§ 3. Кремний

Ближайший аналог углерода – кремний – является третьим (после кислорода и водорода) по распространенности элементом: на его долю приходится 16,7% от общего числа атомов земной коры. Если углерод можно считать основным элементом для органической жизни, то кремний играет подобную же роль по отношению к твердой земной коре, так как главная часть ее массы состоит из силикатных пород, представляющих собой соединения кремния с кислородом и рядом других элементов.

Элементарный кремний может быть получен восстановлением его двуокиси (SiC) магнием. Реакция начинается при поджигании смеси тонко измельченных веществ и протекает по уравнению

SiO₂ + 2Mg = 2MgO + Si

Для освобождения от MgO и избытка SiO₂ продукт реакции последовательно обрабатывают соляной и плавиковой кислотами.

1) Практически кремний получают обычно в виде сплава с железом (ферросилиция) сильным накаливанием смеси SiO₂ , железной руды и угля. Важнейшее применение ферросилиций находит в металлургии, где он употребляется для введения кремния в различные сорта специальных сталей и чугунов.

Свойства кремния сильно зависят от величины его частиц. Получаемый–при восстановлении SiO₂ магнием аморфный кремний представляет собой бурый порошок. Перекристаллизовывая его из некоторых расплавленных металлов (например, Zn), можно получить кремний в виде серых, твердых, но довольно хрупких кристаллов с плотностью 2,4. Кремний плавится при 1415 °С и кипит при 2620°С.

Кристаллический кремний химически довольно инертен, тогда как аморфный значительно более реакционноспособен. С фтором он реагирует уже при обычных условиях, с кислородом, хлором и серой – около –500°С. При очень высоких температурах кремний способен соединяться также с азотом и углеродом. Он растворим во многих расплавленных металлах, причем с некоторыми из них образует соединения (например, Mg₂ Si), называемые силицидами.

Кислоты на кремний при обычных условиях не действуют (за исключением смеси HF + HNO₃ ). Щелочи с выделением водорода переводят его в соли кремневой кислоты:

Si + 2NaOH + H₂ O = Na₂ SiO₃ + 2Н₂

Наиболее характерным и устойчивым соединением кремния является его двуокись (SiC₂ ), образование которой из элементов идет с очень большим выделением тепла:

Si + O₂ = SiO₂ + 203 ккал

Двуокись кремния представляет собой бесцветное твердое вещество, плавящееся лишь при 1713 °С.

Свободная двуокись кремния (иначе, кремнезем, кремневый ангидрид) встречается преимущественно в виде минерала кварца, который составляет основу обычного песка. Последний является одним из главных продуктов разрушения горных пород и одновременно одним из важнейших строительных материалов, мировое потребление которого составляет около 500 млн. т ежегодно. На долю свободной двуокиси кремния приходится приблизительно 12% от веса земной коры. Гораздо большее количество SiO₂ (около 43% от веса земной коры) химически связано в составе различных горных пород. В общем, следовательно, земная кора более чем на половину состоит из двуокиси кремния.

2) Большие прозрачные кристаллы кварца (плотность 2,65) часто называют горным хрусталем, окрашенную в фиолетовый цвет разновидность – аметистом и т. д. К мелкокристаллическим модификациям кремнезема (с примесями других веществ) относятся агат, яшма и т. д.

3) На основе SiO₂ готовится важный огнеупорный материал – динас. Последний получают обжигом при 1500 °С измельченного кварца, к которому добавлено 2–2,5% извести. Динасовый кирпич размягчается лишь около 1700 °С и служит, в частности