Кремний – характеристики, особенности и сферы использования

Этим химическим элементом насыщена земная кора и биологические организмы. Кремний признан материалом третьего тысячелетия: IT-столица мира в Калифорнии называется Кремниевой долиной.

Кремний

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.

Поликристаллический кремний (99,9 %)
Поликристаллический кремний (99,9 %)

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:

  1. Силикаты, алюмосиликаты.
  2. 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.
Кристаллическая структура кремния
Кристаллическая структура кремния

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:

  1. Добывают силицид магния.
  2. Воздействуют на вещество уксусной либо соляной кислотой.
  3. 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).

Кристалл кремния
Кристалл кремния

Способ получения неметалла предусматривает следующие этапы:

  1. Прокаливание смеси сырья с магнием до образования аморфной модификации. Продукт выглядит как буроватый порошок.
  2. Технически чистый материал (99,9%) получают в печи при 1780°C. Из расплава диоксида вещество восстанавливают коксом.
  3. При необходимости изымают углерод, другие примеси.

Очищают кремний прямым хлорированием. Из полученных соединений изымают примеси, восстанавливают водородом при 910-1150°C.

Монокристалл кремния, выращенный по методу Чохральского
Монокристалл кремния, выращенный по методу Чохральского

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:

  1. Энергозатратность при получении чистого материала.
  2. Хрупкость. Но при нагреве выше 810°С кремний обретает пластичность.

Достоинства материала:

  1. Доступность сырья: четверть земной коры – это кремний.
  2. Простота технологии извлечения вещества.
  3. Способность образовывать линейку соединений: диоксид, силаны, силициды, силикаты. Плюс твердые конгломераты – база для создания сотен видов стекла, керамики.
  4. 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.

Применение кремния
Применение кремния

Кремний – материал номер один для солнечных батарей, компьютеров, смартфонов, других гаджетов третьего тысячелетия.

Микроконтроллер 1993 года с УФ стиранием памяти 62E40 европейской фирмы STMicroelectronics. За окошечком виден кристалл микросхемы — кремниевая подложка с выполненной на ней схемой.
Микроконтроллер 1993 года с УФ стиранием памяти 62E40 европейской фирмы STMicroelectronics. За окошечком виден кристалл микросхемы — кремниевая подложка с выполненной на ней схемой.

Промышленность

Кроме IT-индустрии неметалл востребован традиционными сегментами промышленности.

Использование кремния

  • 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.

Проверить совместимость мужчины и женщины по Знаку Зодиака

Знак Зодиака мужчины

♈ Овен
♉ Телец
♊ Близнецы
♋ Рак
♌ Лев
♍ Дева
♎ Весы
♏ Скорпион
♐ Стрелец
♑ Козерог
♒ Водолей
♓ Рыбы

Знак Зодиака женщины

♈ Овен
♉ Телец
♊ Близнецы
♋ Рак
♌ Лев
♍ Дева
♎ Весы
♏ Скорпион
♐ Стрелец
♑ Козерог
♒ Водолей
♓ Рыбы


Рейтинг автора
Автор статьи
Петрова Вероника Александровна
Мне 36 и я специалист в области минералогии. Сейчас я в декрете и всё свободное время посвящаю самоцветам. В этом блоге я делюсь информацией про камни и их свойства — присоединяйтесь, задавайте вопросы и пишите комментарии!
Написано статей
451
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (1 оценок, среднее: 5,00 из 5)
Загрузка...

Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: