Концепція елемент кремнію.

Другий представник елементів головної підгрупи IV групи Періодичної системи Д.І.Менделєєва. У природі кремній – другий за поширеністю після кисню хімічний елемент. Земна кора більш ніж чверть складається з його сполук.

Історична довідка.

У 1825 році шведський хімік Йонс Якоб Берцеліус дією металевого калію на фтористий кремній SiF4 отримав чистий елементарний кремній. Новому елементу було названо «силіцій» (від латів. silex — кремінь). Російську назву «кремній» запроваджено 1834 року російським хіміком Германом Івановичем Гессом. У перекладі з др.-грец. κρημνός — «скеля, гора».

Знаходження у природі.

Найчастіше у природі кремній зустрічається як кремнезему - сполук з урахуванням діоксиду кремнію (IV) SiO2 (близько 12% маси земної кори). Основні мінерали та гірські породи, що утворюються діоксидом кремнію - це пісок (річковий та кварцовий), кварц та кварцити, кремінь, польові шпати. Другу за поширеністю у природі групу сполук кремній становлять силікати та алюмосилікати.

Були відзначені поодинокі факти знаходження чистого кремнію у самородному вигляді.

Фізичні властивості.

Кремній – напівпровідник. Кремній існує у двох модифікаціях: аморфної та кристалічної. Аморфний кремній – порошок бурого кольору, щільністю 2,33 г/см3, розчиняється у розплавах металів. Кристалічний кремній - кристали темно-сірого кольору, що мають сталевий блиск, твердий і тендітний, щільністю 2,4 г/см3. Кремній складається із трьох ізотопів: Si (28), Si (29), Si (30). На відміну від металів електропровідність кремнію з підвищенням температури зростає.

Хімічні властивості.

Кремній горить у кисні, утворюючи оксид кремнію (IV).

Будучи неметал, при нагріванні кремній з'єднується з металами з утворенням силіцидів. Силициди легко розкладаються водою або кислотами, при цьому виділяється газоподібна воднева сполука кремнію - силан. На відміну від вуглеводнів силан на повітрі самозаймається та згоряє з утворенням оксиду кремнію (IV) та води. Кремній взаємодіє з концентрованими водними розчинами лугів, утворюючи силікат та водень.

Одержання кремнію.

Вільний кремній можна отримати прожарюванням з магнієм дрібного білого піску, який являє собою діоксид кремнію:

SiO2 + 2Mg → 2MgO + Si

У цьому утворюється бурий порошок аморфного кремнію.

У промисловості кремній технічної чистоти одержують, відновлюючи розплав SiO2 коксом при температурі близько 1800оС у руднотермічних печах шахтного типу. Чистота одержаного таким чином кремнію може досягати 99,9% (основні домішки - вуглець, метали). Можливе подальше очищення кремнію від домішок.

Застосування кремнію.

Кремній застосовують для отримання напівпровідникових матеріалів, а також кислототривких сплавів. При сплавленні кварцового піску з вугіллям при високих температурах утворюється карбід кремнію SiC, який поступається тільки алмазу. Тому його використовують для заточування різців металорізальних верстатів та шліфування дорогоцінного каміння. З розплавленого кварцу виготовляють різний хімічний кварцовий посуд, який може витримувати високу температуру і не тріскається при різкому охолодженні. З'єднання кремнію є основою для виробництва скла та цементу.

Джерела

Багато сучасних технологічних пристроїв і апаратів було створено з допомогою унікальних властивостей речовин, що у природі. Людство експериментальним шляхом і ретельним вивченням елементів, що нас оточують, постійно модернізує власні винаходи - даний процес називається технічним прогресом. Він ґрунтується на елементарних, доступних кожному речах, які оточують нас у повсякденному житті. Наприклад, пісок: що може бути в ньому дивовижного та незвичайного? Вчені змогли виділити з нього кремній – хімічний елемент, без якого не існувало б комп'ютерної техніки. Область його застосування відрізняється різноманітністю та постійно розширюється. Це досягається за рахунок унікальної властивості атома кремнію, його структури та можливості сполук з іншими простими речовинами.

Характеристика

У розробленій Д. І. Менделєєвим кремній позначений символом Si. Належить до неметалів, розташовується в головній четвертій групі третього періоду, має атомний номер 14. Його сусідство з вуглецем не є випадковим: багато в чому їх властивості можна порівняти. У природі не зустрічається в чистому вигляді, оскільки є активним елементом і має міцні зв'язки з киснем. Основна речовина - кремнезем, який є оксидом, та силікати (пісок). У цьому кремній (його природні сполуки) одна із найпоширеніших хімічних елементів Землі. За масовою часткою вмісту він посідає друге місце після кисню (понад 28%). Верхній шар земної кори містить кремній як діоксиду (це кварц), різні типи глин і піску. Другу за поширеністю групу становлять його силікати. На глибині близько 35 км від поверхні розташовані шари граніту та базальтові відкладення, до складу яких входять крем'яні сполуки. Відсоток вмісту в земному ядрі поки що не прорахований, але найближчі до поверхні шари мантії (до 900 км) містять силікати. У складі морської води концентрація кремнію становить 3 мг/л, на 40% складається з його сполук. Простори космосу, які людство сьогодні вивчило, містять цей хімічний елемент у великих кількостях. Наприклад, метеоритів, які наближалися до Землі на відстань, доступну дослідникам, показав, що вони складаються на 20% кремнію. Існує можливість формування життя на основі цього елемента в нашій галактиці.

Дослідницький процес

Історія відкриття хімічного елемента кремнію має кілька етапів. Багато речовин, систематизовані Менделєєвим, використовувалися людством протягом століть. У цьому елементи перебували у природному вигляді, тобто. у сполуках, які не піддавалися хімічній обробці, та всі їхні властивості не були відомі людям. У процесі вивчення всіх особливостей речовини у нього виникали нові напрями використання. Властивості кремнію на сьогоднішній день не вивчені до кінця – цей елемент при досить широкому та різноманітному спектрі застосування залишає простір для нових відкриттів майбутнім поколінням вчених. Сучасні технології значно прискорять цей процес. У XIX столітті багато знаменитих хіміків намагалися отримати кремній у чистому вигляді. Вперше це вдалося зробити Л. Тенару та Ж. Гей-Люссаку в 1811 році, але відкриття елемента належить Й. Берцеліусу, який зміг не тільки виділити речовину, а й описати її. Хімік зі Швеції отримав кремній у 1823 році, для цього він використав металевий калій та калієву сіль. Реакція відбувалася за каталізатора у вигляді високої температури. Отримана проста речовина сіро-бурого кольору являла собою аморфний кремній. Кристалічний чистий елемент був отриманий в 1855 Сент-Клер Девілем. Складність виділення пов'язана з високою міцністю атомних зв'язків. В обох випадках хімічна реакція спрямована на процес очищення від домішок, при цьому аморфна та кристалічна моделі мають різні властивості.

Кремній: вимова хімічного елемента

Першу назву отриманого порошку - кизель - було запропоновано Берцеліус. У Великобританії та США кремній і донині називають не інакше, як силіцій (Silicium) або силікон (Silicon). Термін походить від латинського "кремінь" (або "камінь"), і в більшості випадків його прив'язують до поняття "земля" за рахунок широкого поширення в природі. Російська вимова цієї хімічної речовини буває різна, все залежить від джерела. Його називали кремнеземом (Захаров застосовував такий термін у 1810 р.), сицилією (1824 рік, Двигубський, Соловйов), кремнеземнієм (1825 рік, Страхів), і лише у 1834 році російський хімік Герман Іванович Гесс вводить найменування, яке до сьогоднішнього моменту у більшості джерел – кремній. Він позначений символом Si. Як читається хімічний елемент кремнію? Багато вчених англомовних країн вимовляють його найменування як "сі" або вживають слово "силікон". Звідси походить відома на весь світ назва долини, яка є науково-дослідним та виробничим майданчиком комп'ютерної техніки. Російськомовне населення називає елемент кремнієм (від давньогрецького слова «скеля, гора»).

Знаходження у природі: родовища

Цілі гірські системи складені із сполук кремнію, який у чистому вигляді не зустрічається, адже всі відомі мінерали є діоксидами чи силікатами (алюмосилікатами). Дивовижні по красі камені використовуються людьми як виробний матеріал - це опали, аметисти, кварці різних типів, яшма, халцедон, агат, гірський кришталь, сердолік та багато інших. Утворилися вони завдяки входженню до складу кремнію різних речовин, які визначили їх щільність, структуру, колір та напрямок використання. Весь неорганічний світ можна пов'язати з цим хімічним елементом, який у природному середовищі утворює міцні зв'язки з металами та не металами (цинк, магній, кальцій, марганець, титан тощо). Порівняно з іншими речовинами, кремній досить легкодоступний для видобутку у виробничих масштабах: він міститься у більшості видів руди та мінералів. Тому родовища, що активно розробляються, прив'язуються швидше до доступних джерел енергії, ніж до територіальних скупчень речовини. Кварцити та кварцові піски є у всіх країнах світу. Найбільшими виробниками та постачальниками кремнію є: Китай, Норвегія, Франція, США (Західна Вірджинія, Огайо, Алабама, Нью-Йорк), Австралія, ПАР, Канада, Бразилія. Всі виробники використовують різні способи, які залежать від виду продукції (технічний, напівпровідниковий, високочастотний кремній). Хімічний елемент, додатково збагачений чи, навпаки, очищений від усіх видів домішок, має індивідуальні властивості, яких залежить його подальше використання. Це стосується і цієї речовини. Будова кремнію визначає сферу застосування.

Історія використання

Дуже часто через схожість найменувань люди плутають кремній і кремінь, проте ці поняття не тотожні. Внесемо ясність. Як вже згадувалося, у природі кремній у чистому вигляді не зустрічається, чого не можна сказати про його сполуки (той самий кремнезем). Основні мінерали і гірські породи, що утворюються діоксидом речовини, що розглядається нами - це пісок (річковий і кварцовий), кварц і кварцити, і кремінь. Про останнє чули, мабуть, все, адже йому надається велике значення в історії розвитку людства. З цим каменем пов'язують перші знаряддя праці, створені людьми під час кам'яного віку. Його гострі грані, що утворюються при відколюванні від основної породи, значно полегшували працю древніх домогосподарок, а можливість загострення – мисливців та рибалок. Кремінь не мав міцності металевих виробів, але інструменти, що вийшли з ладу, було легко замінити новими. Його використання як кресало тривало багато століть - аж до винаходу альтернативних джерел.

Що стосується сучасних реалій, властивості кремнію дозволяють експлуатувати речовину для обробки приміщень або створення керамічного посуду, при цьому, крім чудового естетичного вигляду, він має безліч відмінних функціональних якостей. Окремий напрямок його застосування пов'язаний з винаходом скла близько 3000 років тому. Ця подія дала можливість створювати дзеркала, посуд, мозаїчні вітражі із сполук, що містять кремній. Формула початкової речовини доповнювалася необхідними складовими, що дозволяло надавати виробу необхідного кольору та впливало на міцність скла. Дивовижні за красою та різноманітністю витвори мистецтва були зроблені людиною з мінералів та каміння, що містять кремній. Цілющі властивості цього елемента були описані вченими давнини та застосовувалися протягом усієї історії людства. Їм викладали колодязі для питної води, комори для зберігання продуктів, використовували як у побуті, так і в медицині. Порошок, отриманий внаслідок подрібнення, прикладали до ран. Особлива увага приділялася воді, яка наполягалася у посуді, зробленому із сполук, що містять кремній. Хімічний елемент взаємодіяв із її складом, що дозволяло знищувати низку хвороботворних бактерій та мікроорганізмів. І це ще далеко не всі галузі, де речовина, що розглядається нами, дуже і дуже затребувана. Будова кремнію зумовлює його функціональність.

Властивості

Для більш детального ознайомлення з особливостями речовини його необхідно розглянути з урахуванням усіх можливих властивостей. План характеристики хімічного елемента кремнію включає фізичні властивості, електрофізичні показники, вивчення сполук, реакції та умови їх проходження і т. д. Кремній в кристалічній формі має темно-сірий з металевим відливом колір. Грати гранецентровані кубічні мають схожість з вуглецевою (алмаз), але за рахунок більшої довжини зв'язків не настільки міцна. Пластичним її робить нагрівання до 800 про З, в інших випадках вона залишається крихкою. Фізичні властивості кремнію роблять цю речовину справді унікальною: вона є прозорою для інфрачервоного випромінювання. Температура плавлення – 1410 0 С, кипіння – 2600 0 С, щільність за нормальних умов – 2330 кг/м 3 . Теплопровідність є непостійною, для різних зразків вона приймається в приблизному значенні 25 0 С. Властивості атома кремнію дозволяють використовувати його як напівпровідник. Цей напрямок застосування найбільш затребуваний у сучасному світі. На величину електропровідності впливає склад кремнію та елементи, що перебувають у поєднанні з ним. Так, для підвищеної електронної провідності використовуються сурма, миш'як, фосфор, для дірчастої – алюміній, галій, бор, індій. При створенні приладів з кремнієм як провідник застосовується поверхнева обробка певним агентом, який впливає на роботу апарату.

Властивості кремнію як відмінного провідника використовуються досить широко у сучасному приладобудуванні. Особливо актуальним є його застосування при виробництві складної техніки (наприклад, сучасні обчислювальні пристрої, комп'ютери).

Кремній: характеристика хімічного елемента

У більшості випадків кремній чотиривалентний, також зустрічаються зв'язки, в яких він може мати значення +2. За нормальних умов він малоактивний, має міцні з'єднання, при кімнатній температурі може вступити в реакцію тільки з фтором, що знаходиться в газоподібному агрегатному стані. Це пояснюється ефектом блокування поверхні діоксидною плівкою, який спостерігається при взаємодії з навколишнім киснем або водою. Для стимуляції реакцій необхідно застосовувати каталізатор: підвищення температури ідеально підходить для такої речовини, як кремній. Хімічний елемент взаємодіє з киснем при 400-500 0 С, в результаті діоксидна плівка збільшується, йде процес окиснення. При підвищенні температури до 50 0 С спостерігається реакція з бромом, хлором, йодом, у результаті утворюються леткі тетрагалогеніди. З кислотами кремній не взаємодіє, виняток становить суміш фтористоводневої та азотної, при цьому будь-яка луг у нагрітому стані є розчинником. Кремневодні утворюються лише шляхом розкладання силіцидів, у реакцію з воднем він не вступає. Найбільшою міцністю та хімічною пасивністю відрізняються сполуки з бором та вуглецем. Високу стійкість по відношенню до лугів і кислот має сполуку з азотом, яка відбувається при температурі понад 1000 0 С. Силициди виходять при реакції з металами, і в цьому випадку від додаткового елемента залежить валентність, яку показує кремній. Формула речовини, утвореної за участю перехідного металу, є стійкою до дії кислот. Будова атома кремнію безпосередньо впливає на його властивості та здатність взаємодіяти з іншими елементами. Процес утворення зв'язків у природі та при впливах на речовину (в лабораторних, промислових умовах) відрізняється значно. Будова кремнію передбачає його хімічну активність.

Будова

Кремнія має свої особливості. Заряд ядра +14, що відповідає порядковому номеру у періодичній системі. Кількість заряджених частинок: протонів – 14; електронів – 14; нейтронів – 14. Схема будови атома кремнію має наступний вигляд: Si +14) 2) 8) 4. На останньому (зовнішньому) рівні розташовано 4 електрони, що визначає ступінь окислення зі знаком «+» або «-». Оксид кремнію має формулу SiO 2 (валентність 4+), летюча воднева сполука - SiH 4 (валентність -4). Великий об'єм атома кремнію дозволяє в деяких сполуках мати координаційне число 6, наприклад при з'єднанні з фтором. Молярна маса - 28, радіус атома - 132 пм, конфігурація електронної оболонки: 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 2 .

Застосування

Поверхнево або повністю легований кремній використовується як напівпровідник при створенні багатьох, у тому числі високоточних, приладів (наприклад, сонячні фотоелементи, транзистори, випрямлячі струму тощо). Надчистий кремній використовується для створення сонячних батарей (енергетика). Монокристалічний вид використовується для виготовлення дзеркал та газового лазера. Зі сполук кремнію отримують скло, керамічну плитку, посуд, фарфор, фаянс. Різноманітність одержуваних видів товарів описати складно, їх експлуатація відбувається на побутовому рівні, у мистецтві та науці, на виробництві. Цемент, що виходить, служить сировиною для створення будівельних сумішей і цегли, оздоблювальних матеріалів. Поширення мастил, мастила на основі дозволяє значно зменшити силу тертя в рухомих частинах багатьох механізмів. Силициди з допомогою унікальних властивостей у сфері протидії агресивним середовищам (кислотам, температурам) широко застосовують у промисловості. Їхні електричні, ядерні та хімічні показники беруть до уваги фахівці на складних виробництвах, не останню роль відіграє і будова атома кремнію.

Ми перерахували найбільш наукові та передові на сьогоднішній день сфери застосування. Найбільш поширений технічний кремній, що виготовляється у великих обсягах, використовується по цілому ряду напрямків:

1. Як сировина для більш чистої речовини.
2. Для легування сплавів у металургійній промисловості: наявність кремнію збільшує тугоплавкість, підвищує стійкість до корозії та механічну міцність (при надлишку цього елемента сплав може виявитися занадто крихким).
3. Як розкислювач для видалення зайвого кисню з металу.
4. Сировина для силанів (з'єднань кремнію з органічними речовинами).
5. Для виробництва водню зі сплаву кремнію із залізом.
6. Виготовлення сонячних батарей.

Велике значення даної речовини для нормального функціонування організму людини. Будова кремнію, його властивості є у разі визначальними. При цьому надлишок або нестача його веде до серйозних захворювань.

В організмі людини

Медицина досить давно використовує кремній як бактерицидний та антисептичний засіб. Але при всій користі зовнішнього застосування цей елемент повинен постійно поновлюватися в організмі людини. Нормальний рівень його утримання дозволить покращити життєдіяльність загалом. У разі його нестачі більше 70 мікроелементів і вітамінів не буде засвоєно організмом, що значно знизить опірність до цілого ряду захворювань. Найбільше відсоткове співвідношення кремнію спостерігається у кістках, шкірі, сухожиллях. Він відіграє роль структурного елемента, який підтримує міцність і надає пружності. Усі скелетні тверді тканини формуються з допомогою його сполук. В результаті останніх досліджень виявлено вміст кремнію в нирках, підшлунковій залозі та сполучних тканинах. Роль цих органів у функціонуванні організму досить велика, тому зниження його змісту згубно відіб'ється на багатьох основних показниках життєзабезпечення. У добу з їжею та водою організм повинен отримувати 1 грам кремнію – це допоможе уникнути можливих хвороб, таких як запальні процеси шкірного покриву, розм'якшення кісток, утворення каменів у печінці, нирках, погіршення зору, стану волосся та нігтів, атеросклероз. При достатньому рівні вмісту даного елемента підвищується імунітет, нормалізуються обмінні процеси, покращується засвоєння багатьох елементів, необхідні здоров'ю людини. Найбільша кількість кремнію - у злакових культурах, редисі, гречаній крупі. Значну користь принесе кремнієва вода. Для визначення кількості та частоти її використання краще проконсультуватися з фахівцем.

Кремній

КРЕМНІЙ-я; м.[від грец. krēmnos - скеля, скеля] Хімічний елемент (Si), темно-сірі з металевим блиском кристали якого входять до складу більшості гірських порід.

◁ Кремнієвий, -а, -а. К-ті солі.Кремнистий (див. 2.К.; 1 зн.).

кремній

(Лат. Silicium), хімічний елемент IV групи періодичної системи. Темно-сірі кристали з металевим блиском; щільність 2,33 г/см 3 , tпл 1415 ºC. Стійок до хімічних дій. Складає 27,6% маси земної кори (2-е місце серед елементів), головні мінерали – кремнезем та силікати. Один із найважливіших напівпровідникових матеріалів (транзистори, термістори, фотоелементи). Складова частина багатьох сталей та інших сплавів (підвищує механічну міцність та стійкість до корозії, покращує ливарні властивості).

КРЕМНІЙ

КРЕМНІЙ (лат. Silicium від silex - кремінь), Si (читається "силіціум", але в даний час досить часто і як "сі"), хімічний елемент з атомним номером 14, атомна маса 28,0855. Російська назва походить від грецького kremnos - скеля, гора.
Природний кремній складається із суміші трьох стабільних нуклідів. (див.НУКЛІД)з масовими числами 28 (переважає у суміші, його в ній 92,27% за масою), 29 (4,68%) та 30 (3,05%). Конфігурація зовнішнього електронного шару нейтрального збудженого атома кремнію 3 s 2 р 2 . У сполуках зазвичай виявляє ступінь окислення +4 (валентність IV) та дуже рідко +3, +2 та +1 (валентності відповідно III, II та I). У періодичній системі Менделєєва кремній розташований у групі IVA (у групі вуглецю), у третьому періоді.
Радіус нейтрального атома кремнію 0,133 нм. Енергії послідовної іонізації атома кремнію 8,1517, 16,342, 33,46 та 45,13 еВ, спорідненість до електрона 1,22 еВ. Радіус іона Si 4+ при координаційному числі 4 (найпоширенішому у разі кремнію) 0,040 нм, при координаційному числі 6 - 0,054 нм. За шкалою Полінга електронегативність кремнію 1,9. Хоча кремній прийнято відносити до неметал, він по ряду властивостей займає проміжне положення між металами і неметалами.
У вільному вигляді – коричневий порошок або світло-сірий компактний матеріал із металевим блиском.
Історія відкриття
Сполуки кремнію були відомі людині з незапам'ятних часів. Але з простою речовиною кремнієм людина познайомилася лише близько 200 років тому. Фактично першими дослідниками, які отримали кремній, були французи Ж. Л. Гей-Люссак (див.ГЕЙ-ЛЮССАК Жозеф Луї)та Л. Ж. Тенар (див.ТЕНАР Луї Жак). Вони в 1811 виявили, що нагрівання фториду кремнію з металевим калієм призводить до утворення буро-коричневої речовини:
SiF 4 + 4K = Si + 4KF, однак самі дослідники правильного висновку про отримання нової простої речовини не зробили. Честь відкриття нового елемента належить шведському хіміку Й. Берцеліусу (див.Берцеліус Єнс Якоб), який для одержання кремнію нагрівав також з металевим калієм з'єднання складу K 2 SiF 6 . Він отримав той же аморфний порошок, що і французькі хіміки, і в 1824 році оголосив про нову елементарну речовину, яку назвав «силіцій». Кристалічний кремній був отриманий тільки в 1854 французьким хіміком А. Е. Сент-Клер Девілем (див.СЕНТ-КЛЕР ДЕВІЛЬ Анрі Етьєн) .
Знаходження у природі
За поширеністю у земній корі кремній серед усіх елементів посідає друге місце (після кисню). Перед кремнію припадає 27,7% маси земної кори. Кремній входить до складу кількох сотень різних природних силікатів (див.СИЛІКАТИ)та алюмосилікатів (див.АЛЮМОСИЛІКАТИ). Широко поширений і кремнезем, або кремнію діоксид. (див.КРЕМНІЯ ДІОКСИД) SiO 2 (річковий пісок (див.ПІСОК), кварц (див.КВАРЦ), кремінь (див.КРЕМІНЬ)та ін), що становить близько 12% земної кори (за масою). У вільному вигляді кремній у природі не зустрічається.
Отримання
У промисловості кремній одержують, відновлюючи розплав SiO 2 коксом при температурі близько 1800°C дугових печах. Чистота одержаного таким чином кремнію становить близько 99,9%. Так як для практичного використання потрібен кремній вищої чистоти, отриманий хлорують кремній. Утворюються сполуки складу SiCl 4 і SiCl 3 H. Ці хлориди очищають далі різними способами від домішок і на заключному етапі відновлюють чистим воднем. Можливе також очищення кремнію за рахунок попереднього одержання силіциду магнію Mg 2 Si. Далі із силіциду магнію за допомогою соляної або оцтової кислот отримують леткий моносилан SiH 4 . Моносилан очищають далі ректифікацією, сорбційними та ін методами, а потім розкладають на кремній і водень при температурі близько 1000°C. Вміст домішок в одержуваному цими методами кремнії знижується до 10 -8 -10 -6 % за масою.
Фізичні та хімічні властивості
Кристалічні грати кремнію кубічні гранецентровані типу алмазу, параметр а = 0,54307 нм (при високих тисках отримані й інші поліморфні модифікації кремнію), але через більшу довжину зв'язку між атомами Si-Si порівняно з довжиною зв'язку С-С твердість кремнію значно менше, ніж алмазу.
Щільність кремнію 2,33 кг/дм3. Температура плавлення 1410°C температура кипіння 2355°C. Кремній крихкий, тільки при нагріванні вище 800 ° C він стає пластичною речовиною. Цікаво, що кремній прозорий до інфрачервоного (ІЧ)-випромінювання.
Елементарний кремній – типовий напівпровідник (див.ПІВПРОВІДНИКИ). Ширина забороненої зони за кімнатної температури 1,09 еВ. Концентрація носіїв струму в кремнії з власною провідністю при кімнатній температурі 1,5 10 16 м -3 . На електрофізичні властивості кристалічного кремнію великий вплив мають мікродомішки, що містяться в ньому. Для отримання монокристалів кремнію з дірковою провідністю в кремній вводять добавки елементів III групи - бору (див.БІР (хімічний елемент)), алюмінію (див.АЛЮМІНІЙ), галія (див.ГАЛІЙ)та Індія (див.ІНДІЙ), з електронною провідністю - добавки елементів V групи - фосфору (див.ФОСФОР), миш'яку (див.МИШ'ЯК)або сурми (див.СУРМА). Електричні властивості кремнію можна варіювати, змінюючи умови обробки монокристалів, зокрема обробляючи поверхню кремнію різними хімічними агентами.
Хімічно кремній малоактивний. При кімнатній температурі реагує тільки з газоподібним фтором, утворюється при цьому летючий тетрафторид кремнію SiF 4 . При нагріванні до температури 400-500°C кремній реагує з киснем з утворенням діоксиду SiO 2 з хлором, бромом і йодом - з утворенням відповідних легко летких тетрагалогенідів SiHal 4 .
З воднем кремній безпосередньо не реагує, з'єднання кремнію з воднем - силани (див.СИЛАНИ)із загальною формулою Si n H 2n+2 - одержують непрямим шляхом. Моносилан SiH 4 (його часто називають просто силаном) виділяється при взаємодії силіцидів металів із розчинами кислот, наприклад:
Ca 2 Si + 4HCl = 2CaCl 2 + SiH 4
Силан SiH 4 , що утворюється в цій реакції, містить домішок і інших силанів, зокрема, дисилану Si 2 H 6 і трисилану Si 3 H 8 , в яких є ланцюжок з атомів кремнію, пов'язаних між собою одинарними зв'язками (-Si-Si-Si-) .
З азотом кремній при температурі близько 1000°C утворює нітрид Si 3 N 4 з бором - термічно і хімічно стійкі бориди SiB 3 , SiB 6 і SiB 12 . З'єднання кремнію та його найближчого аналога за таблицею Менделєєва - вуглецю - карбід кремнію SiС (карборунд (див.Карборунд)) характеризується високою твердістю та низькою хімічною активністю. Карборунд широко використовується як абразивний матеріал.
При нагріванні кремнію з металами виникають силіциди (див.СИЛІЦИДИ). Силициди можна поділити на дві групи: іонно-ковалентні (силіциди лужних, лужноземельних металів та магнію типу Ca 2 Si, Mg 2 Si та ін) та металоподібні (силіциди перехідних металів). Силициди активних металів розкладаються під дією кислот, силіциди перехідних металів хімічно стійкі і під дією кислот не розкладаються. Металоподібні силіциди мають високу температуру плавлення (до 2000°C). Найбільш часто утворюються металоподібні силіциди складів MSi, M 3 Si 2 , M 2 Si 3 , M 5 Si 3 і MSi 2 . Металоподібні силіциди хімічно інертні, стійкі до дії кисню навіть за високих температур.
Діоксид кремнію SiO 2 - кислотний оксид, що не реагує з водою. Існує як кілька поліморфних модифікацій (кварц (див.КВАРЦ), тридиміт, кристобаліт, склоподібний SiO 2). З цих модифікацій найбільше практичного значення має кварц. Кварц має властивості п'єзоелектрика (див.П'ЄЗОЕЛЕКТРИЧНІ МАТЕРІАЛИ)він прозорий для ультрафіолетового (УФ) випромінювання. Характеризується дуже низьким коефіцієнтом теплового розширення, тому виготовлений з кварцу посуд не розтріскується при перепадах температури до 1000 градусів.
Кварц хімічно стійкий до дії кислот, але реагує з плавиковою кислотою:
SiO 2 + 6HF = H 2 + 2H 2 O
та газоподібним фтороводнем HF:
SiO 2 + 4HF = SiF 4 + 2H 2 O
Ці дві реакції широко використовують для травлення скла.
При сплавленні SiO 2 з лугами та основними оксидами, а також з карбонатами активних металів утворюються силікати (див.СИЛІКАТИ)- солі, що не мають постійного складу, дуже слабких нерозчинних у воді кремнієвих кислот. (див.КРЕМНІЄВІ КИСЛОТИ)загальної формули xH 2 O·ySiO 2 (досить часто в літературі не дуже точно пишуть не про кремнієві кислоти, а про кремнієву кислоту, хоча фактично йдеться при цьому про те саме). Наприклад, може бути отриманий ортосилікат натрію:
SiO 2 + 4NaOH = (2Na 2 O)·SiO 2 +2H 2 O,
метасилікат кальцію:
SiO 2 + СаО = СаО · SiO 2
або змішаний силікат кальцію та натрію:
Na 2 CO 3 + CaCO 3 + 6SiO 2 = Na 2 O · CaO · 6SiO 2 + 2CO 2
З силікату Na 2 O·CaO·6SiO 2 виготовляють шибку.
Слід зазначити, більшість силікатів немає постійного складу. З усіх силікатів розчиняються у воді тільки силікати натрію та калію. Розчини цих силікатів у воді називають розчинним склом. Через гідроліз ці розчини характеризуються сильно лужним середовищем. Для гідролізованих силікатів характерним є утворення не істинних, а колоїдних розчинів. При підкисленні розчинів силікатів натрію або калію випадає драглистий білий осад гідратованих кремнієвих кислот.
Головним структурним елементом як твердого діоксиду кремнію, і всіх силікатів виступає група , у якій атом кремнію Si оточений тетраедром із чотирьох атомів кисню О. У цьому кожен атом кисню з'єднаний із двома атомами кремнію. Фрагменти можуть бути пов'язані між собою по-різному. Серед силікатів за характером зв'язку в них фрагментів виділяють острівні, ланцюжкові, стрічкові, шаруваті, каркасні та інші.
При відновленні SiO 2 кремнієм за високих температур утворюється монооксид кремнію складу SiO.
Для кремнію характерне утворення кремнійорганічних сполук (див.КРЕМНІЙОРГАНІЧНІ СПОЛУКИ, в яких атоми кремнію з'єднані в довгі ланцюжки за рахунок місткових атомів кисню -О-, а до кожного атома кремнію, крім двох атомів, приєднані ще два органічних радикалу R 1 і R 2 = CH 3 , C 2 H 5 , C 6 H 5 CH 2 CH 2 CF 3 та ін.
Застосування
Кремній використовують як напівпровідниковий матеріал. Кварц знаходить застосування як п'єзоелектрик, як матеріал для виготовлення жароміцного хімічного (кварцового) посуду, ламп УФ-випромінювання. Силікати знаходять широке застосування як будівельні матеріали. Віконні скла є аморфними силікатами. Кремнійорганічні матеріали характеризуються високою зносостійкістю і широко використовуються на практиці як силіконові олії, клеї, каучуки, лаки.
Біологічна роль
Для деяких організмів кремній є важливим біогенним елементом (див.БІОГЕННІ ЕЛЕМЕНТИ). Він входить до складу опорних утворень у рослин та скелетних – у тварин. У великих кількостях кремній концентрують морські організми – діатомові водорості. (див.Діатомові водорослі), радіолярії (див.РАДІОЛЯРІЇ), губки (див.ГУБКИ). М'язова тканина людини містить (1-2) 10 -2 % кремнію, кісткова тканина - 17 10 -4 %, кров - 3,9 мг/л. З їжею в організм людини щодня надходить до 1 г кремнію.
Сполуки кремнію не отруйні. Але дуже небезпечно вдихання високодисперсних частинок як силікатів, так і діоксиду кремнію, що утворюються, наприклад, при вибухових роботах, при довбанні порід у шахтах, при роботі піскоструминних апаратів і т. д. кристаліки, що виникають, руйнують легеневу тканину і викликають тяжку хворобу - силікоз (див.Силікоз). Щоб запобігти потраплянню в легені цього небезпечного пилу, слід використовувати для захисту органів дихання респіратор.

Енциклопедичний словник. 2009 .

Синоніми:

Дивитись що таке "кремній" в інших словниках:

- (Символ Si), широко поширений сірий хімічний елемент IV групи періодичної таблиці, неметал. Вперше був виділений Єнсом Берцеліус в 1824 р. Кремній зустрічається тільки в сполуках, таких як КРЕМНЕЗЕМ (діоксид кремнію) або ... Науково-технічний енциклопедичний словник

Кремній- одержують майже виключно карботермальним відновленням діоксиду кремнію з використанням електродугових печей. Є поганим провідником тепла та електрики, твердіше за скло, зазвичай має вигляд порошку або частіше безформних шматків. Офіційна термінологія

КРЕМНІЙ- Хім. елемент, неметал, символ Si (лат. Silicium), ат. н. 14, ат. м. 28,08; відомі аморфний і кристалічний кремній (який побудований із кристалів того ж типу, що й алмаз). Аморфний К. бурий порошок кубічної структури у високодисперсному ... Велика політехнічна енциклопедія

- (Silicium), Si, хімічний елемент IV групи періодичної системи, атомний номер 14, атомна маса 28,0855; неметал, tпл 1415шC. Кремній другий після кисню за поширеністю на Землі елемент, вміст у земній корі 27,6% за масою. Сучасна енциклопедія

Si (лат. Silicium * a. silicium, silicon; н. Silizium; ф. silicium; і. siliseo), хім. елемент IV групи періодич. системи Менделєєва, ат. н. 14, ат. м. 28,086. В природі зустрічаються 3 стабільні ізотопи 28Si (92,27), 29Si (4,68%), 30Si (3 … Геологічна енциклопедія

- (Si), синтетич. монокристал, напівпровідник. Точкова група симетрії m3m, густина 2,33 г/см3, Tпл=1417°С. Твердість за шкалою Мооса 7, тендітний, помітна пластич. деформація починається за T>800°С. Теплопровідний, температурний коефіцієнт. лінійного… … Фізична енциклопедія

Силіцій Словник російських синонімів. кремній сущ., у синонімів: 6 лейкон (1) мінерал … Словник синонімів

Кремній- (Silicium), Si, хімічний елемент IV групи періодичної системи, атомний номер 14, атомна маса 28,0855; неметал, tпл 1415°C. Кремній другий після кисню за поширеністю на Землі елемент, вміст у земній корі 27,6% за масою. Ілюстрований енциклопедичний словник

- (Лат. Silicium) Si, хімічний елемент IV групи періодичної системи, атомний номер 14, атомна маса 28,0855. Темно-сірі кристали з металевим блиском; щільність 2,33 г/см³, tпл 1415.С. Стійок до хімічних дій. Складає… … Великий Енциклопедичний словник

КРЕМНІЙ, кремнію, мн. ні, чоловік. (Хім.). Хімічний елемент, що входить до складу більшості гірських порід. Тлумачний словник Ушакова. Д.М. Ушаків. 1935 1940 … Тлумачний словник Ушакова

Міністерство освіти науки Росії

Федеральна державна бюджетна освітня установа вищої професійної освіти

"МАТІ - Російський державний технічний університет імені К.Е. Ціолковського" (МАТІ)

Кафедра "Випробування літальних апаратів"

Реферат

За курсом "Хімія"

Тема: "Кремній"

Студент: Акбаєв Дауит Рінатович

Група: 2ІЛА-1ДС-298

Викладач: Євдокимов Сергій Васильович

Москва 2014

Кремній у живих організмах

Історія відкриття та використання

Поширення у природі

Будова атома та основні хімічні та фізичні властивості

Отримання

Застосування

З'єднання

додаток

1. Кремній у живих організмах

Кремній (лат. Silicium), Si, хімічний елемент IV групи періодичної системи Менделєєва; атомний номер 14, атомна маса 28086. У природі елемент представлений трьома стабільними ізотопами: 28 Si (92,27%), 29 Si (4,68%) та 30 Si (3,05%)

Кремній в організмі знаходиться у вигляді різних сполук, що беруть участь головним чином у освіті твердих скелетних частин і тканин. Особливо багато кремнію можуть накопичувати деякі морські рослини (наприклад, діатомові водорості) та тварини (наприклад, кремнерогові губки, радіолярії), що утворюють при відмиранні на дні океану потужні відкладення двоокису кремнію.

У холодних морях та озерах переважають біогенні мули, збагачені кремнієм, у тропічних морях – вапняні мули з низьким вмістом кремнію. Серед наземних рослин багато кремнію накопичують злаки, осоки, пальми, хвощі. У хребетних тварин вміст двоокису кремнію в зольних речовин 0,1-0,5%. У найбільших кількостях кремній виявлений у щільній сполучній тканині, нирках, підшлунковій залозі. У добовому раціоні людини міститься до 1 г кремнію.

При високому вмісті в повітрі пилу двоокису кремнію вона потрапляє в легкі людини і викликає захворювання - силікоз (від латів. silex - кремінь), захворювання людини, що викликається тривалим вдиханням пилу, що містить вільний двоокис кремнію, відноситься до професійних хвороб. Зустрічається у робітників гірничорудної, фарфорофаянсової, металургійної, машинобудівної промисловості. Силікоз - найбільш несприятливо захворювання, що протікає з групи пневмоконіозів; частіше, ніж за інших захворюваннях, відзначаються приєднання туберкульозного процесу (т. зв. силікотуберкульоз) та інші ускладнення.

2. Історія відкриття та використання

Історична довідка. Сполуки кремнію, широко поширені землі, були відомі людині з кам'яного віку. Використання кам'яних знарядь праці та полювання тривало кілька тисячоліть. Застосування сполук кремнію, пов'язане з їх переробкою, – виготовлення скла – почалося близько 3000 років до н. е. (Давньому Єгипті). Раніше відоме з'єднання кремнію - двоокис SiO 2(кремнезем). У 18 в. кремнезем вважали простим тілом і відносили до "землям" (що і відображено у його назві). Складність складу кремнезему встановив І.Я. Берцеліус.

У вільному стані кремній вперше було отримано у 1811 році французьким ученим Ж. Гей-Люссаком та О. Тенаром.

У 1825 році шведський мінералог і хімік Єнс Якоб Берцеліус отримав аморфний кремній. Бурий порошок аморфного кремнію отримано відновленням металевим калієм газоподібного тетрафториду кремнію:

4 + 4K = Si + 4KF

Пізніше було отримано кристалічна форма кремнію. Перекристалізації кремнію з розплавлених металів були отримані сірого кольору тверді, але крихкі кристали з металевим блиском. Російські назви елемента кремнію узвичаїв Г.І. Гесс у 1834 році.

. Поширення у природі

Кремній після кисню - найпоширеніший елемент (27,6%) землі. Це елемент, який входить до більшості мінералів і гірських порід, що становлять тверду оболонку земної кори. У земній корі кремній грає таку ж першорядну роль, як вуглець у тваринному та рослинному світі. Для геохімії До. важливий виключно міцний зв'язок його з киснем. Найбільш широко поширені сполуки кремнію - оксид кремнію SiO 2і похідні кремнієвих кислот, які називаються силікатами. Оксид кремнію (IV) зустрічається у вигляді мінералу кварцу (кремнезем, кремінь). У природі з цієї сполуки складені цілі гори. Трапляються дуже великі, масою до 40 тонн, кристали кварцу. Звичайний пісок складається з дрібного кварцу, забрудненого різними домішками. Щорічне світове споживання піску сягає 300 млн. тонн.

З силікатів найширше у природі поширені алюмосилікати (каолін Al 2O 3*2SiO 2*2H 2O, азбест CaO*3MgO*4SiO 2, ортоклаз K 2O*Al 2O 3*6SiO 2та ін.). Якщо до складу мінералу крім оксидів кремнію та алюмінію входять оксиди натрію, калію або кальцію, то мінерал зветься польового шпату (біла слюда та ін.). Перед польових шпатів припадає близько половини відомих у природі силікатів. Гірські породи граніт та гнейс включають кварц, слюду, польовий шпат.

До складу рослинного та тваринного світу кремній входить у незначних кількостях. Його містять стебла деяких видів овочів та хлібних злаків. Цим пояснюється підвищена міцність стебел цих рослин. Панцирі інфузорій, тіла губок, яйця та пір'я птахів, шерсть тварин, волосся, склоподібне тіло ока також містять кремній.

Аналіз зразків місячного ґрунту, доставленого кораблями, показали присутність оксиду кремнію в кількості понад 40 відсотків. У складі кам'яних метеоритів вміст кремнію сягає 20 відсотків.

. Будова атома та основні хімічні та фізичні властивості

Кремній утворює темно-сірі з металевим блиском кристали, що мають кубічні гранецентровані грати типу алмазу з періодом а = 5,431 Å, щільністю 2,33 г/см ³ . При дуже високих тисках отримано нову (мабуть, гексагональну) модифікацію з щільністю 2,55 г/см. ³ . плавиться при 1417°С, кипить при 2600°С. Питома теплоємність (при 20-100 ° С) 800 дж/(кг × К), або 0,191 кал/(г × град); теплопровідність навіть для чистих зразків не постійна і знаходиться в межах (25°С) 84-126 вт/(м × К), або 0,20-0,30 кал/(см × сік × град). Температурний коефіцієнт лінійного розширення 2,33 ×10-6 К-1; нижче 120K стає негативним. Кремній прозорий для довгохвильових ІЧ-променів; показник заломлення (для l = 6 мкм) 3,42; діелектрична проникність 11,7. Кремній діамагнітний, атомна магнітна сприйнятливість 0,13×10 -6. Твердість кремнію за Моосом 7,0, по Брінеллю 2,4 Гн/м ² (240 кгс/мм ² ), модуль пружності 109 Гн/м ² (10890 кгс/мм) ² ), коефіцієнт стисливості 0,325 ×10 -6см ² / кг. Кремній тендітний матеріал; помітна пластична деформація починається за температури вище 800°С.

Кремній – напівпровідник, що знаходить все більше застосування. Електричні властивості До. дуже залежать від домішок. Власний питомий об'ємний електроопір кремнію при кімнатній температурі приймається рівним 2,3 ×10 3ом × м (2,3 ×10 5 ом × см).

Напівпровідниковий кремній з провідністю р-типу (добавки, Al, In або Ga) і n-типу (добавки Р, Bi, As або Sb) має значно менший опір. Ширина забороненої зони за електричними вимірюваннями становить 1,21 ев при 0 До і знижується до 1,119 ев при 300 К.

Відповідно до положення кремнію в періодичній системі Менделєєва 14 електронів атома кремнію розподілені за трьома оболонками: у першій (від ядра) 2 електрони, у другій 8, у третій (валентній) 4; конфігурація електронної оболонки 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2. Послідовні потенціали іонізації (ЕВ): 8,149; 16,34; 33,46 та 45,13. Атомний радіус 1,33 Å, ковалентний радіус 1,17Å, іонні радіуси Si 4+0,39Å, Si4- 1,98Å.

У сполуках кремнію (аналогічно вуглецю) 4-валентний. Однак, на відміну від вуглецю, кремній поряд з координаційним числом 4 виявляє координаційне число 6, що пояснюється великим обсягом його атома (приклад таких сполук є кремнефториди, що містять групу 2-).

Хімічний зв'язок атома кремнію з іншими атомами здійснюється зазвичай за рахунок гібридних sp3-орбіталей, але можливе також залучення двох його п'яти (вакантних) 3d-орбіталей, особливо коли кремній є шестикоординаційним. Маючи малу величину електронегативності, що дорівнює 1,8 (проти 2,5 у вуглецю; 3,0 у азоту і т. д.), кремній у сполуках з неметалами електропозитивний, і ці сполуки носять полярний характер. Велика енергія зв'язку з киснем Si-O, що дорівнює 464 кдж/моль (111 ккал/моль), обумовлює стійкість його кисневих сполук (SiO2 та силікатів). Енергія зв'язку Si-Si мала, 176 кДж/моль (42 ккал/моль); на відміну від вуглецю, для До. не характерне утворення довгих ланцюгів та подвійного зв'язку між атомами Si. На повітрі кремній завдяки утворенню окисної захисної плівки стійкий навіть при підвищених температурах. У кисні окислюється починаючи з 400°С, утворюючи кремнію двоокис SiO 2. Відома також моноокис SiO, стійка при високих температурах у вигляді газу; в результаті різкого охолодження може бути отриманий твердий продукт, що легко розкладається на тонку суміш Si і SiO 2. Кремній стійкий до кислот і розчиняється лише у суміші азотної та фтористоводневої кислот; легко розчиняється у гарячих розчинах лугів із виділенням водню. Кремній реагує з фтором при кімнатній температурі, з рештою галогенів - при нагріванні з утворенням сполук загальної формули SiX 4(Див. Кремнія галогеніди). Водень безпосередньо не реагує з кремнієм, і кремневодні (силани) одержують розкладанням силіцидів. Відомі кремневодні від SiH 4до Si 8H 18(За складом аналогічні граничним вуглеводням). Кремній утворює 2 групи кисневмісних силанів - силоксани та силоксени. З азотом кремній реагує за температури вище 1000°С. Важливе практичне значення має нітрид Si 3N 4, що не окислюється на повітрі навіть при 1200 ° С, стійкий по відношенню до кислот (крім азотної) і лугів, а також до розплавлених металів і шлаків, що робить його цінним матеріалом для хімічної промисловості, для виробництва вогнетривів та ін Високою твердістю, а також термічною та хімічною стійкістю відрізняються сполуки кремнію з вуглецем (кремнію карбід SiC) та з бором (SiB 3, SiB 6, SiB 12). При нагріванні кремній реагує (у присутності металевих каталізаторів, наприклад, міді) з хлорорганічними сполуками (наприклад, з CH 3Cl) з утворенням органогалосиланів [наприклад, Si(CH 3)3CI], що служать для синтезу численних кремнійорганічних сполук.

5. Отримання

Найбільш простим та зручним лабораторним способом отримання кремнію є відновлення оксиду кремнію SiO 2за високих температур металами-відновниками. Внаслідок стійкості оксиду кремнію для відновлення застосовують такі активні відновники, як магній та алюміній:

SiO 2+ 4Al = 3Si + 2Al2 O 3

При відновленні металевим алюмінієм одержують кристалічний кремній. Спосіб відновлення металів із їх оксидів металевим алюмінієм відкрив російський фізикохімік Н.М. Бекетів у 1865 році. При відновленні оксиду кремнію алюмінієм теплоти, що виділяється, не вистачає для розплавлення продуктів реакції - кремнію і оксиду алюмінію, який плавиться при 205°С. Для зниження температури плавлення продуктів реакції в реакційну суміш додають сірку та надлишком алюмінію. При реакції утворюється легкоплавкий сульфід алюмінію:

2Al + 3S = Al2 S 3

Краплі розплавленого кремнію опускаються на дно тигля.

Кремній технічної чистоти (95-98%) отримують в електричній дузі відновленням кремнезему SiO 2між графітовими електродами

2+2C=Si+2CO

У зв'язку з розвитком напівпровідникової техніки розроблено методи одержання чистого та особливо чистого кремнію. Це вимагає попереднього синтезу чистих вихідних сполук кремнію, з яких витягають кремній шляхом відновлення або термічного розкладання.

Чистий напівпровідниковий кремній одержують у двох видах: полікристалічний (відновленням SiCl 4або SiHCl 3цинком або воднем, термічним розкладанням SiСl 4та SiH 4) та монокристалічний (бестигельною зонною плавкою та "витягуванням" монокристалу з розплавленого кремнію - метод Чохральського).

Шляхом хлорування технічного кремнію одержують тетрахлорид кремнію. Найстарішим шляхом розкладання тетрахлориду кремнію є спосіб видатного російського хіміка академіка Н.Н. Бекетова. Метод цей можна уявити рівнянням:

4+Zn=Si+2ZnCl 2.

Тут пари тетрахлориду кремнію, що кипить при температурі 57,6°C, взаємодіють із парами цинку.

В даний час тетрахлорид кремнію відновлюють воднем. Реакція протікає за рівнянням:

SiCl 4+2Н 2=Si+4НCl.

Кремній виходить у порошкоподібному вигляді. Застосовують і йодидний спосіб отримання кремнію, аналогічний описаному раніше методу йодидного отримання чистого титану.

Щоб одержати чистими кремніями, його очищають від домішок зонною плавкою аналогічно тому, як отримують чистий титан.

Для цілого ряду напівпровідникових приладів кращі напівпровідникові матеріали, одержувані у вигляді монокристалів, так як полікристалічному матеріалі мають місце неконтрольовані зміни електричних властивостей.

При обертанні монокристалів користуються методом Чохральського, який полягає в наступному: розплавлений матеріал опускають стрижень, на кінці якого є кристал даного матеріалу; він є зародком майбутнього монокристалу. Стрижень витягають із розплаву з невеликою швидкістю до 1-2 мм/хв. В результаті поступово вирощують монокристал потрібного розміру. З нього вирізують пластинки, що використовуються у напівпровідникових приладах.

. Застосування

Спеціально легований кремній широко застосовується як матеріал для виготовлення напівпровідникових приладів (транзистори, термістори, силові випрямлячі струму, керовані діоди - тиристори; сонячні фотоелементи, що використовуються у космічних кораблях тощо). Оскільки кремній прозорий для променів із довжиною хвилі від 1 до 9 мкм, його застосовують в інфрачервоній оптиці.

Кремній має різноманітні області застосування, що все розширюються. У металургії кремній використовується видалення розчиненого в розплавлених металах кисню (розкислення). Кремній є складовою великої кількості сплавів заліза та кольорових металів. Зазвичай кремній надає сплавам підвищеної стійкості до корозії, покращує їх ливарні властивості та підвищує механічну міцність; проте при більшому вмісті кремній може викликати крихкість. Найбільше значення мають залізні, мідні та алюмінієві сплави, що містять кремній. Все більша кількість кремнію йде на синтез кремнійорганічних сполук та силіцидів. Кремнезем та багато силікатів (глини, польові шпати, слюди, тальки тощо) переробляються скляною, цементною, керамічною, електротехнічною та ін. галузями промисловості.

Силікування, поверхневе або об'ємне насичення матеріалу кремнієм. Виробляється обробкою матеріалу в парах кремнію, що утворюються при високій температурі над кремнієвою засипкою, або в газовому середовищі, що містить хлорсилани, що відновлюються воднем, наприклад, реакції

l 4+ 2H2 = Si + 4HC1.

Застосовується переважно як захист тугоплавких металів (W, Mo, Ta, Ti та інших.) від окислення. Стійкість до окислення обумовлюється утворенням при С. щільних дифузійних силіцидних покриттів, що "самозаліковуються" (WSi 2, MoSi 2та ін.). Широке застосування знаходить силікований графіт.

. З'єднання

Силіциди

Силициди (від латів. Silicium - кремній), хімічні сполуки кремнію з металами та деякими неметалами. Силициди за типом хімічного зв'язку можуть бути поділені на три основні групи: іонно-ковалентні, ковалентні та металоподібні. Іонно-ковалентні силіциди утворюються лужними (за винятком натрію та калію) та лужноземельними металами, а також металами підгруп міді та цинку; ковалентні – бором, вуглецем, азотом, киснем, фосфором, сіркою, їх називають також боридами, карбідами, нітридами кремнію) і т. д.; металоподібні – перехідними металами.

Отримують силіциди сплавленням або спіканням порошкоподібної суміші Si та відповідного металу: нагріванням оксидів металів із Si, SiC, SiO 2і природними силікатами або синтетичними (іноді в суміші з вуглецем); взаємодією металу із сумішшю SiCl 4та H 2; електролізом розплавів, що складаються з K 2SiF 6та окислу відповідного металу. Ковалентні та металоподібні силіциди тугоплавки, стійки до окислення, дії мінеральних кислот та різних агресивних газів. Силициди використовуються у складі жароміцних металокерамічних композиційних матеріалів для авіаційної та ракетної техніки. MoSi 2служить виготовлення нагрівачів печей опору, які працюють повітря при температурі до 1600 °З. FeSi 2, Fe 3Si 2, Fe 2Si входять до складу феросиліцію, що застосовується для розкислення та легування сталей. Карбід кремнію – один із напівпровідникових матеріалів.

Силікований графіт

Силікований графіт, графіт, насичений кремнієм. Виробляється обробкою пористого графіту в кремнієвій засипці при 1800-2200 ° С (при цьому пари кремнію осідають у порах). Складається з графітової основи, карбіду кремнію та вільного кремнію. Поєднує властиву графіту високу термостійкість та міцність при підвищених температурах із щільністю, газонепроникністю, високою стійкістю до окислення при температурах до 1750°С та ерозійною стійкістю. Застосовується для футерування високотемпературних печей, у пристроях для розливу металу, в нагрівальних елементах, для виготовлення деталей авіаційної та космічної техніки, що працюють в умовах високих температур та ерозії.

Сілал

Сілал (від лат. Silicium – кремній та англ. alloy – сплав), жаростійкий чавун з підвищеним вмістом кремнію (5-6%). З силалу виготовляють відносно дешеві литі деталі, що працюють в умовах високих температур (800-900 ° С), наприклад, двері мартенівських печей, колосники, деталі парових котлів.

Силумін

Силумін (від лат. Silicium – кремній та Aluminium – алюміній), загальна назва групи ливарних сплавів на основі алюмінію, що містять кремній (4-13%, у деяких марках до 23%). Залежно від бажаного поєднання технологічних та експлуатаційних властивостей силумін легують Cu, Mn, Mg, іноді Zn, Ti, Be та іншими металами. Силуміни мають високі ливарні і досить високі механічні властивості, поступаючись, однак, за механічними властивостями ливарних сплавів на основі системи Al - Cu. До переваг силумінів відноситься їх підвищена корозійна стійкість у вологій та морській атмосферах. Силуміни застосовуються під час виготовлення деталей складної конфігурації, головним чином авто- і авіабудуванні.

Силікомарганець

Силікомарганець феросплав основні компоненти якого - кремній і марганець; виплавляється в рудно-термічних печах вуглевідновлювальним процесом. Силікомарганець з 10-26% Si (решта Mn, Fe та домішки), що отримується з марганцевої руди, марганцевого шлаку і кварциту, використовується при виплавці сталі як розкислювач і легуюча присадка, а також для виплавки феромарганця зі зниженим вмістом вуглецю силіко. Силікомарганець з 28-30% Si (сировиною для якого служить спеціально одержуваний високомарганцевий низькофосфористий шлак) застосовується у виробництві металевого марганцю.

Силікохром

Силікохром, феросилікохром, феросплав, основні компоненти якого - кремній та хром; виплавляється в рудно-термічній печі вуглевідновлювальним процесом з кварциту та гранульованого передільного ферохрому або хромової руди. Силікохром з 10-46% Si (решта Cr, Fe та домішки) використовується при виплавці низьколегованої сталі, а також для отримання ферохрому зі зниженим вмістом вуглецю силікотермічним процесом. Силікохром з 43-55% Si застосовується у виробництві безвуглецевого ферохрому та при виплавці нержавіючої сталі.

Сильхром (від лат. Silicium - кремній і Chromium - хром), загальна назва групи жаростійких і жароміцних сталей, легованих Cr (5-14%) та Si (1-3%). Залежно від необхідного рівня експлуатаційних властивостей сильхром додатково легують Mo (до 0,9%) або Al (до 1,8%). Сильхроми стійкі проти окислення на повітрі і в середовищах, що містять сірку, до 850-950 °С; застосовуються головним чином для виготовлення клапанів двигунів внутрішнього згоряння, а також деталей котельних установок, колосників та ін.

Кремнію галогеніди

Кремнію галогеніди, сполуки кремнію з галогенами. Відомі кремнію галогеніди наступних типів (Х-галоген): SiX 4, SiH n X 4-n (Галогенсилани), Si n X 2n+2 та змішані галогеніди, наприклад SiClBr 3. За звичайних умов SiF 4- газ, SiCl 4та SiBr 4- рідини (tпл - 68,8 та 5°С), SiI 4- тверде тіло (tnл 124 ° С). З'єднання SiX 4легко піддаються гідролізу:

SiX 4+2H 2O=SiO 2+4HX;

на повітрі димлять внаслідок утворення дуже дрібних частинок SiO 2; тетрафторид кремнію реагує інакше:

SiF 4+2H 2O=SiO 2+2H 2SiF 6

Хлорсилани (SiH n X 4-n ), наприклад SiHCl 3(виходить дією газоподібного HCl на Si), при дії води утворюють полімерні сполуки з міцним силоксановим ланцюгом Si-O-Si. Відрізняючись великою реакційною здатністю, хлорсилани є вихідними речовинами для отримання кремнійорганічних сполук. З'єднання типу Si n X2 n+2 , що містять ланцюги атомів Si, при Х - хлор, дають ряд, включаючи Si 6Cl 14(tnл 320 ° С); інші галогени утворюють тільки Si 2X 6. Отримано з'єднання типів (SiX 2)n та (SiX) n . Молекули SiX 2і SiX існують при високій температурі у вигляді газу і при різкому охолодженні (рідким азотом) утворюють полімерні тверді речовини, нерозчинні у звичайних органічних розчинниках.

Тетрахлорид кремнію SiCl4 використовується при виробництві мастил, електроізоляцій, теплоносіїв, гідрофобізуючих рідин і т.д. кремній силікат кварц кристал

Карбід кремнію

Кремнію карбід, карборунд, SiC, з'єднання кремнію з вуглецем; один із найважливіших карбідів, що застосовуються в техніці. У чистому вигляді кремнію карбід – безбарвний кристал з алмазним блиском; технічний продукт зеленого чи синьо-чорного кольору. Карбід кремнію існує у двох основних кристалічних модифікаціях - гексагональної (a-SiC) та кубічної (b-SiC), причому гексагональна є "гігантською молекулою", побудованою за принципом своєрідної структурно-спрямованої полімеризації простих молекул. Шари з атомів вуглецю та кремнію в a-SiC розміщені відносно один одного по-різному, утворюючи багато структурних типів. Перехід b-SiC a-SiC відбувається при температурі 2100-2300°С (зворотний перехід зазвичай не спостерігається). Карбід кремнію тугоплавок (плавиться з розкладанням при 2830 ° С), має високу твердість (мікротвердість 33400 Мн/м ² або 3,34 тс/мм ² ), поступаючись тільки алмазу та бору карбіду B4 C; крихкий; густина 3,2 г/см ³ . Карбід кремнію стійкий у різних хімічних середовищах, у тому числі за високих температур.

Карбід кремнію отримують в електропечах при 2000-2200°З суміші кварцового піску (51-55%), коксу (35-40%) з добавкою NaCI (I-5%) і тирси (5-10%). Завдяки високій твердості, хімічній стійкості та зносостійкості карбід кремнію широко застосовується як абразивний матеріал (при шліфуванні), для різання твердих матеріалів, точки інструментів, а також виготовлення різних деталей хімічної та металургійної апаратури, що працює в складних умовах високих температур. Карбід кремнію, легований різними домішками, використовується у техніці напівпровідників, особливо при підвищених температурах. Цікаво використання карбіду кремнію в електротехніці – для виготовлення нагрівачів високотемпературних електропечей опору (силітові стрижні), грозорозрядників для ліній передачі електричного струму, нелінійних опорів, у складі електроізолюючих пристроїв тощо.

Кремнію діоксид

Кремнію діоксид (кремнезем), SiO 2кристали. Найбільш поширений мінерал – кварц; Традиційний пісок - також кремнію діоксид. Використовують у виробництві скла, фарфору, фаянсу, бетону, цегли, кераміки, як наповнювач гуми, адсорбент у хроматографії, в електроніці, акустооптиці та ін. стійкі за певних інтервалів температури залежно від тиску.

Основу кристалічної структури кремнезему становить тривимірний каркас, побудований з тетраедрів, що з'єднуються через загальні кисні (5104). Однак симетрія їх розташування, щільність упаковки та взаємне орієнтування різні, що відбивається на симетрії кристалів окремих мінералів та їх фізичних властивостей. Виняток є стиховіт, основу структури якого складають октаедри (SiO 6), що утворюють структуру, подібну до рутила. Усі кремнеземи (крім деяких різновидів кварцу) зазвичай безбарвні. Твердість за мінералогічною шкалою різна: від 5,5 (a-тридиміт) до 8-8,5 (стишовіт).

Кремнезем зазвичай зустрічаються у вигляді дуже дрібних зерен, скритокристалічних волокнистих (a-кристобаліт, т.з. люссатит) і іноді сфероїдальних утворень. Рідше - у вигляді кристаликів таблитчастого або пластинчастого вигляду (тридиміт), октаедричного, дипірамідального (a- і b-кристобаліт), тонкоігольчастого (коесит, стихошіт). Більшість кремнеземів (крім кварцу) дуже рідкісні і в умовах поверхневих зон земної кори нестійкі. Високотемпературні модифікації SiO 2- b-тридиміт, b-кристобаліт - утворюються в дрібних порожнечах молодих ефузійних порід (дацити, базальти, ліпарити та ін). Низькотемпературний a-кристобаліт, поряд з a-тридимітом, є однією із складових частин агатів, халцедонів, опалів; відкладається з гарячих водних розчинів, іноді з колоїдного SiO 2. Стішовіт і коесит зустрінуті в пісковиках метеорного кратера Каньйон Диявола в Аризоні (США), де вони утворилися за рахунок кварцу при миттєвому надвисокому тиску та при підвищенні температури під час падіння метеориту. У природі також зустрічаються: кварцове скло (т.з. лешательерит), що утворюється в результаті плавлення кварцового піску від удару блискавок, і меланофлогіт - у вигляді дрібних кубічних кристаликів і скоринок (псевдоморфози, що складаються з опаловидного і халцедоновидного кварцу), у родовищах Сицилії (Італія). Кітіт у природі не зустрінутий.

Кварц (нім. Quarz), мінерал; під назвою кварцу відомі дві кристалічній модифікації двоокису кремнію SiO 2: гексагональний кварц (або a-кварц), стійкий при тиску 1 атм (або 100 кн/м ² ) в інтервалі температур 870-573 °С, і тригональний (b-кварц), стійкий при температурі нижче 573 °С. b-кварц найбільше широко зустрічається в природі. Він кристалізується у класі тригонального трапецоедра тригональної системи. Кристалічна структура каркасного типу побудована з кремнієво-кисневих тетраедрів, розташованих гвинтоподібно (з правим або лівим ходом гвинта) по відношенню до головної осі кристала. Залежно від цього розрізняють праві та ліві структурно-морфологічні форми кристалів, що розрізняються зовні за симетрією розташування деяких граней (наприклад, трапецоедра та ін.). Відсутність площин та центру симетрії у кристалів кварцу обумовлює наявність п'єзоелектричних та піроелектричних властивостей.

Найбільш часто кристали кварцу мають подовжено-призматичний вигляд з переважним розвитком граней гексагональної призми та двох ромбоедрів (головка кристала). Рідше кристали набувають вигляду псевдогексагональної дипіраміди. Зовні правильні кристали кварцу зазвичай складно сдвойніковані, утворюючи найчастіше двійникові ділянки за т.зв. бразильському чи дофінейському законам. Останні виникають як при зростанні кристалів, а й у результаті внутрішньої структурної перебудови при термічних a - b переходах, супроводжуваних стиском, і навіть при механічних деформаціях. Колір кристалів, зерен, агрегатів кварцу найрізноманітніший: найбільш звичайні безбарвні, молочно-білі або сірі кварці. Прозорі або напівпрозорі красивозабарвлені кристали називаються особливо: безбарвні, прозорі - гірський кришталь; фіолетові – аметист; димчасті – раухтопаз; чорні – моріон; золотисто-жовті – цитрин. Різні забарвлення зазвичай обумовлені структурними дефектами при заміні Si 4+на Fe 3+або Al 3+з одночасним входженням у ґрати Na 1+, Li 1+або (ВІН) 1-. Зустрічаються також складно забарвлені кварці за рахунок мікровключень сторонніх мінералів: зелений празем - включення мікрокристали актиноліту або хлориту; золотистий мерехтливий авантюрин - включення слюди або гематиту, та ін. Скритокристалічні різновиди кварцу - агат і халцедон - складаються з найтонших волокнистих утворень. Кварц оптично одновісний, позитивний. Показники заломлення (для денне світло l=589,3): ne=1,553; no = 1,544. Прозорий для ультрафіолетових та частково інфрачервоних променів. При пропущенні світлового плоскополяризованого променя в напрямку оптичної осі ліві кристали кварцу обертають площину поляризації вліво, а праві - вправо. У видимій частині спектра значення кута обертання (на товщину пластинки кварцу в 1 мм) змінюється від 32,7 (l 486 нм) до 13,9° (728 нм). Значення діелектричної проникності (eij), п'єзоелектричного модуля (djj) та пружних коефіцієнтів (Sij) наступні (при кімнатній температурі): e11 = 4,58; e33 = 4,70; d11 = -6,76 * 10-8; d14 = 2,56 * 10-8; S11 = 1,279; S12 = - 0,159; S13 = -0,110; S14 = -0,446; S33 = 0,956; S44 = 1,978. Коефіцієнти лінійного розширення становлять: перпендикулярно до осі 3-го порядку 13,4*10 -6та паралельно осі 8*10 -6. Теплота перетворення b - a К. дорівнює 2,5 ккал/моль (10,45 кДж/моль). Твердість за мінералогічною шкалою 7; густина 2650 кг/м ³ . Плавиться при температурі 1710 ° С і застигає при охолодженні т.з. кварцове скло. Плавлений кварц – добрий ізолятор; опір кубика з ребром в 1 см при 18 ° С дорівнює 5 * 10 18ом/см, коефіцієнт лінійного розширення 0,57*10 -6см/°С. Розроблено економічно вигідну технологію вирощування монокристалів синтетичний К., який одержують з водних розчинів SiO2 при підвищених тисках і температурах (гідротермальний синтез). Кристали синтетичного До. володіють стабільними п'єзоелектричними властивостями, радіаційною стійкістю, високою оптичною однорідністю та ін цінними технічними властивостями.

Природний кварц- дуже широко поширений мінерал, є суттєвою складовою багатьох гірських порід, а також родовищ корисних копалин найрізноманітнішого генези. Найбільш важливі для промисловості кварцові матеріали - кварцові піски, кварцити та кристалічний монокристальний кварц. Останній зустрічається рідко та дуже високо цінується. Найголовніші родовища кристалів кварцу - на Уралі, на Памірі, в басейні нар. Алдан; за кордоном – родовища у Бразилії та Малагасійській Республіці. Кварцові піски - важлива сировина для керамічної та скляної промисловості. Монокристали кварцу знаходять застосування в радіотехніці (п'єзоелектричні стабілізатори частоти, фільтри, резонатори, п'єзопластинки в ультразвукових установках тощо); в оптичному приладобудуванні (призми для спектрографів, монохроматорів, лінзи для ультрафіолетової оптики тощо). Плавлений кварц застосовують для виготовлення спеціального хімічного посуду. також використовується для отримання хімічно чистого кремнію. Прозорі, красиво забарвлені різновиди кварцу є напівдорогоцінним камінням і широко застосовуються в ювелірній справі.

Кварцове скло, однокомпонентне силікатне скло, одержуване плавленням природних різновидів кремнезему - гірського кришталю, жильного кварцу та кварцового піску, а також синтетичного двоокису кремнію. Розрізняють два види промислового кварцового скла: прозоре (оптичне та технічне) та непрозоре. Непрозорість кварцового скла надає велику кількість розподілених у ньому дрібних газових бульбашок (діаметром від 0,03 до 0,3 мкм), що розсіюють світло. Оптичне прозоре кварцове скло, одержуване плавленням гірського кришталю, однорідно, не містить видимих ​​газових бульбашок; володіє найменшим серед силікатного скла показником заломлення (nD = 1,4584) і найбільшим світло-пропусканням, особливо для ультрафіолетових променів. Для кварцового скла характерна висока термічна та хімічна стійкість; температура розм'якшення К. с. 1400 °С. Кварцове скло хороший діелектрик, питома електрична провідність при 20 ° С-10 -14 - 10-16ом -1м -1, тангенс кута діелектричних втрат при температурі 20 ° С та частоті 106 гц - 0,0025-0,0006 Кварцове скло застосовують для виготовлення лабораторного посуду, тиглів, оптичних приладів, ізоляторів (особливо для високих температур), виробів, стійких до температурних коливань.

Силани

Силани (від лат. Silicium - кремній), сполуки кремнію з воднем загальної формули Si n H2 n+2 . Отримані силани аж до октасилану Si 8H 18. При кімнатній температурі перші дві сполуки кремнію - моносилан SiH 4та дисилан Si 2H 6- газоподібні, інші - леткі рідини. Всі сполуки кремнію мають неприємний запах, отруйні. Силани набагато менш стійкі, ніж алкани, на повітрі самозаймисті, наприклад

Si 2H 6+7O 2=4SiO2 +6H 2O.

Водою розкладаються:

3H 8+6H 2O=3SiO2 +10H 2

У природі силани не трапляються. У лабораторії дією розведених кислот на силіцид магнію отримують суміш різних До., її сильно охолоджують і поділяють (шляхом дробової перегонки за повної відсутності повітря).

Кремнієві кислоти

Кремнієві кислоти, похідні кремнієвого ангідриду SiO 2; дуже слабкі кислоти, малорозчинні у питній воді. У чистому вигляді були отримані метакремнієва кислота H 2SiO 3(точніше її полімерна форма H 8Si 4O 12) та H 2Si 2O 5. Аморфний двоокис кремнію (аморфний кремнезем) у водному розчині (розчинність близько 100 мг на 1 л) утворює переважно ортокремнієву кислоту H 4SiO 4. В отриманих різними способами пересичених розчинах кремнієві кислоти змінюються з формуванням колоїдних частинок (молярна маса до 1500), поверхні яких знаходяться групи OH. Освічений т. о. золь залежно від водневого показника pH може бути стійким (pH близько 2) або агрегувати, переходячи в гель (pH 5-6). Стійкі висококонцентровані золі кремнієві кислоти, що містять спеціальні речовини - стабілізатори, застосовують при виробництві паперу, текстильної промисловості, для очищення води. Кремнефторістоводнева кислота, H 2SiF 6сильна неорганічна кислота. Існує лише у водному розчині; у вільному вигляді розпадається на тетрафторид кремнію SiF 4та фтористий водень HF. Застосовується як сильно дезінфікуючий засіб, але головним чином для отримання солей кремнієвих кислот - кремнефторидів.

Силікати

Силікати, солі кислот кремнію. Найбільш поширені у земній корі (80% за масою); відомо більше 500 мінералів, серед них - дорогоцінне каміння, наприклад смарагд, берил, аквамарин. Силікати – основа цементів, кераміки, емалей, силікатного скла; сировину у виробництві багатьох металів, клеїв, фарб та ін; матеріали радіоелектроніки та ін. Кремнефториди, фторсилікати, солі кремнефтористоводневої кислоти H 2SiF 6. При нагріванні розпадаються, наприклад

6= CaF2 + SiF 4

Солі Na, К, Rb, Cs і Ba важко розчиняються у воді та утворюють характерні кристали, що використовується в кількісному та мікрохімічному аналізі. Найбільше практичне значення має кремнефторид натрію Na 2SiF 6(зокрема, у виробництві кислототривких цементів, емалей і т.д.). Значну частку Na 2SiF 6переробляють на NaF. Отримують Na 2SiF 6з містять SiF 4відходів суперфосфатних заводів Добре розчинні у воді кремнефториди Mg, Zn та Al (технічна назва флюати) застосовують для надання водонепроникності будівельному каменю. Усі силікати (а також H 2SiF6 ) Отруйні.

додаток

Рис.1 Правий та лівий кварц.

Рис.2 Кремнезему мінерали.

Рис.3 Кварц (структура)

Репетиторство

Потрібна допомога з вивчення якоїсь теми?

Наші фахівці проконсультують або нададуть репетиторські послуги з цікавої для вас тематики.
Надішліть заявкуіз зазначенням теми прямо зараз, щоб дізнатися про можливість отримання консультації.

Як самостійний хімічний елемент кремній став відомий людству лише у 1825 році. Що, звичайно, не заважало застосовувати сполуки кремнію у такій кількості сфер, що простіше перерахувати ті, де елемент не використовується. Ця стаття проллє світло на фізичні, механічні та корисні хімічні властивості кремнію та його сполук, області застосування, також ми розповімо про те, як впливає кремній на властивості сталі та інших металів.

Для початку давайте зупинимося на загальній характеристиці кремнію. Від 27,6 до 29,5 % маси земної кори становить кремній. У морській воді концентрація елемента теж неабияк – до 3 мг/л.

За поширеністю в літосфері кремній посідає друге почесне місце після кисню. Однак найвідоміша його форма – кремнезем, є діоксидом, і саме його властивості і стали основою такого широкого застосування.

Про те, що таке кремній, розповість цей відеосюжет:

Поняття та особливості

Кремній – неметал, проте за різних умов може виявляти і кислотні та основні властивості. Є типовим напівпровідником та надзвичайно широко використовується в електротехніці. Фізичні та хімічні його властивості багато в чому визначаються алотропним станом. Найчастіше справу мають із кристалічною формою, оскільки її якості більш затребувані у народному господарстві.

• Кремній – один із базових макроелементів у людському тілі. Його нестача згубно позначається на стані кісткової тканини, волосся, шкіри, нігтів. Крім того, кремній впливає на працездатність імунної системи.
• У медицині елемент, точніше кажучи, його сполуки знайшли своє перше застосування саме в цій якості. Вода з колодязів, викладених кремнієм, відрізнялися як чистотою, а й позитивно позначалася на стійкості до інфекційних хвороб. Сьогодні з'єднання з кремнієм є основою для препаратів проти туберкульозу, атеросклерозу, артриту.
• Загалом неметал малоактивний, проте й у чистому вигляді зустріти його складно. Пов'язано це з тим, що на повітрі швидко пасивується шаром діоксиду і перестає реагувати. Під час нагрівання хімічна активність збільшується. У результаті людство набагато ближче знайоме із сполуками речовини, а не з ним самим.

Так, кремній утворює метали фактично з усіма металами - силіциди. Всі вони відрізняються тугоплавкістю та твердістю та застосовуються на відповідних ділянках: газові турбіни, нагрівачі печей.

Розміщується неметал у таблиці Д. І. Менделєєва в 6 групі разом з вуглецем, германієм, що вказує на певну спільність із цими речовинами. Так, з вуглецем його «ріднить» здатність до утворення сполук на кшталт органічних. При цьому кремній, як і германій, може проявити властивості металу в деяких хімічних реакціях, що використовується в синтезі.

Плюси і мінуси

Як і будь-яка інша речовина з точки зору застосування в народному господарстві, кремній має певні корисні або не надто якості. Важливі вони саме визначення області використання.

• Неабиякою перевагою речовини є його доступність. У природі він, щоправда, знаходиться не у вільному вигляді, але все ж таки, технологія отримання кремнію не така вже й складна, хоча й енерговитратна.
• Друга найважливіша перевага – утворення безлічі сполукз надзвичайно корисними якостями. Це і силани, і силіциди, і діоксид, і, звісно, ​​різноманітні силікати. Здатність кремнію і його сполук утворювати складні тверді розчини практично нескінченна, що дозволяє нескінченно ж отримувати різні варіації скла, каменю і кераміки.
• Напівпровідникові властивостінеметалу забезпечує йому місце базового матеріалу в електро- та радіотехніці.
• Неметал є нетоксичнимщо допускає застосування в будь-якій галузі промисловості, і при цьому не перетворює технологічний процес на потенційно небезпечний.

До недоліків матеріалу можна віднести лише відносну крихкість за хорошої твердості. Кремній не використовується для несучих конструкцій, але це поєднання дозволяє обробляти належним чином поверхню кристалів, що важливо для приладобудування.

Давайте поговоримо про основні властивості кремнію.

Властивості та характеристики

Оскільки в промисловості найчастіше експлуатується кристалічний кремній, то саме його властивості є важливішими, і саме вони і наводяться в технічних характеристиках. Фізичні властивості речовини такі:

• температура плавлення - 1417;
• температура кипіння – 2600 С;
• густина становить 2,33 г/куб. див, що свідчить про крихкість;
• теплоємність, як і теплопровідність не постійні навіть на найчистіших пробах: 800 Дж/(кг·К), або 0,191 кал/(г·град) та 84-126 вт/(м·К), або 0,20-0, 30 кал/(см·сек·град) відповідно;
• прозорий для довгохвильового ІЧ-випромінювання, що використовується в інфрачервоній оптиці;
• діелектрична проникність – 1,17;
• твердість за Моосовою шкалою – 7.

Електричні властивості неметалу сильно залежать від домішок. У промисловості цю особливість використовують, модулюючи необхідний тип напівпровідника. При нормальній температурі кремній тендітний, але при нагріванні вище 800 С можлива пластична деформація.

Властивості аморфного кремнію разюче відрізняються: він сильно гігроскопічний, набагато активніше вступає в реакцію навіть за нормальної температури.

Структура та хімічний склад, а також властивості кремнію розглянуті у відеоролику нижче:

Склад та структура

Кремній існує у двох алотропних формах, однаково стійких за нормальної температури.

• Кристалічниймає вигляд темно-сірого порошку. Речовина, хоч і має алмазоподібні кристалічні грати, є крихкою – через надто довгий зв'язок між атомами. Інтерес становлять його властивості напівпровідника.
• При дуже високому тиску можна отримати гексагональнумодифікацію із щільністю 2,55 г/куб. див. Однак ця фаза практичного значення поки що не знайшла.
• Аморфний- Буро-коричневий порошок. На відміну від кристалічної форми набагато активніше входить у реакцію. Пов'язано це не так з інертністю першої форми, як з тим, що на повітрі речовина покривається шаром діоксиду.

Крім того, необхідно враховувати ще один тип класифікації, пов'язаний з величиною кристала кремнію, які в сукупності утворюють речовину. Кристалічні грати, як відомо, припускають упорядкованість як атомів, а й структур, які ці атоми утворюють – так званий далекий порядок. Чим він більший, тим одноріднішим за властивостями буде речовина.

• Монокристалічний– зразок є одним кристалом. Структура його максимально впорядкована, властивості однорідні та добре передбачувані. Саме такий матеріал найбільш затребуваний в електротехніці. Однак він відноситься до найдорожчого вигляду, оскільки процес його отримання складний, а швидкість зростання низька.
• Мультикристалічний– зразок становить кілька великих кристалічних зерен. Межі між ними формують додаткові дефектні рівні, що знижує продуктивність зразка як напівпровідника і призводить до більш швидкого зносу. Технологія вирощування мультикристалу простіше, тому і матеріал дешевший.
• Полікристалічний- Складається з великої кількості зерен, розташованих хаотично відносно один одного. Це найбільш чистий різновид промислового кремнію, застосовується в мікроелектроніці та сонячній енергетиці. Досить часто використовується як сировина для вирощування мульти- та монокристалів.
• Аморфний кремній у цій класифікації займає окрему позицію. Тут порядок розташування атомів утримується лише з найкоротших дистанціях. Однак в електротехніці він все ж таки використовується у вигляді тонких плівок.

Виробництво неметалу

Отримати чистий кремній не так просто, враховуючи інертність його сполук і високу температуру плавлення більшості з них. У промисловості найчастіше вдаються до відновлення вуглецем із діоксиду. Проводять реакцію в дугових печах при температурі 1800 С. Таким чином отримують неметал чистотою 99,9%, що для його застосування недостатньо.

Отриманий матеріал хлорують для того, щоб отримати хлориди і гідрохлориди. Потім з'єднання очищають усіма можливими методами від домішок та відновлюють воднем.

Очистити речовину можна за рахунок отримання силіциду магнію. Силицид піддають дії соляної чи оцтової кислоти. Отримують силан, а останній очищають у різний спосіб – сорбційним, ректифікацією тощо. Потім силан розкладають на водень і кремній при температурі 1000 С. У цьому випадку одержують речовину з часткою домішки 10 -8 -10 -6%.

Застосування речовини

Для промисловості найбільший інтерес становлять електрофізичні характеристики неметалу. Його монокристалічна форма є непрямозонним напівпровідником. Властивості його визначаються домішками, що дозволяє одержувати кристали кремнію із заданими властивостями. Так, добавка бору, індія дає можливість виростити кристал із дірковою провідністю, а введення фосфору або миш'яку – кристал з електронною провідністю.

• Кремній у буквальному значенні слова є основою сучасної електротехніки. З нього виготовляють транзистори, фотоелементи, інтегральні схеми, діоди тощо. Причому функціональність приладу визначає практично завжди лише приповерхневий шар кристала, що зумовлює специфічні вимоги саме до обробки поверхні.
• У металургії технічний кремній застосовують як модифікатор сплавів – надає велику міцність, як і компонент – у , наприклад, як і розкислювач – під час виробництва чавуну.
• Надчистий та очищений металургійний складають основу сонячної енергетики.
• Діоксид неметалу зустрічається в природі в різних формах. Його кристалічні різновиди – опал, агат, сердолік, аметист, гірський кришталь знайшли своє місце в ювелірній справі. Не настільки привабливі зовні модифікації – кремінь, кварц, використовуються і в металургії, і в будівництві, і радіоелектротехніці.
• З'єднання неметалу з вуглецем – карбід, застосовується і в металургії, і в приладобудуванні, і в хімічній промисловості. Він є широкозональним напівпровідником, відрізняється високою твердістю - 7 за шкалою Мооса, і міцністю, що дозволяє застосовувати його як абразивний матеріал.
• Силікати – тобто солі кремнієвої кислоти. Нестійкі, легко розкладаються під впливом температури. Прикметність їх у тому, що вони утворюють численні та різноманітні солі. А ось останні є основою при виробництві скла, кераміки, фаянсу, кришталю, та . Можна сміливо сказати, що сучасне будівництво ґрунтується на різноманітних силікатах.
• Скло представляє тут найцікавіший випадок. Основою його служать алюмосилікати, але нікчемні домішки інших речовин - зазвичай оксидів, надають матеріалу масу різних властивостей, у тому числі і колір. - , Фаянс, фарфор, по суті, має ту ж формулу, хоча і з іншим співвідношенням компонентів, і її різноманітність теж разюче.
• Неметал має ще одну здатність: утворює сполуки за типом вуглецевих, у вигляді довгого ланцюжка з атомів кремнію. Такі сполуки звуться кремнійорганічних. Сфера їх застосування не менш відома – це силікони, герметики, мастила тощо.

Кремній – дуже поширений елемент і має надзвичайно велике значення у багатьох сферах народного господарства. Причому активно використовується не тільки сама речовина, але всі її різноманітні та численні сполуки.

Дане відео розповість про властивості та застосування кремнію: