Układ okresowy to sposób odczytywania pierwiastków chemicznych. Nazwy pierwiastków chemicznych

24.11.202227.05.2017

Jak korzystać z układu okresowego? Dla niewtajemniczonej osoby czytanie układu okresowego jest takie samo, jak dla gnoma przeglądającego starożytne runy elfów. A układ okresowy może wiele powiedzieć o świecie.

Oprócz tego, że dobrze posłuży na egzaminie, jest też po prostu niezastąpiony w rozwiązywaniu ogromnej liczby problemów chemicznych i fizycznych. Ale jak to przeczytać? Na szczęście dziś każdy może nauczyć się tej sztuki. W tym artykule dowiemy się, jak rozumieć układ okresowy.

Układ okresowy pierwiastków chemicznych (tablica Mendelejewa) to klasyfikacja pierwiastków chemicznych, która ustala zależność różnych właściwości pierwiastków od ładunku jądra atomowego.

Historia powstania Tabeli

Dmitrij Iwanowicz Mendelejew nie był prostym chemikiem, jeśli ktoś tak sądzi. Był chemikiem, fizykiem, geologiem, metrologiem, ekologiem, ekonomistą, naftowcem, aeronautą, konstruktorem instrumentów i nauczycielem. W ciągu swojego życia naukowcowi udało się przeprowadzić wiele podstawowych badań z różnych dziedzin wiedzy. Na przykład powszechnie uważa się, że to Mendelejew obliczył idealną moc wódki - 40 stopni.

Nie wiemy, co Mendelejew myślał o wódce, ale wiemy na pewno, że jego rozprawa na temat „Dyskurs o połączeniu alkoholu z wodą” nie miała nic wspólnego z wódką i uwzględniała stężenia alkoholu od 70 stopni. Przy wszystkich zasługach naukowca największą sławę przyniosło mu odkrycie okresowego prawa pierwiastków chemicznych - jednego z podstawowych praw natury.

Istnieje legenda, według której naukowcowi przyśnił się układ okresowy, po czym musiał już tylko udoskonalić pomysł, który się pojawił. Ale gdyby wszystko było takie proste.. Ta wersja stworzenia układu okresowego najwyraźniej jest niczym więcej niż legendą. Na pytanie, jak otwarto stół, sam Dmitrij Iwanowicz odpowiedział: „ Myślałem o tym może od dwudziestu lat, a ty myślisz: siedziałem i nagle… gotowe”.

W połowie XIX wieku próby uporządkowania znanych pierwiastków chemicznych (znanych było 63 pierwiastków) podejmowało równolegle kilku naukowców. Na przykład w 1862 roku Alexandre Emile Chancourtois umieścił pierwiastki wzdłuż helisy i zauważył cykliczne powtarzanie się właściwości chemicznych.

Chemik i muzyk John Alexander Newlands zaproponował swoją wersję układu okresowego w 1866 roku. Ciekawostką jest to, że naukowiec próbował odkryć jakąś mistyczną harmonię muzyczną w układzie elementów. Była między innymi próba Mendelejewa, która zakończyła się sukcesem.

W 1869 roku opublikowano pierwszy diagram tablicowy, a za dzień otwarcia prawa okresowego uważa się 1 marca 1869 roku. Istotą odkrycia Mendelejewa było to, że właściwości pierwiastków wraz ze wzrostem masy atomowej nie zmieniają się monotonicznie, ale okresowo.

Pierwsza wersja tabeli zawierała tylko 63 elementy, ale Mendelejew podjął szereg bardzo niekonwencjonalnych decyzji. Domyślił się więc, aby zostawić miejsce w tabeli na wciąż nieodkryte pierwiastki, a także zmienił masy atomowe niektórych pierwiastków. Zasadnicza poprawność prawa wyprowadzonego przez Mendelejewa została potwierdzona bardzo szybko, po odkryciu galu, skandu i germanu, których istnienie przepowiadał uczony.

Współczesne spojrzenie na układ okresowy

Poniżej znajduje się sama tabela

Obecnie zamiast masy atomowej (masy atomowej) do porządkowania pierwiastków używa się pojęcia liczby atomowej (liczby protonów w jądrze). Tabela zawiera 120 elementów, które ułożone są od lewej do prawej w kolejności rosnącej liczby atomowej (liczby protonów)

Kolumny tabeli reprezentują tzw. grupy, a wiersze reprezentują okresy. Tabela ma 18 grup i 8 okresów.

Właściwości metaliczne pierwiastków zmniejszają się podczas przemieszczania się w okresie od lewej do prawej i rosną w przeciwnym kierunku.
Rozmiary atomów zmniejszają się podczas przesuwania się od lewej do prawej wzdłuż okresów.
W miarę przemieszczania się od góry do dołu w grupie właściwości redukujące metalu rosną.
Właściwości utleniające i niemetaliczne rosną w miarę przesuwania się okresu od lewej do prawej.

Czego dowiadujemy się o elemencie z tabeli? Weźmy na przykład trzeci pierwiastek w tabeli - lit i rozważmy go szczegółowo.

Przede wszystkim widzimy sam symbol elementu i jego nazwę pod nim. W lewym górnym rogu znajduje się liczba atomowa pierwiastka, w jakiej kolejności ułożone są pierwiastki w tabeli. Liczba atomowa, jak już wspomniano, jest równa liczbie protonów w jądrze. Liczba dodatnich protonów jest zwykle równa liczbie ujemnych elektronów w atomie (z wyjątkiem izotopów).

Masa atomowa jest podana pod liczbą atomową (w tej wersji tabeli). Jeśli zaokrąglimy masę atomową do najbliższej liczby całkowitej, otrzymamy tak zwaną liczbę masową. Różnica między liczbą masową a liczbą atomową daje liczbę neutronów w jądrze. Zatem liczba neutronów w jądrze helu wynosi dwa, a w litu - cztery.

Nasz kurs „Układ okresowy dla opornych” dobiegł końca. Podsumowując, zapraszamy do obejrzenia filmu tematycznego i mamy nadzieję, że pytanie, jak korzystać z układu okresowego Mendelejewa, stało się dla Ciebie jaśniejsze. Przypominamy, że zawsze skuteczniej jest uczyć się nowego przedmiotu nie w pojedynkę, ale z pomocą doświadczonego mentora. Dlatego nigdy nie należy zapominać o obsłudze studenckiej, która chętnie podzieli się z Tobą swoją wiedzą i doświadczeniem.

Po tlenie krzem jest najobficiej występującym pierwiastkiem w skorupie ziemskiej. Posiada 2 stabilne izotopy: 28 Si, 29 Si, 30 Si. Krzem nie występuje w przyrodzie w postaci wolnej.

Najczęściej: sole kwasu krzemowego i tlenek krzemu (krzemionka, piasek, kwarc). Wchodzą w skład soli mineralnych, miki, talku, azbestu.

Alotropia krzemu.

U krzem Istnieją 2 modyfikacje alotropowe:

Krystaliczny (jasnoszare kryształy. Struktura jest podobna do sieci krystalicznej diamentu, gdzie atom krzemu jest kowalencyjnie związany z 4 identycznymi atomami, a sam jest w sp3 - hybrydyzacja);

Amorficzny (brązowy proszek, forma bardziej aktywna niż krystaliczna).

Właściwości krzemu.

W temperaturze krzem reaguje z tlenem z powietrza:

Si + O 2 = SiO 2 .

Jeśli nie ma wystarczającej ilości tlenu (brak tlenu), może wystąpić następująca reakcja:

2 Si + O 2 = 2 SiO,

Gdzie SiO- tlenek, który może również powstać podczas reakcji:

Si + SiO 2 = 2 SiO.

W normalnych warunkach krzem może reagować z F 2 , po podgrzaniu - z kl 2 . Jeśli jeszcze bardziej zwiększysz temperaturę Si będzie mógł wchodzić w interakcję N I S:

4Si + S8 = 4SiS2;

Si + 2F 2 \u003d SiF 4.

Krzem może reagować z węglem, dając karborund:

Si + C = SiC.

Krzem jest rozpuszczalny w mieszaninie stężonych kwasów azotowych i fluorowodorowych:

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

Krzem rozpuszcza się w wodnych roztworach zasad:

Si + 2NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + H 2.

Po podgrzaniu z tlenkami krzem staje się nieproporcjonalny:

2 MgO + 3 Si = Mg 2 Si + 2 SiO.

Podczas interakcji z metalami krzem działa jako środek utleniający:

2 Mg + Si = Mg 2 Si.

Zastosowanie silikonu.

Krzem jest najszerzej stosowany w produkcji stopów w celu nadania wytrzymałości aluminium, miedzi i magnezowi oraz do produkcji żelazokrzemków, które są ważne w produkcji stali i technologii półprzewodników. Kryształy krzemu stosowane są w ogniwach słonecznych i urządzeniach półprzewodnikowych – tranzystorach i diodach.

Krzem służy także jako surowiec do produkcji związków krzemoorganicznych, czyli siloksanów, otrzymywanych w postaci olejów, smarów, tworzyw sztucznych i kauczuków syntetycznych. Nieorganiczne związki krzemu stosowane są w technologii ceramicznej i szklanej, jako materiał izolacyjny oraz piezokryształy.

Jednym z najczęstszych pierwiastków w przyrodzie jest krzem lub krzem. Tak szerokie rozmieszczenie wskazuje na wagę i znaczenie tej substancji. Zostało to szybko zrozumiane i nauczone przez ludzi, którzy nauczyli się, jak właściwie wykorzystywać krzem do swoich celów. Jego zastosowanie opiera się na specjalnych właściwościach, które omówimy dalej.

Krzem - pierwiastek chemiczny

Jeśli scharakteryzujemy dany pierwiastek według pozycji w układzie okresowym, możemy zidentyfikować następujące ważne punkty:

Numer seryjny - 14.
Okres jest trzecim małym.
Grupa - IV.
Podgrupa jest grupą główną.
Strukturę zewnętrznej powłoki elektronowej wyraża wzór 3s 2 3p 2.
Pierwiastek krzem jest reprezentowany przez symbol chemiczny Si, który wymawia się jako „krzem”.
Wykazywane przez niego stany utlenienia to: -4; +2; +4.
Wartościowość atomu wynosi IV.
Masa atomowa krzemu wynosi 28,086.
W przyrodzie występują trzy stabilne izotopy tego pierwiastka o liczbach masowych 28, 29 i 30.

Zatem z chemicznego punktu widzenia atom krzemu jest pierwiastkiem dość zbadanym, opisano wiele jego różnych właściwości.

Historia odkryć

Ponieważ różne związki tego pierwiastka są bardzo popularne i obfite w przyrodzie, ludzie już od czasów starożytnych stosowali i znali właściwości wielu z nich. Czysty krzem przez długi czas pozostawał poza ludzką wiedzą chemiczną.

Najpopularniejszymi związkami stosowanymi w życiu codziennym i przemyśle przez ludy kultur starożytnych (Egipcjan, Rzymian, Chińczyków, Rosjan, Persów i innych) były kamienie szlachetne i ozdobne na bazie tlenku krzemu. Obejmują one:

opal;
kryształ górski;
topaz;
chryzopraz;
onyks;
chalcedon i inne.

Od czasów starożytnych zwyczajowo używano kwarcu w budownictwie. Jednak sam krzem elementarny pozostawał nieodkryty aż do XIX wieku, chociaż wielu naukowców bezskutecznie próbowało wyizolować go z różnych związków, stosując katalizatory, wysokie temperatury, a nawet prąd elektryczny. Są to takie bystre umysły jak:

Carl Scheele;
Gay-Lussac;
Tenar;
Humphry'ego Davy'ego;
Antoine’a Lavoisiera.

Jensowi Jacobsowi Berzeliusowi udało się uzyskać krzem w czystej postaci w 1823 roku. W tym celu przeprowadził eksperyment polegający na stapianiu par fluorku krzemu i metalicznego potasu. W rezultacie otrzymał amorficzną modyfikację omawianego elementu. Ci sami naukowcy zaproponowali łacińską nazwę odkrytemu atomowi.

Nieco później, w 1855 roku, innemu naukowcowi - Sainte-Clair-Deville - udało się zsyntetyzować inną odmianę alotropową - krzem krystaliczny. Od tego czasu wiedza o tym pierwiastku i jego właściwościach zaczęła się bardzo szybko poszerzać. Ludzie zdali sobie sprawę, że ma unikalne funkcje, które można bardzo inteligentnie wykorzystać do własnych potrzeb. Dlatego dziś jednym z najpopularniejszych elementów w elektronice i technologii jest krzem. Jego użycie z roku na rok tylko poszerza swoje granice.

Rosyjską nazwę atomu nadał naukowiec Hess w 1831 roku. To właśnie utkwiło do dziś.

Pod względem obfitości w przyrodzie krzem zajmuje drugie miejsce po tlenie. Jego procent w porównaniu z innymi atomami skorupy ziemskiej wynosi 29,5%. Dodatkowo węgiel i krzem to dwa specjalne pierwiastki, które mogą tworzyć łańcuchy, łącząc się ze sobą. Dlatego dla tego ostatniego znanych jest ponad 400 różnych naturalnych minerałów, w których występuje on w litosferze, hydrosferze i biomasie.

Gdzie dokładnie występuje krzem?

W głębokich warstwach gleby.
W skałach, osadach i masywach.
Na dnie zbiorników wodnych, zwłaszcza mórz i oceanów.
W roślinach i życiu morskim królestwa zwierząt.
W organizmie człowieka i zwierząt lądowych.

Możemy zidentyfikować kilka najpowszechniejszych minerałów i skał zawierających duże ilości krzemu. Ich skład chemiczny jest taki, że zawartość masowa czystego pierwiastka w nich sięga 75%. Jednak konkretna liczba zależy od rodzaju materiału. Zatem skały i minerały zawierające krzem:

skalenie;
mika;
amfibole;
opale;
chalcedon;
krzemiany;
piaskowce;
glinokrzemiany;
glinki i inne.

Gromadząc się w muszlach i egzoszkieletach zwierząt morskich, krzem ostatecznie tworzy potężne złoża krzemionki na dnie zbiorników wodnych. Jest to jedno z naturalnych źródeł tego pierwiastka.

Ponadto odkryto, że krzem może występować w czystej postaci natywnej – w postaci kryształów. Ale takie złoża są bardzo rzadkie.

Właściwości fizyczne krzemu

Jeżeli charakteryzujemy rozpatrywany pierwiastek według zespołu właściwości fizykochemicznych, to przede wszystkim konieczne jest wyznaczenie parametrów fizycznych. Oto kilka głównych:

Występuje w postaci dwóch modyfikacji alotropowych – amorficznej i krystalicznej, które różnią się wszystkimi właściwościami.
Sieć krystaliczna jest bardzo podobna do sieci diamentu, ponieważ węgiel i krzem są pod tym względem praktycznie takie same. Różna jest jednak odległość między atomami (większy jest krzem), dlatego diament jest znacznie twardszy i mocniejszy. Typ kratowy - sześcienny, centrowany twarzą.
Substancja jest bardzo krucha i staje się plastyczna w wysokich temperaturach.
Temperatura topnienia wynosi 1415˚C.
Temperatura wrzenia - 3250˚С.
Gęstość substancji wynosi 2,33 g/cm3.
Kolor mieszanki jest srebrno-szary, z charakterystycznym metalicznym połyskiem.
Ma dobre właściwości półprzewodnikowe, które mogą się różnić w zależności od dodatku niektórych środków.
Nierozpuszczalny w wodzie, rozpuszczalnikach organicznych i kwasach.
Szczególnie rozpuszczalny w alkaliach.

Zidentyfikowane właściwości fizyczne krzemu pozwalają ludziom manipulować nim i wykorzystywać go do tworzenia różnorodnych produktów. Na przykład zastosowanie czystego krzemu w elektronice opiera się na właściwościach półprzewodnictwa.

Właściwości chemiczne

Właściwości chemiczne krzemu są w dużym stopniu zależne od warunków reakcji. Jeśli mówimy o standardowych parametrach, to trzeba wskazać bardzo niską aktywność. Zarówno krzem krystaliczny, jak i amorficzny są bardzo obojętne. Nie wchodzą w interakcję z silnymi utleniaczami (z wyjątkiem fluoru) ani z silnymi środkami redukującymi.

Wynika to z faktu, że na powierzchni substancji natychmiast tworzy się film tlenkowy SiO 2, co zapobiega dalszym interakcjom. Może powstawać pod wpływem wody, powietrza i pary.

Jeśli zmienisz standardowe warunki i podgrzejesz krzem do temperatury powyżej 400˚C, wówczas jego aktywność chemiczna znacznie wzrośnie. W takim przypadku zareaguje:

tlen;
wszystkie rodzaje halogenów;
wodór.

Przy dalszym wzroście temperatury możliwe jest tworzenie produktów w wyniku interakcji z borem, azotem i węglem. Szczególne znaczenie ma karborund – SiC, który jest dobrym materiałem ściernym.

Również właściwości chemiczne krzemu są wyraźnie widoczne w reakcjach z metalami. W stosunku do nich jest środkiem utleniającym, dlatego produkty nazywane są krzemkami. Podobne związki są znane z:

alkaliczny;
ziemia alkaliczna;
metale przejściowe.

Związek otrzymany w wyniku stopienia żelaza i krzemu ma niezwykłe właściwości. Nazywa się ją ceramiką żelazokrzemową i jest z powodzeniem stosowana w przemyśle.

Krzem nie wchodzi w interakcję z substancjami złożonymi, dlatego ze wszystkich ich odmian może rozpuszczać się tylko w:

woda królewska (mieszanina kwasu azotowego i solnego);
żrące zasady.

W takim przypadku temperatura roztworu powinna wynosić co najmniej 60 ° C. Wszystko to po raz kolejny potwierdza fizyczną podstawę substancji - stabilną sieć krystaliczną przypominającą diament, która nadaje jej siłę i bezwładność.

Metody uzyskiwania

Otrzymywanie krzemu w czystej postaci jest procesem dość kosztownym ekonomicznie. Ponadto, ze względu na swoje właściwości, każda metoda daje jedynie produkt o czystości 90-99%, podczas gdy zanieczyszczenia w postaci metali i węgla pozostają takie same. Zatem samo zdobycie substancji nie wystarczy. Należy go również jakościowo oczyścić z obcych elementów.

Ogólnie rzecz biorąc, produkcja krzemu odbywa się na dwa główne sposoby:

Z białego piasku, który jest czystym tlenkiem krzemu SiO 2 . Podczas kalcynowania metalami aktywnymi (najczęściej magnezem) powstaje wolny pierwiastek w postaci modyfikacji amorficznej. Czystość tej metody jest wysoka, produkt otrzymuje się z wydajnością 99,9%.
Bardziej rozpowszechnioną metodą na skalę przemysłową jest spiekanie stopionego piasku z koksem w specjalistycznych piecach termicznych. Metodę tę opracował rosyjski naukowiec N. N. Beketow.

Dalsza obróbka polega na poddaniu produktów metodom oczyszczania. W tym celu stosuje się kwasy lub halogeny (chlor, fluor).

Amorficzny krzem

Charakterystyka krzemu będzie niekompletna, jeśli każda z jego modyfikacji alotropowych nie będzie rozpatrywana osobno. Pierwszy z nich jest amorficzny. W tym stanie substancja, którą rozważamy, jest brązowobrązowym proszkiem, drobno zdyspergowanym. Ma wysoki stopień higroskopijności i wykazuje dość wysoką aktywność chemiczną po podgrzaniu. W standardowych warunkach jest w stanie oddziaływać tylko z najsilniejszym utleniaczem - fluorem.

Nazywanie krzemu amorficznego rodzajem krzemu krystalicznego nie jest całkowicie poprawne. Jego siatka wskazuje, że substancja ta jest jedynie formą drobno zdyspergowanego krzemu, występującego w postaci kryształów. Dlatego też modyfikacje te stanowią jeden i ten sam związek.

Jednak ich właściwości różnią się, dlatego zwyczajowo mówi się o alotropii. Sam amorficzny krzem ma wysoką zdolność pochłaniania światła. Ponadto pod pewnymi warunkami wskaźnik ten jest kilkakrotnie wyższy niż wskaźnik postaci krystalicznej. Dlatego jest używany do celów technicznych. W tej postaci (proszek) masę można łatwo nałożyć na dowolną powierzchnię, czy to plastik, czy szkło. Dlatego krzem amorficzny jest tak wygodny w użyciu. Aplikacja oparta na różnych rozmiarach.

Choć akumulatory tego typu dość szybko się zużywają, co wiąże się z ścieraniem cienkiej warstwy substancji, to ich zastosowanie i zapotrzebowanie jedynie rośnie. W końcu nawet w krótkim okresie użytkowania baterie słoneczne oparte na krzemie amorficznym mogą zapewnić energię całym przedsiębiorstwom. Ponadto produkcja takiej substancji jest bezodpadowa, co czyni ją bardzo ekonomiczną.

Modyfikację tę uzyskuje się poprzez redukcję związków metalami aktywnymi, na przykład sodem lub magnezem.

Krystaliczny krzem

Srebrno-szara błyszcząca modyfikacja danego elementu. Ta forma jest najczęstsza i najbardziej pożądana. Wyjaśnia to zestaw właściwości jakościowych, które posiada ta substancja.

Charakterystyka krzemu z siecią krystaliczną obejmuje klasyfikację jego typów, ponieważ jest ich kilka:

Jakość elektroniczna - najczystsza i najwyższa jakość. Ten typ stosowany jest w elektronice do tworzenia szczególnie wrażliwych urządzeń.
Słoneczna jakość. Sama nazwa określa obszar zastosowania. To także krzem o dość dużej czystości, którego użycie jest niezbędne do stworzenia wysokiej jakości i trwałego ogniwa słonecznego. Przetworniki fotoelektryczne powstałe na bazie struktury krystalicznej charakteryzują się wyższą jakością i odpornością na zużycie niż te powstałe przy zastosowaniu modyfikacji amorficznej poprzez napylanie na różnego rodzaju podłoża.
Silikon techniczny. Do tej odmiany zaliczają się próbki substancji, które zawierają około 98% czystego pierwiastka. Cała reszta trafia do różnego rodzaju zanieczyszczeń:

aluminium;
chlor;
węgiel;
fosfor i inne.

Ostatni rodzaj omawianej substancji służy do otrzymywania polikryształów krzemu. W tym celu przeprowadza się procesy rekrystalizacji. W rezultacie pod względem czystości otrzymuje się produkty, które można zaliczyć do jakości solarnej i elektronicznej.

Ze swej natury polikrzem jest produktem pośrednim pomiędzy modyfikacjami amorficznymi i krystalicznymi. Ta opcja jest łatwiejsza w obsłudze, jest lepiej przetwarzana i czyszczona fluorem i chlorem.

Powstałe produkty można sklasyfikować w następujący sposób:

multikrzem;
monokrystaliczny;
profilowane kryształy;
złom krzemu;
krzem techniczny;
odpady produkcyjne w postaci fragmentów i skrawków materii.

Każdy z nich znajduje zastosowanie w przemyśle i jest w pełni wykorzystywany przez człowieka. Dlatego te, które dotykają krzemu, są uważane za nieodpadowe. To znacznie zmniejsza koszty ekonomiczne bez wpływu na jakość.

Używanie czystego krzemu

Przemysłowa produkcja krzemu jest już dość dobrze ugruntowana, a jej skala jest dość duża. Wynika to z faktu, że pierwiastek ten, zarówno czysty, jak i w postaci różnych związków, jest szeroko rozpowszechniony i poszukiwany w różnych dziedzinach nauki i techniki.

Gdzie stosuje się krzem krystaliczny i amorficzny w czystej postaci?

W hutnictwie jako dodatek stopowy zmieniający właściwości metali i ich stopów. Dlatego stosuje się go do wytapiania stali i żeliwa.
Aby uzyskać czystszą wersję - polikrzem, stosuje się różne rodzaje substancji.
Związki krzemu to cały przemysł chemiczny, który zyskał dziś szczególną popularność. Materiały krzemoorganiczne są stosowane w medycynie, do produkcji naczyń, narzędzi i wielu innych.
Produkcja różnych paneli słonecznych. Ta metoda pozyskiwania energii jest jedną z najbardziej obiecujących w przyszłości. Przyjazne dla środowiska, korzystne ekonomicznie i odporne na zużycie to główne zalety tego rodzaju wytwarzania energii elektrycznej.
Krzem jest używany do zapalniczek od bardzo dawna. Już w czasach starożytnych ludzie używali krzemienia, aby wytworzyć iskrę podczas rozpalania ognia. Zasada ta stanowi podstawę produkcji różnego rodzaju zapalniczek. Obecnie istnieją typy, w których krzemień zastępuje się stopem o określonym składzie, co daje jeszcze szybszy wynik (iskrzenie).
Elektronika i energia słoneczna.
Produkcja zwierciadeł w urządzeniach lasera gazowego.

Zatem czysty krzem ma wiele korzystnych i specjalnych właściwości, które pozwalają na wykorzystanie go do tworzenia ważnych i niezbędnych produktów.

Zastosowanie związków krzemu

Oprócz prostej substancji stosuje się również różne związki krzemu i to bardzo szeroko. Istnieje cała branża zwana krzemianami. Polega na wykorzystaniu różnorodnych substancji zawierających ten niezwykły pierwiastek. Czym są te związki i co z nich powstaje?

Kwarc lub piasek rzeczny - SiO 2. Stosowany do produkcji materiałów budowlanych i dekoracyjnych, takich jak cement i szkło. Każdy wie, gdzie wykorzystuje się te materiały. Żadna konstrukcja nie może obejść się bez tych składników, co potwierdza znaczenie związków krzemu.
Ceramika silikatowa, do której zaliczają się materiały takie jak ceramika, porcelana, cegła oraz produkty na ich bazie. Składniki te znajdują zastosowanie w medycynie, przy produkcji naczyń, biżuterii dekoracyjnej, artykułów gospodarstwa domowego, w budownictwie i innych obszarach codziennej działalności człowieka.
- silikony, żele krzemionkowe, oleje silikonowe.
Klej silikatowy - stosowany do artykułów papierniczych, w pirotechnice i budownictwie.

Krzem, którego cena na rynku światowym jest różna, ale nie przekracza od góry do dołu granicy 100 rubli rosyjskich za kilogram (w przeliczeniu na postać krystaliczną), jest substancją poszukiwaną i cenną. Naturalnie związki tego pierwiastka są również szeroko rozpowszechnione i mają zastosowanie.

Biologiczna rola krzemu

Z punktu widzenia jego znaczenia dla organizmu, krzem jest ważny. Jego zawartość i rozmieszczenie w tkankach przedstawia się następująco:

0,002% - mięśnie;
0,000017% - kość;
krew - 3,9 mg/l.

Codziennie należy spożywać około jednego grama krzemu, w przeciwnym razie zaczną się rozwijać choroby. Żaden z nich nie jest śmiertelnie niebezpieczny, ale długotrwały głód krzemu prowadzi do:

wypadanie włosów;
pojawienie się trądziku i wyprysków;
kruchość i łamliwość kości;
łatwa przepuszczalność kapilar;
zmęczenie i bóle głowy;
pojawienie się licznych siniaków i siniaków.

Dla roślin krzem jest ważnym mikroelementem niezbędnym do prawidłowego wzrostu i rozwoju. Eksperymenty na zwierzętach wykazały, że osoby spożywające codziennie wystarczającą ilość krzemu rosną lepiej.

Jako niezależny pierwiastek chemiczny krzem stał się znany ludzkości dopiero w 1825 roku. Co oczywiście nie przeszkodziło w zastosowaniu związków krzemu w tak wielu obszarach, że łatwiej jest wymienić te, w których pierwiastek nie jest stosowany. Artykuł ten rzuci światło na fizyczne, mechaniczne i użyteczne właściwości chemiczne krzemu i jego związków, zastosowania, a także porozmawiamy o tym, jak krzem wpływa na właściwości stali i innych metali.

Najpierw przyjrzyjmy się ogólnej charakterystyce krzemu. Od 27,6 do 29,5% masy skorupy ziemskiej stanowi krzem. W wodzie morskiej stężenie tego pierwiastka jest również znaczne – do 3 mg/l.

Pod względem liczebności w litosferze krzem zajmuje drugie miejsce po tlenie. Jednak jej najsłynniejsza postać, czyli krzemionka, jest dwutlenkiem i to właśnie jej właściwości stały się podstawą tak szerokiego zastosowania.

W tym filmie dowiesz się, czym jest krzem:

Koncepcja i funkcje

Krzem jest niemetalem, ale w różnych warunkach może wykazywać zarówno właściwości kwasowe, jak i zasadowe. Jest typowym półprzewodnikiem i jest niezwykle szeroko stosowany w elektrotechnice. O jego właściwościach fizycznych i chemicznych w dużej mierze decyduje stan alotropowy. Najczęściej zajmują się formą krystaliczną, gdyż na jej właściwości jest większe zapotrzebowanie w gospodarce narodowej.

Krzem jest jednym z podstawowych makroelementów w organizmie człowieka. Jej niedobór niekorzystnie wpływa na stan tkanki kostnej, włosów, skóry i paznokci. Ponadto krzem wpływa na pracę układu odpornościowego.
W medycynie pierwiastek, a raczej jego związki, znalazły swoje pierwsze zastosowanie właśnie w tym charakterze. Woda ze studni wyłożonych krzemem była nie tylko czysta, ale także miała pozytywny wpływ na odporność na choroby zakaźne. Obecnie związki zawierające krzem stanowią podstawę leków przeciw gruźlicy, miażdżycy i zapaleniu stawów.
Ogólnie rzecz biorąc, niemetal jest mało aktywny, ale trudno go znaleźć w czystej postaci. Dzieje się tak dlatego, że w powietrzu ulega szybkiej pasywacji warstwą dwutlenku węgla i przestaje reagować. Po podgrzaniu aktywność chemiczna wzrasta. W rezultacie ludzkość znacznie lepiej zna związki materii niż samą siebie.

W ten sposób krzem tworzy stopy z prawie wszystkimi metalami - krzemkami. Wszystkie charakteryzują się ogniotrwałością i twardością i znajdują zastosowanie w odpowiednich obszarach: turbiny gazowe, grzejniki piecowe.

Niemetal jest umieszczony w tabeli D.I. Mendelejewa w grupie 6 wraz z węglem i germanem, co wskazuje na pewną wspólność z tymi substancjami. Zatem to, co ma wspólnego z węglem, to jego zdolność do tworzenia związków organicznych. Jednocześnie krzem, podobnie jak german, w niektórych reakcjach chemicznych może wykazywać właściwości metalu, co wykorzystuje się w syntezie.

Zalety i wady

Jak każda substancja z punktu widzenia wykorzystania w gospodarce narodowej, krzem ma pewne przydatne lub niezbyt przydatne właściwości. Są one ważne właśnie przy określaniu obszaru zastosowania.

Istotną zaletą substancji jest jej dostępność. W naturze co prawda nie występuje on w postaci wolnej, jednak technologia wytwarzania krzemu nie jest aż tak skomplikowana, choć jest energochłonna.
Drugą najważniejszą zaletą jest powstawanie wielu związków o niezwykle przydatnych właściwościach. Należą do nich silany, krzemki, dwutlenek i oczywiście szeroka gama krzemianów. Zdolność krzemu i jego związków do tworzenia złożonych roztworów stałych jest prawie nieskończona, co umożliwia nieskończone uzyskiwanie szerokiej gamy odmian szkła, kamienia i ceramiki.
Właściwości półprzewodników niemetal zapewnia mu miejsce jako materiał bazowy w elektrotechnice i radiu.
Niemetal jest nietoksyczny, co pozwala na zastosowanie w każdej branży, a jednocześnie nie czyni procesu technologicznego potencjalnie niebezpiecznym.

Wady materiału obejmują jedynie względną kruchość przy dobrej twardości. Krzem nie jest używany do konstrukcji nośnych, ale takie połączenie pozwala na odpowiednią obróbkę powierzchni kryształów, co jest ważne przy wykonywaniu instrumentów.

Porozmawiajmy teraz o podstawowych właściwościach krzemu.

Właściwości i cechy

Ponieważ krzem krystaliczny jest najczęściej stosowany w przemyśle, to właśnie jego właściwości są ważniejsze i to one są podane w specyfikacjach technicznych. Właściwości fizyczne substancji są następujące:

temperatura topnienia – 1417 C;
temperatura wrzenia – 2600 C;
gęstość wynosi 2,33 g/m3. cm, co wskazuje na kruchość;
pojemność cieplna i przewodność cieplna nie są stałe nawet w najczystszych próbkach: 800 J/(kg K), czyli 0,191 cal/(g deg) i 84-126 W/(m K), czyli 0,20-0, odpowiednio 30 cal/(cm·s·deg);
przezroczyste na długofalowe promieniowanie podczerwone, które jest stosowane w optyce podczerwonej;
stała dielektryczna – 1,17;
twardość w skali Mohsa – 7.

Właściwości elektryczne niemetalu w dużym stopniu zależą od zanieczyszczeń. W przemyśle tę funkcję wykorzystuje się poprzez modulację żądanego typu półprzewodnika. W normalnych temperaturach krzem jest kruchy, ale po podgrzaniu powyżej 800 C możliwe jest odkształcenie plastyczne.

Właściwości amorficznego krzemu są uderzająco odmienne: jest on wysoce higroskopijny i reaguje znacznie aktywniej nawet w normalnych temperaturach.

Strukturę i skład chemiczny, a także właściwości krzemu omawiamy w poniższym filmie:

Skład i struktura

Krzem występuje w dwóch postaciach alotropowych, które są równie stabilne w normalnych temperaturach.

Kryształ ma wygląd ciemnoszarego proszku. Substancja, choć ma diamentową sieć krystaliczną, jest krucha ze względu na zbyt długie wiązania między atomami. Interesujące są jego właściwości półprzewodnikowe.
Przy bardzo wysokich ciśnieniach można uzyskać sześciokątny modyfikacja o gęstości 2,55 g/m3. cm Jednak ta faza nie znalazła jeszcze praktycznego znaczenia.
Amorficzny– brązowobrązowy proszek. W przeciwieństwie do formy krystalicznej reaguje znacznie aktywniej. Wynika to nie tyle z bezwładności pierwszej formy, ale z faktu, że w powietrzu substancja pokryta jest warstwą dwutlenku węgla.

Ponadto należy wziąć pod uwagę inny rodzaj klasyfikacji związany z wielkością kryształów krzemu, które razem tworzą substancję. Jak wiadomo, sieć krystaliczna zakłada porządek nie tylko atomów, ale także struktur, które te atomy tworzą – tzw. porządek dalekiego zasięgu. Im jest większy, tym bardziej jednorodna będzie substancja pod względem właściwości.

Monokrystaliczny– próbką jest jeden kryształ. Jego struktura jest maksymalnie uporządkowana, a właściwości jednorodne i dobrze przewidywalne. Jest to materiał najbardziej poszukiwany w elektrotechnice. Jest to jednak również jeden z najdroższych gatunków, gdyż proces jego pozyskiwania jest złożony, a tempo wzrostu niskie.
Multikrystaliczny– próbka składa się z szeregu dużych ziaren krystalicznych. Granice między nimi tworzą dodatkowe poziomy defektów, co zmniejsza parametry próbki jako półprzewodnika i prowadzi do szybszego zużycia. Technologia uprawy multikryształów jest prostsza, przez co materiał jest tańszy.
Polikrystaliczny– składa się z dużej liczby ziaren rozmieszczonych losowo względem siebie. To najczystszy rodzaj krzemu przemysłowego, stosowany w mikroelektronice i energetyce słonecznej. Dość często stosowany jako surowiec do hodowli multi- i monokryształów.
Odrębną pozycję w tej klasyfikacji zajmuje także krzem amorficzny. Tutaj kolejność atomów jest zachowana tylko na najkrótszych dystansach. Jednak w elektrotechnice nadal stosuje się go w postaci cienkich warstw.

Produkcja niemetalowa

Uzyskanie czystego krzemu nie jest takie proste, biorąc pod uwagę obojętność jego związków i wysoką temperaturę topnienia większości z nich. W przemyśle najczęściej uciekają się do redukcji węglem z dwutlenku węgla. Reakcję prowadzi się w piecach łukowych w temperaturze 1800 C. W ten sposób otrzymuje się niemetal o czystości 99,9%, co nie jest wystarczające do jego zastosowania.

Powstały materiał chloruje się w celu wytworzenia chlorków i chlorowodorków. Następnie związki oczyszcza się wszystkimi możliwymi metodami z zanieczyszczeń i redukuje wodorem.

Substancję można również oczyścić poprzez otrzymanie krzemku magnezu. Krzemek poddaje się działaniu kwasu solnego lub octowego. Otrzymuje się silan, który oczyszcza się różnymi metodami - sorpcją, rektyfikację i tak dalej. Następnie silan rozkłada się na wodór i krzem w temperaturze 1000 C. W tym przypadku otrzymuje się substancję o zawartości zanieczyszczeń 10-8-10-6%.

Zastosowanie substancji

W przemyśle największe zainteresowanie budzą właściwości elektrofizyczne niemetalu. Jego postać monokrystaliczna jest półprzewodnikiem z pośrednią szczeliną. O jego właściwościach decydują zanieczyszczenia, co pozwala na otrzymanie kryształów krzemu o określonych właściwościach. Zatem dodatek boru i indu umożliwia hodowlę kryształu o przewodności dziurowej, a wprowadzenie fosforu lub arsenu umożliwia hodowlę kryształu o przewodności elektronowej.

Krzem dosłownie służy jako podstawa nowoczesnej elektrotechniki. Z niego wykonane są tranzystory, fotokomórki, układy scalone, diody i tak dalej. Co więcej, o funkcjonalności urządzenia prawie zawsze decyduje wyłącznie przypowierzchniowa warstwa kryształu, która wyznacza bardzo specyficzne wymagania dotyczące obróbki powierzchni.
W metalurgii krzem techniczny stosowany jest zarówno jako modyfikator stopu – nadaje większą wytrzymałość, jak i jako składnik – np. w produkcji żeliwa oraz jako środek odtleniający.
Podstawą energii słonecznej są ultraczyste i oczyszczone materiały metalurgiczne.
Dwutlenek niemetalu występuje w przyrodzie w wielu różnych postaciach. Jego odmiany kryształowe - opal, agat, karneol, ametyst, kryształ górski - znalazły swoje miejsce w biżuterii. Modyfikacje o niezbyt atrakcyjnym wyglądzie - krzemień, kwarc - stosowane są w metalurgii, budownictwie i radioelektronice.
Związek niemetalu z węglem, węglikiem, stosowany jest w metalurgii, produkcji instrumentów i przemyśle chemicznym. Jest to półprzewodnik szerokopasmowy, charakteryzujący się dużą twardością – 7 w skali Mohsa oraz wytrzymałością, która pozwala na zastosowanie go jako materiału ściernego.
Krzemiany – czyli sole kwasu krzemowego. Niestabilny, łatwo rozkłada się pod wpływem temperatury. Ich niezwykłą cechą jest to, że tworzą liczne i różnorodne sole. Ale te ostatnie są podstawą do produkcji szkła, ceramiki, wyrobów ceramicznych, kryształów itp. Można śmiało powiedzieć, że nowoczesne budownictwo opiera się na różnorodnych krzemianach.
Najciekawszym przypadkiem jest tu szkło. Jego podstawą są glinokrzemiany, ale nieznaczne domieszki innych substancji – zwykle tlenków – nadają materiałowi wiele różnych właściwości, w tym kolor. - ceramika, porcelana w rzeczywistości ma tę samą formułę, chociaż z innym stosunkiem składników, a jej różnorodność jest również niesamowita.
Niemetal ma jeszcze jedną zdolność: tworzy związki podobne do węgla, w postaci długiego łańcucha atomów krzemu. Takie związki nazywane są związkami krzemoorganicznymi. Nie mniej znany jest zakres ich zastosowania - są to silikony, uszczelniacze, smary i tak dalej.

Krzem jest pierwiastkiem bardzo powszechnym i ma niezwykle duże znaczenie w wielu obszarach gospodarki narodowej. Co więcej, aktywnie wykorzystuje się nie tylko samą substancję, ale wszystkie jej różnorodne i liczne związki.

W tym filmie dowiesz się o właściwościach i zastosowaniu krzemu:

Wszystkie nazwy pierwiastków chemicznych pochodzą z języka łacińskiego. Jest to konieczne przede wszystkim, aby naukowcy z różnych krajów mogli się zrozumieć.

Symbole chemiczne pierwiastków

Pierwiastki są zwykle oznaczane znakami chemicznymi (symbolami). Zgodnie z propozycją szwedzkiego chemika Berzeliusa (1813) pierwiastki chemiczne oznacza się inicjałem lub inicjałem i jedną z kolejnych liter łacińskiej nazwy danego pierwiastka; Pierwsza litera jest zawsze wielka, druga mała. Na przykład wodór (wodór) jest oznaczony literą H, tlen (tlen) literą O, siarka (siarka) literą S; rtęć (Hydrargyrum) - litery Hg, aluminium (Aluminium) - Al, żelazo (Ferrum) - Fe itp.

Ryż. 1. Tabela pierwiastków chemicznych z nazwami w języku łacińskim i rosyjskim.

Rosyjskie nazwy pierwiastków chemicznych są często nazwami łacińskimi ze zmodyfikowanymi końcówkami. Ale jest też wiele elementów, których wymowa różni się od źródła łacińskiego. Są to albo rodzime słowa rosyjskie (na przykład żelazo), albo słowa będące tłumaczeniami (na przykład tlen).

Nomenklatura chemiczna

Nomenklatura chemiczna to prawidłowa nazwa substancji chemicznych. Łacińskie słowo nomenclatura tłumaczy się jako „lista imion”

Na wczesnym etapie rozwoju chemii substancjom nadano dowolne, losowe nazwy (nazwy trywialne). Alkoholami nazywano bardzo lotne ciecze, do których zaliczały się „alkohol solny” - wodny roztwór kwasu solnego, „alkohol silitrynowy” - kwas azotowy, „alkohol amonowy” - wodny roztwór amoniaku. Oleiste ciecze i ciała stałe nazywano olejami, na przykład stężony kwas siarkowy nazywano „olejem witriolu”, a chlorek arsenu nazywano „olejem arsenowym”.

Czasami substancje nazywano na cześć ich odkrywcy, na przykład „sól Glaubera” Na 2 SO 4 * 10H 2 O, odkryta przez niemieckiego chemika I. R. Glaubera w XVII wieku.

Ryż. 2. Portret I. R. Glaubera.

Starożytne nazwy mogły wskazywać na smak substancji, kolor, zapach, wygląd i działanie lecznicze. Jedna substancja miała czasami kilka nazw.

Pod koniec XVIII wieku chemicy znali nie więcej niż 150–200 związków.

Pierwszy system nazw naukowych w chemii został opracowany w 1787 r. przez komisję chemików pod przewodnictwem A. Lavoisiera. Nomenklatura chemiczna Lavoisiera posłużyła jako podstawa do stworzenia krajowych nomenklatur chemicznych. Aby chemicy z różnych krajów mogli się zrozumieć, nazewnictwo musi być jednolite. Obecnie konstrukcja wzorów chemicznych i nazw substancji nieorganicznych podlega systemowi reguł nazewnictwa stworzonemu przez komisję Międzynarodowej Unii Chemii Czystej i Stosowanej (IUPAC). Każda substancja jest reprezentowana przez wzór, zgodnie z którym konstruowana jest nazwa systematyczna związku.

Ryż. 3. A. Lavoisier.

Czego się nauczyliśmy?

Wszystkie pierwiastki chemiczne mają korzenie łacińskie. Ogólnie przyjęte są łacińskie nazwy pierwiastków chemicznych. Są one przesyłane na język rosyjski za pomocą śledzenia lub tłumaczenia. jednak niektóre słowa mają oryginalne rosyjskie znaczenie, na przykład miedź lub żelazo. Wszystkie substancje chemiczne składające się z atomów i cząsteczek podlegają nomenklaturze chemicznej. System nazw naukowych został po raz pierwszy opracowany przez A. Lavoisiera.

Quiz tematyczny

Ocena raportu

Średnia ocena: 4.2. Łączna liczba otrzymanych ocen: 768.