Этим химическим элементом насыщена земная кора и биологические организмы. Кремний признан материалом третьего тысячелетия: IT-столица мира в Калифорнии называется Кремниевой долиной.
Что представляет собой
Кремний – это элемент таблицы Д.Менделеева №14.
Не относится к металлам, это неметалл.
Выглядит как коричневатый порошок либо темно-серые, с легким блеском кристаллы.
Международное наименование вещества – Si (Silicium).
Как был открыт
История открытия элемента связана с именем великого шведского химика Йенса Берцелиуса:
- То, что кремний существует, он предсказал в 1810 году.
- Через 13 лет выделил аморфную форму чистого вещества, восстановив фторид калием, описал химические свойства продукта.
Кристаллическую форму неметалла первыми добыли в 1811 году французы Луи Гей-Люссак и Жак Тенар.
Новооткрытый элемент получил название «силиций» (silex – латинское наименование кремня).
Русский термин «кремний» ввел в научный оборот (1834 год) отечественный химик Герман Гесс.
Присутствие в природе
По концентрации в литосфере неметалл уступает только кислороду.
Тонна земной коры содержит около 286 кг кремния, литр морской воды – 3 мг.
Но найти самородки – редчайшая удача, почти всегда это кремнезем – конгломерат веществ на основе диоксида вещества (половина всего объема).
Он – основа двух видов минералов и горных пород:
- Силикаты, алюмосиликаты.
- Песок (кварцевый, речной), кварц, кварциты, полевые шпаты, кремень.
Кремень использовали еще древние люди: с его помощью можно было высечь искру. По этому признаку данный вид кремния легко отличить от других камней.
Физико-химические характеристики
Кремний – это неметалл, но выступает как восстановитель либо окислитель:
- Образует сплавы (силициды) с большинством металлов.
- В обычном микроклимате покрывается пленкой-оксидом, становясь инертным.
- Химическая активность почти нулевая, однако растет с ростом температуры.
- Физические и химические свойства формируются строением кристаллической решетки (аллотропным форматом). Например, аморфный неметалл активно впитывает влагу, быстрее взаимодействует при обычной температуре.
Подобно углероду, неметалл при взаимодействии образует соединения сродни органическим.
Свойства атома | |
---|---|
Название, символ, номер | Кремний/Silicium (Si), 14 |
Атомная масса (молярная масса) |
[28,086] а. е. м. (г/моль) |
Электронная конфигурация | [Ne] 3s2 3p2; в соед. [Ne] 3s 3p3 (гибридизация) |
Радиус атома | 132 пм |
Химические свойства | |
Ковалентный радиус | 111 пм |
Радиус иона | 42 (+4e), 271 (−4e) пм |
Электроотрицательность | 1,90 (шкала Полинга) |
Электродный потенциал | 0 |
Степени окисления | −4, 0, +2; +4 |
Энергия ионизации (первый электрон) |
786,0 (8,15) кДж/моль (эВ) |
Термодинамические свойства простого вещества | |
Плотность (при н. у.) | 2,33 г/см³ |
Температура плавления | 1414,85 °C (1688 K) |
Температура кипения | 2349,85 °C (2623 K) |
Уд. теплота плавления | 50,6 кДж/моль |
Уд. теплота испарения | 383 кДж/моль |
Молярная теплоёмкость | 20,16 Дж/(K·моль) |
Молярный объём | 12,1 см³/моль |
Кристаллическая решётка простого вещества | |
Структура решётки | кубическая, алмазная |
Параметры решётки | 5,4307 Å |
Температура Дебая | 645 ± 5 K |
Прочие характеристики | |
Теплопроводность | (300 K) 149 Вт/(м·К) |
Номер CAS | 7440-21-3 |
В ряде химических процессов кремний ведет себя как металл.
Технология получения
Цель переработки сырья – максимально чистое вещество.
В лабораториях процедура следующая:
- Добывают силицид магния.
- Воздействуют на вещество уксусной либо соляной кислотой.
- Образовавшийся моносилан очищают (сорбентами, ректификаторами), нагревают до 1050°C.
В результате получают водород и кремний.
Для промышленников сырьем служит белый песок мелких фракций (диоксид вещества с формулой SiO2).
Способ получения неметалла предусматривает следующие этапы:
- Прокаливание смеси сырья с магнием до образования аморфной модификации. Продукт выглядит как буроватый порошок.
- Технически чистый материал (99,9%) получают в печи при 1780°C. Из расплава диоксида вещество восстанавливают коксом.
- При необходимости изымают углерод, другие примеси.
Очищают кремний прямым хлорированием. Из полученных соединений изымают примеси, восстанавливают водородом при 910-1150°C.
Новые технологии очистки предусматривают замену хлора фтором: это экологичнее и рентабельнее. Есть способы получения вещества на основе дистилляции оксида неметалла, вытравкой примесей.
Плюсы и минусы
Кремний наделен свойствами, полезными либо нет с утилитарной точки зрения.
Недостатки вещества:
- Энергозатратность при получении чистого материала.
- Хрупкость. Но при нагреве выше 810°С кремний обретает пластичность.
Достоинства материала:
- Доступность сырья: четверть земной коры – это кремний.
- Простота технологии извлечения вещества.
- Способность образовывать линейку соединений: диоксид, силаны, силициды, силикаты. Плюс твердые конгломераты – база для создания сотен видов стекла, керамики.
- Возможности как полупроводника широкого охвата. На электрические характеристики неметалла влияют примеси. Промышленность «эксплуатирует» этот феномен для создания полупроводников заданного типа.
Главный плюс кремния – нулевая токсичность. Она облегчает использование неметалла всеми сегментами рынка, включая медицину и фармакологию.
Где используется
Применение кремния определяют свойства. Неметалл хрупок, поэтому непригоден в качестве «скелета» конструкций. Однако эта же характеристика позволяет идеально обрабатывать поверхность кристаллов, что ценят производители электроники.
Кремний – материал номер один для солнечных батарей, компьютеров, смартфонов, других гаджетов третьего тысячелетия.
Промышленность
Кроме IT-индустрии неметалл востребован традиционными сегментами промышленности.
- Металлургия. Технический кремний используется как раскислитель при выплавке чугуна, упрочнитель сплавов.
- Машино-, приборостроение. Сплавы с металлами тверды, тугоплавки. Используются как компоненты турбин, термоэлементы оборудования металлургических комбинатов.
- Электро-, радиотехника. Из неметалла-полупроводника изготавливают фотоэлементы, интегральные схемы, транзисторы, диоды, другую продукцию.
- Органический, неорганический синтез.
- Прозрачность вещества для инфракрасного спектра – главный плюс для производителей оптики.
- Стекольная промышленность. Силикаты – исходник при производстве стекла, хрусталя, керамики, фарфоро-фаянсового ассортимента.
- Песок – компонент строительных материалов (цемента, бетона).
- Почти универсален карбид (кремний + углерод). Соединение закупают металлурги, приборостроители, химпром. Твердое (7 баллов по Моосу) вещество используется как полупроводник широкого диапазона действия и абразив.
- Кремнийорганические соединения закупают производители силиконовой продукции: герметиков, смазок, других изделий.
То есть применение нашлось чистому веществу и соединениям.
Другие сферы
Фармацевты используют кремниевые продукты как базис препаратов для профилактики и лечения атеросклероза, туберкулеза, артрита.
Вода из резервуаров, выложенных кремнием, опознается по кристальной чистоте, отсутствию микробов и целебным свойствам.
Эстетичные разновидности неметалла – агаты, аметисты, горный хрусталь, опалы, сердолик – закупают ювелиры и собиратели минералогических коллекций.
Биологическое воздействие
Как и в литосфере, в организме человека кремний – один из топовых макроэлементов (до 4%).
Ежедневно человеку требуется 48-51 мг кремния.
О нехватке вещества сигнализирует следующие факторы:
- Тусклость, ломкость волос, ногтей.
- Сухость кожи.
- Частые ОРВИ, ОРЗ.
- Учащенное сердцебиение.
- Ослабленность скелета (позвоночные боли, остеопороз).
- Бесплодие.
Плюс пониженный иммунитет. У детей – замедление роста и общего развития.
Пополнить запас микроэлемента помогают продукты.
Больше всего вещества в продуктах, богатых клетчаткой:
- Необработанные крупы: рис, овес, ячмень, гречка.
- Все бобовые.
- Орехи, овощи, ягоды, фрукты,
Кремнием насыщены лечебные травы: полынь, крапива, хвощ, мать-и-мачеха.
В «животном» сегменте это мясо, яйца, морепродукты, молоко.
Предостережение
Опасно вдыхание кремниевой пыли, постоянный контакт с концентрированной формой вещества. Это проблема людей, занятых на добыче и переработке сырья.
Стоимость
На рынке представлена линейка продукции из кремния – промышленного и аптечного сегмента.
Цена определяется исходя из параметров продукта (руб./ кг):
- порошок (99,8%) – 4 560;
- пруток – 4 050;
- кристаллический – 158-310;
- карборунд – 270.
Стоимость аптечных препаратов, БАДов зависит от страны-производителя, бренда, габаритов упаковки – 200+ руб.