6. Элементы iva подгруппы

C, Si, Ge, Sn, Pb

Атомы элементов имеют конфигурацию валентных уровней ns²p²

и проявляют степени окисления n (+2, +4, –4)

Физические свойства

Физические свойства	C	Si	Ge	Sn	Pb
Состав молекулы	Cn	Sin	Gen	Sn	Pb
Алотропич. модификации	Алмаз графит аморфн.	Крист. аморфн.	–	Тетраг. ромбич. серое(п/п)	–
I, В	11,26	8,15	7,9	7,3	7,4
Rатома,Å	0,77	1,18	1,39	1,58	1,75
Тплавл.C°	3500	1423	937	232	327
Tкип. С°	3850	2180	2830	2687	1751
Твердость (М)	10	7	6,6	1,8	1,5
Наличие в земн. коре,%	0,1	27,6	210^–4	4∙10^–3	1,6∙10^–3

Кремний.

Самый распространенный элемент, 27,72%; по распространению уступает лишь кислороду О₂.Земная кора на 97% состоит из SiO₂ (кварц, кремень, горный хрусталь, полевой шпат (KAlSi₃O₈), нефелин (NaAlSiO₄) и др.

Химические свойства

Кремний – активный элемент, реагирует практически со всеми простыми веществами кроме водорода, вступает в реакции окисления (а), восстановления (б):

а) Si - восстановитель

+ F₂ (20ºC) → SiF₄

+ Cl₂ (400ºC) → SiCl₄

+ O₂ (600ºC) → SiO₂

Si → + N₂ (1000ºC) →Si₃N₄

+ C (2000ºC) → SiC

 SiB₃

+ B (2000ºC)

 SiB₆

б) при взаимодействии с металлами (Mg, Ca, Cu, Fe, Pt, Bi) кремний образует силициды, и при этом является окислителем:

Si + 2Mg = Mg₂Si (силицид магния)

С Al, Zn, Sn, Pb, Au, Ag кремний не образует силицидов.

В химическом отношении кремний обладает неметаллическим характером, у германия преобладают металлические свойства. В соответствии с этим кремний не растворяется в кислотах, за исключением плавиковой HF кислоты и смеси плавиковой и азотной кислот:

Si + 4HF = SiF₄ + 2H₂

3Si + 18HF + 4HNO₃ = 3H₂ [SiF₆] + 4NO + 8H₂O.

Концентрированными кислотами H₂SO₄ и HNO₃ кремний пассивируется вследствие образования защитной пленки SiO₂, не растворяющейся в воде и кислотах.

Щелочи прекрасно растворяют Si:

Si + 2KOH + H₂O = K₂SiO₃ + 2H₂

(добавление H₂O₂ и нагревание ускоряют процесс растворения)

Способы получения кремния.

Лабораторный способ: SiO₂ сплавляют с магнием, затем обрабатывают полученную смесь разбавленной соляной кислотой (для растворения MgO) выделяют Si:

2Mg + SiO₂ = Si+ 2MgO

Промышленный способ. Сырьем служит песок, который сплавляют с коксом в электропечах:

1. SiO₂ + 2C = Si + 2CO (в электропечах, ≈ 2000ºС)

2. Кислотная отмывка (HCl, HNO₃, H₂SO₄) позволяет повысить чистоту Si до 99,96%, а для полупроводниковой техники нужен кремний чистоты:

Si п/п чистоты должен содержать 99,99999999% Si (8 девяток после запятой)

Очищают не технический Si , а его соединения: галогениды, галогенсиланы, силаны (SiCl₄, SiHCl₃, SiH₄) и др. по схеме:

a) Хлорирование: Si + 4HCl_газ ( >400ºC) = SiCl₄ + 2H₂

б) Очистка SiCl₄ ректификацией

в) Восстановление SiCl₄ водородом:

SiCl₄+2H₂ = Si +4HCl (1100ºC)

г) переплавка, вытягивание монокристаллов из расплава с последующей очисткой методом зонной плавки.

Применяют и другие способы получения высокочистого кремния.