УДК 502/504

ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕМЕНТА КРЕМНИЯ 

GEOCHEMICAL CHARACTERISTICS OF THE ELEMENT SILICON

Карманова Алёна Андреевна, Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова, г. Архангельск 

Karmanova A.A., karmanovaalyonka@gmail.com

Аннотация. Кремний — очень редкий минеральный вид из класса самородных элементов. На самом деле это удивительно, как редко химический элемент кремний, составляющий в связанном виде не менее 27,6% массы земной коры, встречается в природе в чистом виде. Самородный кремний как минерал был найден в продуктах вулканических испарений и как мельчайшие включения в самородном золоте.

Summary. Silicon is a very rare mineral species from the class of native elements. In fact, it is amazing how rarely the chemical element silicon, which in bound form makes up at least 27.6% of the mass of the earth’s crust, is found in nature in its pure form. Native silicon has been found as a mineral in the products of volcanic fumes and as minute inclusions in native gold. 

Ключевые слова: химия, кремний, характеристика, химический элемент.

Keywords: chemistry, silicon, characteristic, chemical element.        

Введение. Второй по распространенности (после кислорода) элемент земной коры. В верхних осадочных слоях он содержится в виде глин, кварца и других соединений и составляет 27,6% состава земной коры. Анализ лунного грунта показал присутствие оксида кремния (IV) в количестве более 40%. В составе каменных метеоритов содержание кремния достигает 20%. Ни один из современных компьютеров не существовал бы без кремния.

Кремний — активный элемент. В природе он не встречается в свободном виде, и большинство его соединений очень устойчивы. четырнадцатый элемент Периодической таблицы. Обозначение – Si от латинского «silicium». Расположен в третьем периоде, IVА группе. Относится к неметаллам. Заряд ядра равен 14. Кремний относиться к циклическим миграционным элементам по классификации Вернадского. По классификации А. Н. Заварицкого элемент относится к группе главных элементам в горной породе. А по классификации В. М. Голдшмита кремний относится к группе литофильных элементов.

Цель научной статьи в том, чтобы охарактеризовать элемент кремния.

Геохимическая характеристика элемента кремния

Кремний – четырнадцатый элемент Периодической таблицы. Обозначение – Si от латинского «silicium». Расположен в третьем периоде, IVА группе. Относится к неметаллам. Заряд ядра равен 14.

Характеристика атома элемента

1. Элементарная конфигурация – атом кремния состоит из положительного заряженного ядра (+14), состоящего из 14 протонов и 14 нейтронов, вокруг которого по трем орбитам движутся 14 электронов.

Распределение электронов по орбиталям выглядит следующим образом:

+14Si)2)8)4;

1s22s22p63s23p2.

На внешнем энергетическом уровне кремния находится четыре электрона, все электроны 3-го подуровня. Энергетическая диаграмма принимает следующий вид:

2. Проявление степени окисления. Кремний находится в третьем периоде IV группе главной (А) подгруппе Периодической таблицы. Обозначение – Si. Кремний устойчив только в алмазоподобной (кубической) модификации.

Кремний может существовать в виде простого вещества – неметалла, а как известно, степень окисления неметаллов в элементарном состоянии равна нулю.

Бинарные соединения кремния с металлами носят название силицидов, они образуются при окислении металлов кремнием или при нагревании смеси соответствующих оксидов в инертной атмосфере:

2Mg + Si = Mg2Si-4;

6MnO + 5Si = 2 Mn3Si-4 + 3SiO2;

Степень окисления кремния в силицидах равна (-4).

Кремний в степени окисления (+4) входит в состав соединений с галогенами, кислородом и серой, азотом, углеродом и водородом: Si+4Cl4, Si+4Br4, Si+4O2, Si+43N4, Si+4C, Si+4H4, H2Si+4O3 и т.д.

3. Радиус атома. Радиус атома, нм – 0,134.
4. Энергия ионизация.

(первый электрон) 786,0(8,15) кДж/моль (эВ).

5. 5. Энергия сродства к электрону образуют более слабые, чем в случае углерода
   6. Электроотрицательность. По электроотрицательности кремний приблизительно равен олову и занимает последнее место в ряду >Ge>Si, по Полингу у кремния и германия одинаковы и равны 1,8.

Изотопный состав

Природный кремний состоит из тех стабильных изотопов:

5. 5. • 28Si (92, 27%);
      • 29Si (4, 68%);
      • 30Si (3, 05%). 

Элемент кремния в природе

2.1 Элемент в земной коре

Элемент в земной коре – составляет 29,5 масс кларк %, на втором месте по содержанию после кислорода, в свободном виде не встречается, земная кара состоит на 97% из соединений кремния, важнейшим является кремнезём SiO2  и силикатные минералы, представляющие собой сложные соединения, отличающиеся весьма разнообразным составом и структурой.

2.2 Элемент в гидросфере

Элементы в гидросфере – Кристаллический кремнезем в воде практически не растворяется, кремний в гидросфере составляет 10-6 Кларк %, живое вещество в целом извлекает кремний из природных вод и почв для питания и функционирования биохимических процессов, освобождая затем кремний за счёт своих экскрементов и отмирания. Огромные массы кремнезёма отлагаются на дне водоёмов и водных бассейнов в результате отмирания миллиардов организмов. Таким образом, происходит непрерывный круговорот кремния — этот процесс длится на протяжении многих веков геологической истории Земли. В. И. Вернадский придерживался твёрдого убеждения в том, что историю кремния нельзя понять без анализа результатов жизнедеятельности организмов. Аморфный кремнезем встречается в диатомовых отложениях на дне морей и океанов — эти отложения образовались из SiO2, входившего в состав диатомовых водорослей и некоторых инфузорий.

2.3 Элемент в атмосфере

Элементы в атмосфере – в чрезвычайном тонком распылении кремний содержится в атмосфере, во все среды он может поступать с осадками. На воздухе кремний благодаря образованию защитной оксидной пленки устойчив даже при повышенных температурах. В кислороде окисляется, начиная с 400°C, образуя оксид кремния.

2.4 Элемент кремния в почве

Элемент кремния в почве – кремний является основным компонентом в почве, валовое содержание кремнезема в литосфере составляет 58.3%. Содержание кремния в почвах зависит от их гранулометрического состава: в глинистых почвах его содержится от 20 до 35%, а в песчаных — 45-49%. SiO2 имеет три кристаллические модификации, реализуемые в кварце, тридимите и кристобалите. Описаны волокнистые модификации (халцедон, кварцин), на дне морей и океанов — аморфный кремнезем, образованный из водорослей и инфузорий. В почве кремний находится в виде малорастворимых соединений: — А12О3*2SiO2*2Н2О.

2.5 Элемент кремния в биосфере

Элемент в биосфере — кремний непрерывно поглощается из воды живыми организмами. Живое вещество извлекает кремний из природных вод и почв для питания и функционирования биохимических процессов, высвобождая его затем с экскрементами и при отмирании. В результате отмирания миллиардов организмов огромные массы кремнезема откладываются на дне водоемов. Так формируется биогеохимический цикл кремния. В.И. Вернадский подчеркивал, что историю кремнезема нельзя понять без изучения результатов жизнедеятельности организмов. Поступление растворенного кремнезема в океан с суши недостаточно для нормального развития фитопланктона. Именно поэтому в умеренных и тропических широтах в океане слабо развиты организмы с кремнистым скелетом. Из всей массы кремнезема, продуцированного в поверхностном фотосинтезирующем слое, донных отложений достигает не более 0,1части, а нередко это только 0,05-0,01 часть. Остальной кремнезем снова переходит в водорастворимое состояние. В дальнейшем он захватывается из воды новыми поколениями диатомовых водорослей, кремнистых губок и радиолярий. Тем не менее, доходящая до дна 0,1-0,01 часть остатков скелетов диатомового планктона приводит к значительным по масштабам накоплениям осадочных кремнистых пород. Эта ветвь кругооборота кремния относительно статична и необратима и часть кремнезема именно таким путем выводится из биогеохимического круговорота.

Выводы: В заключении можно сказать, что геохимическая характеристика элемента кремния была проведена успешно. Узнали, что кремний имеет большое значение на планете.

Как сказал В.И. Вернадский, что никакой организм в биосфере не может существовать без кремния, необходимого для образования клеток и тканей растений и животных, их скелетов.

Список литературы

5. 1. Геохимия окружающей среды [Электронный ресурс] – учебное пособие / сост. О.А. Поспелова. – Ставрополь: СтГАУ, 2013. 60 с. – Режим доступа: http://new.znanium.com/catalog.php?bookinfo=514088, свободный. – Загл. с экрана.
   2. Геохимия окружающей среды [Электронный ресурс] – учебное пособие / сост. О.А. Поспелова. – Ставрополь: СтГАУ, 2013. 60 с. – Режим доступа: http://new.znanium.com/catalog.php?bookinfo=514088, свободный. – Загл. с экрана.
   3. Кремний [Электронный ресурс] – Электрон. текстовые дан. – Свободная энциклопедия, 2021. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Кремний/, свободный. – Загл. с экрана.
   4. Кремний. Химия кремния и его соединений [Электронный ресурс] – Электрон. текстовые дан. – Свободная энциклопедия, 2021. – Режим доступа: https://chemege.ru/silicium/, свободный. – Загл. с экрана.
   5. Кремний. Описание элемента [Электронный ресурс] – Электрон. текстовые дан. – Свободная энциклопедия, 2021. – Режим доступа: https://themineral.ru/metally/kremnij/, свободный. – Загл. с экрана.