Кремний металл или нет. Где используется кремний
Многие современные технологические устройства и аппараты были созданы за счет уникальных свойств веществ, находящихся в природе. Человечество экспериментальным путем и тщательным изучением окружающих нас элементов постоянно модернизирует собственные изобретения - данный процесс называется техническим прогрессом. Он основан на элементарных, доступных каждому вещах, которые окружают нас в повседневной жизни. Например, песок: что может быть в нем удивительного и необычного? Ученые смогли выделить из него кремний - химический элемент, без которого не существовало бы компьютерной техники. Область его применения отличается разнообразием и постоянно расширяется. Это достигается за счет уникального свойства атома кремния, его структуры и возможности соединений с другими простыми веществами.
Характеристика
В разработанной Д. И. Менделеевым, кремний обозначен символом Si. Относится к неметаллам, располагается в главной четвертой группе третьего периода, имеет атомный номер 14. Его соседство с углеродом не является случайным: во многом их свойства сопоставимы. В природе не встречается в чистом виде, так как является активным элементом и имеет достаточно прочные связи с кислородом. Основное вещество - кремнезем, который является оксидом, и силикаты (песок). При этом кремний (его природные соединения) является одним из наиболее распространенных химических элементов на Земле. По массовой доле содержания он занимает второе место после кислорода (более 28 %). Верхний слой земной коры содержит кремний в виде диоксида (это кварц), различные типы глин и песка. Вторую по распространенности группу составляют его силикаты. На глубине около 35 км от поверхности расположены слои гранита и базальтовые отложения, в состав которых входят кремневые соединения. Процент содержания в земном ядре пока не просчитан, но ближайшие к поверхности слои мантии (до 900 км) содержат силикаты. В составе морской воды концентрация кремния составляет 3 мг/л, на 40 % состоит из его соединений. Просторы космоса, которые человечество на сегодняшний день изучило, содержат этот химический элемент в больших количествах. Например, метеоритов, которые приближались к Земле на расстояние, доступное исследователям, показал, что они состоят на 20 % из кремния. Существует вероятность формирования жизни на основе этого элемента в нашей галактике.
Исследовательский процесс
История открытия химического элемента кремния имеет несколько этапов. Многие вещества, систематизированные Менделеевым, использовались человечеством на протяжении веков. При этом элементы находились в природном виде, т.е. в соединениях, которые не подвергались химической обработке, и все их свойства не были известны людям. В процессе изучения всех особенностей вещества у него появлялись новые направления использования. Свойства кремния на сегодняшний день не изучены до конца - этот элемент при достаточно широком и разнообразном спектре применения оставляет простор для новых открытий будущим поколениям ученых. Современные технологии значительно ускорят данный процесс. В XIX веке многие знаменитые химики пытались получить кремний в чистом виде. Впервые это удалось сделать Л. Тенару и Ж. Гей-Люссаку в 1811 году, но открытие элемента принадлежит Й. Берцелиусу, который смог не только выделить вещество, но и описать его. Химик из Швеции получил кремний в 1823 году, для этого он использовал металлический калий и калиевую соль. Реакция происходила при катализаторе в виде высокой температуры. Полученное простое вещество серо-бурого цвета являло собой аморфный кремний. Кристаллический чистый элемент был получен в 1855 году Сент-Клер Девилем. Сложность выделения напрямую связана с высокой прочностью атомных связей. В обоих случаях химическая реакция направлена на процесс очищения от примесей, при этом аморфная и кристаллическая модели имеют разные свойства.
Кремний: произношение химического элемента
Первое название полученного порошка - кизель - было предложено Берцелиусом. В Великобритании и США кремний и по сей день называют не иначе, как силиций (Silicium) или силикон (Silicon). Термин происходит от латинского «кремень» (или «камень»), и в большинстве случаев его привязывают к понятию «земля» за счет широкого распространения в природе. Русское произношение данного химического вещества бывает разное, все зависит от источника. Его называли кремнеземом (Захаров применял такой термин в 1810 г.), сицилием (1824 год, Двигубский, Соловьев), кремнеземнием (1825 год, Страхов), и только в 1834 году российский химик Герман Иванович Гесс вводит наименование, которое до сегодняшнего момента используется в большинстве источников - кремний. В он обозначен символом Si. Как читается химический элемент кремний? Многие ученые англоязычных стран произносят его наименование как «си» или употребляют слово «силикон». Отсюда происходит известное на весь мир название долины, которая является научно-исследовательской и производственной площадкой компьютерной техники. Русскоязычное население называет элемент кремнием (от древнегреческого слова «утес, гора»).
Нахождение в природе: месторождения
Целые горные системы сложены из соединений кремния, который в чистом виде не встречается, ведь все известные минералы являются диоксидами или силикатами (алюмосиликатами). Удивительные по красоте камни используются людьми в качестве поделочного материала - это опалы, аметисты, кварцы различных типов, яшма, халцедон, агат, горный хрусталь, сердолик и многие другие. Образовались они благодаря вхождению в состав кремния различных веществ, которые определили их плотность, структуру, цвет и направление использования. Весь неорганический мир можно связать с этим химическим элементом, который в природной среде образует прочные связи с металлами и не металлами (цинк, магний, кальций, марганец, титан и т. д.). По сравнению с другими веществами, кремний достаточно легкодоступен для добычи в производственных масштабах: он содержится в большинстве видов руды и минералов. Поэтому активно разрабатываемые месторождения привязываются скорее к доступным источникам энергии, чем к территориальным скоплениям вещества. Кварциты и кварцевые пески есть во всех странах мира. Наиболее крупными производителями и поставщиками кремния являются: Китай, Норвегия, Франция, США (Западная Вирджиния, Огайо, Алабама, Нью-Йорк), Австралия, ЮАР, Канада, Бразилия. Все изготовители используют различные способы, которые зависят от вида выпускаемой продукции (технический, полупроводниковый, высокочастотный кремний). Химический элемент, дополнительно обогащенный или, наоборот, очищенный от всех видов примесей, имеет индивидуальные свойства, от которых зависит его дальнейшее использование. Это относится и к данному веществу. Строение кремния определяет сферу его применения.
История использования
Очень часто из-за схожести наименований люди путают кремний и кремень, однако понятия эти не тождественны. Внесем ясность. Как уже упоминалось, в природе кремний в чистом виде не встречается, чего нельзя сказать о его соединениях (тот же кремнезем). Основные минералы и горные породы, образуемые диоксидом рассматриваемого нами вещества — это песок (речной и кварцевый), кварц и кварциты, и кремень. О последнем слышали, должно быть, все, ведь ему придается большое значение в истории развития человечества. С данным камнем связывают первые орудия труда, созданные людьми в период каменного века. Его острые грани, образующиеся при откалывании от основной породы, значительно облегчали труд древних домохозяек, а возможность заострения - охотников и рыболовов. Кремень не обладал прочностью металлических изделий, но вышедшие из строя инструменты было легко заменить новыми. Его использование в качестве огнива продолжалось многие века - вплоть до изобретения альтернативных источников.
Что касается современных реалий, свойства кремния позволяют эксплуатировать вещество для отделки помещений или создания керамической посуды, при этом, помимо прекрасного эстетичного вида, он имеет множество отличных функциональных качеств. Отдельное направление его применения связано с изобретением стекла около 3000 лет назад. Это событие дало возможность создавать зеркала, посуду, мозаичные витражи из соединений, содержащих кремний. Формула начального вещества дополнялась необходимыми составляющими, что позволяло придавать изделию требуемый цвет и влияло на прочность стекла. Удивительные по красоте и разнообразию произведения искусства были сделаны человеком из минералов и камней, содержащих кремний. Целебные свойства этого элемента были описаны учеными древности и применялись на протяжении всей истории человечества. Им выкладывали колодцы для питьевой воды, кладовые для хранения продуктов, использовали как в быту, так и в медицине. Порошок, полученный в результате измельчения, прикладывали к ранам. Особое внимание уделялось воде, которая настаивалась в посуде, сделанной из соединений, содержащих кремний. Химический элемент взаимодействовал с ее составом, что позволяло уничтожать ряд болезнетворных бактерий и микроорганизмов. И это еще далеко не все отрасли, где рассматриваемое нами вещество весьма и весьма востребовано. Строение кремния обуславливает его многофункциональность.
Свойства
Для более подробного ознакомления с особенностями вещества его необходимо рассмотреть с учетом всех возможных свойств. План характеристики химического элемента кремния включает в себя физические свойства, электрофизические показатели, изучение соединений, реакции и условия их прохождения и т. д. Кремний в кристаллической форме имеет темно-серый с металлическим отливом цвет. Решетка гранецентрированная кубическая имеет сходство с углеродной (алмаз), но за счет большей длины связей не настолько прочная. Пластичным её делает нагревание до 800 о С, в остальных случаях она остается хрупкой. Физические свойства кремния делают это вещество поистине уникальным: он является прозрачным для инфракрасного излучения. Температура плавления - 1410 0 С, кипения - 2600 0 С, плотность при нормальных условиях - 2330 кг/м 3 . Теплопроводность непостоянна, для различных образцов она принимается в приблизительном значении 25 0 С. Свойства атома кремния позволяют использовать его в качестве полупроводника. Это направление применения наиболее востребовано в современном мире. На величину электропроводности оказывает влияние состав кремния и элементы, находящиеся в соединении с ним. Так, для повышенной электронной проводимости используются сурьма, мышьяк, фосфор, для дырчатой - алюминий, галлий, бор, индий. При создании приборов с кремнием в качестве проводника применяется поверхностная обработка определенным агентом, который и оказывает влияние на работу аппарата.
Свойства кремния как отличного проводника используются достаточно широко в современном приборостроении. Особенно актуально его применение при производстве сложной техники (например, современные вычислительные устройства, компьютеры).
Кремний: характеристика химического элемента
В большинстве случаев кремний четырехвалентен, также встречаются связи, в которых он может иметь значение +2. При нормальных условиях он малоактивен, имеет прочные соединения, при комнатной температуре может вступить в реакцию только со фтором, находящимся в газообразном агрегатном состоянии. Это объясняется эффектом блокирования поверхности диоксидной пленкой, который наблюдается при взаимодействии с окружающим кислородом или водой. Для стимуляции реакций необходимо применять катализатор: повышение температуры идеально подходит для такого вещества, как кремний. Химический элемент взаимодействует с кислородом при 400-500 0 С, в результате диоксидная пленка увеличивается, идет процесс окисления. При повышении температуры до 50 0 С наблюдается реакция с бромом, хлором, йодом, в результате чего образуются летучие тетрагалогениды. С кислотами кремний не взаимодействует, исключение составляет смесь фтористоводородной и азотной, при этом любая щелочь в нагретом состоянии является растворителем. Кремневодороды образуются только путем разложения силицидов, в реакцию с водородом он не вступает. Наибольшей прочностью и химической пассивностью отличаются соединения с бором и углеродом. Высокую стойкость по отношению к щелочам и кислотам имеет соединение с азотом, которое происходит при температуре свыше 1000 0 С. Силициды получаются при реакции с металлами, и в этом случае от дополнительного элемента зависит валентность, которую показывает кремний. Формула вещества, образованного при участии переходного металла, является стойкой к воздействию кислот. Строение атома кремния напрямую влияет на его свойства и способность взаимодействовать с другими элементами. Процесс образования связей в природе и при воздействиях на вещество (в лабораторных, промышленных условиях) различается значительно. Строение кремния предполагает его химическую активность.
Строение
Кремния имеет свои особенности. Заряд ядра +14, что соответствует порядковому номеру в периодической системе. Количество заряженных частиц: протонов - 14; электронов - 14; нейтронов - 14. Схема строения атома кремния имеет следующий вид: Si +14) 2) 8) 4. На последнем (внешнем) уровне расположено 4 электрона, что определяет степень окисления со знаком «+» или «-». Оксид кремния имеет формулу SiO 2 (валентность 4+), летучее водородное соединение - SiH 4 (валентность -4). Большой объем атома кремния позволяет в некоторых соединениях иметь координационное число 6, например, при соединении со фтором. Молярная масса - 28, радиус атома - 132 пм, конфигурация электронной оболочки: 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 2 .
Применение
Поверхностно или полностью легированный кремний используется в качестве полупроводника при создании многих, в том числе высокоточных, приборов (например, солнечные фотоэлементы, транзисторы, выпрямители тока и т. д.). Сверхчистый кремний применяется для создания солнечных батарей (энергетика). Монокристаллический вид используется для изготовления зеркал и газового лазера. Из соединений кремния получают стекло, керамическую плитку, посуду, фарфор, фаянс. Многообразие получаемых видов товаров описать сложно, их эксплуатация происходит на бытовом уровне, в искусстве и науке, на производстве. Получаемый цемент служит сырьем для создания строительных смесей и кирпича, отделочных материалов. Распространение масел, смазки на основе позволяет значительно уменьшить силу трения в подвижных частях многих механизмов. Силициды за счет уникальных свойств в области противодействия агрессивным средам (кислотам, температурам) широко применяются в промышленности. Их электрические, ядерные и химические показатели принимают во внимание специалисты на сложных производствах, не последнюю роль играет и строение атома кремния.
Мы перечислили самые наукоемкие и передовые на сегодняшний день сферы применения. Наиболее распространенный, изготавливаемый в больших объемах технический кремний используется по целому ряду направлений:
- В качестве сырья для производства более чистого вещества.
- Для легирования сплавов в металлургической промышленности: наличие кремния увеличивает тугоплавкость, повышает устойчивость к коррозии и механическую прочность (при избытке данного элемента сплав может оказаться слишком хрупким).
- В качестве раскислителя для удаления лишнего кислорода из металла.
- Сырье для производства силанов (соединений кремния с органическими веществами).
- Для производства водорода из сплава кремния с железом.
- Изготовление солнечных батарей.
Велико значение данного вещества и для нормального функционирования организма человека. Строение кремния, его свойства являются в данном случае определяющими. При этом переизбыток или недостаток его ведет к серьезным заболеваниям.
В организме человека
Медицина достаточно давно использует кремний в качестве бактерицидного и антисептического средства. Но при всей пользе наружного применения данный элемент должен постоянно возобновляться в организме человека. Нормальный уровень его содержания позволит улучшить жизнедеятельность в целом. В случае его недостатка более 70 микроэлементов и витаминов не будут усвоены организмом, что значительно понизит сопротивляемость к целому ряду заболеваний. Наибольшее процентное соотношение кремния наблюдается в костях, коже, сухожилиях. Он играет роль структурного элемента, который поддерживает прочность и придает упругость. Все скелетные твердые ткани формируются за счет его соединений. В результате последних исследований обнаружено содержание кремния в почках, поджелудочной железе и соединительных тканях. Роль данных органов в функционировании организма достаточно велика, поэтому снижение его содержания губительно отразится на многих основных показателях жизнеобеспечения. В сутки с пищей и водой организм должен получать 1 грамм кремния - это поможет избежать возможных болезней, таких как воспалительные процессы кожного покрова, размягчение костей, образование камней в печени, почках, ухудшение зрения, состояния волос и ногтей, атеросклероз. При достаточном уровне содержания данного элемента повышается иммунитет, нормализуются обменные процессы, улучшается усвоение многих элементов, необходимых для здоровья человека. Наибольшее количество кремния - в злаковых культурах, редисе, гречневой крупе. Значительную пользу принесет кремниевая вода. Для определения количества и частоты ее использования лучше проконсультироваться со специалистом.
(первый электрон)
(по Полингу)
| Si | 14 |
| 28,0855 | |
| 3s 2 3p 2 | |
| Кремний | |
История
В чистом виде кре́мний был выделен в 1811 г. французскими учеными Жозефом Луи Гей-Люссаком и Луи Жаком Тенаром.
Происхождение названия
В 1825 году шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус действием металлического калия на фтористый кремний SiF 4 получил чистый элементарный кремний. Новому элементу было дано название «силиций» (от лат. silex — кремень). Русское название «кремний» введено в 1834 году российский химиком Германом Ивановичем Гессом. В переводе c греческого kremnos — «утес, гора».
Нахождение в природе
По распространённости в земной коре кремний среди всеххимических элементов занимает второе место (после кислорода). Масса земной коры на 27,6—29,5 % состоит из кремния. Кремний входит в состав нескольких сотен различных природных силикатов и алюмосиликатов. Больше всего распространен кремнезём — многочисленные формы диоксида кремния (IV) SiO2 (речной песок, кварц, кремень и др.), составляющий около 12 % земной коры (по массе). В свободном виде кремний в природе не встречается, хотя одна четвертая земли состоит из кремния.
Получение
В промышленности кремний получают, восстанавливая расплав SiO 2 коксом при температуре около 1800 °C в дуговых печах . Чистота полученного таким образом кремния составляет около 99,9 %. Так как для практического использования нужен кремний более высокой чистоты, полученный кремний хлорируют. Образуются соединения состава SiCl 4 и SiCl 3 H. Эти хлориды далее очищают различными способами от примесей и на заключительном этапе восстанавливают чистым водородом . Возможна также очистка кремния за счет предварительного получения силицида магния Mg 2 Si. Далее из силицида магния с помощью соляной или уксусной кислот получают летучий моносилан SiH 4 . Моносилан очищают далее ректификацией , сорбционными и др. методами, а затем разлагают на кремний и водород при температуре около 1000 °C. Содержание примесей в получаемом этими методами кремнии снижается до 10 −8 -10 −6 % по массе.
Способ получения кремния в чистом виде разработан Николаем Николаевичем Бекетовым. Крупнейшим производителем кремния в России является ОК Русал — кремний производится на заводах в г. Каменск-Уральский (Свердловская область) и г. Шелехов (Иркутская область).
Физические свойства
Кристаллическая структура кремния.
Кристаллическая решетка кремния кубическая гранецентрированная типа алмаза , параметр а = 0,54307 нм (при высоких давлениях получены и другие полиморфные модификации кремния), но из-за большей длины связи между атомами Si—Si по сравнению с длиной связи С—С твердость кремния значительно меньше, чем алмаза. Кремний хрупок, только при нагревании выше 800 °C он становится пластичным веществом. Интересно, что кремний прозрачен к инфракрасному излучению , начиная с длины волны 1.1 микрометр.
Электрофизические свойства
Элементарный кремний — типичный непрямозонный полупроводник . Ширина запрещенной зоны при комнатной температуре 1,12 эВ, а при Т = 0 К составляет 1,21 эВ. Концентрация носителей заряда в кремнии с собственной проводимостью при комнатной температуре 1,5·10 16 м −3 . На электрофизические свойства кристаллического кремния большое влияние оказывают содержащиеся в нем микропримеси. Для получения монокристаллов кремния с дырочной проводимостью в кремний вводят добавки элементов III-й группы — бора , алюминия , галлия и индия , с электронной проводимостью — добавки элементов V-й группы — фосфора , мышьяка или сурьмы . Электрические свойства кремния можно варьировать, изменяя условия обработки монокристаллов, в частности, обрабатывая поверхность кремния различными химическими агентами.
- Подвижность электронов: 1300-1400 см²/(в*c).
- Подвижность дырок: 500 см²/(в*c).
- Ширина запрещенной зоны 1,205-2,84*10(^-4)*T
- Продолжительность жизни электрона: 50 — 500 мксек
- Длина свободного пробега электрона: 0,1 см
- Длина свободного пробега дырки: 0,02 — 0,06 см
Химические свойства
В соединениях кремний склонен проявлять степень окисления +4 или −4, так как для атома кремния более характерно состояние sp³-гибридизации орбиталей. Поэтому во всех соединениях, кроме оксида кремния (II) SiO, кремний четырёхвалентен.
Химически кремний малоактивен. При комнатной температуре реагирует только с газообразным фтором , при этом образуется летучий тетрафторид кремния SiF 4 . При нагревании до температуры 400—500 °C кремний реагирует с кислородом с образованием диоксида SiO 2 , с хлором , бромом и иодом — с образованием соответствующих легко летучих тетрагалогенидов SiHal 4 .
С водородом кремний непосредственно не реагирует, соединения кремния с водородом — силаны с общей формулой Si n H 2n+2 — получают косвенным путем. Моносилан SiH 4 (его часто называют просто силаном) выделяется при взаимодействии силицидов металлов с растворами кислот , например:
Ca 2 Si + 4HCl → 2CaCl 2 + SiH 4 .
Образующийся в этой реакции силан SiH 4 содержит примесь и других силанов, в частности, дисилана Si 2 H 6 и трисилана Si 3 H 8 , в которых имеется цепочка из атомов кремния, связанных между собой одинарными связями (—Si—Si—Si—).
С азотом кремний при температуре около 1000 °C образует нитрид Si 3 N 4 , с бором — термически и химически стойкие бориды SiB 3 , SiB 6 и SiB 12 . Соединение кремния и его ближайшего аналога по таблице Менделеева — углерода — карбид кремния SiC (карборунд) характеризуется высокой твердостью и низкой химической активностью. Карборунд широко используется как абразивный материал.
Кремний (Si) – второй элемент основной (А) подгруппы 4 группы Периодической системы, учрежденной Дмитрием Ивановичем Менделеевым. Кремний очень распространен в природе, поэтому он занимает второе (после кислорода) место по распространенности. Так, без кремния и его соединений не существовало бы Земной коры, которая более чем на четверть состоит из соединений этого химического элемента. В чем же особенности кремния? Каковы формулы его соединений и их применение? Какие важнейшие вещества имеют в своем составе кремний? Попробуем разобраться.
Элемент кремний и его свойства
Кремний существует в природе в нескольких аллотропных модификациях – наиболее распространенными являются кремний в кристаллическом виде и аморфный кремний. Рассмотрим каждую из данных модификаций в отдельности.
Кристаллический кремний
Кремний в данной модификации является темно-серым достаточно твердым и хрупким веществом со стальным блеском. Такой кремний является полупроводником; его полезное свойство заключается в том, что, в отличие от металлов, его электропроводность увеличивается при повышении температуры. Температура плавления такого кремния составляет 1415 °С. К тому же, кристаллический кремний не способен растворяться в воде и различных кислотах.
Применение кремния и его соединений в кристаллической модификации невероятно многообразно. Например, кристаллический кремний входит в состав солнечных батарей, устанавливаемых на космических кораблях и крышах домов. Кремний является полупроводником и способен преобразовывать солнечную энергию в электрическую.
Помимо солнечных батарей, кристаллический кремний используется для создания многих электронных приборов и кремнистых сталей.
Аморфный кремний
Аморфный кремний – бурый/темно-коричневый порошок алмазоподобной структуры. В отличие от кристаллического кремния, данная аллотропная модификация элемента не имеет строго упорядоченной кристаллической решетки. Несмотря на то, что аморфный кремний плавится при температуре, приблизительно равной 1400 °С, он является гораздо более активным по сравнению с кристаллическим. Аморфный кремний не проводит ток и имеет плотность около 2 г/см³.
Такой кремний чаще всего применяется в пищевой промышленности и при изготовлении лекарственных препаратов.
Химические свойства кремния
- Основное химическое свойство кремния – горение в кислороде, в результате которого образуется крайне распространенное соединение – оксид кремния:
Si + O2 → SiO2 (при температуре).
- При нагревании кремний как неметалл образует соединения с различными металлами. Такие соединения называются силицидами. Например:
2Ca + Si → Ca2Si (при температуре).
- Силициды, в свою очередь, без затруднений разлагаются при помощи воды или некоторых кислот. В результате данной реакции образуется особое водородное соединение кремния – газ силан (SiH4):
Mg2Si + 4HCl → 2MgCl2 + SiH4.
- Кремний также способен взаимодействовать с фтором (при нормальных условиях):
Si + 2F2 → SiF4.
- А при нагревании кремний взаимодействует с другими неметаллами:
Si + 2Cl2 → SiCl4 (400–600°).
3Si + 2N2 → Si3N4 (1000°).
Si + C → SiC (2000°).
- Также кремний, взаимодействуя со щелочами и водой, образует соли, называемые силикатами, и газ водород:
Si + 2KOH + H2O → K2SiO3 + H2.
Однако большинство химических свойств данного элемента мы разберем, рассматривая кремний и его соединения, так как именно они являются основными веществами, на которых основано применение и взаимодействие кремния с другими химическими элементами. Итак, какие же соединения кремния являются наиболее распространенными?
Соединения кремния
Ранее мы выяснили, каким элементом является кремний и какими свойствами он обладает. Теперь рассмотрим формулы соединений кремния.
При участии кремния образуется огромное количество различных соединений. Первое место по распространенности занимают кислородные соединения кремния. К данному разряду относится SiO2 и нерастворимая кремниевая кислота.
Кислотный остаток кремниевой кислоты образует различные силикаты (например, CaSiO3 или Al2O3 SiO2). В таких солях и представленных выше соединениях кремния с кислородом элемент имеет типичную для него степень окисления +4.
Также достаточно распространены соли кремния – силициды (Mg2Si, NaSi, CoSi) и соединения кремния с водородом (например, газ силан). Силан, как известно, самовоспламеняется на воздухе с возникновением ослепительной вспышки, а силициды легко разлагаются как при помощи воды, так и различных кислот.
Рассмотрим поподробнее кремний и его соединения, считающиеся самыми распространенными.
Диоксид кремния
Другое название данного оксида – кремнезем. Это твердое и тугоплавкое вещество, которое не растворяется в воде и кислотах и имеет атомную кристаллическую решетку. В природе оксид кремния образует такие минералы и драгоценные камни, как кварц, аметист, опал, агат, халцедон, яшма, кремень и некоторые другие.
Стоит отметить, что именно из кремния первобытные люди изготавливали свои орудия труда и охоты. Кремень положил начало так называемому каменному веку благодаря его повсеместной доступности и способности образовывать острые режущие края при сколе.
Именно оксид кремния делает прочными стебли таких растений, как камыши, тростники и хвощи, листья осоки и стебли злаков. В защитных наружных покровах некоторых животных также содержится кремнезем.
К тому же, он лежит в основе силикатного клея, благодаря которому создается силиконовый герметик и силиконовый каучук.
Химические свойства оксида кремния
Диоксид кремния взаимодействует с огромным количеством химических элементов – как металлов, так и неметаллов. Например:
- При высоких температурах кремнезем взаимодействует со щелочами, образуя при этом соли:
SiO2 + 2KOH → K2SiO3 + H2O (при температуре).
- Как типичный кислотный оксид, данное соединение дает силикаты в результате взаимодействия с оксидами различных металлов:
SiO2 + CaO → CaSiO3 (при температуре).
- Или с карбонатными солями:
SiO2 + K2CO3 → K2SiO3 + CO2 (при температуре).
- Одно из важнейших химических свойств диоксида кремния – это возможность получения из него чистого кремния. Это можно осуществить двумя способами – при взаимодействии диоксида с магнием или углеродом:
SiO2 + 2Mg → 2MgO + Si (при температуре).
SiO2 + 2C → Si + 2CO (при температуре)
Кремниевая кислота
Кремниевая кислота является очень слабой. Она нерастворима в воде и при реакциях образует студенистый осадок, который иногда способен заполнить весь объем раствора. Когда данная смесь высыхает, можно увидеть образовавшийся силикагель, который применяется как адсорбент (поглотитель других веществ).
Наиболее доступный и распространенный способ получения кремниевой кислоты можно выразить при помощи формулы:
K2SiO3 + 2HCl → 2KCl + H2SiO3↓.
Силициды
Рассматривая кремний и его соединения, очень важно сказать о таких его солях, как силициды. Такие соединения кремний образует с металлами, приобретая, как правило, при этом степень окисления -4. Однако такие металлы, как ртуть, цинк, бериллий, золото и серебро не способны взаимодействовать с кремнием и образовывать силициды.
Наиболее распространенными силицидами являются Mg2Si, Ca2Si, NaSi и некоторые другие.
Силикаты
Такие соединения, как силикаты занимают второе место по распространенности после диоксида кремния. Соли-силикаты считаются достаточно сложными веществами, так как имеют непростую структуру строения, а также они входят в состав большинства минералов и горных пород.
К наиболее распространенным в природе силикатам – алюмосиликатам – относят гранит, слюды, различные виды глин. Также известным силикатом является асбест, из которого изготавливаются огнестойкие ткани.
Применение кремния
В первую очередь, кремний применяется для получения материалов-полупроводников и кислотоупорных сплавов. Карбид кремния (SiC) часто используют для затачивания резцов станков и шлифовки ценных камней.
Из расплавленного кварца изготавливается устойчивую и крепкую кварцевую посуду.
Соединения кремния лежат в основе производства стекла и цемента.
Стекла отличаются друг от друга по составу, в котором обязательно присутствует кремний. Например, помимо оконных, существуют тугоплавкие, хрустальные, кварцевые, цветные, фотохромные, оптические, зеркальные и другие стекла.
При смешивании цемента с водой образуется особое вещество – цементный раствор, из которого впоследствии получают такой строительный материал, как бетон.
Производством этих веществ занимается силикатная промышленность. Помимо стекла и цемента, в силикатной промышленности получают кирпич, фарфор, фаянс и различные изделия из них.
Заключение
Итак, мы выяснили, что кремний является важнейшим химическим элементом, широко распространенным в природе. Кремний применяется при строительстве и художественной деятельности, а также незаменим для живых организмов. Многие вещества, начиная от простого стекла и заканчивая ценнейшим фарфором, имеют в своем составе кремний и его соединения.
Изучение химии позволяет познать окружающий наш мир и понять, что не все вокруг, даже самое великолепное и дорогое, настолько таинственно и загадочно, как могло показаться. Желаем успехов в научном познании и изучении такой прекрасной науки, как химия!
После кислорода кремний является самым распространенным элементом в земной коре. Он имеет 2 устойчивых изотопа: 28 Si , 29 Si , 30 Si . В свободном виде кремний в природе не встречается.
Наиболее часто встречающиеся: соли кремниевых кислот и оксид кремний (кремнезем, песок, кварц). Они входят в состав минеральных солей, слюды, талька, асбеста.
Аллотропия кремния.
У кремния есть 2 аллотропные модификации:
Кристаллическая (светло-серые кристаллы. Структура подобна кристаллической решетке алмаза, где атом кремния ковалентно связан с 4 одинаковыми атомами , а сам находится в sp 3 - гибридизации);
Аморфная (порошок бурого цвета, более активная форма чем кристаллическая).
Свойства кремния.
При температуре кремний реагируют с кислородом воздуха:
Si + O 2 = SiO 2 .
Если кислорода не хватает (недостаток), то может иметь место такая реакция:
2 Si + O 2 = 2 SiO ,
Где SiO - монооксид, который также может образовываться при реакции:
Si + SiO 2 = 2 SiO .
В нормальных условиях кремний может реагировать с F 2 , при нагревании - с Cl 2 . Если повышать температуру дальше, то Si будет способен провзаимодействовать с N и S :
4Si + S 8 = 4SiS 2 ;
Si + 2F 2 = SiF 4 .
Кремний способен реагировать с углеродом , давая карборунд :
Si + C = SiC .
Кремний растворим в смеси концентрированной азотной и фтороводородной кислот:
3Si + 4HNO 3 + 12HF = 3SiF 4 + 4NO + 8H 2 O.
Кремний растворяется в водных растворах щелочей:
Si + 2NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + H 2 .
При нагревании с оксидами кремний диспропорционирует:
2 MgO + 3 Si = Mg 2 Si + 2 SiO .
При взаимодействии с металлами, кремний выступает в качестве окислителя:
2 Mg + Si = Mg 2 Si .
Применение кремния.
Наибольшее применение кремний находит в производстве сплавов для придания прочности алюминию, меди и магнию и для получения ферросилицидов, имеющих важное значение в производстве сталей и полупроводниковой техники. Кристаллы кремния применяют в солнечных батареях и полупроводниковых устройствах - транзисторах и диодах.
Кремний служит также сырьем для производства кремнийорганических соединений, или силоксанов, получаемых в виде масел, смазок, пластмасс и синтетических каучуков. Неорганические соединения кремния используют в технологии керамики и стекла, как изоляционный материал и пьезокристаллы.
Как самостоятельный химический элемент кремний стал известен человечеству всего лишь в 1825 году. Что, конечно, не мешало применять соединения кремния в таком количестве сфер, что проще перечислить те, где элемент не используется. Данная статья прольет свет на физические, механические и полезные химические свойства кремния и его соединений, области применения, также мы расскажем о том, как влияет кремний на свойства стали и иных металлов.
Для начала давайте остановимся на общей характеристике кремния. От 27,6 до 29,5% массы земной коры составляет кремний. В морской воде концентрация элемента тоже изрядная – до 3 мг/л.
По распространенности в литосфере кремний занимает второе почетное место после кислорода. Однако наиболее известная его форма – кремнезем, является диоксидом, и именно его свойства и стали основой для столь широкого применения.
О том, что такое кремний, расскажет этот видеосюжет:
Понятие и особенности
Кремний – неметалл, однако при разных условиях может проявлять и кислотные, и основные свойства. Является типичным полупроводником и чрезвычайно широко используется в электротехнике. Физические и химические его свойства во многом определяются аллотропным состоянием. Чаще всего дело имеют с кристаллической формой, поскольку ее качества более востребованы в народном хозяйстве.
- Кремний – один из базовых макроэлементов в человеческом теле. Его нехватка губительно сказывается на состоянии костной ткани, волос, кожи, ногтей. Кроме того, кремний оказывает влияние на работоспособность иммунной системы.
- В медицине элемент, вернее говоря, его соединения нашли свое первое применение именно в этом качестве. Вода из колодцев, выложенных кремнием, отличались не только чистотой, но и положительно сказывалась на стойкости к инфекционным болезням. Сегодня соединение с кремнием служат основой для препаратов против туберкулеза, атеросклероза, артрита.
- В целом неметалл малоактивен, однако и в чистом виде встретить его сложно. Связано это с тем, что на воздухе он быстро пассивируется слоем диоксида и перестает реагировать. При нагревании химическая активность увеличивается. В результате человечество гораздо ближе знакомо с соединениями вещества, а не с ним самим.
Так, кремний образует сплавы практически со всеми металлами – силициды. Все они отличаются тугоплавкостью и твердостью и применяются на соответствующих участках: газовые турбины, нагреватели печей.
Размещается неметалл в таблице Д. И. Менделеева в 6 группе вместе с углеродом, германием, что указывает на определенную общность с этими веществами. Так, с углеродом его «роднит» способность к образованию соединений по типу органических. При этом кремний, как и германий может проявить свойства металла в некоторых химических реакциях, что используется в синтезе.
Плюсы и минусы
Как и всякое другое вещество с точки зрения применения в народном хозяйстве, кремний обладает определенными полезными или не слишком качествами. Важны они именно для определения области использования.
- Немалым достоинством вещества является его доступность . В природе он, правда, находится не в свободном виде, но все же, технология получения кремния не так уж и сложна, хотя и энергозатратна.
- Второе важнейшее достоинство – образование множества соединений с необыкновенно полезными свойствами. Это и силаны, и силициды, и диоксид, и, конечно, разнообразнейшие силикаты. Способность кремния и его соединений образовывать сложные твердые растворы практически бесконечна, что позволяет бесконечно же получать самые разные вариации стекла, камня и керамики.
- Полупроводниковые свойства неметалла обеспечивает ему место базового материала в электро- и радиотехнике.
- Неметалл является нетоксичным , что допускает применение в любой отрасли промышленности, и при этом не превращает технологический процесс в потенциально опасный.
К недостаткам материала можно отнести лишь относительную хрупкость при хорошей твердости. Кремний не используется для несущих конструкций, но зато это сочетание позволяет обрабатывать должным образом поверхность кристаллов, что важно для приборостроения.
Давайте теперь поговорим про основные свойства кремния.
Свойства и характеристики
Поскольку в промышленности чаще всего эксплуатируется кристаллический кремний, то именно его свойства и являются более важными, и именно они и приводятся в технических характеристиках. Физические свойства вещества таковы:
- температура плавления – 1417 С;
- температура кипения – 2600 С;
- плотность составляет 2,33 г/куб. см, что свидетельствует о хрупкости;
- теплоемкость, как и теплопроводность не постоянны даже на самых чистых пробах: 800 Дж/(кг·К), или 0,191 кал/(г·град) и 84-126 вт/(м·К), или 0,20-0,30 кал/(см·сек·град) соответственно;
- прозрачен для длинноволнового ИК-излучения, что используется в инфракрасной оптике;
- диэлектрическая проницаемость – 1,17;
- твердость по шкале Мооса – 7.
Электрические свойства неметалла сильно зависят от примесей. В промышленности эту особенность используют, модулируя нужный тип полупроводника. При нормальной температуре кремний хрупок, но при нагревании выше 800 С возможна пластическая деформация.
Свойства аморфного кремния разительно отличаются: он сильно гигроскопичен, намного активнее вступает в реакцию даже при нормальной температуре.
Структура и химический состав, а также свойства кремния рассмотрены в видеоролике ниже:
Состав и структура
Кремний существует в двух аллотропных формах, одинаково устойчивых при нормальной температуре.
- Кристаллический имеет вид темно-серого порошка. Вещество, хотя и имеет алмазоподобную кристаллическую решетку, является хрупким – из-за чересчур длинной связи между атомами. Интерес представляют его свойства полупроводника.
- При очень высоких давлениях можно получить гексагональную модификацию с плотностью 2,55 г/куб. см. Однако эта фаза практического значения пока не нашла.
- Аморфный – буро-коричневый порошок. В отличие от кристаллической формы намного активнее вступает в реакцию. Связано это не столько с инертностью первой формы, сколько с тем, что на воздухе вещество покрывается слоем диоксида.
Кроме того, необходимо учитывать и еще один тип классификации, связанный с величиной кристалла кремния, которые в совокупности образуют вещество. Кристаллическая решетка, как известно, предполагают упорядоченность не только атомов, но и структур, которые эти атомы образуют – так называемый дальний порядок. Чем он больше, тем более однородным по свойствам будет вещество.
- Монокристаллический – образец представляет собой один кристалл. Структура его максимально упорядочена, свойства однородны и хорошо предсказуемы. Именно такой материал наиболее востребован в электротехнике. Однако он же относится к самому дорогому виду, поскольку процесс его получения сложен, а скорость роста низка.
- Мультикристаллический – образец составляет некоторое количество крупных кристаллических зерен. Границы между ними формируют дополнительные дефектные уровни, что снижает производительность образца, как полупроводника и приводит к более быстрому износу. Технология выращивания мультикристалла проще, потому и материал дешевле.
- Поликристаллический – состоит из большого количества зерен, расположенных хаотически относительно друг друга. Это наиболее чистая разновидность промышленного кремния, применяется в микроэлектронике и солнечной энергетике. Довольно часто используется в качестве сырья для выращивания мульти- и монокристаллов.
- Аморфный кремний и в этой классификации занимает отдельную позицию. Здесь порядок расположения атомов удерживается только на самых коротких дистанциях. Однако в электротехнике он все же используется в виде тонких пленок.
Производство неметалла
Получить чистый кремний не так уж и просто, учитывая инертность его соединений и высокую температуру плавления большинства из них. В промышленности чаще всего прибегают к восстановлению углеродом из диоксида. Проводят реакцию в дуговых печах при температуре 1800 С. Таким образом получают неметалл чистотой в 99,9%, что для его применения недостаточно.
Полученный материал хлорируют с тем, чтобы получить хлориды и гидрохлориды. Затем соединения очищают всеми возможными методами от примесей и восстанавливают водородом.
Очистить вещество можно и за счет получения силицида магния. Силицид подвергают действию соляной или уксусной кислоты. Получают силан, а последний очищают различными способами – сорбционным, ректификацией и так далее. Затем силан разлагают на водород и кремний при температуре в 1000 С. В этом случае получают вещество с долей примеси 10 -8 –10 -6 %.
Применение вещества
Для промышленности наибольший интерес представляют электрофизические характеристики неметалла. Его монокристаллическая форма является непрямозонным полупроводником. Свойства его определяются примесями, что позволяет получать кристаллы кремния с заданными свойствами. Так, добавка бора, индия дает возможность вырастить кристалл с дырочной проводимостью, а введение фосфора или мышьяка – кристалл с электронной проводимостью.
- Кремний в буквальном смысле слова служит основой современной электротехники. Из него изготавливают транзисторы, фотоэлементы, интегральные схемы, диоды и так далее. Причем функциональность прибора определяет практически всегда только приповерхностный слой кристалла, что обуславливает весьма специфические требования именно к обработке поверхности.
- В металлургии технический кремний применяют и как модификатор сплавов – придает большую прочность, и как компонент – в , например, и как раскислитель – при производстве чугуна.
- Сверхчистый и очищенный металлургический составляют основу солнечной энергетики.
- Диоксид неметалла встречается в природе в очень разных формах. Его кристаллические разновидности – опал, агат, сердолик, аметист, горный хрусталь, нашли свое место в ювелирном деле. Не столь привлекательные внешне модификации – кремень, кварц, используются и в металлургии, и в строительстве, и в радиоэлектротехнике.
- Соединение неметалла с углеродом – карбид, применяется и в металлургии, и в приборостроении, и в химической промышленности. Он является широкозональным полупроводником, отличается высокой твердостью – 7 по шкале Мооса, и прочностью, что и позволяет применять его в качестве абразивного материала.
- Силикаты – то есть, соли кремниевой кислоты. Неустойчивы, легко разлагаются под действием температуры. Примечательность их в том, что они образуют многочисленные и разнообразные соли. А вот последние являются основой при производстве стекла, керамики, фаянса, хрусталя, и . Можно смело сказать, что современное строительство зиждется на разнообразных силикатах.
- Стекло представляет здесь наиболее интересный случай. Основой его служат алюмосиликаты, но ничтожные примеси других веществ – обычно оксидов, придают материалу массу разных свойств, в том числе и цвет. – , фаянс, фарфор, по сути, имеет ту же формулу, хотя и с другим соотношением компонентов, и ее разнообразие тоже поразительно.
- Неметалл обладает еще одной способностью: образует соединения по типу углеродных, в виде длинной цепочки из атомов кремния. Такие соединения носят название кремнийорганических. Сфера их применения не менее известна – это силиконы, герметики, смазки и так далее.
Кремний – очень распространенный элемент и имеет необыкновенно большое значение в очень многих сферах народного хозяйства. Причем активно используется не только само вещество, но все его разнообразные и многочисленные соединения.
Данное видео расскажет о свойствах и применении кремния:
