Физические свойства. В зависимости от условий опыта получают образцы кремния, различающиеся по внешнему виду и свойствам

В зависимости от условий опыта получают образцы кремния, различающиеся по внешнему виду и свойствам. Так называемый аморфный кремний представляет собой бурый порошок; кристаллический кремний имеет металлоподобный вид. Ранее считали, что это две различные аллотропные модификации кремния. В действительности их кристаллическая структура одинакова. Различие во внешнем виде и химической активности вызвано размером частиц, их поверхности и содержанием примесей, главным образом SiО₂. Повышенная реакционная способность порошкообразного кремния обусловлена его высокой степенью дисперсности.

Кремний образует тёмно-серые с металлическим блеском кристаллы, имеющие кубическую гранецентрированную решётку типа алмаза. Каждый атом кремния находится в sp³-гибридизации и связан s-связями с четырьмя соседними атомами, расположенными на расстоянии 2,35 Å в углах правильного тетраэдра. Ковалентная связь между атомами кремния значительно слабее, чем между атомами углерода в алмазе, что связано с большим радиусом атомов кремния. Длина связи Si–Si равна 2,35 Å. Плотность кремния 2,33 г/см³. При очень высоких давлениях получена более уплотненная модификация с плотностью 2,55 г/см³. Она имеет кубическую решетку, содержащую искажённый тетраэдр с длинами связей Si–Si, равными 2,30 и 2,39 Å. Известно также гексагональная модификация кремния, но она неустойчива. Как и алмаз, кремний тугоплавок и отличается высокой твердостью. Кремний плавится при 1420 °С, кипит при 2600 °С. Кремний прозрачен для длинноволновых ИК-лучей; показатель преломления (для 1-6 мкм) 3,42; диэлектрическая проницаемость 11,7. Кремний диамагнитен, атомная магнитная восприимчивость – 0,13 × 10^–6. Твёрдость кремния по шкале твердости Мооса 7,0, модуль упругости 109 Гн/м² (10890 кг × с/мм²), коэффициент сжимаемости 0,325×10^–6 см²/кг.

Кремний хрупкий материал; заметная пластическая деформация начинается при температуре выше 800 °С. Кремний – полупроводник, находящий всё большее применение. Электрические свойства кремния очень сильно зависят от примесей. Собственное удельное объёмное электросопротивление кремния при комнатной температуре принимается равным 2,3 × 10³ ом × м (2,3 × 10⁵ ом × см). Полупроводниковый кремния с проводимостью р-типа (с добавками В, Al, In или Ga) и n-типа (с добавками Р, Bi, As или Sb) имеет значительно меньшее сопротивление. Ширина запрещенной зоны по электрическим измерениям составляет 1,21 эв при 0 °К и снижается до 1,119 эв при 300 °К.

В соединениях кремний (аналогично углероду) четырехвалентен. Однако, в отличие от углерода, наряду с координационным числом 4, кремний проявляет координационное число 6, что объясняется большим объёмом его атома (примером таких соединений являются кремнефториды, содержащие группу [SiF₆]^2–).

Химическая связь атома кремния с другими атомами осуществляется обычно за счёт гибридных sp³-орбиталей, но возможно также вовлечение двух из его пяти (вакантных) 3d-орбиталей, особенно когда кремний является шестикоординационным (sp³d²-гибридизация). Обладая малой величиной электроотрицательности, равной 1,8 (2,5 у углерода, 3,0 у азота), кремний в соединениях с неметаллами электроположителен, и такие соединения носят полярный характер. Большая энергия связи с кислородом Si – О, равная 464 кдж/моль (111 ккал/моль), обусловливает стойкость его кислородных соединений (SiО₂ и силикатов). Энергия связи Si – Si мала, 176 кдж/моль (42 ккал/моль), и в отличие от углерода, для кремния не характерно образование длинных цепей и двойной связи между атомами Si. На воздухе кремний благодаря образованию защитной оксидной плёнки устойчив даже при повышенных температурах.

Поиск по сайту: