Кремний и силиконы. Интересные области применения кремнийорганических полимеров

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Магнитогорский Государственный

Технический Университет им. Г. И. Носова

РЕФЕРАТ по общей химии на тему:

«Кремний и силиконы»

выполнил: Гумаров Д. М.

Группа  ГТ – 00 – 1

Проверила: Одуд З. З.

Магнитогорск 2001

Тот факт, что следы на Луне оставили подошвы ботинок именно из кремнийорганического каучука, а так же и то, что благодаря другим кремнийорганическим полимерам стало возможным создание и функционирование космических летательных аппаратов, обусловили всеобщее мнение, что силиконы – современные материалы, предназначенные специально для космонавтики. В действительности история человечества с самых древних времен через геологию, минералогию и древнее искусство керамики связана с кремнийорганикой. Постараемся проследить эволюцию кремнийорганических материалов через призму нашей повседневной жизни: от основного компонента в составе Земли и Луны до применения сверхчистого кремния в транзисторах и ЭВМ и использования обычного элементного кремния для производства силоксанового каучука, силиконового масла, силиконовых смол, кремнийсодержащих полирующих составов, лекарств и косметических средств.

Природные соединения кремния и кислорода (силикаты) – сырье для производства кирпичей, черепицы, цемента, стекла и множества современных керамических изделий. Особенность кремния и его соединений обусловлена двумя факторами: его изобилием и универсальностью. Химические и физические свойства кремния настолько необычны и разнообразны, что привлекают исследователей. Кроме того, кремний не обладает такой токсичностью, как мышьяк, ртуть или плутоний, поэтому он не причиняет вреда живым организмам (в том числе и человеку), что обусловливает применение кремнийорганических полимеров в косметике, медицине и протезировании. Кремний и его соединения не представляют для нас никакой опасности.

Латинское название кремния – silex (силицис); от этого корня образованы названия многих веществ: кремний, химический элемент (латинское и немецкое название – силициум); кремнезем, диоксид кремния; силицид, бинарное соединение кремния с металлами; силикат, соединение кремния, кислорода и какого-либо третьего элемента или группы; силикон, кремнийорганический полимер из чередующихся атомов кремния и кислорода, в котором углеводородные группы соединены непосредственно с кремнием. Кремний и силиконы фактически происходят от того же силициса или диоксида кремния. Поэтому эти вещества имеют тесную историческую связь с диоксидом кремния, используемым первобытным человеком еще 600000 лет назад в виде орудий труда из камня.

Земная кора на 75% состоит из кремния и кислорода. Но даже следующие 22,5% земной коры состоят из тех элементов, строение ионов которых соответствует структуре оболочек и ядер кремния и кислорода настолько, что образуют с ними мириады силикатных пород и минералов. Запасы кремния как сырья практически неистощимы. И хотя он не встречается в виде свободного элемента, его соединения окружают нас повсюду.

СТРОЕНИЕ СИЛИКАТОВ

Кремний характеризуется сродством к кислороду и образует с ним очень прочные химические связи. О прочности этих связей можно судить при сравнении теплоты образования – тепловой энергии, которая выделяется при образовании соединения из простых веществ – 1 моль SiO₂, с теплотой образования других похожих оксидов при их стандартных состояниях (в кДж/моль):

Кроме того, необходимо понять, что кремний в отличие от углерода почти никогда не образуют двойные связи. В структуре силикатов каждый атом кремния связан с четырьмя атомами кислорода, а каждый атом кислорода – с двумя атомами кремния.

Пространственная структура силикатов (кристаллы) построена следующим образом. Каждый атом кремния расположен в центре тетраэдра, в вершинах которого находятся атомы кислорода. Эта структура характерна почти для всех силикатов, а так же для многих форм SiO₂. Очевидно, тетраэдры кремний – кислород можно связать друг с другом. Так как атомы кислорода – двухвалентные и должны присоединяться к двум атомам кремния, это обусловливает наличие химически связанных тетраэдров Si – O в виде цепей и колец (и даже в виде сплошных слоев этих химически связанных тетраэдров).

Разнообразие структур, по-видимому, бесконечно; например, известно 22 формы  SiO₂ , большинство из них – кристаллические, такие как a- и b-кварц, тридимит и кристобалит, но есть и некристаллические формы, такие как плавленный кварц. Что касается минеральных силикатов, то среди них можно выделить несколько характерных типов.

1.  Силикаты с островной кристаллической структурой – отрицательно заряженными силикат-ионами.

2.  Силикаты с цепочечной кристаллической структурой – бесконечными цепями тетраэдров.