Кремний (Si) — полуметалл, находящийся в группе 14 периодической системы элементов. В природных условиях встречается в виде кристаллического кремния и аморфного кремния. Кристаллический кремний обладает тетрагональной аллотропной структурой с прочными ковалентными связями, что обуславливает его высокую твёрдость (7 по шкале Мооса) и относительно высокую температуру плавления — 1414 °C. Аморфный кремний имеет менее упорядоченную структуру и используется преимущественно в полупроводниковой промышленности.
Кремний — химически инертный элемент при обычных условиях, не реагирует с водой, устойчив к большинству минеральных кислот, за исключением плавиковой (HF), с которой образует фториды кремния. Вступает в реакцию с щелочами при нагревании с образованием силикатов.
Окислительные свойства: Кремний проявляет тенденцию к образованию оксидов как при прямом соединении с кислородом, так и в результате взаимодействия с кислородсодержащими соединениями. Основной оксид кремния — диоксид кремния (SiO₂) — образует прочную трёхмерную сетку с высокой термической устойчивостью.
Взаимодействие с галогенами: Кремний активно реагирует с фтором, образуя SiF₄, в то время как реакции с хлором, бромом и йодом протекают при нагревании, формируя соответствующие галогениды SiCl₄, SiBr₄ и SiI₄.
С образованием кислот и солей: Кремний реагирует с щелочами с образованием силикатов и гидросиликатов, проявляя кислотные свойства как оксид:
SiO2 + 2NaOH → Na2SiO3 + H2O
Диоксид кремния с плавиковой кислотой образует тетрафторсилаты:
SiO2 + 6HF → H2SiF6 + 2H2O
Диоксид кремния (SiO₂): Основной и наиболее стабильный оксид кремния, встречающийся в природе в виде кварца, тридимита и кристобалита. SiO₂ обладает кислотными свойствами, растворяется в щелочах с образованием силикатов, но не реагирует с большинством кислот, кроме HF.
Свойства и применение: Диоксид кремния применяется в стекольной промышленности, производстве керамики, в полупроводниковой технологии, а также как компонент цемента и абразивных материалов.
Силикаты представляют собой соли кремниевой кислоты H₂SiO₃ и её полимерных форм. Основное строение — тетраэдр SiO₄, который может объединяться в цепочки, слои и трёхмерные сети.
Типы силикатов:
Силикаты играют фундаментальную роль в минералогии, строительстве и керамической промышленности. Они проявляют большую химическую стойкость и термоустойчивость.
Галогениды кремния: SiCl₄ — жидкость с резким запахом, легко гидролизуется с образованием HCl и SiO₂. SiF₄ — газ, применяется в производстве тетрафторсилатов. Галогениды кремния используются как прекурсоры для синтеза полимеров, стекол с особыми свойствами и специальных керамических материалов.
Органические соединения кремния (силаны): Представляют собой соединения вида SiH₄ и его производные, включая силоксаны и силаны с углеродными заместителями. Они находят применение в химической промышленности, полимеризации, производстве герметиков и эластомеров.
Кремний является основным материалом для полупроводниковой электроники. Его полупроводниковые свойства обусловлены кристаллической структурой и наличием узкой запрещённой зоны (~1,1 эВ). Легирование кремния различными примесями (бор, фосфор) позволяет получать полупроводники типа p и n, что лежит в основе современных микропроцессоров, солнечных батарей и сенсорной электроники.
Высокая химическая стойкость и термоустойчивость соединений кремния делают его незаменимым элементом в современной науке и технике, от строительных материалов до высокоточной электроники.