Кремний твердый. Кремний: характеристики, особенности и области применения

Описание и свойства кремния

Кремний – элемент , чётвёртая группа, третий период в таблице элементов. Атомный номер 14. Формула кремния — 3s2 3p2. Определён как элемент, в 1811 г, а в 1834 г получил русское название «кремний», взамен прежнего «сицилий». Плавится при 1414º С, закипает при 2349º С.

Молекулярным строением он напоминает , но уступает ему по твёрдости. Довольно хрупок, в нагретом состоянии (не менее 800º С) приобретает пластичность. Просвечивается инфракрасным излучением. Монокристаллический тип кремния обладает полупроводниковыми свойствами. По некоторым характеристикам атом кремния схож с атомарным строением углерода. Электроны кремния имеют такое же валентное число, как и при углеродном строении.

Рабочие свойства кремния зависят от содержания в нём определённых содержаний. У кремния допустим различный тип проводимости. В частности это «дырочный» и «электронный» тип. Для получения первого в кремний добавляется бор. Если добавить фосфор, кремний приобретает второй тип проводимости. Если кремний нагревать вместе с другими металлами, образовываются специфические соединения, называемые «силицидами», например, при реакции «магний-кремний «.

Кремний, идущий на нужды электроники, в первую очередь оценивается по характеристикам его верхних слоёв. Поэтому необходимо обращать внимание именно на их качество, оно непосредственно отражается на общих показателях. От них зависит работа произведённого прибора. Для получения наиболее приемлемых показателей верхних слоёв кремния, их обрабатывают различными химическими способами или подвергают облучению.

Соединение «сера-кремний», образует сульфид кремния, легко взаимодействующий с водой и кислородом. При реакции с кислородом, в температурных условиях выше 400º С, получается диоксид кремния. При этой же температуре становятся возможными реакции с хлором и йодом, а также с бромом, во время этого образуются летучие вещества – тетрагалогениды.

Соединить кремний и водород, путём прямого контакта, не получится, для этого существуют методы косвенного характера. При 1000º С возможна реакция с азотом, а также бором, при этом получается нитрид и борид кремния. При этой же температуре, соединив кремний с углеродом, можно произвести карбид кремния , так называемый «карборунд». Данный состав обладает твёрдой структурой, химическая активность вялая. Используется как абразив.

В соединении с железом, кремний образует особую смесь, это допускает плавление этих элементов, при котором образуется ферросилициевая керамика. Причём температура её плавления гораздо ниже, чем если их плавить по отдельности. При температурном режиме выше 1200º С, из элемента начинается образование оксида кремния , также при определённых условиях получается гидроксид кремния . При травлении кремния применяются щелочные растворы на водной основе. Их температура должна быть не менее 60º С.

Месторождения и добыча кремния

Элемент – второе по распространению на планете вещество. Кремний составляет почти треть объёма земной коры. Более распространенным является только кислород. Преимущественно выражен кремнезёмом – соединением в своей основе содержащим диоксид кремния. Главные производные диоксида кремния – кремень, различные пески, кварц, а также полевые . После них идут силикатные соединения кремния. Самородность для кремния – редкое явление.

Применение кремния

Кремний, химические свойства которого определяют область его применения, делится на несколько видов. Менее чистый кремний идёт на металлургические нужды: на , например для добавки в алюминий, кремний активно меняет его свойства, раскислители, и т.д. Он активно модифицирует свойства металлов, посредством добавки в их состав. Кремний легирует их, изменяя рабочие характеристики, кремния достаточно при этом совсем небольшого количества.

Также из неочищенного кремния производят более качественные производные, в частности, моно и поликристаллический кремний, а также кремниевые органики – это силиконы и различные органические масла. Также он нашёл своё применение при производстве цемента и стекольной промышленности. Не обошёл он и кирпичное производство, фабрики производящие фарфор и также без него не обходятся.

Кремний входит в состав всем известного силикатного клея, который идёт на ремонтные работы, а раньше он использовался в канцелярских нуждах, пока не появились более практичные заменители. В состав некоторых пиротехнических изделий также входи кремний. Из него и его железных сплавов можно получать водород на открытом воздухе.

На что идёт более качественный кремний? Пластины солнечных батарей тоже включают в состав кремний, естественно не технический. Для этих нужд необходим кремний идеальной чистоты или хотя бы технический кремний высшей степени очистки.

Так называемый «электронный кремний», который содержит кремний почти на 100%, обладает гораздо лучшими показателями. Поэтому его предпочитают при производстве сверхточных электронных приборов и сложных микросхем. При их изготовлении требуется качественная производственная схема, кремний для которой должен идти только высшей категории. Работа этих устройств зависит от того, сколько содержит кремний нежелательных примесей.

Кремний занимает важное место в природе, и большинство живых существ, постоянно испытывают в нём потребность. Для них это своеобразный строительный состав, потому — что он крайне важен для здоровья опорно-двигательного аппарата. Ежедневно человек поглощает до 1 г соединений кремния .

Может ли кремний быть вредным?

Да, по той причине что, диоксид кремния крайне расположен к пылеобразованию. Она имеет раздражающее воздействие на слизистые поверхности организма и способна активно накапливаться в лёгких, вызывая силикоз. Для этого на производстве связанного с переработкой кремниевых элементов, обязательно применение респираторов. Особенно важно их наличие, если речь идёт о моноксиде кремния.

Цена кремния

Как известно вся современная электронная техника, начиная от телекоммуникаций и заканчивая компьютерными технологиями, основывается на применении кремния, используя его полупроводниковые свойства. Его другие аналоги применяются в гораздо меньшей степени. Уникальные свойства кремния и его производных пока вне конкуренции, на долгие года вперёд. Несмотря на спад цен в 2001 г на кремний, продажи быстро пришли в норму. И уже в 2003 г товарооборот составил 24 тысячи тонн за год.

Для новейших технологий, требующих почти кристальной чистоты кремния, его технические аналоги не подходят. А за счёт его сложной системы очистки цена соответственно в разы возрастает. Более распространённым является поликристаллический тип кремния, несколько меньшим спросом пользуется его монокристаллический прототип. При этом доля использования кремния для полупроводников занимает львиную часть товарооборота.

Цены на продукцию варьируются в зависимости от чистоты и назначения кремния, купить который, можно начиная от 10 центов за кг неочищенного сырья и до 10$ и выше за «электронный» кремний.

Процессор? Песок? А какие у вас с этим словом ассоциации? А может Кремниевая долина?
Как бы там ни было, с кремнием мы сталкиваемся каждый день и если вам интересно узнать что такое Si и с чем его едят, прошу под кат.

Введение

Silicium

Историческая справка

Кремний очень распространен в природе в составе обыкновенного песка

Распространение Кремния в природе

Физические свойства Кремния

Химические свойства Кремния

Получение Кремния

Кремний технической чистоты (95-98%) получают в электрической дуге восстановлением кремнезема SiO2 между графитовыми электродами. В связи с развитием полупроводниковой техники разработаны методы получения чистого и особо чистого кремния. Это требует предварительного синтеза чистейших исходных соединений кремния, из которых кремний извлекают путем восстановления или термического разложения.
Поликристаллический кремний («поликремний») - наиболее чистая форма промышленно производимого кремния - полуфабрикат, получаемый очисткой технического кремния хлоридными и фторидными методами и используемый для производства моно- и мультикристаллического кремния.
Традиционно поликристаллический кремний получают из технического кремния путём перевода его в летучие силаны (моносилан, хлорсиланы, фторсиланы) с последующими разделением образующихся силанов, ректификационной очисткой выбранного силана и восстановлением силана до металлического кремния.
Чистый полупроводниковый кремний получают в двух видах: поликристаллический (восстановлением SiCl4 или SiHCl3 цинком или водородом, термическим разложением SiI4 и SiH4) и монокристаллический (бестигельной зонной плавкой и «вытягиванием» монокристалла из расплавленного кремния - метод Чохральского).

Тут можно увидеть процесс выращивания кремния, методом Чохральского.

Метод Чохральского - метод выращивания кристаллов путём вытягивания их вверх от свободной поверхности большого объёма расплава с инициацией начала кристаллизации путём приведения затравочного кристалла (или нескольких кристаллов) заданной структуры и кристаллографической ориентации в контакт со свободной поверхностью расплава.

Применение Кремния

Сверхчистый кремний и продукт его производства

Кремний в организме

Заключение

Физические свойства. Кремний хрупок. При нагревании выше 800° C увеличивается его пластичность. Он устойчив к воздействию кислот. В кислой среде покрывается нерастворимой пленкой оксида и пассивируется.

Микроэлемент прозрачен для инфракрасного излучения, начиная с длины волны 1,1 мкм.

Химические свойства. Кремний взаимодействует:

• с галогенами (фтором) с проявлением восстановительных свойств: Si + 2F2 = SiF4. С хлороводородом вступает в реакцию при 300° С, с бромоводородом – при 500° С;
• с хлором при нагревании до 400–600° С: Si + 2Cl2 = SiCl4;
• с кислородом при нагревании до 400–600° С: Si + O2 = SiO2;
• с другими неметаллами. При температуре 2000° С реагирует с углеродом (Si + C = SiC) и бором (Si + 3B = B3Si);
• с азотом при температуре 1000° С: 3Si + 2N2 = Si3N4;
• с металлами с образованием силицидов: 2Ca + Si = Ca2Si;
• с кислотами – только со смесью плавиковой и азотной кислот: 3Si + 4HNO3 + 18HF = 3H2 + 4NO + 8H2O;
• с щелочью. Кремний растворяется и образуется силикат и водород: Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + H2.

С водородом не взаимодействует.

Взаимодействие в организме с витаминами и минералами

Кремний взаимодействует с витаминами , и . Сочетание злаков с цитрусовыми и зелеными овощами считается самым полезным.

Кремний участвует в борьбе со свободными радикалами. Взаимодействуя с тяжелыми металлами (свинцом), микроэлемент образует устойчивые соединения. Они выводятся мочеполовой системой. То же самое происходит со шлаками и токсичными веществами.

Кремний улучшает усвоение железа (Fe) и кальция (Ca) , кобальта (Cb), марганца (Mn), фтора (F).

Снижение концентрации кремния в соединительной ткани приводит к поражению сосудов, атеросклерозу, нарушению прочности костной ткани.

Роль кремния в возникновении и течении различных заболеваний

При недостатке кремния в организме увеличивается концентрация холестерина в крови. Из-за этого образуются холестериновые бляшки, ухудшается отток.

При потреблении кремния менее 20 мг в сутки ослабевает иммунитет. Появляются аллергические высыпания, кожа становится сухой и шелушится, развивается грибок.

Волосы истончаются, кожа головы шелушится и появляется зуд. Ногтевые пластины деформируются.

Работоспособность и психическое состояние ухудшаются из-за нарушения оттока крови и насыщения головного мозга кислородом.

При понижении количества кремния в организме до 1,2-1,6% чревато возникновением инсульта, инфаркта, сахарного диабета, вируса гепатита и онкологии.

Переизбыток кремния приводит к отложению солей в мочевыводящих путях и суставах, фиброзу и патологиям кровеносных сосудов. При наихудшем сценарии увеличивается печень, отекают конечности, синеют кожные покровы, появляется одышка.

Функциональный потенциал кремния

Главная задача кремния в организме – формирование костной, хрящевой ткани и стенок сосудов. 90% минерала содержится в соединительной и костной ткани, лимфатических узлах, щитовидной железе, волосах и коже. Однако этим функциональный потенциал химического элемента не ограничивается. Благодаря кремнию:

• укрепляются кости и связки. Чем больше в первой минералов, тем она крепче. Снижение концентрации кремния в костной ткани чревато остеопорозом и атеросклерозом. Для хрящевой ткани, важен синтез гликозаминогликанов;
• предотвращается дегенерация межпозвоночных дисков. Последние состоят из пластинок хрящевой ткани. Чем меньше кремния, тем быстрее изнашивается пластинка. Если в ней образуется трещинка, начнет вытекать спинномозговая жидкость. Это чревато протрузиями и грыжей;
• восстанавливается костная ткань. Кости, связки и сухожилия срастаются очень трудно и долго;
• улучшается состояние кожных покровов, ногтей и волос. В них содержится наибольшая концентрация химического элемента. Сухая и шелушащаяся кожа, ломкие и тусклые волосы, слоящиеся ногти – признаки дефицита кремния;
• стабилизируется обмен веществ. Благодаря кремнию усваивается три четверти 70% химических элементов. Минерал участвует в белковом и углеводном обмене;
• укрепляется иммунитет. Благодаря кремнию ускоряется фагоцитоз – образование специальных клеток иммунной системы. Их главная функция – расщепление чужеродных белковых структур. Если в организм попадает вирусная инфекция, фагоциты обволакивают неприятеля и уничтожают;
• выводятся тяжелые металлы и токсины. Оксид кремния вступает в реакцию с ними, преобразует в нейтральные для организма соединения, которые выводятся наружу с мочой;
• укрепляются стенки сосудов, сердечные клапаны, оболочка органов желудочно-кишечного тракта. Основа стенки сосудов – эластина, который синтезируется при помощи кремния;
• снижается проницаемость стенок сосудов, уменьшаются признаки варикоза, тромбофлебита и васкулита;
• предотвращаются онкологические заболевания. Антиоксидантные свойства витаминов С, А, Е усиливаются при взаимодействии с кремнием. Бороться со свободными радикалами организму легче;
• предотвращаются заболевания головного мозга. При недостатке кремния стенки сосудов становятся более мягкими, плохо транспортируют кровь к головному мозгу, что приводит к гипоксии – кислородному голоданию, из-за которого мозг не функционирует на полную мощность. Отдавать и получать команды нейроны головного мозга без кремния не могут. В результате нарушается моторика движений, сужаются сосуды, болит и кружится голова, ухудшается самочувствие.

Источники кремния

• бурый рис – 1240;
• овсяная крупа – 1000;
• просо– 754;
• ячмень – 600;
• соя– 177;
• гречневая крупа – 120;
• фасоль – 92;
• Горох – 83;
• Топинамбур – 80;
• Кукуруза – 60;
• Фундук – 51;
• Шпинат – 42;
• Ряженка – 34;
• Петрушка – 31;
• Цветная капуста – 24;
• Салат зеленый листовой – 18;
• Персик – 10;
• Жимолость – 10.

Совет! Хотите быстро восполнить запасы кремния в организме? Забудьте о мясе с гарниром. Само по себе мясо, хоть и содержит достаточное количество кремния (30-50 мг в 100 г), препятствует его усвоению из других продуктов. Раздельное питание – наоборот. Сочетайте нешлифованный рис, ячмень, просо, пшено, гречку с овощами и фруктами. Устраивайте «разгрузочные» дни на абрикосах, грушах и вишне

Сочетание с другими питательными веществами

Избегайте сочетания кремния с алюминием. Действие последнего противоположно действию кремния.

Кремний совместно с другими микроэлементами участвует в химических реакциях синтеза коллагена и эластина, входящих в состав соединительной ткани кожи, волос и ногтей.

Кремний усиливает антиоксидантные свойства витаминов С, А, Е. Последние борются со свободными радикалами, вызывающими онкологические заболевания.

Для профилактики онкологических заболеваний употребляйте совместно такие продукты (описано в таблице)

Оксид кремния взаимодействует в организме с тяжелыми металлами (свинец) и токсинами. В результате химической реакции образуются устойчивые соединения, которые выводятся из организма почками.

Суточная норма

Суточная норма кремния (подано ниже) рассчитана только для взрослых. Верхний допустимый уровень потребления кремния для детей и подростков не установлен.

• Дети до 6 месяцев и после 7-ми – отсутствует.

• От 1 до 13 лет – отсутствует.
• Подростки (мужской и женский пол) – отсутствует.
• Взрослые – 20-50 мг.

При применении кремнийсодержащих препаратов (Атоксил) суточная дозировка у детей старше 7 лет и взрослых составляет 12 г. Максимальная доза препарата– 24 грамма в сутки. Для детей от года до 7 лет – 150-200 мг препарата на килограмм массы тела.

Недостаток и избыток кремния

Недостаток кремния может быть спровоцирован:

Недостаток кремния в организме опасен следующим состоянием:

• высокой концентрацией холестерина в крови. Холестерин засоряет кровеносные сосуды (образуются золестериновые «бляшки»), кровь становится более вязкой и ее отток ухудшается;
• предрасположенностью к грибковым болезням. Чем меньше кремния, тем слабее иммунитет. При попадании в организм вирусной инфекции фагоциты (специальные клетки иммунной системы) вырабатываются в недостаточном количестве;
• перхотью, выпадением и истончением волос. Упругость волос и кожи – заслуга эластина и коллагена, которые синтезируются благодаря кремнию. Недостаток его сказывается на состоянии кожных покровов, волос и ногтей;
• перепадами настроения. От насыщения головного мозга кислородом зависит не только работоспособность, но и психическое состояние человека. Из-за ослабленных стенок сосудов кровь плохо поступает в мозг. Кислорода для выполнения привычных мыслительных операций не хватает. Перепады настроения и ухудшение работоспособности – результат нехватки кремния. То же самое происходит при смене погоды;
• сердечно-сосудистыми заболеваниями. Причина та же – ослабленные стенки сосудов;
• сахарным диабетом. Причина – повышение концентрации глюкозы в крови и неспособность организма снизить ее.

• от 1,2 до 4,7% – инсульт и инфаркт;
• 1,4% и менее – сахарный диабет;
• 1,6% и менее – вирус гепатита;
• 1,3% - онкологические заболевания.

Совет! Кремний участвует во всех видах обмена. Запасенный в стенках сосудов, микроэлемент оберегает их от проникновения жиров в плазму крови и блокирует кровеносное русло

Увеличьте в рационе количество продуктов, содержащих кремний, во время:

• физической и эмоциональной усталости. Порция злаков на завтрак, большая тарелка зеленого салата на обед и стакан ряженки или кефира перед сном гарантируют заряд бодрости;
• беременности и грудного вскармливания Иммунитет малыша и матери зависит от правильного рациона. 20-50 мг кремния в день сделают кости крепкими, а кожу – упругой;
• подготовки к соревнованиям. Чем больше энергозатрат, тем больше кремнийсодержащих продуктов должно быть в рационе. Они предотвратят ломкость костей и растяжение связок и сухожилий;
• пубертатного периода. Болевые ощущения в коленях (болезнь Шлатера) – распространенное явление. Клетки костной ткани делятся быстрее, чем клетки соединительной. Последняя не только поддерживает кость в анатомически правильном положении, но и оберегает от механических повреждений. Клюква, грецкие орехи и груша – отличный перекус для подростка.

Если состояние кожи, волос и ногтей неудовлетворительное, налегайте на каши и соки. Виноградный сок на завтра, клюквенный на обед и грушевый не ужин – первый шаг к эластичной и подтянутой коже.

Чем угрожает избыток кремния

Заболеть из-за избытка кремния в рационе невозможно, но в зоне риска жители местностей с высоким содержанием кремния в почве или воде.

Из-за высокой концентрации кремния в организме:

• откладываются соли в мочевыводящих путях, суставах и других органах;
• развивается фиброз в кровеносных сосудах и во всем организме в целом. Симптомы: учащенное дыхание при легкой нагрузке, уменьшение жизненной емкости легких, пониженное артериальное давление;
• расширяется и гипертрофируется правый желудочек ("легочное сердце");
• увеличивается печень, отекают конечности, синеют кожные покровы;
• усиливается раздражительность, развивается астенический синдром;
• повышается риск заболеваний верхних дыхательных путей. Наиболее распространенное из них – силикоз. Недуг развивается из-за вдыхания пыли, содержащей диоксид кремния, и протекает в хронической форме. По мере прогрессирования заболевания в легких пациента разрастается соединительная ткань. Нормальный газообмен нарушается, а на его фоне развиваются туберкулез, эмфизема или рак легких.

В зоне риска – работники рудников, литейных цехов, производителей огнеупорных материалов и керамических изделий. О заболевании сигнализируют затрудненное дыхание, одышка и кашель. Симптомы усиливаются при физической нагрузке. Фарфоро-фаянсовые, стекольные производства, месторождения руд цветных и драгоценных металлов, пескоструйная очистка литья – потенциально опасные объекты.

О переизбытке кремния свидетельствуют снижение и повышение температуры тела, депрессивное состояние, общая усталость и сонливость.

При подобных признаках включите в рацион морковь, свёклу, картофель, топинамбур, а также абрикосы, вишню, бананы и клубнику.

Препараты, содержащие кремний

Несмотря на то, что в организме взрослого содержится 1-2 г кремния, дополнительная порция не помешает. В сутки, с пищей и водой, взрослый потребляет около 3,5 мг кремния. На основной обмен взрослый тратит в три раза больше - около 9 мг. Причины повышенного употребления кремния – плохая экология, окислительные процессы, провоцирующие образование свободных радикалов, стрессы. Одними кремнийсодержащими продуктами не обойтись – запаситесь препаратами или лекарственными растениями.

Рекордсмены по содержанию кремния можжевельник, хвощ полевой, пижма, полынь, гинкго двулопастный. А также ромашка полевая, тимьян, китайский орех и эвкалипт.

Восполнить дефицит кремния можно при помощи кремниевой воды. Одно из свойства микроэлемента – структуризация молекул воды. Такая вода не пригодна для жизни патогенных микроорганизмов, простейших, грибков, токсинов и чужеродных химических элементов.

Кремниевая вода по вкусу и свежести напоминает талую воду.

Чтоб очистить и обогатить воду кремнием в домашних условиях, необходимо:

• купить кремневые камушки в аптечном магазине – чем мельче, тем лучше (больше площадь соприкосновения кремня с водой);
• положить в воду из расчета 50 г камней на 3 литра воды;
• настаивать воду в стеклянной посуде при комнатной температуре в темном месте 3–4 дня. Чем дольше настаивается вода, тем более выражен лечебный эффект;
• готовую воду перелить в другую емкость, оставив нижний слой глубиной 3–4 см (его использовать нельзя из-за скопления токсинов).
• в герметичной емкости вода хранится до полутора лет.
• пить кремниевую воду можно в любом количестве для профилактики атеросклероза, гипертонической и мочекаменной болезней, патологии кожи и сахарного диабета, инфекционных и онкологических заболеваний, варикозного расширения вен и даже нервно-психических болезней.

Атоксил (Atoxil). Действующее вещество Атоксила – диоксид кремния.

Форма выпуска:

• порошок для приготовления суспензии;
• бутылки по 12 г препарата;
• флаконы по 10 мг препарата;
• пакеты-саше по 2 г, в упаковке 20 пакетиков.

Фармакологическое действие. Действует как энтеросорбент, оказывает ранозаживляющее, противоаллергическое, противомикробное, бактериостатическое и дезинтоксикационное действие.

В органах желудочно-кишечного тракта препарат всасывает экзогенные и эндогенные токсины (бактериальные и пищевые аллергены, эндотоксины микроорганизмов, токсические вещества) и выводит их.

Ускоряет транспортировку токсинов из крови, лимфы и тканей в пищеварительный тракт.

Показания: диарея, сальмонеллез, вирусный гепатит А и В, аллергические заболевания (диатез, атопический дерматит), ожоги, трофические язвы, гнойные раны.

Применяется при заболеваниях почек, энтероколитах, токсическом гепатите, циррозе печени, гепатохолецистите, наркотической и алкогольной интоксикации, заболеваниях кожи (экземе, дерматитах, нейродермитах), интоксикациях при гнойно-септических процессах и ожоговой болезни.

Как применять:

• Флакон. Открыть бутылку (флакон) с порошком, добавить до отметки 250 мл в чистую питьевую воду, взболтать до однородности.
• Пакетик-cаше. 1-2 пакетика-саше растворить в 100-150 мл чистой питьевой воды. Принимать за один час до приема пищи или лекарственных препаратов.

Длительность лечения острых кишечных инфекций – 3-5 суток. Курс терапии – до 15 суток. При лечении вирусных гепатитов – 7-10 суток.

Побочные действия эффекты: запоры.

Противопоказания: обострение язвенной болезни двенадцатиперстной кишки и желудка, эрозии и язвы слизистой оболочки толстого и тонкого отделов кишечника, кишечная непроходимость, повышенная чувствительность к диоксиду кремния.

Препарат не назначают детям до одного года, беременным и кормящим грудью.

Взаимодействие с лекарствами:

• с Ацетилсалициловой кислотой (Аспирин) – усиление дезагрегации тромбоцитов;
• с Симвастатином и Никотиновой кислотой – снижение в крови атерогенных фракций показателей липидного спектра и повышение уровня липопротеидов ВП и холестерина;
• с антисептиками (Трифураном, Фурациллином, Хлоргексидином, Бифураном и т.п.) – повышение эффективности терапии гнойно-воспалительных процессов.

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:

• Обозначение - Si (Silicon);
• Период - III;
• Группа - 14 (IVa);
• Атомная масса - 28,0855;
• Атомный номер - 14;
• Радиус атома = 132 пм;
• Ковалентный радиус = 111 пм;
• Распределение электронов - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 ;
• t плавления = 1412°C;
• t кипения = 2355°C;
• Электроотрицательность (по Полингу/по Алпреду и Рохову) = 1,90/1,74;
• Степень окисления: +4, +2, 0, -4;
• Плотность (н. у.) = 2,33 г/см 3 ;
• Молярный объем = 12,1 см 3 /моль.

Соединения кремния:

В чистом виде впервые кремний был выделен в 1811 году (французы Ж. Л. Гей-Люссак и Л. Ж. Тенар). Чистый элементарный кремний был получен в 1825 г. (швед Й. Я. Берцелиус). Свое название "кремний" (в переводе с древнегреческого - гора) химический элемент получил в 1834 году (российский химик Г. И. Гесс).

Кремний является самым распространенным (после кислорода) химическим элементом на Земле (содержание в земной коре 28-29% по массе). В природе кремний чаще всего присутствует в виде кремнезема (песок, кварц, кремень, полевые шпаты), а также в силикатах и алюмосиликатах. В чистом виде кремний встречается чрезвычайно редко. Многие природные силикаты в чистом виде являются драгоценными камнями: изумруд, топаз, аквамари - это все кремний. Чистый кристаллический оксид кремния (IV) встречается в виде горного хрусталя и кварца. Оксид кремния, в котором присутствуют различные примеси, образует драгоценные и полудрагоценные камни - аметист, агат, яшма.

Рис. Строение атома кремния.

Электронная конфигурация кремния - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 (см. Электронная структура атомов). На внешнем энергетическом уровне у кремния находятся 4 электрона: 2 спаренных на 3s-подуровне + 2 неспаренных на p-орбиталях. При переходе атома кремния в возбужденное состояние один электрон с s-подуровня "покидает" свою пару и переходит на p-подуровень, где имеется одна свободная орбиталь. Т. о., в возбужденном состоянии электронная конфигурация атома кремния приобретает следующий вид: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3 .

Рис. Переход атома кремния в возбужденное состояние.

Т. о., кремний в соединениях может проявлять валентность 4 (чаще всего) или 2 (см. Валентность). Кремний (так же, как и углерод), реагируя с другими элементами, образует химические связи в которых может как отдавать свои электроны, так и принимать их, но при этом способность принимать электроны у атомов кремния выражена слабее, чем у атомов углерода , по причине большего размера атома кремния.

Степени окисления кремния:

• -4 : SiH 4 (силан), Ca 2 Si, Mg 2 Si (силикаты металлов);
• +4 - наиболее устойчивая: SiO 2 (оксид кремния), H 2 SiO 3 (кремниевая кислота), силикаты и галогениды кремния;
• 0 : Si (простое вещество)

Кремний, как простое вещество

Кремний представляет из себя темно-серое кристаллическое вещество с металлическим блеском. Кристаллический кремний является полупроводником.

Кремний образует только одну аллотропную модификацию, подобную алмазу, но при этом не такую прочную, т. к. связи Si-Si не так прочны, как в алмазной молекуле углерода (См. Алмаз).

Аморфный кремний - порошок бурого цвета, с температурой плавления 1420°C.

Кристаллический кремний получают из аморфного путем его перекристаллизации. В отличие от аморфного кремния, который является достаточно активным химическим веществом, кристаллический кремний более инертен в плане взаимодействия с другими веществами.

Строение кристаллической решетки кремния повторяет структуру алмаза, - каждый атом окружен четырьмя другими атомами, расположенными в вершинах тетраэдра. Атомы связываются друг с другом ковалентными связями, которые не так прочны, как углеродные связи в алмазе. По этой причине, даже при н.у. некоторые ковалентные связи в кристаллическом кремнии разрушаются, в результате чего высвобождается некоторая часть электронов, благодаря чему кремний обладает небольшой электропроводностью. По мере нагревания кремния, на свету или при добавлении некоторых примесей, кол-во разрушаемых ковалентных связей увеличивается, вследствие чего и увеличивается кол-во свободных электронов, следовательно, растет и электропроводность кремния.

Химические свойства кремния

Как и углерод, кремний может быть и восстановителем, и окислителем, в зависимости от того, с каким веществом вступает в реакцию.

При н.у. кремний взаимодействует только с фтором, что объясняется достаточно прочной кристаллической решеткой кремния.

В реакцию с хлором и бромом кремний вступает при температурах, превышающих 400°C.

С углеродом и азотом кремний взаимодействует только при очень высоких температурах.

• В реакциях с неметаллами кремний выступает в роли восстановителя :
  • при нормальных условиях из неметаллов кремний реагирует только с фтором, образуя галогенид кремния:
    Si + 2F 2 = SiF 4
  • при высоких температурах кремний реагирует с хлором (400°C), кислородом (600°C), азотом (1000°C), углеродом (2000°C):
    • Si + 2Cl 2 = SiCl 4 - галогенид кремния;
    • Si + O 2 = SiO 2 - оксид кремния;
    • 3Si + 2N 2 = Si 3 N 4 - нитрид кремния;
    • Si + C = SiC - карборунд (карбид кремния)
• В реакциях с металлами кремний является окислителем (образуются салициды :
  Si + 2Mg = Mg 2 Si
• В реакциях с концентрированными р-рами щелочей кремний реагирует с выделением водорода, образуя растворимые соли кремниевой кислоты, называемые силикатами :
  Si + 2NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 2H 2
• С кислотами (за исключением HF) кремний не реагирует.

Получение и применение кремния

Получение кремния:

• в лаборатории - из кремнезема (алюмотерапия):
  3SiO 2 + 4Al = 3Si + 2Al 2 O 3
• в промышленности - восстановлением оксида кремния коксом (технически чистый кремний) при высокой температуре:
  SiO 2 + 2C = Si + 2CO
• самый чистый кремний получают восстановлением тетрахлорида кремния водородом (цинком) при высокой температуре:
  SiCl 4 +2H 2 = Si+4HCl

Применение кремния:

• изготовление полупроводниковых радиоэлементов;
• в качестве металлургических добавок при производстве жаропрочных и кислотоустойчивых соединений;
• в производстве фотоэлементов для солнечных батарей;
• в качестве выпрямителей переменного тока.

Главная » Дети » Кремний твердый. Кремний: характеристики, особенности и области применения