Si элемент – Кремний — Википедия

Содержание

кремний — это… Что такое кремний?

КРЕ́МНИЙ -я; м. [от греч. krēmnos — утёс, скала] Химический элемент (Si), тёмно-серые с металлическим блеском кристаллы которого входят в состав большинства горных пород.

Кре́мниевый, -ая, -ое. К-ые соли. Кре́мни́стый (см. 2.К.; 1 зн.).

КРЕ́МНИЙ (лат. Silicium от silex — кремень), Si (читается «силициум», но в настоящее время довольно часто и как «си»), химический элемент с атомным номером 14, атомная масса 28,0855. Русское название происходит от греческого kremnos — утес, гора.
Природный кремний состоит из смеси трех стабильных нуклидов (см. НУКЛИД) с массовыми числами 28 (преобладает в смеси, его в ней 92,27% по массе), 29 (4,68%) и 30 (3,05%). Конфигурация внешнего электронного слоя нейтрального невозбужденного атома кремния 3s2р2. В соединениях обычно проявляет степень окисления +4 (валентность IV) и очень редко +3, +2 и +1 (валентности соответственно III, II и I). В периодической системе Менделеева кремний расположен в группе IVA (в группе углерода), в третьем периоде.
Радиус нейтрального атома кремния 0,133 нм.
Энергии последовательной ионизации атома кремния 8,1517, 16,342, 33,46 и 45,13 эВ, сродство к электрону 1,22 эВ. Радиус иона Si4+ при координационном числе 4 (наиболее распространенном в случае кремния) 0,040 нм, при координационном числе 6 — 0,054 нм. По шкале Полинга электроотрицательность кремния 1,9. Хотя кремний принято относить к неметаллам, он по ряду свойств занимает промежуточное положение между металлами и неметаллами.
В свободном виде — коричневый порошок или светло-серый компактный материал с металлическим блеском.
История открытия
Соединения кремния были известны человеку с незапамятных времен. Но с простым веществом кремнием человек познакомился всего около 200 лет тому назад. Фактически первыми исследователями, получившими кремний, были французы Ж. Л. Гей-Люссак (
см.
ГЕЙ-ЛЮССАК Жозеф Луи)и Л. Ж. Тенар (см. ТЕНАР Луи Жак) . Они в 1811 обнаружили, что нагревание фторида кремния с металлическим калием приводит к образованию буро-коричневого вещества:
SiF4+ 4K = Si + 4KF, однако сами исследователи правильного вывода о получении нового простого вещества не сделали. Честь открытия нового элемента принадлежит шведскому химику Й. Берцелиусу (см. БЕРЦЕЛИУС Йенс Якоб), который для получения кремния нагревал также с металлическим калием соединение состава K2SiF6. Он получил тот же аморфный порошок, что и французские химики, и в 1824 объявил о новом элементарном веществе, которое назвал «силиций». Кристаллический кремний был получен только в 1854 году французским химиком А. Э. Сент-Клер Девилем (см. СЕНТ-КЛЕР ДЕВИЛЬ Анри Этьен) .
Нахождение в природе

По распространенности в земной коре кремний среди всех элементов занимает второе место (после кислорода). На долю кремния приходится 27,7% массы земной коры. Кремний входит в состав нескольких сотен различных природных силикатов (см. СИЛИКАТЫ)и алюмосиликатов (см. АЛЮМОСИЛИКАТЫ). Широко распространен и кремнезем, или кремния диоксид (см. КРЕМНИЯ ДИОКСИД) SiO2 (речной песок (см. ПЕСОК) , кварц (см. КВАРЦ) , кремень (см. КРЕМЕНЬ) и др.), составляющий около 12% земной коры (по массе). В свободном виде кремний в природе не встречается.
Получение
В промышленности кремний получают, восстанавливая расплав SiO2 коксом при температуре около 1800°C в дуговых печах. Чистота полученного таким образом кремния составляет около 99,9%. Так как для практического использования нужен кремний более высокой чистоты, полученный кремний хлорируют. Образуются соединения состава SiCl
4
и SiCl3H. Эти хлориды далее очищают различными способами от примесей и на заключительном этапе восстанавливают чистым водородом. Возможна также очистка кремния за счет предварительного получения силицида магния Mg2Si. Далее из силицида магния с помощью соляной или уксусной кислот получают летучий моносилан SiH4. Моносилан очищают далее ректификацией, сорбционными и др. методами, а затем разлагают на кремний и водород при температуре около 1000°C. Содержание примесей в получаемом этими методами кремнии снижается до 10-8-10-6% по массе.
Физические и химические свойства
Кристаллическая решетка кремния кубическая гранецентрированная типа алмаза, параметр а = 0,54307 нм (при высоких давлениях получены и другие полиморфные модификации кремния), но из-за большей длины связи между атомами Si—Si по сравнению с длиной связи С—С твердость кремния значительно меньше, чем алмаза.
Плотность кремния 2,33 кг/дм3. Температура плавления 1410°C, температура кипения 2355°C. Кремний хрупок, только при нагревании выше 800°C он становится пластичным веществом. Интересно, что кремний прозрачен к инфракрасному (ИК)-излучению.
Элементарный кремний — типичный полупроводник (см. ПОЛУПРОВОДНИКИ) . Ширина запрещенной зоны при комнатной температуре 1,09 эВ. Концентрация носителей тока в кремнии с собственной проводимостью при комнатной температуре 1,5·1016 м-3. На электрофизические свойства кристаллического кремния большое влияние оказывают содержащиеся в нем микропримеси. Для получения монокристаллов кремния с дырочной проводимостью в кремний вводят добавки элементов III-й группы — бора (см. БОР (химический элемент)), алюминия (
см.
АЛЮМИНИЙ), галлия (см. ГАЛЛИЙ) и индия (см. ИНДИЙ), с электронной проводимостью — добавки элементов V-й группы — фосфора (см. ФОСФОР), мышьяка (см. МЫШЬЯК) или сурьмы (см. СУРЬМА). Электрические свойства кремния можно варьировать, изменяя условия обработки монокристаллов, в частности, обрабатывая поверхность кремния различными химическими агентами.
Химически кремний малоактивен. При комнатной температуре реагирует только с газообразным фтором, при этом образуется летучий тетрафторид кремния SiF4. При нагревании до температуры 400—500°C кремний реагирует с кислородом с образованием диоксида SiO2, с хлором, бромом и иодом — с образованием соответствующих легко летучих тетрагалогенидов SiHal4.
С водородом кремний непосредственно не реагирует, соединения кремния с водородом — силаны (см. СИЛАНЫ) с общей формулой Si
n
H2n+2 — получают косвенным путем. Моносилан SiH4 (его часто называют просто силаном) выделяется при взаимодействии силицидов металлов с растворами кислот, например:
Ca2Si + 4HCl = 2CaCl2 + SiH4
Образующийся в этой реакции силан SiH4 содержит примесь и других силанов, в частности, дисилана Si2H6 и трисилана Si3H8, в которых имеется цепочка из атомов кремния, связанных между собой одинарными связями (—Si—Si—Si—).
С азотом кремний при температуре около 1000°C образует нитрид Si3N4, с бором — термически и химически стойкие бориды SiB3, SiB6 и SiB12. Соединение кремния и его ближайшего аналога по таблице Менделеева — углерода — карбид кремния SiС (карборунд (см. КАРБОРУНД) ) характеризуется высокой твердостью и низкой химической активностью. Карборунд широко используется как абразивный материал.
При нагревании кремния с металлами возникают силициды (см. СИЛИЦИДЫ) . Силициды можно подразделить на две группы: ионно-ковалентные (силициды щелочных, щелочноземельных металлов и магния типа Ca2Si, Mg2Si и др.) и металлоподобные (силициды переходных металлов). Силициды активных металлов разлагаются под действием кислот, силициды переходных металлов химически стойки и под действием кислот не разлагаются. Металлоподобные силициды имеют высокие температуры плавления (до 2000°C). Наиболее часто образуются металлоподобные силициды составов MSi, M3Si2, M2Si3, M5Si3 и MSi2. Металлоподобные силициды химически инертны, устойчивы к действию кислорода даже при высоких температурах.
Диоксид кремния SiO2— кислотный оксид, не реагирующий с водой. Существует в виде нескольких полиморфных модификаций (кварц (см. КВАРЦ), тридимит, кристобалит, cтеклообразный SiO2). Из этих модификаций наибольшее практическое значение имеет кварц. Кварц обладает свойствами пьезоэлектрика (см. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ) , он прозрачен для ультрафиолетового (УФ) излучения. Характеризуется очень низким коэффициентом теплового расширения, поэтому изготовленная из кварца посуда не растрескивается при перепадах температуры до 1000 градусов.
Кварц химически стоек к действию кислот, но реагирует с плавиковой кислотой:
SiO2 + 6HF =H2[SiF6] + 2H2O
и газообразным фтороводородом HF:
SiO2 + 4HF =SiF4 + 2H2O
Эти две реакции широко используют для травления стекла.
При сплавлении SiO2 с щелочами и основными оксидами, а также с карбонатами активных металлов образуются силикаты (см. СИЛИКАТЫ) — соли не имеющих постоянного состава очень слабых нерастворимых в воде кремниевых кислот (см. КРЕМНИЕВЫЕ КИСЛОТЫ) общей формулы xH2O·ySiO2 (довольно часто в литературе не очень точно пишут не о кремниевых кислотах, а о кремниевой кислоте, хотя фактически речь при этом идет об одном и том же). Например, может быть получен ортосиликат натрия:
SiO2 + 4NaOH = (2Na2O)·SiO2 +2H2O,
метасиликат кальция:
SiO2 + СаО = СаО·SiO2
или смешанный силикат кальция и натрия:
Na2CO3 + CaCO3 + 6SiO2 = Na2O·CaO·6SiO2 + 2CO2

Из силиката Na2O·CaO·6SiO
2
изготовляют оконное стекло.
Следует отметить, что большинство силикатов не имеет постоянного состава. Из всех силикатов растворимы в воде только силикаты натрия и калия. Растворы этих силикатов в воде называют растворимым стеклом. Из-за гидролиза эти растворы характеризуются сильно щелочной средой. Для гидролизованных силикатов характерно образование не истинных, а коллоидных растворов. При подкислении растворов силикатов натрия или калия выпадает студенистый белый осадок гидратированных кремниевых кислот.
Главным структурным элементом как твердого диоксида кремния, так и всех силикатов выступает группа [SiO4/2], в которой атом кремния Si окружен тетраэдром из четырех атомов кислорода О. При этом каждый атом кислорода соединен с двумя атомами кремния. Фрагменты [SiO4/2] могут быть связаны между собой по-разному. Среди силикатов по характеру связи в них фрагментов [SiO4/2] выделяют островные, цепочечные, ленточные, слоистые, каркасные и другие.
При восстановлении SiO2 кремнием при высоких температурах образуется монооксид кремния состава SiO.
Для кремния характерно образование кремнийорганических соединений (см. КРЕМНИЙОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ) , в которых атомы кремния соединены в длинные цепочки за счет мостиковых атомов кислорода —О—, а к каждому атому кремния, кроме двух атомов О, присоединены еще два органических радикала R1 и R2 = CH3, C2H5, C6H5, CH2CH2CF3 и др.
Применение
Кремний используют как полупроводниковый материал. Кварц находит применение как пьезоэлектрик, как материал для изготовления жаропрочной химической (кварцевой) посуды, ламп УФ-излучения. Силикаты находят широкое применение как строительные материалы. Оконные стекла представляют собой аморфные силикаты. Кремнийорганические материалы характеризуются высокой износостойкостью и широко используются на практике в качестве силиконовых масел, клеев, каучуков, лаков.
Биологическая роль
Для некоторых организмов кремний является важным биогенным элементом (см. БИОГЕННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ). Он входит в состав опорных образований у растений и скелетных — у животных. В больших количествах кремний концентрируют морские организмы — диатомовые водоросли (см. ДИАТОМОВЫЕ ВОДОРОСЛИ), радиолярии (см. РАДИОЛЯРИИ), губки (см. ГУБКИ) . Мышечная ткань человека содержит (1—2)·10-2% кремния, костная ткань — 17·10-4%, кровь — 3,9 мг/л. С пищей в организм человека ежедневно поступает до 1 г кремния.
Соединения кремния не ядовиты. Но очень опасно вдыхание высокодисперсных частиц как силикатов, так и диоксида кремния, образующихся, например, при взрывных работах, при долблении пород в шахтах, при работе пескоструйных аппаратов и т. д. Микрочастицы SiO2, попавшие в легкие, в них кристаллизуются, а возникающие кристаллики разрушают легочную ткань и вызывают тяжелую болезнь — силикоз (см. СИЛИКОЗ). Чтобы не допустить попадания в легкие этой опасной пыли, следует использовать для защиты органов дыхания респиратор.

dic.academic.ru

Кремний и его соединения: формулы

Кремний и его соединения: формулы

10.03.2018 20:00

Кремний (Si) – второй элемент основной (А) подгруппы 4 группы Периодической системы, учрежденной Дмитрием Ивановичем Менделеевым. Кремний очень распространен в природе, поэтому он занимает второе (после кислорода) место по распространенности. Так, без кремния и его соединений не существовало бы Земной коры, которая более чем на четверть состоит из соединений этого химического элемента. В чем же особенности кремния? Каковы формулы его соединений и их применение? Какие важнейшие вещества имеют в своем составе кремний? Попробуем разобраться.

Элемент кремний и его свойства

Кремний существует в природе в нескольких аллотропных модификациях – наиболее распространенными являются кремний в кристаллическом виде и аморфный кремний. Рассмотрим каждую из данных модификаций в отдельности.

Кристаллический кремний

Кремний в данной модификации является темно-серым достаточно твердым и хрупким веществом со стальным блеском. Такой кремний является полупроводником; его полезное свойство заключается в том, что, в отличие от металлов, его электропроводность увеличивается при повышении температуры. Температура плавления такого кремния составляет 1415 °С. К тому же, кристаллический кремний не способен растворяться в воде и различных кислотах.

Применение кремния и его соединений в кристаллической модификации невероятно многообразно. Например, кристаллический кремний входит в состав солнечных батарей, устанавливаемых на космических кораблях и крышах домов. Кремний является полупроводником и способен преобразовывать солнечную энергию в электрическую.

Помимо солнечных батарей, кристаллический кремний используется для создания многих электронных приборов и кремнистых сталей.

Аморфный кремний

Аморфный кремний – бурый/темно-коричневый порошок алмазоподобной структуры. В отличие от кристаллического кремния, данная аллотропная модификация элемента не имеет строго упорядоченной кристаллической решетки. Несмотря на то, что аморфный кремний плавится при температуре, приблизительно равной 1400 °С, он является гораздо более активным по сравнению с кристаллическим. Аморфный кремний не проводит ток и имеет плотность около 2 г/см³.

Такой кремний чаще всего применяется в пищевой промышленности и при изготовлении лекарственных препаратов.

Химические свойства кремния

    Основное химическое свойство кремния – горение в кислороде, в результате которого образуется крайне распространенное соединение – оксид кремния:

Si + O2 → SiO2 (при температуре).

    При нагревании кремний как неметалл образует соединения с различными металлами. Такие соединения называются силицидами. Например:

2Ca + Si → Ca2Si (при температуре).

    Силициды, в свою очередь, без затруднений разлагаются при помощи воды или некоторых кислот. В результате данной реакции образуется особое водородное соединение кремния – газ силан (Sih5):

Mg2Si + 4HCl → 2MgCl2 + Sih5↑.

    Кремний также способен взаимодействовать с фтором (при нормальных условиях):

Si + 2F2 → SiF4.

    А при нагревании кремний взаимодействует с другими неметаллами:

Si + 2Cl2 → SiCl4 (400–600°).

3Si + 2N2 → Si3N4 (1000°).

Si + C → SiC (2000°).

    Также кремний, взаимодействуя со щелочами и водой, образует соли, называемые силикатами, и газ водород:

Si + 2KOH + h3O → K2SiO3 + h3.

Однако большинство химических свойств данного элемента мы разберем, рассматривая кремний и его соединения, так как именно они являются основными веществами, на которых основано применение и взаимодействие кремния с другими химическими элементами. Итак, какие же соединения кремния являются наиболее распространенными?

Соединения кремния

Ранее мы выяснили, каким элементом является кремний и какими свойствами он обладает. Теперь рассмотрим формулы соединений кремния.

При участии кремния образуется огромное количество различных соединений. Первое место по распространенности занимают кислородные соединения кремния. К данному разряду относится SiO2 и нерастворимая кремниевая кислота.

Кислотный остаток кремниевой кислоты образует различные силикаты (например, CaSiO3 или Al2O3•SiO2). В таких солях и представленных выше соединениях кремния с кислородом элемент имеет типичную для него степень окисления +4.

Также достаточно распространены соли кремния – силициды (Mg2Si, NaSi, CoSi) и соединения кремния с водородом (например, газ силан). Силан, как известно, самовоспламеняется на воздухе с возникновением ослепительной вспышки, а силициды легко разлагаются как при помощи воды, так и различных кислот.

Рассмотрим поподробнее кремний и его соединения, считающиеся самыми распространенными.

Диоксид кремния

Другое название данного оксида – кремнезем. Это твердое и тугоплавкое вещество, которое не растворяется в воде и кислотах и имеет атомную кристаллическую решетку. В природе оксид кремния образует такие минералы и драгоценные камни, как кварц, аметист, опал, агат, халцедон, яшма, кремень и некоторые другие.

Стоит отметить, что именно из кремния первобытные люди изготавливали свои орудия труда и охоты. Кремень положил начало так называемому каменному веку благодаря его повсеместной доступности и способности образовывать острые режущие края при сколе.

Именно оксид кремния делает прочными стебли таких растений, как камыши, тростники и хвощи, листья осоки и стебли злаков. В защитных наружных покровах некоторых животных также содержится кремнезем.

К тому же, он лежит в основе силикатного клея, благодаря которому создается силиконовый герметик и силиконовый каучук.

Химические свойства оксида кремния

Диоксид кремния взаимодействует с огромным количеством химических элементов – как металлов, так и неметаллов. Например:

    При высоких температурах кремнезем взаимодействует со щелочами, образуя при этом соли:

SiO2 + 2KOH → K2SiO3 + h3O (при температуре).

    Как типичный кислотный оксид, данное соединение дает силикаты в результате взаимодействия с оксидами различных металлов:

SiO2 + CaO → CaSiO3 (при температуре).

    Или с карбонатными солями:

SiO2 + K2CO3 → K2SiO3 + CO2↑ (при температуре).

    Одно из важнейших химических свойств диоксида кремния – это возможность получения из него чистого кремния. Это можно осуществить двумя способами – при взаимодействии диоксида с магнием или углеродом:

SiO2 + 2Mg → 2MgO + Si (при температуре).

SiO2 + 2C → Si + 2CO↑ (при температуре)

Кремниевая кислота

Кремниевая кислота является очень слабой. Она нерастворима в воде и при реакциях образует студенистый осадок, который иногда способен заполнить весь объем раствора. Когда данная смесь высыхает, можно увидеть образовавшийся силикагель, который применяется как адсорбент (поглотитель других веществ).

Наиболее доступный и распространенный способ получения кремниевой кислоты можно выразить при помощи формулы:

K2SiO3 + 2HCl → 2KCl + h3SiO3↓.

Силициды

Рассматривая кремний и его соединения, очень важно сказать о таких его солях, как силициды. Такие соединения кремний образует с металлами, приобретая, как правило, при этом степень окисления -4. Однако такие металлы, как ртуть, цинк, бериллий, золото и серебро не способны взаимодействовать с кремнием и образовывать силициды.

Наиболее распространенными силицидами являются Mg2Si, Ca2Si, NaSi и некоторые другие.

Силикаты

Такие соединения, как силикаты занимают второе место по распространенности после диоксида кремния. Соли-силикаты считаются достаточно сложными веществами, так как имеют непростую структуру строения, а также они входят в состав большинства минералов и горных пород.

К наиболее распространенным в природе силикатам – алюмосиликатам – относят гранит, слюды, различные виды глин. Также известным силикатом является асбест, из которого изготавливаются огнестойкие ткани.

Применение кремния

В первую очередь, кремний применяется для получения материалов-полупроводников и кислотоупорных сплавов. Карбид кремния (SiC) часто используют для затачивания резцов станков и шлифовки ценных камней.

Из расплавленного кварца изготавливается устойчивую и крепкую кварцевую посуду.

Соединения кремния лежат в основе производства стекла и цемента.

Стекла отличаются друг от друга по составу, в котором обязательно присутствует кремний. Например, помимо оконных, существуют тугоплавкие, хрустальные, кварцевые, цветные, фотохромные, оптические, зеркальные и другие стекла.

При смешивании цемента с водой образуется особое вещество – цементный раствор, из которого впоследствии получают такой строительный материал, как бетон.

Производством этих веществ занимается силикатная промышленность. Помимо стекла и цемента, в силикатной промышленности получают кирпич, фарфор, фаянс и различные изделия из них.

Заключение

Итак, мы выяснили, что кремний является важнейшим химическим элементом, широко распространенным в природе. Кремний применяется при строительстве и художественной деятельности, а также незаменим для живых организмов. Многие вещества, начиная от простого стекла и заканчивая ценнейшим фарфором, имеют в своем составе кремний и его соединения.

Изучение химии позволяет познать окружающий наш мир и понять, что не все вокруг, даже самое великолепное и дорогое, настолько таинственно и загадочно, как могло показаться. Желаем успехов в научном познании и изучении такой прекрасной науки, как химия!

www.nastroy.info

Кремний Si химический элемент

Чем знаменит кремний? Во-первых, этот элемент — второй по распространенности на Земле после кислорода. Масса земной коры более чем на четверть — 27,6% — состоит из кремния.

Во-вторых, этот элемент — ближайший аналог углерода со всеми, как говорится, вытекающими отсюда последствиями. Очевидно, с этих точек зрения и стоит рассматривать кремний — достаточно обыкновенный и достаточно необыкновенный элемент.

Природные соединения кремния

«Показывают мне, — писал в одной из своих популярных книг академик А. Е. Ферсман, — самые разнообразные предметы: прозрачный шар, сверкающий на солнце чистотой холодной ключевой воды, красивый, пестрого рисунка агат, яркой игры многоцветный опал, чистый песок на берегу моря, тонкую, как шелковинка, нитку из плавленого кварца или жароупорную посуду из него, красиво ограненные груды горного хрусталя, таинственный рисунок фантастической яшмы, окаменелое дерево, превращенное в камень, грубо обработанный наконечник стрелы древнего человека… все это одно и то же химическое соединение элементов кремния и кислорода».

Как ни разнообразен этот перечень, он, конечно, не исчерпывает многообразия природных соединений кремния. Начнем, однако, с упомянутых. «Грубо обработанный наконечник стрелы древнего человека» был сработан из кремня. А что такое кремень? Современный человек видел эти наконечники, равно, как и кремневые ружья, разве только в историческом музее. «Кремни», вставляемые в зажигалки курильщиков, ни внешне, ни по составу нимало не похожи на те кремни. Впрочем, многие из нас в детстве высекали искры, ударяя камешком о камешек, и скорее всего, тогда в наших руках были настоящие кремни.

Так что такое кремень? Химик на этот вопрос ответит буквально по Ферсману: двуокись кремния, кремнезем. Возможно, при этом добавит, что кремнезем кремня — аморфный, в отличие от кристаллического кремнезема кварцевого песка и горного хрусталя, и что часть химиков считает кремень кристаллогидратом mSiO2-nH2O.

Геолог на тот же вопрос ответит иначе, но тоже в общем-то буднично: минеральное образование, распространенное и мало интересное, пласты и «желваки» кремня обычно залегают среди известняков и меловых отложений…

И лишь гуманитарий-историк отзовется, должен отозваться, о кремне восторженно, ибо именно кремень — невзрачный и не очень прочный камень — помог в свое время человеку стать Человеком. Каменный век — век кремневых орудий труда. Причиной тому не только и не столько распространенность и доступность кремня, сколько способность его при сколе образовывать острые режущие кромки.

Обратимся теперь к кристаллическим аналогам кремня: «красиво ограненные груды горного хрусталя», «чистый песок на берегу моря»… Разница между ними небольшая, по существу лишь в размерах и примесях. Чистый песок — чистая кристаллическая двуокись кремния. Чистой воды горный хрусталь — то же самое. И что еще очень важно, оба эти вещества — полимеры, неорганические полимеры.

Одним из первых предположение о полимерном строении двуокиси кремния высказал Дмитрий Иванович Менделеев. Именно этим обстоятельством объяснял он нелетучесть и тугоплавкость веществ состава SiO2 или, правильнее, (SiO2)n. Рентгеноструктурные исследования наших дней подтвердили правильность этой догадки. Установлено, что кристаллический кремнезем представляет собой трехмерный сетчатый полимер. Цепочка кремнекислородных тетраэдров очень прочна, связь кремния с кислородом намного прочнее, чем, например, связь между атомами углерода в цепях органических полимеров. Кремнекислородным цепям хватает и гибкости, но в мире минералов они образуют жесткие сплетения в виде пространственных решеток и сеток, которые хрупки, неподатливы при механической обработке. Чтобы кремнекислородные цепочки остались гибкими, эластичными, их нужно изолировать одну от другой, окружить другими атомами или группами атомов. Это сделали химики, синтезировавшие многочисленные ныне кремнийорганические полимеры, речь о которых ниже. Впрочем, и природа дала великолепный образец волокнистого по структуре полимерного соединения кислорода и кремния — это асбест.

Сегодня очень непросто ответить на детский вопрос, какая из разновидностей кристаллической двуокиси кремния — песок или горный хрусталь — важнее для современного человека. Если брать в расчет только природный горный хрусталь, запасы которого практически исчерпаны, то ответ однозначен: конечно, песок. Из кварцевого песка делают кварцевое стекло, а из него — превосходную лабораторную посуду, баллоны ламп специального назначения и многое другое. Горный же хрусталь — не только поделочный материал, он и пьезоэлектрик. Он нужен радиотехнике во все возрастающих количествах, и вряд ли возможно было бы быстрое развитие этой отрасли, если бы люди не научились выращивать крупнокристаллический искусственный кварц в виде монокристаллов.

В 30-х годах Александр Евгеньевич Ферсман писал: «Через несколько десятков лет геологи не будут больше с опасностью для жизни взбираться на вершины Альп, Урала или Кавказа в погоне за кристаллами, не будут добывать их в безводных пустынях Южной Бразилии или в наносах Мадагаскара. Я уверен, что мы будем по телефону заказывать нужные куски кварца на государственном кварцевом заводе». Кварцевые заводы появились даже раньше, чем предсказывал ученый. Они выпускают кристаллы кварца, ничем не уступающие природному горному хрусталю, в количествах, достаточных не только для радиоэлектронной промышленности, не только для оптики, но и для украшений. Сомневающимся в этом утверждении рекомендуем обратиться в ближайший от их дома ювелирный магазин.

Мы умышленно ограничили рассказ о природных соединениях кремния тремя веществами и одним, по существу, соединением. Обо всем в коротком очерке все равно не расскажешь, а соединения с кислородом — самые важные. Вернемся, однако, собственно к кремнию.

Несмотря на распространенность в природе, этот элемент открыли сравнительно поздно. В 1825 г. выдающийся шведский химик и минералог Йенс Якоб Берцелиус сумел в двух реакциях выделить не очень чистый аморфный кремний в виде коричневого порошка. Для этого он восстановил металлическим калием газообразное вещество, известное ныне как тетрафторид кремния SiF4, и кроме того, провел такую реакцию:

K2SiF6 + 4K  →  6KF + Si.

Новый элемент был назван силицием (от латинского silex — кремень). Русское название этого элемента появилось спустя девять лет, в 1834 г., и благополучно дожило, в отличие, скажем, от «буротвора», до наших дней.

Кремний, как и углерод, образует различные аллотропические модификации. Кристаллический кремний так же мало похож на аморфный, как алмаз на графит. Это твердое вещество серостального цвета с металлическим блеском и гранецентрированной кристаллической решеткой того же типа, что у алмаза. Впрочем, аморфный кремний, как выяснилось, тоже не аморфный, а мелкокристаллический.

Первый промышленный способ производства кремния, изобретенный во второй половине XIX в. известным русским химиком Н. Н. Бекетовым, основан на восстановлении четыреххлористого кремния SiCl4 парообразным цинком. Технически чистый кремний (95-98% Si) сейчас получают главным образом восстановлением кремнезема в электрической дуге между графитовыми электродами. Используется до сих пор изобретенный еще в прошлом веке способ восстановления кремнезема коксом в электрических печах. Этот способ также дает технический кремний, нужный металлургии как раскислитель, связывающий и удаляющий из металла кислород, и как легирующая добавка, повышающая прочность и коррозионную стойкость сталей и многих сплавов на основе цветных металлов. Впрочем, здесь важно «не переборщить»: избыток кремния может привести к хрупкости.

Не отошел в прошлое и бекетовский способ получения кремния (в реакции между парами цинка и тетрахлоридом кремния — летучей бесцветной жидкостью с температурой кипения всего 57,6°С). Это один из способов получения высокочистого полупроводникового кремния.

Полагают, что при абсолютном нуле идеально чистый и идеально правильный монокристаллический кремний должен быть идеальным электроизолятором. Но идеальная чистота так же недостижима, как и абсолютный нуль. В нашем случае это, что называется, к добру. Не идеальный, а просто высокочистый и сверхчистый кремний стал важнейшим полупроводниковым материалом. При температуре, отличной от абсолютного нуля, в нем возникает собственная проводимость, причем носителями электрического тока являются не только свободные электроны, но и так называемые дырки — места, покинутые электронами.

Вводя в сверхчистый кремний те или иные легирующие добавки (в микроколичествах; обычно это делается с помощью ионно-лучевых установок), в нем создают проводимость того или иного типа. Добавки элементов третьей группы менделеевской таблицы ведут к созданию дырочной проводимости, а пятой — электронной. Что значат для нас сегодня полупроводники, объяснять, вероятно, излишне. Расскажем лучше вкратце о способах получения полупроводникового кремния.

Один из этих способов упомянут выше. Заметим только, что реакцию высокочистых паров цинка с очень чистым четыреххлористым кремнием проводят при температуре 950°С в трубчатом реакторе, изготовленном из плавленого кварца. Элементный кремний образуется в виде игольчатых кристаллов, которые потом измельчают и промывают соляной кислотой, разумеется, тоже весьма чистой. Затем следует еще одна ступень очистки — зонная плавка, и лишь после нее поликристаллическую кремниевую массу превращают в монокристаллы.

Есть и другие реакции, в которых получают высокочистый полупроводниковый кремний. Это восстановление водородом трихлорсилана SiHCl3 или четыреххлористого кремния SiCl4 и термическое разложение моносилана, гидрида кремния SiH4 или тетраиодида SiJ4. В последнем случае разложение соединения происходит на разогретой до 1000°С танталовой ленте. Дополнительная очистка зонной плавкой следует после каждой из этих реакций. В полупроводниковом кремнии содержание примесей крайне мало — 10-5—10-6% и даже меньше.

Кремнийорганика

 

Первое органическое соединение, содержащее кремний, было получено еще в 1845 г. в реакции этилового спирта с четыреххлористым кремнием: SiCl4 + 4C2H5OH   →   Si(OC2H5)4 + 4HCl. Но это не был первый синтез кремнийорганического соединения в том смысле, какой вкладывает в это понятие современная химическая номенклатура. Кремнийорганическими сейчас признают лишь те соединения, в которых есть связь углерод — кремний. Так что первое кремнийорганическое соединение — тетраэтилсилиций Si (C2H5)4 — было получено лишь в 1863 г.

Конечно, в то время никто не предполагал, что спустя 100 лет кремнийорганика разовьется в самостоятельную и важную ветвь химической науки, что кремнийорганические соединения, особенно полимерные, станут первостепенно важны для многих видов промышленности, для транспорта и строительства, даже для быта.

Опытная хозяйка перед стиркой смажет руки силиконовым кремом, который предохранит их не только от воды, но и от разъедающего действия соды или стирального порошка. Сдавая в чистку платье или костюм, мы охотно доплачиваем за несминаемую складку и за «пропитку», благодаря которой платье будет меньше грязниться. И в том и в другом случае нашу одежду на фабрике химической чистки обработают кремнийорганическими жидкостями…

Этот же раздел химической науки подарил нам самые теплостойкие и в то же время самые морозостойкие синтетические каучуки. Температурный интервал работоспособности кремнийорганических каучуков от — 80 до +260°С, и эти каучуки уже давно существуют не в виде экзотических лабораторных образцов, а в виде массовой промышленной продукции.

Для современной электротехники очень важны кремнийорганические лаки, представляющие собой растворы кремнийорганических полимеров. Они обладают отличными электроизоляционными свойствами, устойчивы к атмосферным воздействиям, перепадам температур, солнечной радиации. Вот лишь один пример эффективности подобных материалов в технике. До внедрения кремнийорганических лаков изоляция электродвигателя врубовой машины в условиях шахты служила в среднем 5 месяцев. Когда в качестве изоляции стали применять кремнийорганический лак, срок службы двигателя до первого ремонта вырос до 3 лет.

Подобных примеров можно привести десятки, и число их будет множиться с каждым годом: появляются новые вещества, в состав которых наряду с кремнием и традиционными элементами органического мира входят алюминий, титан и другие металлы. Каждый привносит в молекулу что-то свое, и на каком-то этапе количество переходит в качество.

Кремний в микроорганизмах

Многие известные ученые работали и продолжают работать в этой области химии. Советскую школу кремнийоргаников основал академик К. А. Андрианов, который еще в 1937 г. получил первые в мире кремнийорганические полимеры — полиорганосилоксаны.

В обзорной статье о кремнии, написанной еще лет десять назад, такой раздел был бы необязателен. Слишком мало знала наука о роли кремния в жизни высших животных и человека. Известно было, что кремний (его двуокись) составляет основу скелетов у некоторых морских организмов — радиолярий, диатомей, некоторых губок, морских звезд. Известно также, что он нужен растениям: от злаков и осоки до пальм и бамбука. Чем жестче стебель растения, тем больше в его золе находят кремния. Растения, как и морские животные, берут кремний из воды. И в пресной, и в соленой воде растворено около 3 мг/л кремния (в виде кремниевых кислот и их солей). Роль же кремния в жизни высших животных и человека долгое время оставалась неясной. Было широко распространено мнение о биологической инертности и бесполезности соединений кремния.

Но, с другой стороны, давно известно серьезное заболевание — силикоз, вызываемое длительным вдыханием пыли, содержащей свободную двуокись кремния. Некоторые кремнийорганические соединения — арилсилатроны оказались токсичными для всех теплокровных животных. И в то же время известно, что в человеческом организме кремний есть практически повсеместно, больше всего — в костях, коже, соединительной ткани, а также в некоторых железах. При переломах костей содержание кремния в месте перелома возрастает почти в 50 раз. Минеральные воды с высоким содержанием кремния (например, известная кавказская вода «Джермук») оказывают благотворное влияние на здоровье людей, особенно пожилых.

Нельзя сказать, что роль кремния в жизни выяснена уже окончательно — скорее, наоборот: появление новой информации все больше осложняет картину. Синтезом и исследованием биологически активных соединений кремния сейчас заняты во многих лабораториях мира. Очень активно работают над комплексом проблем, который кратко можно назвать так же, как названа эта глава, т. е. кремний и жизнь, сотрудники Иркутского института органической химии во главе с членом-корреспондентом Академии наук СССР М. Г. Воронковым. В одной из своих статей он писал: «Уже имеющиеся многочисленные наблюдения позволяют прийти к заключению о необходимости широких и тщательных исследований (в том числе на молекулярном уровне) роли кремния в живых организмах и изыскания возможностей использовать соединения этого элемента для лечения и профилактики различных заболеваний и травм, а также для борьбы со старением». Пояснения здесь, наверное, требует лишь последний тезис. Дело в том, что установлены возрастные особенности кремниевого обмена в организме: с возрастом содержание этого элемента в костной ткани, артериях, коже существенно уменьшается…

Этот раздел наших знаний об элементе № 14 еще не стал сводом общепринятых, устоявшихся истин. Но, очевидно, именно здесь проходит в наши дни передний край борьбы за познание кремния — ближайшего аналога углерода, жизненно важного элемента.

natural-museum.ru

Кремний и его соединения: формулы :: SYL.ru

Кремний (Si) – второй элемент основной (А) подгруппы 4 группы Периодической системы, учрежденной Дмитрием Ивановичем Менделеевым. Кремний очень распространен в природе, поэтому он занимает второе (после кислорода) место по распространенности. Так, без кремния и его соединений не существовало бы Земной коры, которая более чем на четверть состоит из соединений этого химического элемента. В чем же особенности кремния? Каковы формулы его соединений и их применение? Какие важнейшие вещества имеют в своем составе кремний? Попробуем разобраться.

Элемент кремний и его свойства

Кремний существует в природе в нескольких аллотропных модификациях – наиболее распространенными являются кремний в кристаллическом виде и аморфный кремний. Рассмотрим каждую из данных модификаций в отдельности.

Кристаллический кремний

Кремний в данной модификации является темно-серым достаточно твердым и хрупким веществом со стальным блеском. Такой кремний является полупроводником; его полезное свойство заключается в том, что, в отличие от металлов, его электропроводность увеличивается при повышении температуры. Температура плавления такого кремния составляет 1415 °С. К тому же, кристаллический кремний не способен растворяться в воде и различных кислотах.

Применение кремния и его соединений в кристаллической модификации невероятно многообразно. Например, кристаллический кремний входит в состав солнечных батарей, устанавливаемых на космических кораблях и крышах домов. Кремний является полупроводником и способен преобразовывать солнечную энергию в электрическую.

Помимо солнечных батарей, кристаллический кремний используется для создания многих электронных приборов и кремнистых сталей.

Аморфный кремний

Аморфный кремний – бурый/темно-коричневый порошок алмазоподобной структуры. В отличие от кристаллического кремния, данная аллотропная модификация элемента не имеет строго упорядоченной кристаллической решетки. Несмотря на то, что аморфный кремний плавится при температуре, приблизительно равной 1400 °С, он является гораздо более активным по сравнению с кристаллическим. Аморфный кремний не проводит ток и имеет плотность около 2 г/см³.

Такой кремний чаще всего применяется в пищевой промышленности и при изготовлении лекарственных препаратов.

Химические свойства кремния

  • Основное химическое свойство кремния – горение в кислороде, в результате которого образуется крайне распространенное соединение – оксид кремния:

Si + O2 → SiO2 (при температуре).

  • При нагревании кремний как неметалл образует соединения с различными металлами. Такие соединения называются силицидами. Например:

2Ca + Si → Ca2Si (при температуре).

  • Силициды, в свою очередь, без затруднений разлагаются при помощи воды или некоторых кислот. В результате данной реакции образуется особое водородное соединение кремния – газ силан (SiH4):

Mg2Si + 4HCl → 2MgCl2 + SiH4↑.

  • Кремний также способен взаимодействовать с фтором (при нормальных условиях):

Si + 2F2 → SiF4.

  • А при нагревании кремний взаимодействует с другими неметаллами:

Si + 2Cl2 → SiCl4 (400–600°).

3Si + 2N2 → Si3N4 (1000°).

Si + C → SiC (2000°).

  • Также кремний, взаимодействуя со щелочами и водой, образует соли, называемые силикатами, и газ водород:

Si + 2KOH + H2O → K2SiO3 + H2.

Однако большинство химических свойств данного элемента мы разберем, рассматривая кремний и его соединения, так как именно они являются основными веществами, на которых основано применение и взаимодействие кремния с другими химическими элементами. Итак, какие же соединения кремния являются наиболее распространенными?

Соединения кремния

Ранее мы выяснили, каким элементом является кремний и какими свойствами он обладает. Теперь рассмотрим формулы соединений кремния.

При участии кремния образуется огромное количество различных соединений. Первое место по распространенности занимают кислородные соединения кремния. К данному разряду относится SiO2 и нерастворимая кремниевая кислота.

Кислотный остаток кремниевой кислоты образует различные силикаты (например, CaSiO3 или Al2O3•SiO2). В таких солях и представленных выше соединениях кремния с кислородом элемент имеет типичную для него степень окисления +4.

Также достаточно распространены соли кремния – силициды (Mg2Si, NaSi, CoSi) и соединения кремния с водородом (например, газ силан). Силан, как известно, самовоспламеняется на воздухе с возникновением ослепительной вспышки, а силициды легко разлагаются как при помощи воды, так и различных кислот.

Рассмотрим поподробнее кремний и его соединения, считающиеся самыми распространенными.

Диоксид кремния

Другое название данного оксида – кремнезем. Это твердое и тугоплавкое вещество, которое не растворяется в воде и кислотах и имеет атомную кристаллическую решетку. В природе оксид кремния образует такие минералы и драгоценные камни, как кварц, аметист, опал, агат, халцедон, яшма, кремень и некоторые другие.

Стоит отметить, что именно из кремния первобытные люди изготавливали свои орудия труда и охоты. Кремень положил начало так называемому каменному веку благодаря его повсеместной доступности и способности образовывать острые режущие края при сколе.

Именно оксид кремния делает прочными стебли таких растений, как камыши, тростники и хвощи, листья осоки и стебли злаков. В защитных наружных покровах некоторых животных также содержится кремнезем.

К тому же, он лежит в основе силикатного клея, благодаря которому создается силиконовый герметик и силиконовый каучук.

Химические свойства оксида кремния

Диоксид кремния взаимодействует с огромным количеством химических элементов – как металлов, так и неметаллов. Например:

  • При высоких температурах кремнезем взаимодействует со щелочами, образуя при этом соли:

SiO2 + 2KOH → K2SiO3 + H2O (при температуре).

  • Как типичный кислотный оксид, данное соединение дает силикаты в результате взаимодействия с оксидами различных металлов:

SiO2 + CaO → CaSiO3 (при температуре).

  • Или с карбонатными солями:

SiO2 + K2CO3 → K2SiO3 + CO2↑ (при температуре).

  • Одно из важнейших химических свойств диоксида кремния – это возможность получения из него чистого кремния. Это можно осуществить двумя способами – при взаимодействии диоксида с магнием или углеродом:

SiO2 + 2Mg → 2MgO + Si (при температуре).

SiO2 + 2C → Si + 2CO (при температуре)

Кремниевая кислота

Кремниевая кислота является очень слабой. Она нерастворима в воде и при реакциях образует студенистый осадок, который иногда способен заполнить весь объем раствора. Когда данная смесь высыхает, можно увидеть образовавшийся силикагель, который применяется как адсорбент (поглотитель других веществ).

Наиболее доступный и распространенный способ получения кремниевой кислоты можно выразить при помощи формулы:

K2SiO3 + 2HCl → 2KCl + H2SiO3↓.

Силициды

Рассматривая кремний и его соединения, очень важно сказать о таких его солях, как силициды. Такие соединения кремний образует с металлами, приобретая, как правило, при этом степень окисления -4. Однако такие металлы, как ртуть, цинк, бериллий, золото и серебро не способны взаимодействовать с кремнием и образовывать силициды.

Наиболее распространенными силицидами являются Mg2Si, Ca2Si, NaSi и некоторые другие.

Силикаты

Такие соединения, как силикаты занимают второе место по распространенности после диоксида кремния. Соли-силикаты считаются достаточно сложными веществами, так как имеют непростую структуру строения, а также они входят в состав большинства минералов и горных пород.

К наиболее распространенным в природе силикатам – алюмосиликатам – относят гранит, слюды, различные виды глин. Также известным силикатом является асбест, из которого изготавливаются огнестойкие ткани.

Применение кремния

В первую очередь, кремний применяется для получения материалов-полупроводников и кислотоупорных сплавов. Карбид кремния (SiC) часто используют для затачивания резцов станков и шлифовки ценных камней.

Из расплавленного кварца изготавливается устойчивую и крепкую кварцевую посуду.

Соединения кремния лежат в основе производства стекла и цемента.

Стекла отличаются друг от друга по составу, в котором обязательно присутствует кремний. Например, помимо оконных, существуют тугоплавкие, хрустальные, кварцевые, цветные, фотохромные, оптические, зеркальные и другие стекла.

При смешивании цемента с водой образуется особое вещество – цементный раствор, из которого впоследствии получают такой строительный материал, как бетон.

Производством этих веществ занимается силикатная промышленность. Помимо стекла и цемента, в силикатной промышленности получают кирпич, фарфор, фаянс и различные изделия из них.

Заключение

Итак, мы выяснили, что кремний является важнейшим химическим элементом, широко распространенным в природе. Кремний применяется при строительстве и художественной деятельности, а также незаменим для живых организмов. Многие вещества, начиная от простого стекла и заканчивая ценнейшим фарфором, имеют в своем составе кремний и его соединения.

Изучение химии позволяет познать окружающий наш мир и понять, что не все вокруг, даже самое великолепное и дорогое, настолько таинственно и загадочно, как могло показаться. Желаем успехов в научном познании и изучении такой прекрасной науки, как химия!

www.syl.ru

Кремний. Свойства кремния. Применение кремния

Описание и свойства кремния

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

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

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

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

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

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

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

Месторождения и добыча кремния

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

Применение кремния

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

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

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

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

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

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

Может ли кремний быть вредным?

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

Цена кремния

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

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

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

tvoi-uvelirr.ru

Кремний | Химия свойства элементов

Общие сведения и методы получения

Кремний ( Si ) — элемент темно-серого цвета с синеватым оттенком. От­крыт в 1811 г. Ж. Гей-Люссаком и Л. Тернаром. Полупроводниковые свойства кремния выявлены и использовались еще до второй мировой войны. Однако со времени создания германиевого транзистора (1948 г.) применение кремния временно сократилось, так как германий высокой чистоты получить в чистейшем виде оказалось проще, чем кремний. Производство высокочистого кремния для полупроводниковых приборов

начало развиваться с конца 50-х годов, когда был разработай и освоен процесс бестигельной зонной очистки этого элемента (1958 г.). Преиму­щество кремниевых полупроводников по сравнению с германиевыми — более высокие рабочие температуры (до 473 К против 333—353 К).

Кремний —один из самых распространеиых элементов, занимающий второе место после кислорода. В земной коре содержится 27,6 % (по массе) кремния.

Основным источником получения технического кремния служит крем­незем Si 02. С этой целью кремнезем восстанавливают углеродом (кок­сом) в шахтных электропечах при 1500—2750 «С. Кремний получают также в виде сплава с железом (ферросилиций). Для этого в шихту добавляют железную руду. Для получения высокочистого кремния ис­пользуют его соединения: галогениды, силаны, галогеносиланы и т. д.

Способы получения кремния:

— восстановление тетрахлорида кремния ( SiCl 4 ) водородом;

— восстановление трихлорсилана (SiHCy водородом;

— термическое разложение моносилана на нагретых до 500—700 °С кремниевых стержнях.

Недостаток последнего способа — возможность возгорания и взрыво-опасность.

Дальнейшая очистка кремния осуществляется вертикальной бссти-гельной зонной плавкой (метод плавающей зоны).

Выращивание легированных монокристаллов кремния с заданным типом проводимости осуществляется вытягиванием из расплава по ме­тоду Чохральского. Для наращивания эпитаксиальных пленок исполь­зуют перечисленные выше процессы получения кремния из его соеди­нений, а также обратимую реакцию образования и разложения тет-раиодида.

Физические свойства

Атомные характеристики. Атомный номер 14, атомная масса 28,08 а.е.м., атомный объем 12,04*10-6 м3/моль, атомный радиус 0,134 нм, радиус иона Si 4+ 0,039 нм. Электронная конфигурация внешней электронной оболочки 3 s 2 p 6 . Потенциалы ионизации J (эВ): 8,149; 16,34; 33,46. Электроотрицательность 1,9. Кристаллическая решетка кремния — куби­ческая типа алмаза с восемью атомами в элементарной ячейке; период решетки а=0,54304 нм. Энергия кристаллической решетки 370 мкДж/ /кмоль. Координационное число 4. Под воздействием высокого давления кремний переходит в тетрагональную сингонию прн 300 К. Переход со­провождается изменением объема AV / V = —29 %.

Химические свойства

В соединениях проявляет степень окисления +4, значительно реже +2 В кислотах, в том числе в плавиковой, кремний нерастворим Хоро шо растворяется в смеси азотной и плавиковой кислот, менее интенсив­но в азотной кислоте с добавками пероксида водорода и брома. Ще­лочи (разбавленные и концентрированные) легко растворяют коеч-‘и ; Присутствие пероксида водорода ускоряет процесс растворения кремния в щелочах

Кремний проявляет большое сродство к кислороду п фтору С кисло­родом кремний образует два соединения- Si 02 и SiO Образование SiO ,, сопровождается выделением большого количества тепла ЛЯ, оР=—913,42 кДж/моль. Известны многочисленные модификации Si 02, например i ‘ i лрц, тридимит, кристобалит. Описаны волокнистая форма диоксида кремния и очень плотный кремнезем с плотностью 3,01 Мг/м3, безвод­ный аморфный кремнезем Равновесная температура плавления Si 02 1723 «С. Быстрым нагреванием можно расплавить кварц при 1210 °С, тридимит прн 1680 °С Жидкий диоксид кремния кипит при 2590 °С, за­метное испарение в вакууме начинается при 1300 «С. При охлаждении расплавленного Si 02 получается прозрачное (в том числе для ультра­фиолетовых лучей) кварцевое стекло. В отличие от кристаллов Si 02 структура кварцевого стекла состоит из неупорядоченных кремнекисло-родиых тетраэдров. Структуру кварцевого стекла имеют пленки, обра­зующиеся при окислении.

Оксид (II) кремния Si 02 в природе не встречается Может быть по­лучен восстановлением диоксида при 1623 К, а также восстановлением Si 02 углеродом. SiO — порошок темно-желтого цвета плотностью р = ■=2,16 Мг/м3. В твердом кремнии вблизи температуры плавления рас­творяется 5,6-10—3% (ат), а в жидком 4,5• 10—3% (ат.) 02.

Галогениды кремния могут быть получены прямым синтезом элемен­тов.

При этом фтор реагирует с кремнием уже при комнатной темпера­туре, а остальные галогены — при нагревании. Хлор кремния SiCl4 может быть получен действием хлора на нагретую смесь кремнезема и угля. Представляет собой прозрачную бесцветную жидкость, сильно дымящую на воздухе; плавится при —72 °С и кипит при 57,2 °С. Бромид кремния SiBr4 — бесцветная жидкость, дымящая на воздухе; темпера­тура кипения 154 °С. Иодид кремния Sil4 — бесцветные кристаллы; тем­пература плавления 120 °С, кипения 290 °С.

С азотом кремний образует одно устойчивое соединение — нитрид кремния Si3N4 ■—с выделением большого количества тепла ДЯ0бР = = (—753,14 кДж/моль). Реакция протекает выше 1300°С. Возможны также соединения SiN, Si2N3 Вблизи температуры плавления раствори­мость азота в твердом кремнии составляет 9-10~6% (ат.), в жи ikom 7-Ю-2 % (ат.).

Водород непосредственно не взаимодействует с кремнием Водород­ные соединения кремния—кремневодороды, или силаны, можно полу­чить действием соляной кислоты на силицид магния. Силаны малоустой­чивы, легко окисляются на воздухе, имеют специфический запах и силь­но ядовиты Окисляемость силанов возрастает с увеличением их моле­кулярной массы Моносилан SiH4 —бесцветный газ, образующий с воздухом взрывчатую смесь. Температура затвердевания 185°С, кипе­ния 111,9°С, гидролизуется водой. По сравнению с другими кремнево-дородами характеризуется максимальной термической устойчивостью. Выше 400°С разлагается на кремний и водород. Как и углеводороды, сила­ны взаимодействуют с галогенами, которые замещают атомы водорода. Практическое значение имеет трихлорсилан SiHCb, из которого путем

восстановления получают чистый кремний. Трихлорсилан — прозрачная, легкоподвижная и горючая жидкость с плотностью 1,35 Мг/м3, очень летучая (температура кипения 32 °С, сильно дымит на воздухе в резуль­тате гидролиза.

Основное соединение кремния с углеродом — карбид кремния SiC . При атмосферном давлении карбид кремния не плавится, а возгоняется. Температура начала возгонки около 2000 «С; интенсивная возгонка про­исходит выше 2500 °С. Карбид кремния существует в двух модификаци­ях- 6 и а. Кристаллы 6- SiC имеют кубическую структуру сфалерита, a — SiC — гексагональную с многочисленными политипными формами (около 20 политипных форм). Температура монотропного перехода низ­котемпературной В-модификации SiC в а-модификацию 2100 °С. Моди­фикация а может неограниченно долго существовать и при низких тем­пературах.

Химически чистый карбид кремния бесцветен. Примеси могут окра­шивать его от зеленого до сине-черного цвета. Зеленые кристаллы со­держат донорные примеси (Fe, Bi, Sb, As, P, N) и обладают проводи­мостью я-типа. Кристаллы с голубой окраской имеют акцепторные прнмеси (металлы II и III групп Периодической системы) и характери­зуются проводимостью р-типа.

Вблизи температуры плавления кремния растворимость углерода в твердой фазе 6,5- Ю-4 °/о (атЛ, в жидкой фазе 9- Ю-3 % (ат ).

При непосредственном взаимодействии кремния с фосфором выше 500 °С могут быть получены игольчатые кристаллы монофосфида крем­ния SiP

Известны соединения кремния с мышьяком- SiAs и SiAs2. Растворимость гелня в кремнии может быть описана уравнением !gC = — 5,9—2400/Г (в области 970—1200 °С).

Большинство систем кремний — металл относится к эвтектическому

ТИПУ.

Технологические свойства

Чистый кремний характеризуется значительной хрупкостью. Пластиче­ская деформация возможна только при температурах, близких к тем­пературе плавления, и в условиях всестороннего неравномерного сжа­тия. Детали заданной конфигурации из кремния изготовляют резкой алмазными пилами. Монокристаллы кремния могут быть получены вы­тягиванием из расплава через диафрагму по методу Степанова.

Области применения

Кремневые приборы, применяемые в радиоэлектронике, вычислитель­ной технике, оптике и т. д., отличаются повышенной надежностью, ком­пактностью, высокими значениями к. п. д., способностью работать при повышенных температурах 120—150 «С.

Монокристаллический кремний используют в электронике — для схем на кремниевых диодах и транзисторах, не требующих мощных батарей питания и безотказно работающих в условиях больших ускорений и по­вышенных температур.

Кремниевые солнечные батареи применяют для зарядки аккумуля­торов питания электронной аппаратуры спутников и космических ко­раблей.

Кремниевые приборы используют в кибернетических машинах и счетно-решающих устройствах.

Эпитаксиальные пленки кремния перспективны в микроэлектронике; их применяют при изготовлении герметизированных сопротивлений, тон­копленочных конденсаторов, биполярных и униполярных транзисторов, интегральных схем бытового и специального назначения.

Приборы, изготовленные на кремниевых кристаллах, нашли приме­нение в ядерной физике, инфракрасной оптике и других областях тех­ники.

Силовые кремниевые вентили, характеризующиеся высоким коэффи­циентом полезного действия, стабильностью работы в интервале темпе­ратур от —60 до +200 °С, простотой в эксплуатации, применяются в выпрямляющих устройствах, используемых на электрофицированных железных дорогах.

Исключительно важное практическое значение имеют и некоторые соединения кремния.

Карбид кремния служит для изготовления полупроводниковых диодов н транзисторов, термисторов, предназначенных для работы при высоких температурах, а также детекторов ядерных частиц.

Светодиоды из карбида кремния обладают достаточной интенсив, постью свечения при незначительном потреблении энергии и дают ши­рокий спектр свечения, характеризуются также радиационной стой­костью.

Это соединение входит также в состав высокотемпературных термо­пар карбид кремния—карбид бора, развивающих при 2000 °С т. э. д. с. до 600 мкВ/град.

Кварцевое стекло (Si02) — незаменимый материал для получения высокочистых полупроводниковых веществ. Это стекло имеет ничтожно малый температурный коэффициент линейного расширения, отличается высокой огнеупорностью, кислотостойкостью. Пленки, получающиеся при окислении кремния, также представляют собой кварцевое стекло. Они служат основным маскирующим и изолирующим средством при созда­нии интегральных схем, а в МОП (металл — оксид — полупроводнико­вая структура)-структурах также выполняет роль активных элементов твердой схемы. Si02 является основным сырьевым материалом в произ­водстве технического кремния.

Некоторые соединения кремния с переходными металлами использу­ются при создании сверхпроводящих материалов.

Кремний входит в состав многих сплавов железа и цветных метал­лов, придавая им коррозионную стойкость, высокие литейные и меха­нические свойства.

ibrain.kz

Карбид кремния — Википедия

Карбид кремния
Хим. формула SiC
Состояние кристаллы, друзы или кристаллические порошки от прозрачного белого, жёлтого, зелёного или тёмно-синего до чёрного цветов, в зависимости от чистоты, дисперсности, аллотропных и политипных модификаций.
Молярная масса 40.0962 г/моль
Плотность [1]
Твёрдость 9.5
Энергия ионизации 9,3 ± 0,1 эВ[3]
Т. плав. (с разл.) 2730 °C
4892 ± 1 °F[3]
Давление пара 0 ± 1 мм рт.ст.[3]
Растворимость в воде нерастворим
Растворимость в кислотах нерастворим
Показатель преломления [2]
Рег. номер CAS 409-21-2
PubChem 9863
Рег. номер EINECS 206-991-8
SMILES
InChI
RTECS VW0450000
ChEBI 29390
ChemSpider 9479
Токсичность
Приводятся данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иного.

Карби́д кре́мния (карбору́нд) — бинарное неорганическое химическое соединение кремния с углеродом. Химическая формула SiC. В природе встречается в виде чрезвычайно редкого минерала — муассанита. Порошок карбида кремния был получен в 1893 году. Используется как абразив, полупроводник, для имитирующих алмаз вставок в ювелирные украшения.

Повторение эксперимента Г. Д. Раунда

О ранних, не систематических и часто непризнанных синтезах карбида кремния сообщали Деспретз (1849), Марсден (1880) и Колсон (1882 год)[4]. Широкомасштабное производство начал Эдвард Гудрич Ачесон в 1893. Он запатентовал метод получения порошкообразного карбида кремния 28 февраля 1893[5]. Ачесон также разработал электрическую печь, в которой карбид кремния создаётся до сих пор. Он основал компанию The Carborundum Company для производства порошкообразного вещества, которое первоначально использовалось в качестве абразива[6].

Исторически первым способом использования карбида кремния было использование в качестве абразива. За этим последовало применение и в электронных устройствах. В начале XX века карбид кремния использовался в качестве детектора в первых радиоприемниках[7]. В 1907 году Генри Джозеф Раунд создал первый светодиод, подавая напряжение на кристаллы SiC и наблюдая за жёлтым, зелёным и оранжевым излучением на катоде. Эти эксперименты были повторены О. В. Лосевым в СССР в 1923 году[8].

Монокристалл муассанита (~1 мм в размере)

Природный карбид кремния — муассанит можно найти только в ничтожно малых количествах в некоторых типах метеоритов и в месторождениях корунда и кимберлита. Практически любой карбид кремния, продаваемый в мире, в том числе и в виде муассанитового украшения, является синтетическим. Природный муассанит был впервые обнаружен в 1893 году в виде небольших шестиугольных пластинчатых включений в метеорите Каньон Диабло в Аризоне Фердинандом Анри Муассаном, в честь которого и был назван минерал в 1905 году[9]. Исследование Муассана о естественном происхождении карбида кремния было изначально спорным, потому что его образец мог быть загрязнён крошкой карбида кремния от пилы (в то время пилы уже содержали данное вещество)[10].

Хоть карбид кремния и является редким веществом на Земле, он широко распространён в космосе. Это вещество встречается в пылевых облаках вокруг богатых углеродом звёзд, также его много в первозданных, не подвергшихся изменениям, метеоритах (почти исключительно в форме бета-полиморфа). Анализ зёрен карбида кремния, найденных в углеродистом хондритовом метеорите Мёрчисон, показал аномальное изотопное соотношение углерода и кремния, что указывает на происхождение данного вещества за пределами Солнечной системы: 99 % зёрен SiC образовалось около богатых углеродом звёзд, принадлежащих к асимптотической ветви гигантов[11]. Карбид кремния можно часто обнаружить вокруг таких звёзд по их ИК-спектрам[12].

Из-за редкости нахождения в природе муассанита карбид кремния, как правило, имеет искусственное происхождение. Простейшим способом производства является спекание кремнезёма с углеродом в графитовой электропечи Ачесона при высокой температуре 1600—2500 °C:

SiO2+3C→1600−2500oCSiC+2CO{\displaystyle {\mathsf {SiO_{2}+3C{\xrightarrow {1600-2500^{o}C}}SiC+2CO}}}
Синтетические кристаллы SiC ~ 3 мм в диаметре

Чистота карбида кремния, образующегося в печи Ачесона, зависит от расстояния до графитового резистора в ТЭНе.

Кристаллы высокой чистоты бесцветного, бледно-жёлтого и зелёного цвета находятся ближе всего к резистору. На большем расстоянии от резистора цвет изменяется на синий или чёрный из-за примесей. Загрязнителями чаще всего являются азот и алюминий, они влияют на электропроводность полученного материала[13].

Чистый карбид кремния можно получить с помощью так называемого процесса Лели[en][14], в котором порошкообразный SiC возгоняется в атмосфере аргона при 2500 °C и осаждается на более холодной подложке в виде чешуйчатых монокристаллов размерами до 2×2 см. Этот процесс даёт высококачественные монокристаллы, получающиеся из-за быстрого нагрева до высоких температур и в основном состоящие из 6H-SiC фазы. Улучшенный процесс Лели при участии индукционного нагрева в графитовых тиглях даёт ещё большие монокристаллы до 10 см в диаметре[15]. Кубический SiC, как правило, выращивается с помощью более дорогостоящего процесса — химического осаждения паров[13][16].

Чистый карбид кремния также может быть получен путём термического разложения полимера полиметилсилана (SiCH3)n, в атмосфере инертного газа при низких температурах. Относительно CVD-процесса метод пиролиза более удобен, поскольку из полимера можно сформировать изделие любой формы перед запеканием в керамику[17][18][19][20].

Известно примерно 250 кристаллических форм карбида кремния[21]. Полиморфизм SiC характеризуется большим количеством схожих кристаллических структур, называемых политипами. Они являются вариациями одного и того же химического соединения, которые идентичны в двух измерениях, но отличаются в третьем. Таким образом, их можно рассматривать как слои, сложенные в стопку в определённой последовательности[22].

Альфа-карбид кремния (α-SiC) является наиболее часто встречающимся полиморфом. Эта модификация образуется при температуре свыше 1700 °C и имеет гексагональную решётку, кристаллическая структура типа вюрцита.

Бета-модификация (β-SiC), с кристаллической структурой типа цинковой обманки (аналог структуры алмаза), образуется при температурах ниже 1700 °C[23]. До недавнего времени бета-форма имела сравнительно небольшое коммерческое использование, однако в настоящее время в связи с использованием его в качестве гетерогенных катализаторов интерес к ней увеличивается. Нагревание бета-формы до температур свыше 1700 °C способно приводить к постепенному переходу кубической бета-формы в гексагональную (2Н, 4Н, 6Н, 8Н) и ромбичекую (15R).[24] При повышении температуры и времени процесса все образующиеся формы переходят в конечном итоге в гексагональный альфа-политип 6Н.[25]

Чистый карбид кремния бесцветен. Его оттенки от коричневого до чёрного цвета связаны с примесями железа. Радужный блеск кристаллов обусловливается тем, что при контакте с воздухом на их поверхности образуется плёнка из диоксида кремния, что приводит к пассивированию внешнего слоя.

Карбид кремния является весьма инертным химическим веществом: практически не взаимодействует с большинством кислот, кроме концентрированных фтористоводородной (плавиковой), азотной и ортофосфорной кислот. Способен выдерживать нагревание на открытом воздухе до температур порядка 1500 °C. Карбид кремния не плавится при любом известном давлении, но способен сублимировать при температурах свыше 1700 °C. Высокая термическая устойчивость карбида кремния делает его пригодным для создания подшипников и частей оборудования для высокотемпературных печей.

Существует большой интерес в использовании данного вещества в качестве полупроводникового материала в электронике, где высокая теплопроводность, высокое электрическое напряжение пробоя и высокая плотность электрического тока делают его перспективным материалом для высокомощных устройств[28], в том числе при создании сверхмощных светодиодов. Карбид кремния имеет очень низкий коэффициент теплового расширения (4,0⋅10−6K) и в достаточно широком температурном диапазоне эксплуатации он не испытывает фазовых переходов (в том числе фазовых переходов второго рода), из-за которых может произойти разрушение монокристаллов[13].

Электропроводность[править | править код]

Карбид кремния является полупроводником, тип проводимости которого зависит от примесей. Проводимость n-типа получается при легировании азотом или фосфором, а p-тип — с помощью алюминия, бора, галлия или бериллия[2]. Металлическая проводимость была достигнута за счёт сильного легирования бором, алюминием и азотом.

Сверхпроводимость была обнаружена в политипах 3C-SiC:Al, 3C-SiC:B и 6H-SiC:B при одинаковой температуре — 1,5 К[29].

Физические свойства[править | править код]

Карбид кремния является твердым, тугоплавким веществом. Кристаллическая решётка аналогична решётке алмаза. Является полупроводником.[30]

Химические свойства[править | править код]

Карбид кремния является единственным бинарным соединением, образуемым элементами IV группы Периодической таблицы элементов Д. И. Менделеева. По типу химической связи карбид кремния относится к ковалентным кристаллам. Доля ионной связи, обусловленной некоторым различием в электроотрицательностях атомов Si и C, не превышает 10—12 %. Энергия ковалентной связи между атомами кремния и углерода в кристаллах SiC почти в три раза превышает энергию связи между атомами в кристаллах кремния. Благодаря сильным химическим связям карбид кремния выделяется среди других материалов высокой химической и радиационной стойкостью, температурной стабильностью физических свойств, большой механической прочностью и высокой твердостью. В инертной атмосфере карбид кремния разлагается только при очень высокой температуре:

SiC →2830∘C Si+C{\displaystyle {\mathsf {SiC\ {\xrightarrow {2830^{\circ }C}}\ Si+C}}}

Сильно перегретый пар разлагает карбид кремния:

SiC+2h3O →1300∘C SiO2+Ch5{\displaystyle {\mathsf {SiC+2H_{2}O\ {\xrightarrow {1300^{\circ }C}}\ SiO_{2}+CH_{4}}}}

Концентрированные окисляющие кислоты и их смеси растворяют карбид кремния:

3SiC+8HNO3⟶3SiO2+3CO2+8NO+4h3O{\displaystyle {\mathsf {3SiC+8HNO_{3}\longrightarrow 3SiO_{2}+3CO_{2}+8NO+4H_{2}O}}}
3SiC+18HF+8HNO3⟶3h3[SiF6]+3

ru.wikipedia.org

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *