Piiyhdisteet ovat välttämättömiä. Pii ja sen yhdisteet - Knowledge Hypermarket. Piin jakautuminen luonnossa

Pii on kiinteä ei-metalli, joka on osa kiviä. Normaalioloissa se on inertti, mutta kuumennettaessa sillä on hapettavia ja pelkistäviä ominaisuuksia. Silikoniteollisuus käyttää piin kemiallisia ominaisuuksia lasin, peilien, elektroniikan ja rakennusmateriaalien valmistukseen.

Elementin yleiskuvaus

Pii sijaitsee jaksollisen taulukon neljännessä ryhmässä ja kolmannessa jaksossa. Piin atomin ytimen positiivinen varaus on +14. 14 negatiivisesti varautunutta elektronia liikkuu ytimen ympäri.

Atomi voi siirtyä virittyneeseen tilaan vapaan d-alatason ansiosta. Siksi elementillä on kaksi positiivista hapetustilaa (+2 ja +4) ja yksi negatiivinen (-4). Elektroninen kokoonpano - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2.

Riisi. 1. Piiatomin rakenne.

Pii on hauras puolijohde, jolla on korkea kiehumis- ja levylämpötila. Suhteellisen kevyt ei-metalli: tiheys on 2,33 g / cm 3.

Piitä ei löydy puhtaassa muodossaan. Se on osa hiekkaa, kvartsia, akaattia, ametistia ja muita kiviä.

Riisi. 2. Akaatti.

Reaktiot muiden kuin metallien kanssa

Kun piillä on vuorovaikutuksessa muiden kuin metallien kanssa, sillä on pelkistäviä ominaisuuksia - se luopuu elektroneista. Reaktiot ovat mahdollisia vain voimakkaalla lämmityksellä. Normaaleissa olosuhteissa pii reagoi vain fluorin kanssa. Taulukossa on esitetty reaktiot perusmetallien kanssa.

Piihydridi - silaani (SiH 4) - voidaan saada hajoamalla silikidejä hapon kanssa. Esimerkiksi Mg 2 Si + 2H 2 SO 4 → SiH 4 - + 2 MgSO 4.

Vuorovaikutus metallien kanssa

Piillä on hapettavia ominaisuuksia vain reaktioissa metallien kanssa. Fuusion aikana muodostuu suoloja - silikidejä:

Si + 2Mg → Mg 2 Si;
Si + 2Ca → Ca 2 Si;
Si + Na → NaSi;
2Si + Fe → FeSi 2.

Silikidejä käytetään teollisesti seosten ja materiaalien valmistukseen. Vanadiinisilidiä (V 3 Si) käytetään suprajohtimena ja renium -silidiä (ReSi) puolijohteena.

Reaktiot monimutkaisten aineiden kanssa

Yksinkertaisten aineiden lisäksi pii reagoi monimutkaisten yhdisteiden - happojen ja emästen - kanssa. Tärkeimmät reaktiot on kuvattu taulukossa.

1200 ° C: ssa pii reagoi dioksidin kanssa muodostaen monoksidin: Si + SiO 2 → SiO.

Riisi. 3. Piin käyttö.

Mitä olemme oppineet?

Pii on hauras ei-metalli, joka on vuorovaikutuksessa metallien, ei-metallien ja monimutkaisten aineiden kanssa. Reaktioissa metallien kanssa sillä on hapettavan aineen ominaisuudet, ei -metallien kanssa - pelkistävä aine. Reagoi normaaleissa olosuhteissa vain fluorin, fluorivetyhapon kanssa (mukaan lukien yhdessä typpihapon kanssa), emästen kanssa. Muut reaktiot tapahtuvat korkeissa lämpötiloissa.

Testaa aiheittain

Raportin arviointi

Keskimääräinen arvio: 4.6. Arvioita yhteensä: 204.

Pii on D.I. -alkuaineiden jaksollisen järjestelmän IV ryhmän kemiallinen elementti. Mendelejev. J. Gay-Lusac ja L. Ternard avasivat sen vuonna 1811. Sen sarjanumero on 14, atomimassa 28,08, atomitilavuus 12,04 10-6 m 3 / mol. Pii on metalloidi, kuuluu hiili -alaryhmään. Sen happivalenssi on +2 ja +4. Pii on luonnossa esiintyvyydeltään toiseksi vain happi. Sen massaosuus maankuorella on 27,6%. Maankuori, V.I. Vernadsky, yli 97% koostuu piidioksidista ja silikaateista. Happea ja orgaanisia piiyhdisteitä löytyy myös kasveista ja eläimistä.

Keinotekoisesti valmistettu pii voi olla joko amorfista tai kiteistä. Amorfinen pii on ruskea, hienojakoinen, erittäin hygroskooppinen jauhe; röntgendiffraktiotietojen mukaan se koostuu pienimmistä piikiteistä. Se voidaan saada pelkistämällä SiCl4 korkeilla lämpötiloilla sinkkihöyryllä.

Kiteisessä piissä on teräksen harmaa väri ja metallinen kiilto. Kiteisen piin tiheys 20 ° C: ssa on 2,33 g / cm 3, nestemäisen piin 1723-2,51 ja 1903K - 2,445 g / cm 3. Piin sulamispiste on 1690 K, kiehumispiste 3513 K. Tietojen mukaan piin höyrynpaine T = 2500 ÷ 4000 K: ssa kuvataan yhtälöllä log p Si = -20130 / T + 7,736, kPa . Pii sublimaatiolämpö 452610, sulaminen 49790, haihtuminen 385020 J / mol.

Pii -monikiteille on ominaista korkea kovuus (20 ° С HRC = 106). Pii on kuitenkin erittäin hauras, joten sillä on korkea puristuslujuus (σ SJ B ≈ 690 MPa) ja erittäin alhainen vetolujuus (σ B ≈ 16,7 MPa).

Pii on huoneenlämmössä inertti, reagoi vain fluorin kanssa muodostaen haihtuvan 81P4. Happoista se reagoi vain typpihapon kanssa, joka on sekoitettu fluorivetyhappoon. Pii reagoi kuitenkin melko helposti alkalien kanssa. Yksi hänen reaktioistaan alkalien kanssa

Si + NaOH + H20 = Na2Si03 + 2H2

käytetään vedyn tuottamiseen. Tämän lisäksi pii pystyy tuottamaan suuren määrän kemiallisesti vahvoja yhdisteitä ei-metallien kanssa. Näistä yhdisteistä on otettava huomioon halogenidit (SiX4: stä Si n X 2n + 2: een, jossa X on halogeeni ja n ≤ 25), niiden seosyhdisteet SiCl3B, SiFCl3 jne., Oksikloridit Si20Cl 3, Si 3O 2CI 3 et ai., nitridit Si 3 N 4, Si 2 N 3, SiN ja hydridit, joilla on yleinen kaava Si n H 2n + 2, sekä rautaseosten - haihtuvien sulfidien SiS ja SiS 2 sekä tulenkestävän karbidin SiC - tuotannossa esiintyvistä yhdisteistä .

Pii pystyy myös tuottamaan yhdisteitä, joissa on metalleja - silikidejä, joista tärkeimpiä ovat raudan, kromin, mangaanin, molybdeenin, zirkoniumin, sekä harvinaisten maametallien ja alkalimetallien silidit. Tätä piiominaisuutta - kykyä antaa kemiallisesti erittäin vahvoja yhdisteitä ja liuoksia metallien kanssa - käytetään laajalti tekniikassa vähähiilisten rautaseosten valmistuksessa sekä matalalla kiehuvan maa -alkalin (Ca, Mg, Ba) ja vaikeasti talteenotettavat metallit (Zr, Al jne.).

Piitä rautalejeeringit tutkivat P.V. Geld ja hänen koulunsa kiinnittivät erityistä huomiota Fe-Si-järjestelmän osaan, joka liittyi seoksiin sen korkean sisällön kanssa. Tämä johtuu siitä, että kuten voidaan nähdä Fe-Si-kaaviosta (kuva 1), tämän koostumuksen seoksissa tapahtuu useita muunnoksia, jotka vaikuttavat merkittävästi erilaisten ferrosilikon laatuun. Siten FeSi 2 -disilidi on vakaa vain matalissa lämpötiloissa (< 918 или 968 °С, см. рисунок 1). При высоких температурах устойчива его высокотемпературная модификация - лебоит. Содержание кремния в этой фазе колеблется в пределах 53-56 %. В дальнейшем лебоит будем обозначать химической формулой Fe 2 Si 5 , что практически соответствует максимальной концентрации кремния в лебоите.

Kun jäähdytetään seoksia, joiden Si -pitoisuus on> 55,5%, leboiittiä lämpötilassa< 1213 К разлагается по эвтектоидной реакции

Fe 2 Si 5 → FeSi 2 + Si (2)

ja seokset 33,86-50,07% Si T: ssä< 1255 К - по перитектоидной реакции

Fe 2 Si 5 + FeSi = ЗFeSi 2 (3)

Väliseoksen seoksille (50,15-55,5% Si) suoritetaan ensin peritektoidi (3) 1255 K: ssa ja sitten 1213 K: ssa eutektoidiset (2) muunnokset. Näihin Fe 2 Si 5: n muutoksiin reaktioilla (2) ja (3) liittyy muutoksia silidin tilavuudessa. Tällainen muutos on erityisen suuri reaktion (2) aikana - noin 14%; siksi leboiittia sisältävät seokset menettävät jatkuvuuden, halkeilevat ja jopa hajoavat. Hitaalla tasapainokiteytyksellä (katso kuva 1) leboiitti voi saostua sekä FS75- että FS45 -seosten kiteytymisen aikana.

Leboiitin eutektoidiseen hajoamiseen liittyvä halkeilu on kuitenkin vain yksi hajoamisen syistä. Toinen syy, ilmeisesti tärkein, on se, että halkeamien muodostuminen rakerajoille luo mahdollisuuden näiden rajojen varrella vapautuville nesteille - fosforille, arseenille, alumiinisulfideille ja karbideille jne. - reagoida ilman kosteuden kanssa reaktioilla, kuten jonka seurauksena ilmakehään vapautuu H 2, PH 3, PH 4, AsH 4 jne., ja halkeamiin - irtonaisia oksideja Al 2 O 3, SiO 2 ja muita yhdisteitä, jotka puhkeavat. Seosten leviäminen voidaan estää muokkaamalla niitä magnesiumilla, seostamalla alkuaineiden lisäaineilla, jotka hienostavat jyviä (V, Ti, Zg jne.) Tai tekevät siitä muovisempaa. Viljan jalostus vähentää epäpuhtauksien ja niiden yhdisteiden pitoisuutta sen rajoilla ja vaikuttaa seosten ominaisuuksiin samalla tavalla kuin seoksen epäpuhtauksien (P, Al, Ca) yleinen lasku, mikä edistää hajoamista. Fe-Si-seosten termodynaamisia ominaisuuksia (sekoituslämpö, aktiivisuus, hiililiukoisuus) on tutkittu yksityiskohtaisesti, ja ne löytyvät teoksista. Tiedot hiilen liukoisuudesta Fe -Si -seoksiin on esitetty kuvassa 2, piin aktiivisuudesta - taulukossa 1.

Happipiiyhdisteiden fysikaalis -kemiallisia ominaisuuksia tutkittiin P.V. Hyvät henkilökunnan kanssa. Si-O-järjestelmän tärkeydestä huolimatta sen kaaviota ei ole vielä rakennettu. Tällä hetkellä tunnetaan kaksi piin happiyhdistettä - piidioksidi Si02 ja monoksidi SiO. Kirjallisuudessa on myös viitteitä muiden piin happiyhdisteiden - Si 2 O 3 ja Si 3 O 4 - olemassaolosta, mutta niiden kemiallisista ja fysikaalisista ominaisuuksista ei ole tietoa.

Luonnossa piitä edustaa vain piidioksidi SiO 2. Tämä piiyhdiste on erilainen:

1) korkea kovuus (Mohsin asteikolla 7) ja tulenkestävä (T pl = 1996 K);

2) korkea kiehumispiste (T KIP = 3532 K). Piidioksidin höyrynpaine voidaan kuvata yhtälöillä (Pa):

3) suuren määrän muutosten muodostuminen:

SiO 2: n allotrooppisten muunnosten piirre on, että niihin liittyy merkittäviä muutoksia aineen tiheydessä ja tilavuudessa, mikä voi aiheuttaa halkeilua ja murskaantumista;

4) suuri taipumus hypotermiaan. Siksi nopean jäähdytyksen seurauksena on mahdollista kiinnittää sekä nestesulan (lasin) rakenne että β-kristobaliitin ja tridymiitin korkean lämpötilan muutokset. Päinvastoin, nopealla lämmityksellä kvartsi voidaan sulattaa ohittamalla tridymiitin ja kristobaliitin rakenteet. Si02: n sulamispiste laskee tässä tapauksessa noin 100 ° C;

5) korkea sähkövastus. Esimerkiksi 293 K: ssa se on 1 10 12 ohmia * m. Kuitenkin lämpötilan noustessa Si02: n sähköinen vastus pienenee ja nestemäisessä tilassa piidioksidi on hyvä johdin;

6) korkea viskositeetti. Joten 2073 K: ssa viskositeetti on 1 10 4 Pa s ja 2273 K - 280 Pa s.

Jälkimmäinen, N.V. Solomin, selittyy sillä, että Si02 kykenee orgaanisten polymeerien tavoin muodostamaan ketjuja, jotka 2073 K: ssa koostuvat 700: sta ja 2273 K - 590 Si02 -molekyylistä;

7) korkea lämpövakaus. Gibbs -energia Si02: n muodostumisesta elementeistä, ottaen huomioon niiden yhteenlaskettu tila, tietojen mukaisesti, kuvataan suurella tarkkuudella yhtälöillä:

Nämä tiedot, kuten taulukosta 2 käy ilmi, eroavat hieman kirjoittajien tiedoista. Kaksitermisiä yhtälöitä voidaan käyttää myös termodynaamisiin laskelmiin:

Piimonoksidi SiO: n löysi Potter vuonna 1895 sähköuunien kaasuvaiheessa. Nyt on luotettavasti todettu, että SiO on olemassa myös tiivistetyissä vaiheissa. Tutkimuksen mukaan P.V. Gelda, oksidille on ominaista alhainen tiheys (2,15 g / cm 3), korkea sähköinen vastus (105-10 10 ohmia * m). Kondensoitu oksidi on hauras, sen kovuus Mohsin asteikon mukaan on ~ 5. Sulamispistettä ei voitu määrittää kokeellisesti sen korkean haihtuvuuden vuoksi. O. Kubaševskin mukaan se on yhtä suuri kuin 1875 K, Berezhnyn mukaan, - 1883 K. Ilmeisesti volatiliteetin vuoksi se on yliarvioitu. Siinä on lasimainen murtuma, sen väri muuttuu valkoisesta suklaataksi, mikä johtuu luultavasti sen hapettumisesta ilmakehän hapella. Tuoreessa murtumassa SiO: ssa on yleensä herneen väri ja rasvainen kiilto. Oksidi on termodynaamisesti stabiili vain korkeissa lämpötiloissa SiO: n (G) muodossa. Jäähdytettynä oksidit ovat suhteettomia reaktion mukaan

2SiO (G) = SiO (L) + SiO2 (6)

SiO: n kiehumispiste voidaan arvioida karkeasti yhtälöstä:

Piioksidikaasu on termodynaamisesti erittäin vakaa. Sen muodostumisen Gibbs -energia voidaan kuvata yhtälöillä (katso taulukko 2):

josta voidaan nähdä, että SiO: n, kuten CO: n, kemiallinen lujuus kasvaa lämpötilan noustessa, mikä tekee siitä erinomaisen pelkistimen monille aineille.

Kaksitermisiä yhtälöitä voidaan käyttää myös termodynaamiseen analyysiin:

Kaasujen koostumus Si02: n yli arvioitiin I.S. Kulikov. Lämpötilasta riippuen SiO2: n SiO2 -pitoisuus kuvataan yhtälöillä:

Piikarbidi, kuten SiO, on yksi välituoteyhdisteistä, jotka muodostuvat Si02: n pelkistämisen aikana. Karbidilla on korkea sulamispiste.

Paineesta riippuen se kestää jopa 3033-3103 K (kuva 3). Piikarbidi sublimoituu korkeissa lämpötiloissa. Si (G), Si 2 C (G), SiC 2 (G) höyrynpaine karbidin päällä< 2800К невелико, что следует из уравнения

Karbidia on olemassa kahdessa muunnoksessa-kuutiomainen matalan lämpötilan β-SiC ja kuusikulmainen korkean lämpötilan a-SiC. Rautaseoksiuuneissa esiintyy yleensä vain β-SiC: tä. Tietojen perusteella tehdyt laskelmat ovat osoittaneet, että Gibbsin muodostumisenergia kuvataan yhtälöillä:

jotka eroavat merkittävästi tiedoista. Näistä yhtälöistä seuraa, että karbidi on lämpöstabiili 3194 K: iin asti. Fysikaalisten ominaisuuksiensa mukaisesti karbidi erottuu korkeasta kovuudesta (~ 10), suuresta sähkövastuksesta (1273K p≈0,13 ⋅ 10 4 μOhm ⋅ m), lisääntynyt tiheys (3,22 g / cm 3) ja korkea kestävyys sekä pelkistävässä että hapettavassa ilmakehässä.

Ulkonäöltään puhdas karbidi on väritöntä ja siinä on puolijohtavia ominaisuuksia, jotka säilyvät korkeissa lämpötiloissa. Tekninen piikarbidi sisältää epäpuhtauksia ja on siksi väriltään vihreä tai musta. Vihreä karbidi sisältää siis 0,5-1,3% epäpuhtauksia (0,1-0,3% C, 0,2-1,2% Si + Si02, 0,05-0,20% Fe203, 0,01-0,08% Al203 jne.). Mustassa karbidissa epäpuhtauksien pitoisuus on suurempi (1-2%).

Hiiltä käytetään pelkistysaineena piiseosten valmistuksessa. Se on myös tärkein aine, josta valmistetaan sähköuunien elektrodeja ja vuorauksia, jotka sulavat piitä ja sen seoksia. Hiili on luonnossa melko yleistä, sen pitoisuus maankuorissa on 0,14%. Luonnossa se esiintyy sekä vapaassa tilassa että orgaanisten ja epäorgaanisten yhdisteiden (pääasiassa karbonaattien) muodossa.

Hiilellä (grafiitilla) on kuusikulmainen kuutiomainen hila. Grafiitin röntgentiheys on 2,666 g / cm 3, pyknometrinen tiheys 2,253 g / cm 3. Se erottuu korkeista sulamislämpötiloista (~ 4000 ° C) ja kiehumispisteistä (~ 4200 ° C). melko kestävä. Sen väliaikainen vastus viiksillä voi olla 480-500 MPa. Kuitenkin elektrodigrafiitin σ b = 3,4 ÷ 17,2 MPa. Grafiitin kovuus Mohsin asteikolla on ~ 1.

Hiili on erinomainen pelkistin. Tämä johtuu siitä, että jonkin sen happiyhdisteen (CO) lujuus kasvaa lämpötilan noustessa. Tämä voidaan nähdä sen muodostumisen Gibbs-energiasta, joka, kuten tietoja käyttävät laskelmamme osoittavat, kuvataan hyvin kolmen aikavälin

ja kahden aikavälin yhtälöt:

Hiilidioksidi CO 2 on termodynaamisesti vahva vain 1300 K. asti. CO 2: n muodostumisen Gibbs -energia kuvataan yhtälöillä:

Itsenäisenä kemiallisena alkuaineena pii tuli ihmiskunnan tietoon vasta vuonna 1825. Mikä ei tietenkään estänyt piiyhdisteiden käyttöä niin monilla aloilla, että on helpompi luetella ne, joissa elementtiä ei käytetä. Tämä artikkeli valaisee piin ja sen yhdisteiden fysikaalisia, mekaanisia ja hyödyllisiä kemiallisia ominaisuuksia, sovelluksia, ja puhumme myös siitä, miten pii vaikuttaa teräksen ja muiden metallien ominaisuuksiin.

Ensinnäkin keskitytään piin yleisiin ominaisuuksiin. 27,6-29,5% maankuoren massasta on piitä. Merivedessä elementin pitoisuus on myös mittava - jopa 3 mg / l.

Silikoni on litosfäärin toinen kunniapaikka hapen jälkeen. Kuitenkin sen tunnetuin muoto, piidioksidi, on dioksidi, ja sen ominaisuuksista on tullut perusta tällaiselle laajalle levinneelle käytölle.

Tämä video kertoo mitä pii on:

Konsepti ja ominaisuudet

Pii on ei-metalli, mutta eri olosuhteissa sillä voi olla sekä happamia että emäksisiä ominaisuuksia. Se on tyypillinen puolijohde ja sitä käytetään erittäin laajalti sähkötekniikassa. Sen fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet määräävät suurelta osin allotrooppinen tila. Useimmiten ne käsittelevät kiteistä muotoa, koska sen ominaisuudet ovat kysyntää kansantaloudessa.

Pii on yksi ihmiskehon perusravinteista. Sen puute vaikuttaa haitallisesti luukudoksen, hiusten, ihon, kynsien kuntoon. Lisäksi pii vaikuttaa immuunijärjestelmän toimintaan.
Lääketieteessä elementti tai pikemminkin sen yhdisteet löysivät ensimmäisen sovelluksensa tässä ominaisuudessa. Piillä vuorattujen kaivojen vesi erosi puhtauden lisäksi myös positiivisesti tartuntatautien vastustuskyvystä. Nykyään piitä sisältävä yhdiste toimii perustana tuberkuloosia, ateroskleroosia ja niveltulehdusta vastaan.
Yleensä ei-metalli on inaktiivinen, mutta sitä on vaikea löytää puhtaassa muodossaan. Tämä johtuu siitä, että ilmassa se passivoituu nopeasti hiilidioksidikerroksella ja lakkaa reagoimasta. Kuumennettaessa kemiallinen aktiivisuus lisääntyy. Tämän seurauksena ihmiskunta tuntee aineen yhdisteet paljon paremmin, ei itseään.

Niinpä pii muodostaa seoksia lähes kaikkien metallien kanssa - silikidejä. Kaikki ne eroavat tulenkestävyydestään ja kovuudestaan, ja niitä käytetään sopivilla alueilla: kaasuturbiinit, uunilämmittimet.

Ei-metalli sijaitsee D.I. Mendelejevin taulukossa ryhmässä 6 yhdessä hiilen, germaniumin kanssa, mikä osoittaa tiettyä yhteisyyttä näiden aineiden kanssa. Joten hiilellä se "liittyy" kykyyn muodostaa orgaanisia yhdisteitä. Samaan aikaan piillä, kuten germaniumilla, voi olla metallin ominaisuuksia joissakin kemiallisissa reaktioissa, jota käytetään synteesissä.

Hyödyt ja haitat

Kuten millä tahansa muulla aineella kansantalouden käytön kannalta, piillä on tiettyjä hyödyllisiä tai ei kovin hyviä ominaisuuksia. Ne ovat tärkeitä nimenomaan käytön laajuuden määrittämiseksi.

Aineen huomattava etu on sen saatavuus... Luonnossa se on totta, se ei ole vapaassa muodossa, mutta kuitenkin pii valmistustekniikka ei ole niin monimutkainen, vaikka se kuluttaa energiaa.
Toiseksi tärkein etu on monien yhdisteiden muodostuminen epätavallisen hyödyllisillä ominaisuuksilla. Nämä ovat silaaneja, silikidejä, dioksidia ja tietysti erilaisia silikaatteja. Piin ja sen yhdisteiden kyky muodostaa monimutkaisia kiinteitä liuoksia on käytännössä loputon, mikä mahdollistaa loputtomasti erilaisten lasin, kiven ja keramiikan muunnelmien tuottamisen.
Puolijohteiden ominaisuudet ei-metalli tarjoaa sille paikan sähkö- ja radiotekniikan perusmateriaalina.
Ei-metalli on myrkytön, joka mahdollistaa sovelluksen millä tahansa alalla, mutta ei kuitenkaan muuta teknologista prosessia mahdollisesti vaaralliseksi.

Materiaalin haitoihin kuuluu vain suhteellinen hauraus ja hyvä kovuus. Piitä ei käytetä tukirakenteisiin, mutta tämä yhdistelmä mahdollistaa kristallipinnan asianmukaisen käsittelyn, mikä on tärkeää instrumentoinnin kannalta.

Puhutaan nyt piin perusominaisuuksista.

Ominaisuudet ja ominaisuudet

Koska kiteistä piitä käytetään useimmiten teollisuudessa, juuri sen ominaisuudet ovat tärkeämpiä, ja ne on annettu teknisissä eritelmissä. Aineen fysikaaliset ominaisuudet ovat seuraavat:

sulamispiste - 1417 ° C;
kiehumispiste - 2600 C;
tiheys on 2,33 g / cm3. cm, mikä osoittaa haurautta;
Lämpökapasiteetti ja lämmönjohtavuus eivät ole vakio edes puhtaimmissa näytteissä: 800 J / (kg K) tai 0,191 cal / (g deg) ja 84-126 W / (m K) tai 0,20- 0, 30 cal / (cm · sec · deg), vastaavasti;
läpinäkyvä pitkän aallon infrapunasäteilylle, jota käytetään infrapunaoptiikassa;
dielektrinen vakio - 1,17;
kovuus Mohsin asteikolla - 7.

Epämetallin sähköiset ominaisuudet riippuvat suuresti epäpuhtauksista. Teollisuudessa tätä ominaisuutta käytetään moduloimalla haluttua puolijohdetyyppiä. Normaaleissa lämpötiloissa pii on haurasta, mutta lämmitettäessä yli 800 ° C muovi voi muodostua.

Amorfisen piin ominaisuudet ovat hämmästyttävän erilaisia: se on erittäin hygroskooppinen, se reagoi paljon aktiivisemmin jopa normaalilämpötilassa.

Piirakennetta ja kemiallista koostumusta sekä piiominaisuuksia käsitellään alla olevassa videossa:

Koostumus ja rakenne

Pii on olemassa kahdessa allotrooppisessa muodossa, jotka ovat yhtä stabiileja normaaleissa lämpötiloissa.

Kristalli näyttää tummanharmaalta jauheelta. Aine, vaikka siinä on timanttimainen kidehila, on hauras atomien välisen liian pitkän sidoksen vuoksi. Sen ominaisuudet puolijohteesta ovat kiinnostavia.
Erittäin korkealla paineella voit saada kuusikulmainen modifikaatio tiheydellä 2,55 g / cm3. Tämä vaihe ei kuitenkaan ole vielä löytänyt käytännön merkitystä.
Amorfinen- ruskeanruskea jauhe. Toisin kuin kiteinen muoto, se reagoi paljon aktiivisemmin. Tämä ei johdu niin paljon ensimmäisen muodon inertiteetistä, vaan siitä, että ilmassa aine on peitetty hiilidioksidikerroksella.

Lisäksi on otettava huomioon muun tyyppinen luokitus, joka liittyy piikiteen kokoon, jotka yhdessä muodostavat aineen. Kidehila, kuten tiedetään, edellyttää atomien järjestyksen lisäksi myös näiden atomien muodostamia rakenteita-niin sanottua pitkän kantaman järjestystä. Mitä suurempi se on, sitä homogeenisempi aine on ominaisuuksiltaan.

Yksikiteinen- näyte on yksi kide. Sen rakenne on maksimaalisesti järjestetty, sen ominaisuudet ovat yhtenäisiä ja hyvin ennustettavissa. Tämä materiaali on eniten kysytty sähkötekniikassa. Se kuuluu kuitenkin myös kalleimpiin lajeihin, koska sen saaminen on monimutkaista ja kasvuvauhti on alhainen.
Monikiteinen- näyte on tietty määrä suuria kiteisiä jyviä. Niiden väliset rajat muodostavat ylimääräisiä vikatasoja, mikä heikentää näytteen suorituskykyä puolijohteena ja nopeuttaa kulumista. Monikiteiden kasvatustekniikka on yksinkertaisempaa, ja siksi materiaali on halvempaa.
Monikiteinen- koostuu suuresta määrästä jyviä, jotka sijaitsevat satunnaisesti toisiinsa nähden. Se on puhtain teollisen piin tyyppi, jota käytetään mikroelektroniikassa ja aurinkoenergiassa. Usein sitä käytetään raaka-aineena moni- ja yksikiteiden kasvattamiseen.
Amorfisella piillä on myös erillinen asema tässä luokituksessa. Tässä atomien järjestysjärjestys säilyy vain lyhyimmillä etäisyyksillä. Sähkötekniikassa sitä käytetään kuitenkin edelleen ohuiden kalvojen muodossa.

Ei-metallituotanto

Puhtaan piin saaminen ei ole niin helppoa, kun otetaan huomioon sen yhdisteiden inertti ja useimpien niiden korkeat sulamispisteet. Teollisuudessa käytetään useimmiten hiilidioksidipäästöjä. Reaktio suoritetaan valokaariuuneissa 1800 C: n lämpötilassa. Näin saadaan ei-metalli, jonka puhtaus on 99,9%, mikä ei riitä sen käyttöön.

Saatu materiaali kloorataan kloridien ja hydrokloridien saamiseksi. Sitten yhdisteet puhdistetaan epäpuhtauksista kaikilla mahdollisilla menetelmillä ja pelkistetään vedyllä.

Aine voidaan puhdistaa myös hankkimalla magnesiumsilidiä. Silikidi altistetaan suola- tai etikkahapolle. Silaania saadaan, ja jälkimmäinen puhdistetaan eri menetelmillä - sorptio, oikaisu ja niin edelleen. Sitten silaani hajoaa vetyksi ja piiksi 1000 C: n lämpötilassa. Tässä tapauksessa saadaan aine, jonka epäpuhtausfraktio on 10-8-10-6%.

Aineen käyttö

Teollisuudelle mielenkiintoisimmat ovat ei-metallin elektrofysikaaliset ominaisuudet. Sen yksikiteinen muoto on epäsuoran aukon puolijohde. Sen ominaisuudet määräytyvät epäpuhtauksien perusteella, mikä mahdollistaa haluttujen ominaisuuksien omaavien piikiteiden saamisen. Joten boorin, indiumin lisääminen mahdollistaa reiän johtavuuden omaavan kiteen kasvattamisen ja fosforin tai arseenin lisäämisen - kiteen, jolla on elektroninen johtavuus.

Pii on kirjaimellisesti nykyaikaisen sähkötekniikan perusta. Siitä valmistetaan transistoreita, valokennoja, integroituja piirejä, diodeja ja niin edelleen. Lisäksi laitteen toiminnallisuus määräytyy lähes aina vain kiteen pinnan lähellä olevan kerroksen perusteella, mikä määrittää hyvin erityiset vaatimukset pintakäsittelylle.
Metallurgiassa teknistä piitä käytetään sekä seosten modifioijana - se antaa suurempaa lujuutta että komponenttina - esimerkiksi ja hapetusaineena - valuraudan valmistuksessa.
Ultrapuhdas ja hienostunut metallurgia muodostaa aurinkoenergian perustan.
Ei-metallidioksidia esiintyy luonnossa hyvin eri muodoissa. Sen kiteiset lajikkeet - opaali, akaatti, karneoli, ametisti, vuorikristalli - ovat löytäneet paikkansa koruissa. Ei niin houkuttelevia ulkoisia muutoksia - piikiviä, kvartsia, käytetään metallurgiassa, rakentamisessa ja radio -sähkötekniikassa.
Ei -metallista yhdistettä, jossa on hiili -karbidia, käytetään metallurgiassa, instrumenttien valmistuksessa ja kemianteollisuudessa. Se on leveärakoinen puolijohde, jolla on korkea kovuus - 7 Mohsin asteikolla ja lujuus, mikä mahdollistaa sen käytön hioma -aineena.
Silikaatit - eli piihapposuolat. Epävakaa, helposti hajoava lämpötilan vaikutuksesta. Ne ovat merkittäviä siitä, että ne muodostavat lukuisia ja erilaisia suoloja. Mutta jälkimmäiset ovat perusta lasin, keramiikan, savin, kristallin jne. Voimme turvallisesti sanoa, että moderni rakenne perustuu erilaisiin silikaatteihin.
Lasi on tässä mielenkiintoisin tapaus. Se perustuu alumiinisilikaatteihin, mutta muiden aineiden - yleensä oksidien - vähäiset epäpuhtaudet antavat materiaalille paljon erilaisia ominaisuuksia, mukaan lukien väri. -, fajanssilla, posliinilla on itse asiassa sama kaava, vaikkakin eri komponenttien suhteella, ja sen monimuotoisuus on myös hämmästyttävää.
Ei-metallilla on toinenkin kyky: se muodostaa yhdisteitä, kuten hiiltä, pitkän piiatomien ketjun muodossa. Tällaisia yhdisteitä kutsutaan organopiiyhdisteiksi. Niiden soveltamisala ei ole yhtä tunnettu - nämä ovat silikoneja, tiivisteitä, voiteluaineita ja niin edelleen.

Pii on erittäin laajalle levinnyt elementti ja sillä on erittäin suuri merkitys monilla kansantalouden aloilla. Lisäksi paitsi itse ainetta käytetään aktiivisesti, myös kaikkia sen erilaisia ja lukuisia yhdisteitä.

Tämä video kertoo piin ominaisuuksista ja käyttötarkoituksista:

silikaatit. Niistä yleisimpiä ovat alumiinisilikaatit (on selvää, että nämä silikaatit sisältävät alumiinia). Alumiinisilikaatteja ovat graniitti, erilaiset savet, kiille. Ei-alumiinisilikaatti on esimerkiksi asbesti.

SiO2 -oksidi on välttämätön kasvien ja eläinten elämälle. Se antaa voimaa kasvien varret ja eläinten suojat. Kalan vaa'at, hyönteisten kuoret, perhosen siivet, lintujen höyhenet ja eläinten karvat ovat kestäviä, koska ne sisältävät piidioksidia.

3) tekojalokivi

Vuorikiteet ovat väritöntä, läpinäkyvää, yleensä kemiallisesti puhdasta, lähes epäpuhtauksia, eräänlainen matalan lämpötilan modifikaatio kvartsista - Si02, joka kiteytyy trigonaalisessa järjestelmässä. Sitä esiintyy yksittäisten kiteiden tai prisman-kuusikulmaisen muodon kiteiden muodossa, jotka on kerätty säiliöihin ja joiden massa saavuttaa joskus tonnin tai enemmän.

Kvartsi on yksi maankuoren runsaimmista mineraaleista, useimpien magneettisten ja metamorfisten kivien kiviaineksen muodostava mineraali. Kemiallinen kaava: SiO2.

Kvartsilajikkeet: väritön, ruusukvartsi, "karvainen", karneoli, akaatti, "tiikersilmä", kiillotetut kivet.

5) Carnelian Formula - SiO2, eräänlainen kalcedoni. Kemiallinen koostumus - SiO2 -pitoisuus - 90-99%; Fe2O3: n, Al203: n, MgO: n, CaO: n, H20: n epäpuhtaudet havaitaan. Karneoli, kuten agatit, ovat monimutkaisen rakenteen olennaisesti kalcedonikoostumuksen aggregaatteja.

Jasper on läpinäkymätön kvartsi - piidioksidi SiO2 -, jossa on kuiturakenne, joka sisältää laajan valikoiman mineraaleja: granaatteja, hematiittia, pyriittiä jne. Siksi jaspis erottuu monista väreistään, mukaan lukien kaikki sävyt paitsi puhtaat sininen.

7) Ametisti

Ametistit ovat violetteja tai punertavia kvartsikiteitä, jotka ovat piidioksidia ja kuuluvat trigonaaliseen kidejärjestelmään.

Opal on amorfinen kvartsityyppi SiO2, jonka vesipitoisuus vaihtelee (6-10%). Opalin kemiallinen nimi on piidioksidipolyhydraatti. Opalin tärkein etu on kyky säteillä peräkkäin eri säteitä auringonvalon vaikutuksesta ja aiheuttaa vaihtelevaa väripeliä. Opaaleja on kolme tyyppiä: musta opaali, jolla on hyvin tummansininen väri ja "vilkkuvia" värejä; palo-opaali oranssi-punainen ja valkoinen opaali.

7) Sitriini Kiven nimi, joka on johdettu sanasta citreus - "sitruuna", osoittaa tämän tyyppisen kvartsin keltaisen sävyn, joka antaa sitriinistä rautaa sisältäviä epäpuhtauksia. Sitriini on hyvä keskittymiseen ja keskittymiseen.

Jade on läpikuultava valkoinen ja vihreä mineraali. Mineralogisesta näkökulmasta jade on piidioksidiyhdiste.

9) Akaatti on eräänlainen läpikuultava kvartsi. Kemiallinen kaava: SiO2.

Piiyhdisteiden käyttö:

Piitä käytetään silikaattiteollisuudessa:

Luonnollisia piiyhdisteitä - hiekkaa (SiO2) ja silikaatteja - käytetään keramiikan, lasin ja sementin valmistukseen.

Silikaattiliima on laajalti tunnettu, sitä käytetään rakentamisessa kuivaimena ja pyrotekniikassa sekä jokapäiväisessä elämässä paperin liimaamiseen.

Silikoniöljyt ja silikonit ovat yleistyneet - piin organoyhdisteisiin perustuvat materiaalit.

54) Betonin ja mineraalien korroosion fysikaaliset ja kemialliset perusteet.

Betonin korroosio on kaikkien mineraalisten rakennusmateriaalien ja -rakenteiden (betoni, teräsbetoni, tiili, asbestisementti, silikaatti, vaahtobetoni ja hiilihapotettu betoni) tärkein vihollinen. Vakavin ongelma on ilmakehän ja kemiallisen tekijän vaikutus-aggressiivisten ilmakehän aineiden (karbonaatit, sulfaatit, kloridit) vaikutus sekä usein tapahtuvat jäädytys-sulatusjaksot.

Mineraalipohjaiset rakennusmateriaalit ovat kapillaarihuokoisia. Aggressiivisen ilmakehän vaikutuksen seurauksena huokoisen rakenteen sisään muodostuu kiteitä, joiden kasvu johtaa halkeamien syntymiseen. Vedelle, suoloille ja hiilidioksidille altistumisen seurauksena - betonin korroosio ja rakennusrakenteiden tuhoutuminen.

Mineraalipinnan suojaus on maailmanlaajuinen haaste minkä tahansa laitoksen suunnittelussa, rakentamisessa ja käytössä. Se on olennainen kaikentyyppisille rakennuksille, rakenteille ja rakenteille, joita käytetään nykyaikaisessa rakentamisessa.

Elementin ominaisuus

14 Si 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2

Isotoopit: 28 Si (92,27%); 29 Si (4,68%); 30 Si (3,05%)

Pii on maankuoren toiseksi yleisin alkuaine hapen jälkeen (27,6% painosta). Sitä ei esiinny luonnossa vapaassa tilassa, sitä esiintyy pääasiassa Si02: n tai silikaattien muodossa.

Si -yhdisteet ovat myrkyllisiä; SiO 2: n ja muiden piiyhdisteiden (esimerkiksi asbestin) pienimpien hiukkasten hengittäminen aiheuttaa vaarallisen sairauden - silikoosin

Perustilassa piiatomilla on valenssi = II ja viritetyssä tilassa = IV.

Si: n vakain hapetustila on +4. Yhdisteissä, joissa on metalleja (silikidejä) S.O. -4.

Piin valmistusmenetelmät

Yleisin luonnollinen piiyhdiste on piidioksidi (piidioksidi) SiO 2. Se on piin tuotannon tärkein raaka -aine.

1) Si02: n pelkistys hiilellä valokaariuuneissa 1800 "C: SiO 2 + 2C = Si + 2CO

2) Teknisen tuotteen erittäin puhdas Si saadaan kaavion mukaisesti:

a) Si → SiCl 2 → Si

b) Si → Mg 2 Si → SiH 4 → Si

Piin fysikaaliset ominaisuudet. Piin allotrooppiset muutokset

1) Kiteinen pii on hopeanharmaa aine, jossa on metallinen kiilto, timanttityyppinen kidehila; t. pl. 1415 "C, kp 3249" C, tiheys 2,33 g / cm3; on puolijohde.

2) Amorfinen pii on ruskea jauhe.

Piin kemialliset ominaisuudet

Useimmissa reaktioissa Si toimii pelkistävänä aineena:

Alhaisissa lämpötiloissa pii on kemiallisesti inertti; kuumennettaessa sen reaktiivisuus kasvaa jyrkästi.

1. se on vuorovaikutuksessa hapen kanssa yli 400 ° C:

Si + O 2 = SiO 2 piioksidi

2. reagoi fluorin kanssa jo huoneenlämmössä:

Si + 2F 2 = SiF4 -piitetrafluoridi

3. muiden halogeenien kanssa reaktiot tapahtuvat lämpötilassa = 300 - 500 ° С

Si + 2Hal 2 = SiHal 4

4.Rikkihöyryn kanssa 600 ° C: ssa muodostuu disulfidi:

5. Reaktio typen kanssa tapahtuu yli 1000 ° C: ssa:

3Si + 2N 2 = Si 3N 4 piinitridi

6. Lämpötilassa = 1150 ° C reagoi hiilen kanssa:

Si02 + 3C = SiC + 2CO

Carborundum on kovuudeltaan lähellä timanttia.

7. Pii ei reagoi suoraan vedyn kanssa.

8. Pii kestää happoja. Vuorovaikutus vain typpi- ja fluorivetyhappovetyhapon seoksen kanssa:

3Si + 12HF + 4HNO 3 = 3SiF 4 + 4NO + 8H 2O

9. reagoi alkaliliuoksien kanssa muodostaen silikaatteja ja vapauttaen vetyä:

Si + 2NaOH + H20 = Na2Si03 + 2H2

10. Piin pelkistäviä ominaisuuksia käytetään metallien eristämiseen niiden oksideista:

2MgO = Si = 2Mg + Si02

Reaktioissa metallien kanssa Si on hapettava aine:

Pii muodostaa silikidejä s-metallien ja useimpien d-metallien kanssa.

Tämän metallin silidien koostumus voi olla erilainen. (Esimerkiksi FeSi ja FeSi 2; Ni 2 Si ja NiSi 2.) Yksi tunnetuimmista silikideistä on magnesiumsilidi, joka voidaan saada aikaan yksinkertaisten aineiden suorassa vuorovaikutuksessa:

2 Mg + Si = Mg 2 Si

Silaani (monosilaani) SiH 4

Silaanit (piidioksidit) Si n H 2n + 2, (vertaa alkaaneihin), jossa n = 1-8. Silaanit ovat alkaanien analogeja, jotka eroavat niistä Si-Si-ketjujen epävakaudessa.

Monosilaani SiH 4 on väritön kaasu, jolla on epämiellyttävä haju; liukenee etanoliin, bensiiniin.

Menetelmät saamiseksi:

1. Magnesiumsilidin hajoaminen suolahapon kanssa: Mg 2 Si + 4HCI = 2 MgCI 2 + SiH 4

2. Si -halogenidien pelkistys litiumalumiinihydridillä: SiCl 4 + LiAlH 4 = SiH 4 + LiCl + AlCl 3

Kemiallisia ominaisuuksia.

Silaani on voimakas pelkistin.

1.SiH 4 hapetetaan hapella jopa erittäin alhaisissa lämpötiloissa:

SiH 4 + 2O 2 = Si02 + 2H 2O

2. SiH 4 hydrolysoituu helposti, erityisesti emäksisessä ympäristössä:

SiH4 + 2H20 = Si02 + 4H2

SiH4 + 2NaOH + H20 = Na2Si03 + 4H2

Pii (IV) oksidi (silika) SiO 2

Piidioksidia on eri muodoissa: kiteistä, amorfista ja lasimaista. Yleisin kiteinen muoto on kvartsi. Kun kvartsikivet tuhoutuvat, muodostuu kvartsihiekkaa. Kvartsi -monokiteet ovat läpinäkyviä, väritöntä (vuorikristalli) tai värillisiä epäpuhtauksilla eri väreissä (ametisti, akaatti, jaspis jne.).

Amorfinen Si02 esiintyy opaalimineraalina: silikageeli saadaan keinotekoisesti, joka koostuu SiO2: n kolloidisista hiukkasista ja joka on erittäin hyvä adsorbentti. Lasinen SiO 2 tunnetaan kvartsilasina.

Fyysiset ominaisuudet

Si02 liukenee hyvin vähän veteen eikä käytännössä liukene orgaanisiin liuottimiin. Silika on dielektrinen.

Kemiallisia ominaisuuksia

1. Si02 on hapan oksiidi, joten amorfinen piidioksidi liukenee hitaasti emästen vesiliuoksiin:

Si02 + 2NaOH = Na2Si03 + H20

2. SiO 2 on myös vuorovaikutuksessa lämmitettäessä emäksisten oksidien kanssa:

Si02 + K20 = K2Si03;

Si02 + CaO = CaSiO 3

3. Koska SiO 2 on haihtumaton oksidi, se syrjäyttää hiilidioksidin Na 2 CO 3: sta (sulattamalla):

Si02 + Na2CO3 = Na2Si03 + CO2

4. Piidioksidi reagoi fluorivetyhapon kanssa muodostaen fluorivetyhappoa H 2 SiF 6:

Si02 + 6HF = H2 SiF6 + 2H20

5. 250 - 400 ° C: ssa SiO 2 on vuorovaikutuksessa kaasumaisen HF: n ja F 2: n kanssa muodostaen tetrafluorosilaania (piitetetrafluoridia):

Si02 + 4HF (kaasu) = SiF4 + 2H20

Si02 + 2F2 = SiF4 + O2

Piihappo

Tunnettu:

Ortopiihappo H4Si04;

Rikkihappo (pii) happo H2Si03;

Di- ja monipiihapot.

Kaikki piihapot liukenevat hieman veteen ja muodostavat helposti kolloidisia liuoksia.

Menetelmät saamiseksi

1. Saostus aperäisin olevien happojen kanssa:

Na 2 SiO 3 + 2HCl = H 2 SiO 3 ↓ + 2NaCl

2. Kloorisilaanien hydrolyysi: SiCl 4 + 4H 2 O = H 4 SiO 4 + 4HCl

Kemiallisia ominaisuuksia

Piihapot ovat erittäin heikkoja happoja (heikompia kuin hiilihappo).

Kuumennettaessa ne kuivuvat muodostaen piidioksidin lopputuotteena.

H 4 SiO 4 → H 2 SiO 3 → SiO 2

Silikaatit - piihapposuolat

Koska piihapot ovat erittäin heikkoja, niiden suolat vesiliuoksissa hydrolysoituvat voimakkaasti:

Na2Si03 + H20 = NaHSi03 + NaOH

SiO 3 2- + H 2 = HSiO 3 - + OH - (emäksinen väliaine)

Samasta syystä, kun hiilidioksidi johdetaan silikaattiliuoksien läpi, piihappo syrjäytyy niistä:

K 2 SiO 3 + CO 2 + H 2 = H 2 SiO 3 ↓ + K 2 CO 3

SiO 3 + CO 2 + H 2 = H 2 SiO 3 ↓ + CO 3

Tätä reaktiota voidaan pitää silikaatti -ionien laadullisena reaktiona.

Silikaateista vain Na 2 SiO 3 ja K 2 SiO 3 ovat erittäin liukoisia, joita kutsutaan liukoisiksi lasiksi, ja niiden vesiliuoksia kutsutaan nestelasiksi.

Lasi

Tavallisella ikkunalasilla on koostumus Na 2 O CaO 6SiO 2, eli se on natriumin ja kalsiumsilikaattien seos. Se saadaan sulattamalla sooda Na 2 CO 3, kalkkikivi CaCO 3 ja hiekka SiO 2;

Na 2CO 3 + CaCO 3 + 6SiO 2 = Na 2 O CaO 6SiO 2 + 2CO 2

Sementti

Jauhemainen sideaine, joka muodostaa veden kanssa vuorovaikutuksessa muovimassan, joka ajan mittaan muuttuu kiinteäksi kivimaiseksi kappaleeksi; perusrakennusmateriaali.

Yleisimmän portland -sementin kemiallinen koostumus (painoprosentteina) on 20 - 23% Si02; 62-76% CaO; 4-7% Al203; 2-5% Fe203; 1-5% MgO.