Кремний
Кремний в живых организмах.
Кремний в организме находится в виде различных соединений, участвующих главным образом в образовании твёрдых скелетных частей и тканей. Особенно много К. могут накапливать некоторые морские растения (например, диатомовые водоросли) и животные (например, кремнероговые губки, радиолярии), образующие при отмирании на дне океана мощные отложения двуокиси кремния. В холодных морях и озёрах преобладают биогенные илы, обогащенные К., в тропических морях — известковые илы с низким содержанием К. Среди наземных растений много К. накапливают злаки, осоки, пальмы, хвощи. У позвоночных животных содержание двуокиси кремния в зольных веществах 0,1—0,5%. В наибольших количествах К. обнаружен в плотной соединительной ткани, почках, поджелудочной железе. В суточном рационе человека содержится до 1 г К. При высоком содержании в воздухе пыли двуокиси кремния она попадает в лёгкие человека и вызывает заболевание —Силикоз (от лат. silex — кремень),заболевание человека, вызываемое длительным вдыханием пыли, содержащей свободную двуокись кремния, относится к профессиональным болезням. Встречается у рабочих горнорудной, фарфорофаянсовой, металлургической, машиностроительной промышленности. С. — наиболее неблагоприятно протекающее заболевание из группы пневмокониозов; чаще, чем при других заболеваниях, отмечаются присоединение туберкулёзного процесса (т. н. силикотуберкулёз) и другие осложнения.
История открытия и использование.
Историческая справка. Соединения К., широко распространённые на земле, были известны человеку с каменного века. Использование каменных орудий для труда и охоты продолжалось несколько тысячелетий. Применение соединений К., связанное с их переработкой, — изготовление стекла — началось около 3000 лет до н. э. (в Древнем Египте). Раньше других известное соединение К. — двуокись SiO2 (кремнезём). В 18 в. кремнезём считали простым телом и относили к «землям» (что и отражено в его названии). Сложность состава кремнезёма установил И. Я. Берцелиус. В свободном состоянии кремний впервые был получен в 1811 году французским учёным Ж. Гей-Люссаком и О. Тенаром. В 1825 году шведский минералог и химик Иенс Якоб Берцелиус получил аморфный кремний. Бурый порошок аморфного кремния был получен восстановлением металлическим калием газообразного тетрафторида кремния:
SiF4 + 4K = Si + 4KF
Позже была получена кристаллическая форма кремния. Перекристаллизацией кремния из расплавленных металлов были получены серого цвета твёрдые, но хрупкие кристаллы с металлическим блеском. Русские названия элимента кремния ввёл в обиход Г. И. Гесс в 1834 году.
Распространение в природе.
Кремний после кислорода – самый распространённый элемент (27,6%) на земле. Это элемент, который входит в большинство минералов и горных пород, составляющих твёрдую оболочку земной коры. В земной коре К. играет такую же первостепенную роль, как углерод в животном и растительном мире. Для геохимии К. важна исключительно прочная связь его с кислородом. Наиболее широко распространённые соединения кремния – оксид кремния SiO2 и производные кремниевых кислот, называемые силикатами. Оксид кремния (IV) встречается в виде минерала кварца (кремнезем, кремень). В природе из этого соединения сложены целые горы. Попадаются очень крупные, массой до 40 тонн, кристаллы кварца. Обычный песок состоит из мелкого кварца, загрязнённого различными примесями. Ежегодное мировое потребление песка достигает 300 млн. тонн.
Из силикатов наиболее широко в природе распространены алюмосиликаты (каолин Al2O3*2SiO2*2H2O, асбест CaO*3MgO*4SiO2, ортоклаз K2O*Al2O3*6SiO2 и др.). Если в состав минерала кроме оксидов кремния и алюминия входят оксиды натрия, калия или кальция, то минерал носит название полевого шпата (белая слюда и др.). На долю полевых шпатов приходится около половины известных в природе силикатов. Горные породы гранит и гнейс включают кварц, слюду, полевой шпат.
В состав растительного и животного мира кремний входит в незначительных кол-вах. Его содержат стебли некоторых видов овощей и хлебных злаков. Этим объясняется повышенная прочность стеблей этих растений. Панцири инфузорий, тела губок,яйца и перья птиц, шерсть животных, волосы, стекловидное тело глаза также содержат кремний.
Анализ обрасцов лунного грунта, доставленного кораблями показали присутствие оксида кремния в кол-ве более 40 процентов. В составе каменных метеоритов содержание кремния достигает 20 процентов.
Строение атома и основные хим.и физ. св-ва.
К. образует тёмно-серые с металлическим блеском кристаллы, имеющие кубическую гранецентрированную решётку типа алмаза с периодом а = 5,431?, плотностью 2,33 г/см3. При очень высоких давлениях получена новая (по-видимому, гексагональная) модификация с плотностью 2,55 г/см3. К. плавится при 1417°С, кипит при 2600°С. Удельная теплоёмкость (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 120K становится отрицательным. К. прозрачен для длинноволновых ИК-лучей; показатель преломления (для l=6 мкм) 3,42; диэлектрическая проницаемость 11,7. К. диамагнитен, атомная магнитная восприимчивость —0,13?10-6. Твёрдость К. по Моосу 7,0, по Бринеллю 2,4 Гн/м2 (240 кгс/мм2), модуль упругости 109 Гн/м2 (10890 кгс/мм2), коэффициент сжимаемости 0,325?10-6 см2/кг. К. хрупкий материал; заметная пластическая деформация начинается при температуре выше 800°С.
К. — полупроводник, находящий всё большее применение. Электрические свойства К. очень сильно зависят от примесей. Собственное удельное объёмное электросопротивление К. при комнатной температуре принимается равным 2,3?103 ом?м (2,3?105 ом?см).
Полупроводниковый К. 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.
В соответствии с положением К. в периодической системе Менделеева 14 электронов атома К. распределены по трём оболочкам: в первой (от ядра) 2 электрона, во второй 8, в третьей (валентной) 4; конфигурация электронной оболочки 1s22s22p63s23p2. Последовательные потенциалы ионизации (эв): 8,149; 16,34; 33,46 и 45,13. Атомный радиус 1,33?, ковалентный радиус 1,17?, ионные радиусы Si4+ 0,39?, Si4- 1,98?.
В соединениях К. (аналогично углероду) 4-валентен. Однако, в отличие от углерода, К. наряду с координационым числом 4 проявляет координационное число 6, что объясняется большим объёмом его атома (примером таких соединений являются кремнефториды, содержащие группу [SiF6]2-).
Химическая связь атома К. с другими атомами осуществляется обычно за счёт гибридных sp3-орбиталей, но возможно также вовлечение двух из его пяти (вакантных) 3d-орбиталей, особенно когда К. является шестикоординационным. Обладая малой величиной электроотрицательности, равной 1,8 (против 2,5 у углерода; 3,0 у азота и т. д.), К. в соединениях с неметаллами электроположителен, и эти соединения носят полярный характер. Большая энергия связи с кислородом Si—O, равная 464 кдж/моль (111 ккал/моль), обусловливает стойкость его кислородных соединений (SiO2 и силикатов). Энергия связи Si—Si мала, 176 кдж/моль (42 ккал/моль); в отличие от углерода, для К. не характерно образование длинных цепей и двойной связи между атомами Si. На воздухе К. благодаря образованию защитной окисной плёнки устойчив даже при повышенных температурах. В кислороде окисляется начиная с 400°С, образуя кремния двуокись SiO2. Известна также моноокись SiO, устойчивая при высоких температурах в виде газа; в результате резкого охлаждения может быть получен твёрдый продукт, легко разлагающийся на тонкую смесь Si и SiO2. К. устойчив к кислотам и растворяется только в смеси азотной и фтористоводородной кислот; легко растворяется в горячих растворах щелочей с выделением водорода. К. реагирует с фтором при комнатной температуре, с остальными галогенами — при нагревании с образованием соединений общей формулы SiX4 (см. Кремния галогениды). Водород непосредственно не реагирует с К., и кремневодороды (силаны) получают разложением силицидов (см. ниже). Известны кремневодороды от SiH4 до Si8H18 (по составу аналогичны предельным углеводородам). К. образует 2 группы кислородсодержащих силанов — силоксаны и силоксены. С азотом К. реагирует при температуре выше 1000°С. Важное практическое значение имеет нитрид Si3N4, 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 др. Высокой твёрдостью, а также термической и химической стойкостью отличаются соединения К. с углеродом (кремния карбид SiC) и с бором (SiB3, SiB6, SiB12). При нагревании К. реагирует (в присутствии металлических катализаторов, например меди) с хлорорганическими соединениями (например, с CH3Cl) с образованием органогалосиланов [например, Si (CH3)3CI], служащих для синтеза многочисленных кремнийорганических соединений.
Получение.
Наиболее простым и удобным лабораторным способом получения кремния является восстановление оксида кремния SiO2 при высоких температурах металлами-востановителями. Вследствие устойчивости оксида кремния для восстановления применяют такие активные восстановители, как магний и алюминий:
3SiO2 + 4Al = 3Si + 2Al2O3
При восстановлении металлическим алюминием получают кристаллический кремний. Способ восстановления металлов из их оксидов металлическим алюминием открыл русский физикохимик НН Бекетов в 1865 году. При восстановлении оксида кремния алюминием выделяющейся теплоты не хватает для расплавления продуктов реакции – кремния и оксида алюминия, который плавится при 2050 С. Для снижения температуры плавления продуктов реакции в реакционную смесь добавляют серу и избыто алюминия. При реакции образуется легкоплавкий сульфид алюминия:
2Al + 3S = Al2S3
Капли расплавленного кремния опускаются на дно тигля.
К. технической чистоты (95—98%) получают в электрической дуге восстановлением кремнезёма SiO2 между графитовыми электродами.
SiO2+2C=Si+2CO
В связи с развитием полупроводниковой техники разработаны методы получения чистого и особо чистого К. Это требует предварительного синтеза чистейших исходных соединений К., из которых К. извлекают путём восстановления или термического разложения.
Чистый полупроводниковый К. получают в двух видах: поликристаллический (восстановлением SiCI4 или SiHCl3 цинком или водородом, термическим разложением Sil4 и SiH4) и монокристаллический (бестигельной зонной плавкой и «вытягиванием» монокристалла из расплавленного К. — метод Чохральского).
Путём хлорирования технического кремния получают тетрахлорид кремния. Старейшим методом разложения тетрахлорида кремния является метод выдающегося русского химика академика Н.Н.Бекетова. Метод этот можно представить уравнением:
SiCl4+Zn=Si+2ZnCl2.
Здесь пары тетрахлорида кремния, кипящего при температуре 57,6°C, взаимодействуют с парами цинка.
В настоящее время тетрахлорид кремния восстанавливают водородом. Реакция протекает по уравнению:
SiCl4+2Н2=Si+4НCl.
Кремний получается в порошкообразном виде. Применяют и йодидный способ получения кремния, аналогичный описанному ранее йодидному методу получения чистого титана.
Чтобы получить чистыми кремний, его очищают от примесей зонной плавкой аналогично тому, как получают чистый титан.
Для целого ряда полупроводниковых приборов предпочтительны полупроводниковые материалы, получаемые в виде монокристаллов, так как в поликристаллическом материале имеют место неконтролируемые изменения электрических свойств.
При вращении монокристаллов пользуются методом Чохральского, заключающимся в следующем: в расплавленный материал опускают стержень, на конце которого имеется кристалл данного материала; он служит зародышем будущего монокристалла. Стержень вытягивают из расплава с небольшой скоростью до 1-2 мм/мин. В результате постепенно выращивают монокристалл нужного размера. Из него вырезают пластинки, используемые в полупроводниковых приборах.
Применение.
Специально легированный К. широко применяется как материал для изготовления полупроводниковых приборов (транзисторы, термисторы, силовые выпрямители тока, управляемые диоды — тиристоры; солнечные фотоэлементы, используемые в космических кораблях, и т. д.). Поскольку К. прозрачен для лучей с длиной волны от 1 до 9 мкм, его применяют в инфракрасной оптике (см. также Кварц).
К. имеет разнообразные и всё расширяющиеся области применения. В металлургии К. используется для удаления растворённого в расплавленных металлах кислорода (раскисления). К. является составной частью большого числа сплавов железа и цветных металлов. Обычно К. придаёт сплавам повышенную устойчивость к коррозии, улучшает их литейные свойства и повышает механическую прочность; однако при большем его содержании К. может вызвать хрупкость. Наибольшее значение имеют железные, медные и алюминиевые сплавы, содержащие К. Всё большее количество К. идёт на синтез кремнийорганических соединений и силицидов. Кремнезём и многие силикаты (глины, полевые шпаты, слюды, тальки и т. д.) перерабатываются стекольной, цементной, керамической, электротехнической и др. отраслями промышленности.
Силицирование, поверхностное или объёмное насыщение материала кремнием. Производится обработкой материала в парах кремния, образующихся при высокой температуре над кремниевой засыпкой, или в газовой среде, содержащей хлорсиланы, восстанавливающиеся водородом (например, по реакции SiCI4 + 2H2 = Si + 4HC1). Применяется преимущественно как средство защиты тугоплавких металлов (W, Mo, Ta, Ti и др.) от окисления. Стойкость к окислению обусловливается образованием при С. плотных диффузионных «самозалечивающихся» силицидных покрытий (WSi2, MoSi2 и др.). Широкое применение находит силицированный графит.
Соединения.
Силициды.
Силициды (от лат. Silicium — кремний), химические соединения кремния с металлами и некоторыми неметаллами. С. по типу химической связи могут быть подразделены на три основные группы: ионно-ковалентные, ковалентные и металлоподобные. Ионно-ковалентные С. образуются щелочными (за исключением натрия и калия) и щёлочноземельными металлами, а также металлами подгрупп меди и цинка; ковалентные — бором, углеродом, азотом, кислородом, фосфором, серой, их называют также боридами, карбидами, нитридами кремния) и т. д.; металлоподобные — переходными металлами.
Получают С. сплавлением или спеканием порошкообразной смеси Si и соответствующего металла: нагреванием окислов металлов с Si, SiC, SiO2 и силикатами природными или синтетическими (иногда в смеси с углеродом); взаимодействием металла со смесью SiCl4 и H2; электролизом расплавов, состоящих из K2SiF6 и окисла соответствующего металла. Ковалентные и металлоподобные С. тугоплавки, стойки к окислению, действию минеральных кислот и различных агрессивных газов. С. используются в составе жаропрочных металлокерамических композиционных материалов для авиационной и ракетной техники. MoSi2 служит для производства нагревателей печей сопротивления, работающих на воздухе при температуре до 1600 °С. FeSi2, Fe3Si2, Fe2Si входят в состав ферросилиция, применяемого для раскисления и легирования сталей. Карбид кремния — один из полупроводниковых материалов.
Силицированный графит
Силицированный графит, графит, насыщенный кремнием. Производится обработкой пористого графита в кремниевой засыпке при 1800—2200 °С (при этом пары кремния осаждаются в порах). Состоит из графитовой основы, карбида кремния и свободного кремния. Сочетает свойственную графиту высокую термостойкость и прочность при повышенных температурах с плотностью, газонепроницаемостью, высокой стойкостью к окислению при температурах до 1750°С и эрозионной стойкостью. Применяется для футеровки высокотемпературных печей, в устройствах для разливки металла, в нагревательных элементах, для изготовления деталей авиационной и космической техники, работающих в условиях высоких температур и эрозии
Силал
Силал (от лат. Silicium — кремний и англ. alloy — сплав), жаростойкий чугун с повышенным содержанием кремния (5—6%). В СССР выпускаются 2 разновидности С. — с пластинчатым и шаровидным графитом. Из С. изготовляют относительно дешёвые литые детали, работающие в условиях высоких температур (800—900 °С), например дверки мартеновских печей, колосники, детали паровых котлов.
Силумин
Силумин (от лат. Silicium — кремний и Aluminium — алюминий), общее название группы литейных сплавов на основе алюминия, содержащих кремний (4—13%, в некоторых марках до 23%). В зависимости от желательного сочетания технологических и эксплуатационных свойств С. легируют Cu, Mn, Mg, иногда Zn, Ti, Be и другими металлами. С. обладают высокими литейными и достаточно высокими механическими свойствами, уступая, однако, по механическим свойствам литейным сплавам на основе системы Al — Cu. К достоинствам С. относится их повышенная коррозионная стойкость во влажной и морской атмосферах. С. применяются при изготовлении деталей сложной конфигурации, главным образом в авто- и авиастроении. В СССР выпускается С. марок АЛ2, АЛ4, АЛ9 и др.
Силикомарганец
Силикомарганец ферросплав основные компоненты которого — кремний имарганец; выплавляется в рудно-термических печах углевосстановительным процессом. С. с 10—26% Si (остальное Mn, Fe и примеси), получаемый из марганцевой руды, марганцевого шлака и кварцита, используется при выплавке стали как раскислитель и легирующая присадка, а также для выплавки ферромарганца с пониженным содержанием углерода силикотермическим процессом. С. с 28—30% Si (сырьём для которого служит специально получаемый высокомарганцевый низкофосфористый шлак) применяется в производстве металлического марганца.
Силикохром
Силикохром, ферросиликохром, ферросплав, основные компоненты которого — кремний и хром; выплавляется в рудно-термической печи углевосстановительным процессом из кварцита и гранулированного передельного феррохрома или хромовой руды. С. с 10—46% Si (остальное Cr, Fe и примеси) используется при выплавке низколегированной стали, а также для получения феррохрома с пониженным содержанием углерода силикотермическим процессом. С. с 43—55% Si применяется в производстве безуглеродистого феррохрома и при выплавке нержавеющей стали.
Сильхром
Сильхром (от лат. Silicium — кремний и Chromium — хром), общее название группы жаростойких и жаропрочных сталей, легированных Cr (5—14%) и Si (1—3%). В зависимости от требуемого уровня эксплуатационных свойств С. дополнительно легируют Mo (до 0,9%) или Al (до 1,8%). С. устойчивы против окисления на воздухе и в содержащих серу средах до 850—950 °С; применяются главным образом для изготовления клапанов двигателей внутреннего сгорания, а также деталей котельных установок, колосников и др. При повышенных механических нагрузках детали из С. надёжно работают в течение длительного срока при температурах до 600—800 °С. В СССР выпускается С. марок 4Х9С2, 4X10C2M и др.
Кремния галогениды
Кремния галогениды, соединения кремния с галогенами. Известны К. г. следующих типов (Х-галоген): SiX4, SiHnX4-n (галогенсиланы), SinX2n+2 и смешанные галогениды, например SiClBr3. При обычных условиях SiF4 — газ, SiCl4 и SiBr4 — жидкости (tпл — 68,8 и 5°С), SiI4 — твёрдое тело (tnл 124°С). Соединения SiX4 легко подвергаются гидролизу: SiX4+2H2O=SiO2+4HX; на воздухе дымят вследствие образования очень мелких частиц SiO2; тетрафторид кремния реагирует иначе: 3SiF4+2H2O=SiO2+2H2SiF6. Хлорсиланы (SiHnX4-n), например SiHCl3 (получается действием газообразного HCl на Si), при действии воды образуют полимерные соединения с прочной силоксановой цепью Si—O—Si. Отличаясь большой реакционной способностью, хлорсиланы служат исходными веществами для получения кремнийорганических соединений. Соединения типа SinX2n+2, содержащие цепи атомов Si, при Х — хлор, дают ряд, включая Si6Cl14 (tnл 320°С); остальные галогены образуют только Si2X6. Получены соединения типов (SiX2) n и (SiX) n. Молекулы SiX2 и SiX существуют при высокой температуре в виде газа и при резком охлаждении (жидким азотом) образуют твёрдые полимерные вещества, нерастворимые в обычных органических растворителях.
Тетрахлорид кремния SiCl4 используется при производстве смазочных масел, электроизоляций, теплоносителей, гидрофобизирующих жидкостей и т. д.
Карбид кремния.
Кремния карбид, карборунд, SiC, соединение кремния с углеродом; один из важнейших карбидов, применяемых в технике. В чистом виде К. к. — бесцветный кристалл с алмазным блеском; технический продукт зелёного или сине-чёрного цвета. К. к. существует в двух основных кристаллических модификациях — гексагональной (a-SiC) и кубической (b-SiC), причём гексагональная является «гигантской молекулой», построенной по принципу своеобразной структурно-направленной полимеризации простых молекул. Слои из атомов углерода и кремния в a-SiC размещены относительно друг друга по-разному, образуя много структурных типов. Переход b-SiC в a-SiC происходит при температуре 2100—2300°С (обратный переход обычно не наблюдается). К. к. тугоплавок (плавится с разложением при 2830°С), имеет исключительно высокую твёрдость (микротвёрдость 33400 Мн/м2 или 3,34 тс/мм2), уступая только алмазу и бора карбиду B4C; хрупок; плотность 3,2 г/см3. К. к. устойчив в различных химических средах, в том числе при высоких температурах.
К. к. получают в электропечах при 2000—2200°С из смеси кварцевого песка (51—55%), кокса (35—40%) с добавкой NaCI (I—5%) и древесных опилок (5—10%). Благодаря высокой твёрдости, химической устойчивости и износостойкости К. к. широко применяется как абразивный материал (при шлифовании), для резания твёрдых материалов, точки инструментов, а также для изготовления различных деталей химической и металлургической аппаратуры, работающей в сложных условиях высоких температур. К. к., легированный различными примесями, используется в технике полупроводников, особенно при повышенных температурах. Интересно использование К. к. в электротехнике — для изготовления нагревателей высокотемпературных электропечей сопротивления (силитовые стержни), грозоразрядников для линий передачи электрического тока, нелинейных сопротивлений, в составе электроизолирующих устройств и т. д.
Кремния Диоксид
КРЕМНИЯ ДИОКСИД (кремнезем), SiO2, кристаллы. Наиболее распространенный минерал — кварц; обычный песок — также кремния диоксид. Используют в производстве стекла, фарфора, фаянса, бетона, кирпича, керамики, как наполнитель резины, адсорбент в хроматографии, в электронике, акустооптике и др. Кремнезёма минералы, ряд минеральных видов, представляющих собой полиморфные модификации двуокиси кремния; устойчивы при определённых интервалах температуры в зависимости от давления.
Название минерала Система Давление, ам* Темпера-тура, °С Плотность, кг/м»
b-кристобалит кубическая 1 1728—1470 2190
b-тридимит Гексагональная 1 1470-870 2220
a-кварц гексагональная 1 870—573 2530
b-кварц тригональная 1 ниже 573 2650
b1-тридимит гексагональная 1 163-117 ок. 2260
a-тридимит метастабильный ромбическая 1 ниже 117 ок. 2260
a-кристобалит Тетрагональная 1 ниже 200 2320
Коэсит Метастабильные при низких темпе-ратурах и давлениях моноклинная 35 тыс. 1700—500 2930
Стишовит тетрагональная 100—180 тыс 1400—600 4350
Китит тетрагональная 350—1260 585-380 2500
* 1 am = 1 кгс/см2 @ 0,1 Мн/м2.
Основу кристаллической структуры К. м. составляет трёхмерный каркас, построенный из соединяющихся через общие кислороды тетраэдров (5104). Однако симметрия их расположения, плотность упаковки и взаимная ориентировка различны, что отражается на симметрии кристаллов отдельных минералов и их физических свойствах. Исключение представляет стишовит, основу структуры которого составляют октаэдры (SiO6), образующие структуру, подобную рутилу. Все К. м. (за исключением некоторых разновидностей кварца) обычно бесцветны. Твердость по минералогической шкале различна: от 5,5 (a-тридимит) до 8—8,5 (стишовит).
К. м. обычно встречаются в виде очень мелких зёрен, скрытокристаллических волокнистых (a-кристобалит, т. н. люссатит) и иногда сфероидальных образований. Реже — в виде кристалликов таблитчатого или пластинчатого облика (тридимит), октаэдрического, дипирамидального (a- и b-кристобалит), тонкоигольчатого (коэсит, стишовит). Большинство К. м. (кроме кварца) очень редки и в условиях поверхностных зон земной коры неустойчивы. Высокотемпературные модификации SiO2 — b-тридимит, b-кристобалит — образуются в мелких пустотах молодых эффузивных пород (дациты, базальты, липариты и др.). Низкотемпературный a-кристобалит, наряду с a-тридимитом, является одной из составных частей агатов, халцедонов, опалов; отлагается из горячих водных растворов, иногда из коллоидного SiO2. Стишовит и коэсит встречены в песчаниках метеорного кратера Каньон Дьявола в Аризоне (США), где они образовались за счёт кварца при мгновенном сверхвысоком давлении и при повышении температуры во время падения метеорита. В природе также встречаются: кварцевое стекло (т. н. лешательерит), образующееся в результате плавления кварцевого песка от удара молний, и меланофлогит — в виде мелких кубических кристалликов и корочек (псевдоморфозы, состоящие из опаловидного и халцедоновидного кварца), наросших на самородную серу в месторождениях Сицилии (Италия). Китит в природе не встречен.
Кварц (нем. Quarz), минерал; под названием К. известны две кристаллической модификации двуокиси кремния SiO2: гексагональный К. (или a-К.), устойчивый при давлении в 1 атм (или 100 кн/м2) в интервале температур 870—573 °С, и тригональный (b-К.), устойчивый при температуре ниже 573 °С. b-К. наиболее широко встречается в природе. Он кристаллизуется в классе тригонального трапецоэдра тригональной системы. Кристаллическая структура каркасного типа построена из кремне-кислородных тетраэдров, расположенных винтообразно (с правым или левым ходом винта) по отношению к главной оси кристалла. В зависимости от этого различают правые и левые структурно-морфологические формы кристаллов, различающиеся внешне по симметрии расположения некоторых граней (например, трапецоэдра и др.). Отсутствие плоскостей и центра симметрии у кристаллов К. обусловливает наличие пьезоэлектрических и пироэлектрических свойств.
Наиболее часто кристаллы К. имеют удлиненно-призматический облик с преимущественным развитием граней гексагональной призмы и двух ромбоэдров (головка кристалла). Реже кристаллы принимают облик псевдогексагональной дипирамиды. Внешне правильные кристаллы К. обычно сложно сдвойникованы, образуя наиболее часто двойниковые участки по т. н. бразильскому или дофинейскому законам. Последние возникают не только при росте кристаллов, но и в результате внутренней структурной перестройки при термических a — b переходах, сопровождаемых сжатием, а также при механических деформациях. Цвет кристаллов, зёрен, агрегатов К. самый разнообразный: наиболее обычны бесцветные, молочно-белые или серые К. Прозрачные или полупрозрачные красивоокрашенные кристаллы, называются особо: бесцветные, прозрачные — горный хрусталь; фиолетовые — аметист; дымчатые — раухтопаз; чёрные —морион; золотисто-жёлтые — цитрин. Различные окраски обычно обусловлены структурными дефектами при замене Si4+ на Fe3+ или Al3+ с одновременным вхождением в решётку Na1+, Li1+ или (ОН)1-. Встречаются также сложно окрашенные К. за счёт микровключений посторонних минералов: зелёный празем — включения микрокристалликов актинолита или хлорита; золотистый мерцающий авантюрин— включения слюды или гематита, и др. Скрытокристаллические разновидности К.— агат и халцедон — состоят из тончайших волокнистых образований. К. оптически одноосный, положительный. Показатели преломления (для дневного света l = 589,3): ne = 1,553; no = = 1,544. Прозрачен для ультрафиолетовых и частично инфракрасных лучей. При пропускании светового плоскополяризованного луча по направлению оптической оси левые кристаллы К. вращают плоскость поляризации влево, а правые — вправо. В видимой части спектра значение угла вращения (на толщину пластинки К. в 1 мм) меняется от 32,7 (для l 486 нм) до 13,9° (728 нм). Значение диэлектрической проницаемости (eij), пьезоэлектрического модуля (djj) и упругих коэффицентов (Sij) следующие (при комнатной температуре): e11 = 4,58; e33 = 4,70; d11= —6,76*10-8; d14 = 2,56*10-8; S11= 1,279; S12 = — 0,159; S13 = —0,110; S14 = —0,446; S33 = 0,956; S44 = 1,978. Коэффиценты линейного расширения составляют: перпендикулярно оси 3-го порядка 13,4*10-6 и параллельно оси 8*10-6. Теплота превращения b — a К. равна 2,5 ккал/моль (10,45 кдж/моль). Твёрдость по минералогической шкале 7; плотность 2650 кг/м3. Плавится при температуре 1710 °С и застывает при охлаждении в т. н. кварцевое стекло. Плавленный К.— хороший изолятор; сопротивление кубика с ребром в 1 см при 18 °С равно 5*1018 ом/см, коэффицент линейного расширения 0,57*10-6 см/ °С. Разработана экономически выгодная технология выращивания монокристаллов синтетический К., который получают из водных растворов SiO2 при повышенных давлениях и температурах (гидротермальный синтез). Кристаллы синтетического К. обладают стабильными пьезоэлектрическими свойствами, радиационной устойчивостью, высокой оптической однородностью и др. ценными техническими свойствами.
Природный К.— очень широко распространённый минерал, является существенной составной частью многих горных пород, а также месторождений полезных ископаемых самого разнообразного генезиса. Наиболее важные для промышленности кварцевые материалы— кварцевые пески, кварциты и кристаллический монокристальный К. Последний встречается редко и очень высоко ценится. В СССР главнейшие месторождения кристаллов К.— на Урале, в УССР (Волынь), на Памире, в бассейне р. Алдан; за рубежом — месторождения в Бразилии и Малагасийской Республике. Кварцевые пески — важное сырьё для керамической и стекольной промышленности. Монокристаллы К. находят применение в радиотехнике (пьезоэлектрические стабилизаторы частоты, фильтры, резонаторы, пьезопластинки в ультразвуковых установках и т.д.); в оптическом приборостроении (призмы для спектрографов, монохроматоров, линзы для ультрафиолетовой оптики и т.д.). Плавленый К. применяют для изготовления специальной химической посуды. К. также используется для получения химически чистого кремния. Прозрачные, красивоокрашенные разновидности К. являются полудрагоценными камнями и широко применяются в ювелирном деле.
Кварцевое стекло, однокомпонентное силикатное стекло, получаемое плавлением природных разновидностей кремнезёма — горного хрусталя, жильного кварца и кварцевого песка, а также синтетической двуокиси кремния. Различают два вида промышленного К. с.: прозрачное (оптическое и техническое) и непрозрачное. Непрозрачность К. с. Придает большое количество распределенных в нем мелких газовых пузырьков (диаметром от 0,03 до 0,3 мкм), рассеивающих свет. Оптическое прозрачное К. с., получаемое плавлением горного хрусталя, совершенно однородно, не содержит видимых газовых пузырьков; обладает наименьшим среди силикатных стекол показателем преломления (nD = 1,4584) и наибольшим свето-пропусканием, особенно для ультрафиолетовых лучей. Для К. с. характерна высокая термическая и химическая стойкость; температура размягчения К. с. 1400 °С. К. с. хороший диэлектрик, удельная электрическая проводимость при 20 °С—10-14 — 10-16ом-1м-1, тангенс угла диэлектрических потерь при температуре 20 °С и частоте 106 гц — 0,0025—0,0006. К. с. применяют для изготовления лабораторной посуды, тиглей, оптических приборов, изоляторов (особенно для высоких температур), изделий, стойких к температурным колебаниям.
Силаны
Силаны (от лат. Silicium — кремний), соединения кремния с водородом общей формулы SinH2n+2. Получены силаны вплоть до октасилана Si8H18. При комнатной температуре первые два К. — моносилан SiH4 и дисилан Si2H6 — газообразны, остальные — летучие жидкости. Все К. имеют неприятный запах, ядовиты. К. гораздо менее устойчивы, чем алканы, на воздухе самовоспламеняются, например 2Si2H6+7O2=4SiO2+6H2O. Водой разлагаются: Si3H8+6H2O=3SiO2+10H2. В природе К. не встречаются. В лаборатории действием разбавленных кислот на силицид магния получают смесь различных К., её сильно охлаждают и разделяют (путём дробной перегонки при полном отсутствии воздуха).
Кремниевые кислоты
Кремниевые кислоты, производные кремниевого ангидрида SiO2; очень слабые кислоты, мало растворимые в воде. В чистом виде были получены метакремниевая кислота H2SiO3 (точнее её полимерная форма H8Si4O12) и H2Si2O5. Аморфная двуокись кремния (аморфный кремнезём) в водном растворе (растворимость около 100 мг в 1 л) образует преимущественно ортокремниевую кислоту H4SiO4. В полученных разными способами пересыщенных растворах К. к. изменяются с формированием коллоидных частиц (молярная масса до 1500), на поверхности которых находятся группы OH. Образованный т. о. золь в зависимости от водородного показателя pH может быть устойчивым (pH около 2) или может агрегировать, переходя в гель (pH 5—6). Устойчивые высококонцентрированные золи К. к., содержащие специальные вещества — стабилизаторы, применяют при производстве бумаги, в текстильной промышленности, для очистки воды. Кремнефтористоводородная кислота, H2SiF6, сильная неорганическая кислота. Существует лишь в водном растворе; в свободном виде распадается на тетрафторид кремния SiF4 и фтористый водород HF. Применяется как сильно дезинфицирующее средство, но главным образом — для получения солей К. к. — кремнефторидов.
Силикаты
СИЛИКАТЫ, соли кислот кремния. Наиболее широко распространены в земной коре (80% по массе); известно более 500 минералов, среди них – драгоценные камни, например изумруд, берилл, аквамарин. Силикаты – основа цементов, керамики, эмалей, силикатного стекла; сырье в производстве многих металлов, клеев, красок и др.; материалы радиоэлектроники и т.д. Кремнефториды, фторсиликаты, соли кремнефтористоводородной кислоты H2SiF6. При нагревании распадаются, например CaSiF6 = CaF2 + SiF4. Соли Na, К, Rb, Cs и Ba трудно растворимы в воде и образуют характерные кристаллы, что используется в количественном и микрохимическом анализе. Наибольшее практическое значение имеет кремнефторид натрия Na2SiF6 (в частности, в производстве кислотоупорных цементов, эмалей и т. д.). Значительную долю Na2SiF6 перерабатывают на NaF. Получают Na2SiF6 из содержащих SiF4 отходов суперфосфатных заводов. Хорошо растворимые в воде кремнефториды Mg, Zn и Al (техническое название флюаты) применяют для придания водонепроницаемости строительному камню. Все К. (а также H2SiF6) ядовиты.
Приложения.
Рис.1 Правый и левый кварц. Рис.2 Кремнезёма минералы.
Рис.3 Кварц (структура)