Лекция № 2

 

Тема: Кремний и его открытие и распространенность в минеральном и органическом мире. Роль кремния и его соединений. Развитие химии кремния. Значение научных работ отечественных и зарубежных ученых.

1. Кремний и его открытие.

2. Развитие химии кремния.

3. Значение научных работ ученых.

 

 

Процелин - фарфор

Силаны - кремневодороды

 

Кремний 14 элемент периодической системы. Был получен в 1811 году Гей-Люссаком и Тенором восстановлением фторида кремния (SiF₄) металлическим калием.

На наружной оболочке атома находится 4 электрона, чем и обусловлено сходство Si с другими элементами четвертой группы.

SiО₂ – высшее кислородное соединение. В природе в свободном виде Si не встречается. По содержанию в земной коре (27, 6%) занимает второе место после кислорода.

Сравнительно чистый кремний получают восстановлением кварца SiО₂ магнием, а технически чистый – восстановлением (в электрических печах при 1800 ⁰С) либо углеродом в присутствие железа:

SiО₂ + 2 С = Si + 2СО

или карборундом:

SiО₂ + 2 SiС = 3 Si + 2СО

Атомный вес кремния составляет 28, 09. Имеются изотопы с массовыми числами 28, 29, 30. Получены три радиоактивных искусственных изотопа с массовыми числами 27, 31, 32. Период полураспада не менее 100 лет.

Si – плавится при 1414 ⁰ С и кипит при 2600 ⁰ С.

Развитие производства полупроводниковых приборов и электроники создало для Si ответственную сферу применения. Это электронные счетно-решающие и управляющие устройства, радиоэлектроника, телеуправление и т.д.

Кремний относится к весьма важным полупроводниковым материалам. В большинстве полупроводниковых устройств кремний используется виде монокристаллов. С начала получают его летучие соединения – галогениды и нитриды: SiCl₄ и пары цинка пропускают при 950 С через кварцевый реактор, где выпадают друзы кремния. Этот способ был предложен Бекетовым в прошлом столетие.

Монокристаллы кремния выращивают в тиглях из плавленого кварца погружением конца затравки вырезанной из монокристалла в расплав. Кремний нагретый на несколько градусов выше температуры плавления. После выдержки медленно и с вращением вытягивают монокристалл. Размеры монокристалла достигают более 50 мм в диаметре и 450 м в длину. У гидроокиси кремния отмечаются слабые кислотные свойства.

Кремний сильный восстановитель, растворяется в расплавленных металлах и имеет амфотерные свойства.

Кремний соединяется с 79 % элементов и образует с выше 160 бинарных соединений.

Кремний используется в производстве электронагревательных стержней. Он образует многочисленные кислородные и безкислородные соединения с другими элементами: кремневодороды (силаны) с галогенами, комплексные соединения кремния и фтора, соединения с металлами (силициды), углеродистый кремний, соединения кремния с бором и азотом.

Определяя задачи науки о силикатах, М.В.Ломоносов писал: «Физическая химия есть наука, объясняющая на основании положений и опытов физики то, что происходит в смешанных телах при помощи химических операций». Понятие «смешанного тела» полностью может быть отнесено к силикатной шихте, из которой путем обжига получают силикатный продукт (керамика, стекло и цемент). В его книге впервые дано научное определение процесса спекания керамических масс.

М.В.Ломоносов в своих исследованиях окрашенных стекол впервые особое внимание обратил на зависимость между составом и свойствами стекол.

В 1738 году И.Г.Гмелин опубликовал статьи, посвященные физико-химии и технологии изготовления фарфора. Необходимо отметить, что эти статьи были первыми по химической технологии, опубликованными в изданиях Российской Академии наук.

Высказывания о природе фарфора встречаются также в трудах выдающегося русского керамиста XVIII века, создателя первого русского фарфора Д.И. Виноградова. Мысли о природе фарфора и стекла изложены в его рукописи «Обстоятельное описание чистого процелина» (в XVIII веке фарфор называли процелином).

Идея о многообразной природе фарфора, состоящего из кристаллической и стекловидной фазы, получила развитие в трудах русского ученого В.М. Севергина.

Д.И. Менделеев в своем труде «Стеклянное производство» впервые изложил научную теорию стеклообразного состояния.

Учение о растворах и фазовом равновесии между растворами возникло давно. Особое место в этом учении занимают работы Гиббса, создавшего термодинамическую теорию фазового равновесия. Им установлена возможность и необходимость изучения и количественного описания закономерностей, определяющих условия фазового равновесия.

В направлении изучения фазовых равновесий в силикатных системах при высоких температурах решающую роль сыграли работы Ф.Ю.Левинсон-Лессинга – создателя школы по физико-химии силикатов и Н.С.Курнакова – основателя метода термического анализа силикатов.

Теория кристаллического состояния наиболее детально впервые разработана Ю.С. Федоровым, предсказавшим все возможные типы структур кристаллов, в том числе и силикатов.

В изучении физико-химии силикатных расплавов больших успехов достигли советские ученые П.П. Лазарев, М.П. Воларович, К.Г. Куманин, А.А. Аппен.

Велика заслуга в области геохимических знаний Ф.К. Вернадского, который дал классические характеристики роли силикатов в истории образования земной коры и минералообразования, установил структуру алюмосиликатных пород.

Ценнейший вклад в науку о стекле внес И.Г. Гребенщиков своими работами с ультрапористыми стеклами, образующимися при действии разбавленных кислот на некоторые боросиликатные стекла. В результате этих работ сложились совершенно новые представления о микрогетерогенном строении стекла.

В области изучения основных закономерностей, определяющих ход реакций в твердых фазах, известны крупные работы академика Н.П. Будникова, В. Яндера, В.Н. Юнга, Ю.М. Бута и В.Ф. Журавлева.

Изучение диаграмм состояния силикатных систем проводится во многих научно-исследовательских учреждениях России, в Казахстане.

Н.А. Тороповым выполнены многочисленные работы в области физической химии и петрографии различных оксидных и силикатных систем, важных для теории и технологии материалов, предназначенных для новой техники.

В изучении многокомпонентных оксидных систем, имеющих значение для получения высокоогнеупоров, большая работа проводилась А.С. Бережным.

Многочисленные физико-химические исследования в области синтеза стекол и стеклокристаллических материалов на основе промышленных отходов проведены И.И. Китайгородским и Н.М. Павлушкиным.

В ЮКГУ им. М.Ауезова проводились и проводятся фундаментальные исследования по изучению поликомпонентных систем СаО – MgO – Al₂O₃ – SiО₂ – (Na₂O, K₂О), позволившие разработать технологию получения стеклокристаллических материалов на основе отходов промышленности и горных пород.

 

Вопросы:

1. Когда и кем был открыт кремний?

2. Где используется кремний?

3. Какие работы отечественных и зарубежных ученых Вы знаете?