Кремний — аналог углерода, но его неметаллические свойства выражены слабее, чем у углерода.
Для кремния более характерно sp3-гибридное состояние, поэтому в соединениях кремний может проявлять степени окисления +4 и -4.
Кремний — самый распространенный после кислорода элемент на Земле. Массовая доля кремния в земной коре составляет 27,6%. В природе кремний распространен в виде оксида SiO2, называемого также кремнеземом, который встречается в виде песка, кварца. Другую группу природных соединений кремния составляют силикаты — производные кремниевой кислоты. Наиболее распространены алюмосиликаты, к которым относятся полевой шпат (альбит) NaAlSi3O8, полевой шпат (ортоклаз) KAlSi3O8> глина (каолин) Аl2О3•2SiO2•2Н2О, нефелин Na3K[AlSiO4]4 и др. Они образуют оболочку земной коры. Соединения кремния содержатся в организмах растений и животных.

Получение

В промышленности кремний получают восстановлением SiO2 коксом в электрических печах:
SiO2+2С=S+2CO
В лаборатории в качестве восстановителей используют магний или алюминий:
SiO2+2Mg=Si+2MgO 3SiO2+4Al=3Si+2Al2O2
Наиболее чистый кремний получают восстановлением тетрахлорида кремния водородом при 1200°С: SiCl4+2Н2=Si+4HCl

Кристаллический кремний — вещество темно-серого цвета со стальным блеском. Структура кремния аналогична структуре алмаза. В его кристалле каждый атом окружен тетраэдрически че-тырьмя другими и связан с ними ковалентной связью, которая значительно слабее, чем между атомами углерода в алмазе.
В кристалле кремния даже при обычных условиях часть ковалентных связей разрушается. Поэтому в нем имеются свободные электроны, которые обуславливают небольшую электрическую проводимость. При освещении и нагревании увеличивается число разрушаемых связей, а значит, увеличивается число свободных электронов и возрастает электрическая проводимость. Так следует объяснять полупроводниковые свойства кремния. Кремний очень хрупок, его плотность 2,33 г/см3. Как и уголь, кремний относится к тугоплавким веществам.
Кремний состоит из трех стабильных изотопов: 2814Si(92,27%),
2914Si(4,68%) и 3014Si(3,05%).

Химические свойства

По химическим свойствам кремний, как и углерод, является неметаллом, но его неметалличность выражена слабее, т.к. он имеет больший атомный радиус. Поскольку у атомов кремния на внешнем энергетическом уровне находится 4 электрона, то для кремния характерна степень окисления как -4, так и +4.
Кремний при обычных условиях довольно инертен, что объясняется прочностью его кристаллической решетки. Непосредственно он взаимодействует только со фтором:
Si+2F2=SiF4
Измельченный кремний при нагревании с кислородом сгорает в оксид кремния (IV):
Si+О2=SiO2
С хлором кремний реагирует при 400-600°С:
Si+2Сl2 = SiCl4
При очень высоких температурах кремний способен непосредственно соединяться с углеродом и азотом:
Si+С=SiC
3Si+2N2=Si3N4
Карбид кремния SiC (карборунд) имеет алмазоподобную кристаллическую решетку, в которой каждый атом кремния окружен четырьмя атомами углерода и наоборот, а ковалентные связи очень прочны, как в алмазе. Поэтому по твердости он близок к алмазу. Из карбида кремния изготавливают точильные камни и шлифовальные круги.
Кислоты (кроме смеси фтороводородной HF и азотной HNO3) на кремний не действуют. Однако он растворяется в щелочах, образуя силикат и водород:
Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2
Кремний с некоторыми металлами — Sn, Al, Zn, Pb, Au, Ag — химически не взаимодействует. С другими же металлами, например с Mg, Ca, Cu, Fe, Pt, Bi, реагирует с образованием силицидов:
2Са+Si=Ca2Si
Силициды в зависимости от структуры и свойств можно разбить на две группы. К первой относятся силициды щелочных и щелочноземельных металлов (Li4Si, Ca2Si). Они разлагаются водой и разбавленными кислотами с выделением силанов:
Ca2Si+4HCl =2СаСl2+SiH4
Наиболее интересна группа металлоподобных силицидов, образованных переходными металлами. В структуре этих силицидов цепи и слои из атомов кремния размещены в кристаллической решетке металла. Это твердые вещества с довольно высокими температурами плавления. Очень важно, что силициды не окисляются даже при высоких температурах. Так, силицид молибдена MoSi2 не изменяется на воздухе вплоть до 1600°С, что позволяет использовать его как нагреватель электрических печей.
Образование силицидных слоев на металлах широко используется для защиты от окисления и коррозии в различных химических реагентах. Многие силициды являются полупроводниками.
Силан SiH4, выделяющийся при действии на силицид соляной кислотой, является ядовитым газом с неприятным запахом. Относится к группе кремневодородов — соединениям кремния с водородом. По строению молекул кремневодороды подобны углеводородам. При комнатной температуре моносилан SiH4 и дисилан Si2H6 — газообразные вещества, остальные силаны — до последнего известного Si8H18 — летучие жидкости. Они ядовиты и имеют неприятный запах. Химически менее устойчивы, чем углеводороды.
Силаны самовоспламеняются на воздухе:
SiH4+2O2=SiO2+2Н2O
Вода разлагает силаны:

Si2H6+4Н2O=2SiO2+7Н2
Образованием и дальнейшим разложением SiH4 пользуются для получения чистого кремния в промышленности полупроводников.

Применение

Кремний используется в качестве полупроводника. Из него изготавливают так называемые солнечные батареи, превращающие световую энергию в электрическую (питание радиоустановок космических кораблей). Кремний используют в металлургии для получения кремнистых сталей, обладающих высокой жаростойкостью и кислотоупорностью.