Плотность кремния
Плотность кремния и другие его физические свойства
В зависимости от условий проведения опыта получают образцы кремния, различающиеся по внешнему виду и свойствам (рис. 1). Так называемый «аморфный кремний» представляет собой бурый порошок; монокристаллический кремний имеет металлоподобны вид (черно-серый материал с металлическим блеском).
Рис. 1. Кремний. Внешний вид.
Раньше рассматривали эти две формы как различные 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 SiO2.
Важнейшие константы кремния представлены в таблице ниже:
Таблица 1. Физические свойства и плотность кремния.
|
Плотность, г/см3 |
2,33 |
|
Теплопроводность (Hg = 1) |
51 |
|
Температура плавления, oС |
1420 |
|
Температура кипения, oС |
2600 |
Кристаллический кремний хорошо проводит тепло. Электропроводность кремния при нагревании не понижается, а повышается, что характерно для полупроводников. Электропроводность расплава примерно в 29 раз выше, чем у твердого кремния.
Теплота плавления кремния равна 11 ккал/моль, теплота атомизации составляет 108 ккал/моль. Плавление сопровождается увеличением плотности (приблизительна на 9%), т.е. кремний в этом отношении подобен льду. Электроотрицательность кремния по Полингу равна 1,8. Несмотря на высокое значение твердости кремния по Моосу, он весьма хрупок.
Распространенность кремния в природе
Кремний – второй по распространенности после кислорода элемент Периодической системы Д.И. Менделеева. На его долю приходится 16,7% от общего числа атомов в земной коре (или 27,6% мас.). В природе кремний встречается главным образом в виде силикатов, алюмосиликатов и кремнезема – двуокиси кремния (кварц, песок).
Краткая характеристика химических свойств и плотность кремния
В химическом отношении кристаллический кремний является веществом довольно инертным, однако чем выше дисперсность кремния, тем ниже температура взаимодействия его с другими веществами. Мелкодисперсный кремний реагирует с фтором при обычных условиях, тогда как хлором и кислородом окисляется при повышенной температуре в температурном интервале 400-600oС (в зависимости от дисперсности) с образованием SiCl4 и SiO2. С азотом кремний вступает в реакцию при 1000oС, а с углеродом и бором – при 2000oС, образуя нитрид Si3N4, карбид SiC и бориды кремния B3Si и B6Si соответственно.
Si + 2F2 = SiF4;
Si + O2 = SiO2;
Si + 2Cl2 = SiCl4;
3Si + 2N2 = Si3N4;
Si + C = SiC.
Тонкодисперсный кремний взаимодействует с парами воды при температуре светло-красного каления, выделяя водород и образуя двуокись кремния. При температуре электрической дуги кремний соединяется с водородом, давая кремневодороды (силаны), состав которых отвечает формуле SinH2n+1. Кремний растворим во многих расплавленных металлах, причем с некоторыми из них (Zn, Al, Sn, Pb, Аu, Ag) химически не взаимодействует, а с другими (Mg, Ca, Cu, Fe, Pt, Bi) образует соединения, называемые силицидами.
Si + 2H2O = SiO2 + 2H2;
Si + M = MSi (M = Na, K, Rb, Cs);
Si + 2M = M2Si (M = Mg, Ca);
2Si + M = MSi2 (M = La, th, Ti, Cr, Mo, Mn, Fe).
Примеры решения задач
| Задание | При сгорании 7 г органического вещества получили 11,2 л (н.у.) углекислого газа и 9 г воды. Относительная плотность вещества по кислороду равна 1,313. Найдите молекулярную формулу вещества. |
| Решение | Составим схему реакции сгорания органического соединения обозначив количество атомов углерода, водорода и кислорода за «x», «у» и «z» соответственно:
CxHyOz + Oz →CO2 + H2O. Определим массы элементов, входящих в состав этого вещества. Значения относительных атомных масс, взятые из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел: Ar(C) = 12 а.е.м., Ar(H) = 1 а.е.м., Ar(O) = 16 а.е.м. m(C) = n(C)×M(C) = n(CO2)×M(C) = [V(CO2) / Vm]×M(C); m(H) = n(H)×M(H) = 2×n(H2O)×M(H) = [2×m(H2O) / M(H2O)] ×M(H); Рассчитаем молярную массу воды. Как известно, молярная масса молекулы равна сумме относительных атомных масс атомов, входящих в состав молекулы (M = Mr): M(H2O) = 2×Ar(H) + Ar(O) = 2×1+ 16 = 2 + 16 = 18 г/моль. Тогда, m(C) = [11,2/ 22,4]×12 = 6 г; m(H) = 2×9 / 18 ×1= 1 г. m(O) = m(CxHyOz) – m(C) – m(H) = 7 – 6 – 1 = 0 г. Определим химическую формулу соединения: x:y = m(C)/Ar(C) : m(H)/Ar(H); x:y = 6/12 :1/1; x:y= 0,5: 1 = 1 : 2. Значит простейшая формула соединения CH2, а его молярная масса равна 14 г/моль [M(CH2) = Ar(C) + 2×Ar(H) = 12 + 1×2 = 12 + 2 = 14 г / моль]. Значение молярной массы органического вещества можно определить при помощи его плотности по кислороду: Msubstance = M(O2) × D(O2); Msubstance = 32 × 1,313 = 42,016 г/моль. Чтобы найти истинную формулу органического соединения найдем отношение полученных молярных масс: Msubstance / M(CH2) = 42,016 / 14 = 3. Значит количество атомов углерода и водорода в молекуле нужно умножить на 3. Тогда молекулярная формула вещества будет иметь вид C3H6. |
| Ответ | Молекулярная формула вещества – C3H6 |
| Задание | Плотность газа по воздуху равна 1,17. Определите молекулярную массу газа. |
| Решение | Из закона Авогадро следует, что при одном и том же давлении и одинаковых температурах массы (m) равных объемов газов относятся как их мольные масс (M):
m1 / m2 = M1 / M2 = D, где D – относительная плотность первого газа по второму. Следовательно, по условию задачи: D = M1 / M2 = 1,17. Средняя мольная масса воздуха (M2) равна 29,0 г/моль. Тогда: M1 = 1,17 × 29,0 = 33,9 г/моль, что соответствует молекулярной массе, равной 33,9 а.е.м. |
| Ответ | Молекулярная масса газа равна 33,9 а.е.м. |
