2014-02-17
665
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.
Лекция № 2.
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?
Silicon, its opening and prevalence in the mineral and organic world, role of silicon and its connections in the technology of production of binding materials. Development of chemistry of silicon.
1. Silicon and its opening.
2. Development of chemistry of silicon.
3. Meaning of scientific jobs of the scientists.
Procelin - porcelain
Silane – hydrosilicons
Silicon is 14 elements of periodic system. Was received in 1811 Gei-Lyussak and Tenor by restoration flyoride of silicon (SiF4) by metal potassium.
On an outside environment of atom is 4 electron, than and the similarity Si with other elements of the fourth group.
SiО2 – highest oxygen compound. In a nature in a free kind Si does not meet. Under the contents in Earth crust (27,6 %) occupies the second place after oxygen.
Rather pure(clean) silicon receive by restoration of quartz SiО2 магнием, and technically pure(clean) - restoration (in electrical furnaces at 1800 0С) or carbon in presence of iron:
SiО2 + 2 With = Si + 2СО
Or карборундом:
SiО2 + 2 SiС = 3 Si + 2СО
The nuclear weight of silicon makes 28,09. There are isotopes with mass numbers 28,29,30. Three radioactive artificial isotopes with mass numbers 27,31, 32 are received. The period полураспада not less than 100 years.
Si - плавится at 1414 0 With and boils at 2600 0 С.
The development of manufacture of semi-conductor devices and electronics has created for Si responsible(crucial) sphere of application. It is electronic счетно-decisive and managing devices, radioelectronics, telecontrol etc.
The silicon concerns to the rather important semi-conductor materials. In the majority of semi-conductor devices the silicon is used a kind of monocrystals. From a beginning receive his(its) flying connections - галогениды and нитриды: SiCl4 and pairs of zinc pass(miss) at 950 With through quartz реактор, where drop out друзы of silicon. This way was offered Бекетовым in the past century.
Monocrystals of silicon выращивают in тиглях from плавленого of quartz by immersing of the end затравки cut out from a monocrystal in расплав. The silicon heated up on some degrees is higher than temperature плавления. After endurance slowly and with rotation extend a monocrystal. The sizes of a monocrystal reach(achieve) more than 50 mm in a diameter and 450 м in length. At гидроокиси of silicon the weak acid properties are marked.
The silicon strong восстановитель, is dissolved in расплавленных metals and has амфотерные of property.
The silicon incorporates from 79 % of elements and forms with higher(above) 160 binary connections.
The silicon is used in manufacture of electroheating cores. He forms numerous oxygen and безкислородные of connection with other elements: кремневодороды (силаны) with галогенами, complex connections of silicon and фтора, connection with metals (силициды), углеродистый silicon, connection of silicon with бором and nitrogen.
Defining(determining) tasks of a science about силикатах, М.В.Ломоносов wrote: " the Physical chemistry is science explaining on the basis of rules(situations) and experiences of physics that occurs in the mixed bodies through chemical operations ". The concept " of the mixed body " completely can be referred to силикатной шихте, from which by обжига receive силикатный a product (ceramics, glass and cement). In his(its) book scientific definition of process of sintering of ceramic weights for the first time is given.
М.В.Ломоносов in the researches of the painted glasses for the first time special attention has paid on dependence between structure and properties of glasses.
In 1738 И.Г.Гмелин has published clauses devoted to физико-chemistry and technology of manufacturing of porcelain. It is necessary to note, that these clauses were first on chemical technology published in the editions of the Russian Academy of sciences.
The statements about a nature of porcelain meet also in works outstanding Russian керамиста XVIII of century, founder of first Russian porcelain Д.И. Виноградова. The ideas on a nature of porcelain and glass are stated in his(its) manuscript " the Detailed description pure(clean) процелина " (in XVIII century of porcelain named процелином).
The idea about a diverse nature of porcelain consisting from crystal and стекловидной of a phase, has received development in works of Russian scientist В.М. Севергина.
Д.И. Менделеев in the work " Glass manufacture " for the first time has stated the scientific theory стеклообразного of a condition.
The doctrine about solutions and phase balance between solutions has arisen for a long time. The special place in this doctrine is borrowed(occupied) by(with) jobs Гиббса, phase balance, which has created the thermodynamic theory. He(it) establishes an opportunity and necessity of study and quantitative description of laws determining condition of phase balance.
In a direction of study phase равновесий in силикатных systems at high temperatures a main role the jobs Ф.Ю.Левинсон-Лессинга - founder of school on физико-chemistry силикатов and Н.С.Курнакова - founder of a method of the thermal analysis силикатов have played.
The theory of a crystal condition most in details for the first time is developed Ю.С. Федоровым, предсказавшим all possible(probable) types of structures of crystals, including силикатов.
In study of физико-chemistry силикатных расплавов of the large successes the Soviet scientific items have reached(achieved). Лазарев, М.П. Воларович, К.Г. Куманин, А.А. Аппен.
The merit is great in the field of geochemical knowledge Ф.К. Вернадского, which has given the classical characteristics of a role силикатов in a history of education terrestrial коры and минералообразования, has established structure алюмосиликатных of breeds.
The most valuable contribution has brought to a science about glass И.Г. Гребенщиков by the jobs with the ultra porous glasses formed at action of diluted acids on some боросиликатные of a glass. As a result of these jobs there were completely new representations about a microheterogeneous structure of a glass.
In the field of study of the basic laws determining a course of reactions in firm phases, the large jobs of the academician Н.П are known. Будникова, In. Яндера, В.Н. Юнга, Ю.М. Бута and В.Ф. Журавлева.
The study of the diagrams of a condition силикатных of systems is spent in many research establishments of Russia, in Kazakhstan.
Н.А. Тороповым the numerous jobs are executed in the field of physical chemistry both петрографии various оксидных and силикатных of systems, important for the theory and technology of materials intended for new engineering.
In study multicomponent оксидных of systems important for reception высокоогнеупоров, the large job was spent Ampere-second. Careful.
The numerous физико-chemical researches in the field of synthesis of glasses and стеклокристаллических of materials on the basis of industrial wastes are carried out(spent) И.И. Китайгородским and Н.М. Павлушкиным.
In ЮКГУ by him(it). М.Ауезова were spent and the basic researches on study поликомпонентных of systems СаО - MgO - Al2O3 - SiО2 - (Na2O, K2О), allowed are spent to develop technology of reception стеклокристаллических of materials on a basis отходов of an industry and mountain breeds.
Questions:
1. When also who open silicon?
2. Where the silicon is used?
3. What jobs of the domestic and foreign scientists you know?
