1 Общая часть
1.1 Свойства ведущего элемента, область применения
Кремний занимает промежуточное положение между металлами и неметаллами в Периодической системе элементов Д.И. Менделеева. Это второй элемент IV главной группы, серо-стального или черного цвета с металлическим блеском, твердый и хрупкий. Электронная структура его 1S22S22p63S23p2. Элементарный кристалл кремния представляет собой куб с ребром длиной 0,5417 нм. В соединениях с неметаллами кремний проявляет преимущественно положительные валентности 4 и 2. Кремний образует соединения почти со всеми металлами и проявляет отрицательную валентность 4.
Кремний имеет следующие основные физико-химические свойства:
· атомную массу 28,08;
· плотность 2,33 г/см3;
· температуру плавления 1683 К;
· температуру кипения 2953 К;
Упругость пара над жидким кремнием описывается уравнением, Па:
lg Psi = 9,017 – 16260 / Т
По электрическим свойствам кремний относится к полупроводникам.
С кислородом кремний образует кремнезем SiO2, температура плавления которого 1710ºС. Кремнезем имеет несколько модификаций: кварц α и β, кристобаллит α и β, тридимит α, β и γ и кремнеземистое стекло.
Теплота образования одного моля SiO2:
по реакции Si(T) + O2(г)= SiO2(α-кварц);
Δ H º = - 872,1 кДж
и для этой реакции
Δ G º298 - 1690·К = - 883500 – 12,5·Т·Lg(Т) + 218,7 Дж/моль
Кремний с кислородом может образовывать также моноокись SiO2.
Теплота образования газообразного оксида SiO2 составляет
(- 89,45) - (- 91,96) кДж/моль,
а энтропия равна S º298 = 211,5 Дж/(моль·К).
Зависимость изменения свободной энергии образования газообразного оксида SiO2 от температуры имеет вид для реакции
Siж + 0,5 О2 = SiO2;
Δ G ºТ = - 163217 - 42,62·Т Дж/моль
С углеродом кремний образует карбид SiC, температура плавления которого выше 2700ºС. Теплота образования карбида составляет 62,8 кДж/моль. Энтропия SiC составляет 16,5 Дж/(к·моль) [2, 3, 6].
1.2 Свойства и назначение сплава
Ферросилиций – сплав кремния с железом и применяется как раскислитель и легирующая добавка при выплавке стали. Поэтому с железом кремний сплавляется в любых соотношениях (рис. 2.1) и образует ряд силицидов – Fe2Si3, FeSi, FeSi2, Fe3Si2 и др., из которых наиболее прочным является FeSi, его температура плавления 1410ºС и Δ H º273 = - 80,38 кДж/моль.
Система Fe–Si. Принятая диаграмма Fe–Si представлена
Кремний относится к ферритообразующим элементам и поэтому сужает область γ–Fe. Максимальная растворимость кремния в γ–Fe составляет 1,63%Si. Двухфазная область (a+γ) простирается до 1,94%Si. В системе существуют три эвтектики: первая, соответствующая содержанию 20%Si и температуре плавления 1195ºС, вторая- 51%Si и 1212ºС и третья – 59%Si и 1207ºС. В системе Fe–Si существует ряд силицидов: Fe3Si (14,28%Si), Fe2Si (20%Si), Fe5Si3 (23,18%Si), FeSi (33,46%Si) и FeSi2 (50,15%Si).
Устойчивы до температуры плавления силициды FeSi и FeSi2. Моносилицид FeSi (ε-фаза) имеет область гомогенности (33,2-34,2 % Si), кристаллизуется в кубической системе (а = 0,44898 нм). На рис. 1.2 отмечена область гомогенности силицида FeSi2,3 (ξ-фаза).
Анализ частной диаграммы FeSi–Si
подтверждает, что при 1220ºС образуется высокотемпературная модификация FeSi2,3 (ξ-фаза), называемая лебоитом, которая при 940ºС эвтектоидно распадается на кремний и низкотемпературную модификацию сисилицида FeSi2. ............
