые, хрен; клубника, ананас; банан, вишня; капуста белокочанная брокколи, брюссельская, квашенная; зеленый молодой лук; малина, манго; зеленый перец, редька, шпинат	капуста, помидоры, корень сельдерея, тыква; зелень, сладкий перец, горошек; морковь, кукуруза; малина, черника, различные сухофрукты; черная смородина, шиповник (в свежем виде), слива; кунжут, мак, ячмень, овес, бобовые

Оксид кремния взаимодействует в организме с тяжелыми металлами (свинец) и токсинами. В результате химической реакции образуются устойчивые соединения, которые выводятся из организма почками.

Суточная норма

Суточная норма кремния (подано ниже) рассчитана только для взрослых. Верхний допустимый уровень потребления кремния для детей и подростков не установлен.

Дети до 6 месяцев и после 7-ми – отсутствует.

От 1 до 13 лет – отсутствует.
Подростки (мужской и женский пол) – отсутствует.
Взрослые – 20-50 мг.

При применении кремнийсодержащих препаратов (Атоксил) суточная дозировка у детей старше 7 лет и взрослых составляет 12 г. Максимальная доза препарата– 24 грамма в сутки. Для детей от года до 7 лет – 150-200 мг препарата на килограмм массы тела.

Недостаток и избыток кремния

Недостаток кремния может быть спровоцирован:

Недостаток кремния в организме опасен следующим состоянием:

от 1,2 до 4,7% – инсульт и инфаркт;
1,4% и менее – сахарный диабет;
1,6% и менее – вирус гепатита;
1,3% - онкологические заболевания.

Совет! Кремний участвует во всех видах обмена. Запасенный в стенках сосудов, микроэлемент оберегает их от проникновения жиров в плазму крови и блокирует кровеносное русло

Увеличьте в рационе количество продуктов, содержащих кремний, во время:

физической и эмоциональной усталости. Порция злаков на завтрак, большая тарелка зеленого салата на обед и стакан ряженки или кефира перед сном гарантируют заряд бодрости;
беременности и грудного вскармливания Иммунитет малыша и матери зависит от правильного рациона. 20-50 мг кремния в день сделают кости крепкими, а кожу – упругой;
подготовки к соревнованиям. Чем больше энергозатрат, тем больше кремнийсодержащих продуктов должно быть в рационе. Они предотвратят ломкость костей и растяжение связок и сухожилий;
пубертатного периода. Болевые ощущения в коленях (болезнь Шлатера) – распространенное явление. Клетки костной ткани делятся быстрее, чем клетки соединительной. Последняя не только поддерживает кость в анатомически правильном положении, но и оберегает от механических повреждений. Клюква, грецкие орехи и груша – отличный перекус для подростка.

Если состояние кожи, волос и ногтей неудовлетворительное, налегайте на каши и соки. Виноградный сок на завтра, клюквенный на обед и грушевый не ужин – первый шаг к эластичной и подтянутой коже.

Чем угрожает избыток кремния

Заболеть из-за избытка кремния в рационе невозможно, но в зоне риска жители местностей с высоким содержанием кремния в почве или воде.

Из-за высокой концентрации кремния в организме:

откладываются соли в мочевыводящих путях, суставах и других органах;
развивается фиброз в кровеносных сосудах и во всем организме в целом. Симптомы: учащенное дыхание при легкой нагрузке, уменьшение жизненной емкости легких, пониженное артериальное давление;
расширяется и гипертрофируется правый желудочек ("легочное сердце");
увеличивается печень, отекают конечности, синеют кожные покровы;
усиливается раздражительность, развивается астенический синдром;
повышается риск заболеваний верхних дыхательных путей. Наиболее распространенное из них – силикоз. Недуг развивается из-за вдыхания пыли, содержащей диоксид кремния, и протекает в хронической форме. По мере прогрессирования заболевания в легких пациента разрастается соединительная ткань. Нормальный газообмен нарушается, а на его фоне развиваются туберкулез, эмфизема или рак легких.

В зоне риска – работники рудников, литейных цехов, производителей огнеупорных материалов и керамических изделий. О заболевании сигнализируют затрудненное дыхание, одышка и кашель. Симптомы усиливаются при физической нагрузке. Фарфоро-фаянсовые, стекольные производства, месторождения руд цветных и драгоценных металлов, пескоструйная очистка литья – потенциально опасные объекты.

О переизбытке кремния свидетельствуют снижение и повышение температуры тела, депрессивное состояние, общая усталость и сонливость.

При подобных признаках включите в рацион морковь, свёклу, картофель, топинамбур, а также абрикосы, вишню, бананы и клубнику.

Препараты, содержащие кремний

Несмотря на то, что в организме взрослого содержится 1-2 г кремния, дополнительная порция не помешает. В сутки, с пищей и водой, взрослый потребляет около 3,5 мг кремния. На основной обмен взрослый тратит в три раза больше - около 9 мг. Причины повышенного употребления кремния – плохая экология, окислительные процессы, провоцирующие образование свободных радикалов, стрессы. Одними кремнийсодержащими продуктами не обойтись – запаситесь препаратами или лекарственными растениями.

Рекордсмены по содержанию кремния можжевельник, хвощ полевой, пижма, полынь, гинкго двулопастный. А также ромашка полевая, тимьян, китайский орех и эвкалипт.

Восполнить дефицит кремния можно при помощи кремниевой воды. Одно из свойства микроэлемента – структуризация молекул воды. Такая вода не пригодна для жизни патогенных микроорганизмов, простейших, грибков, токсинов и чужеродных химических элементов.

Кремниевая вода по вкусу и свежести напоминает талую воду.

Чтоб очистить и обогатить воду кремнием в домашних условиях, необходимо:

купить кремневые камушки в аптечном магазине – чем мельче, тем лучше (больше площадь соприкосновения кремня с водой);
положить в воду из расчета 50 г камней на 3 литра воды;
настаивать воду в стеклянной посуде при комнатной температуре в темном месте 3–4 дня. Чем дольше настаивается вода, тем более выражен лечебный эффект;
готовую воду перелить в другую емкость, оставив нижний слой глубиной 3–4 см (его использовать нельзя из-за скопления токсинов).
в герметичной емкости вода хранится до полутора лет.
пить кремниевую воду можно в любом количестве для профилактики атеросклероза, гипертонической и мочекаменной болезней, патологии кожи и сахарного диабета, инфекционных и онкологических заболеваний, варикозного расширения вен и даже нервно-психических болезней.

Атоксил (Atoxil). Действующее вещество Атоксила – диоксид кремния.

Форма выпуска:

порошок для приготовления суспензии;
бутылки по 12 г препарата;
флаконы по 10 мг препарата;
пакеты-саше по 2 г, в упаковке 20 пакетиков.

Фармакологическое действие. Действует как энтеросорбент, оказывает ранозаживляющее, противоаллергическое, противомикробное, бактериостатическое и дезинтоксикационное действие.

В органах желудочно-кишечного тракта препарат всасывает экзогенные и эндогенные токсины (бактериальные и пищевые аллергены, эндотоксины микроорганизмов, токсические вещества) и выводит их.

Ускоряет транспортировку токсинов из крови, лимфы и тканей в пищеварительный тракт.

Показания: диарея, сальмонеллез, вирусный гепатит А и В, аллергические заболевания (диатез, атопический дерматит), ожоги, трофические язвы, гнойные раны.

Применяется при заболеваниях почек, энтероколитах, токсическом гепатите, циррозе печени, гепатохолецистите, наркотической и алкогольной интоксикации, заболеваниях кожи (экземе, дерматитах, нейродермитах), интоксикациях при гнойно-септических процессах и ожоговой болезни.

Как применять:

Флакон. Открыть бутылку (флакон) с порошком, добавить до отметки 250 мл в чистую питьевую воду, взболтать до однородности.
Пакетик-cаше. 1-2 пакетика-саше растворить в 100-150 мл чистой питьевой воды. Принимать за один час до приема пищи или лекарственных препаратов.

Длительность лечения острых кишечных инфекций – 3-5 суток. Курс терапии – до 15 суток. При лечении вирусных гепатитов – 7-10 суток.

Побочные действия эффекты: запоры.

Противопоказания: обострение язвенной болезни двенадцатиперстной кишки и желудка, эрозии и язвы слизистой оболочки толстого и тонкого отделов кишечника, кишечная непроходимость, повышенная чувствительность к диоксиду кремния.

Препарат не назначают детям до одного года, беременным и кормящим грудью.

Взаимодействие с лекарствами:

с Ацетилсалициловой кислотой (Аспирин) – усиление дезагрегации тромбоцитов;
с Симвастатином и Никотиновой кислотой – снижение в крови атерогенных фракций показателей липидного спектра и повышение уровня липопротеидов ВП и холестерина;
с антисептиками (Трифураном, Фурациллином, Хлоргексидином, Бифураном и т.п.) – повышение эффективности терапии гнойно-воспалительных процессов.