Кремній: застосування, хімічні та фізичні властивості

Один з найпоширеніших у природі елементів - це silicium, або кремній. Таке широке розселення говорить про важливість і значущість даної речовини. Це швидко зрозуміли і засвоїли люди, які навчилися правильно використовувати в своїх цілях кремній. Застосування його базується на особливих властивості, про які й поговоримо далі.

Кремній - хімічний елемент

Якщо давати характеристику даного елемента за положенням у періодичній системі, то можна позначити наступні важливі пункти:

1. Порядковий номер - 14.
2. Період - третій малий.
3. Група - IV.
4. Підгрупа - головна.
5. Будова зовнішньої електронної оболонки виражається формулою 3s²3p².
6. Елемент кремній позначається хімічним символом Si, який вимовляється як "силіциуму".
7. Ступені окислення, які він виявляє: -4- + 2- +4.
8. Валентність атома дорівнює IV.
9. Атомна маса кремнію дорівнює 28,086.
10. У природі існує три стійких ізотопу даного елемента з масовими числами 28, 29 і 30.

Таким чином, атом кремнію з хімічної точки зору - досить вивчений елемент, описано безліч різних його властивостей.

Історія відкриття

Так як у природі дуже популярні і массови за змістом саме різні сполуки розглянутого елемента, здавна люди використовували і знали про властивості саме багатьох з них. Чистий же кремній довгий час залишався за гранню пізнань людини в хімії.

Найбільш популярними сполуками, якими користувалися в побуті та промисловості народи древніх культур (єгиптяни, римляни, китайці, русичі, перси та інші), були дорогоцінні й виробні камені на основі оксиду кремнію. До них відносяться:

• опал;
• Горний кришталь;
• топаз;
• хризопраз;
• онікс;
• халцедон та інші.

Також спрадавна прийнято використовувати кварц і кварцовий пісок у будівельній справі. Однак сам елементарний кремній залишався нерозкритим аж до XIX століття, хоча багато вчених марно намагалися виділити його з різних сполук, використовуючи для цього і каталізатори, і високі температури, і навіть електричний струм. Це такі світлі уми, як:

• Карл Шеєле;
• Гей-Люссак;
• Тенар;
• Гемфрі Деві;
• Антуан Лавуазьє.

Здійснити вдало отримання кремнію в чистому вигляді вдалося Йенсу Якобс Берцелиусу в 1823 році. Для цього він проводив досвід з сплавлению парів фтористого кремнію і металевого калію. У результаті отримав аморфну модифікацію розглянутого елемента. Цим же вченим було запропоновано латинська назва відкритого атому.

Ще дещо пізніше, в 1855 році, інший учений - Сент Клер-Девілль - зумів синтезувати іншу аллотропную різновид - кристалічний кремній. З тих пір знання про даному елементі і його властивості стали дуже швидко поповнюватися. Люди зрозуміли, що він володіє унікальними особливостями, які можна дуже грамотно використовувати для задоволення власних потреб. Тому сьогодні один з найбільш затребуваних елементів в електроніці і техніці - це кремній. Застосування його лише розширює свої кордони з кожним роком.

Російська назва атому дав учений Гесс в 1831 році. Саме воно і закріпилося до сьогоднішнього дня.

Зміст у природі

За поширеністю в природі кремній займає друге місце після кисню. Його процентне співвідношення в порівнянні з іншими атомами в складі земної кори - 29,5%. Крім того, вуглець і кремній - це два особливих елемента, здатних формувати ланцюга, з`єднуючись один з одним. Саме тому для останнього відомо більше 400 різних природних мінералів, у складі яких він і міститься в літосфері, гідросфері та біомасі.

Де конкретно міститься кремній?

1. У глибоких шарах грунту.
2. У гірських породах, покладах і масивах.
3. На дні водойм, особливо морів і океанів.
4. У рослинах і морських мешканців царства тварин.
5. В організмі людини і наземних тварин.

Можна позначити кілька найпоширеніших мінералів і гірських порід, у складі яких у великій кількості присутній кремній. Хімія їх така, що масовий вміст чистого елементу в них досягає 75%. Однак конкретна цифра залежить від різновиду матеріалу. Отже, гірські породи та мінерали з вмістом кремнію:

• польові шпати;
• слюди;
• амфіболи;
• опали;
• халцедони;
• силікати;
• пісковики;
• алюмосилікати;
• глини та інші.

Накопичуючись в панцирах і зовнішніх скелетах морських тварин, кремній з часом формує потужні поклади кремнезему на дні водойм. Це один з природних джерел даного елемента.

Крім того, було встановлено, що силіциуму може існувати в чистому самородному вигляді - у вигляді кристалів. Але подібні родовища дуже рідкісні.

Фізичні властивості кремнію

Якщо давати характеристику розглянутого елемента по набору фізико-хімічних властивостей, то в першу чергу слід позначити саме фізичні параметри. Ось кілька основних:

1. Існує у вигляді двох аллотропних модифікацій - аморфний і кристалічний, які відрізняються за всіма властивостями.
2. Кристалічна решітка дуже схожа з такою у алмазу, адже вуглець і кремній в цьому відношенні практично однакові. Однак відстань між атомами різне (у кремнію більше), тому алмаз набагато твердіше і міцніше. Тип решітки - кубічна гранецентрированная.
3. Речовина дуже крихке, при високих температурах стає пластичним.
4. Температура плавлення дорівнює 1415 С.
5. Температура кипіння - 3250 С.
6. Щільність речовини - 2,33 г / см³.
7. Колір з`єднання - сріблясто-сірий, виражений характерний металевий блиск.
8. Володіє хорошими напівпровідниковими властивостями, які здатні варіювати при додаванні тих чи інших агентів.
9. Не розчиняється у воді, органічних розчинниках і кислотах.
10. Специфічно розчинний у лугах.

Окреслені фізичні властивості кремнію дозволяють людям керувати ним і застосовувати для створення різних виробів. Так, наприклад, на властивостях полупроводімості грунтується використання чистого кремнію в електроніці.

Хімічні властивості

Хімічні властивості кремнію дуже сильно залежать від умов проведення реакції. Якщо говорити про чистій речовині при стандартних параметрах, то потрібно позначити дуже низьку активність. Як кристалічний, так і аморфний кремній дуже інертні. Не взаємодіють ні з сильними окислювачами (крім фтору), ні з сильними відновниками.

Це пов`язано з тим, що на поверхні речовини миттєво формується оксидна плівка SiO₂, яка перешкоджає подальшим взаємодіям. Вона здатна утворитися під впливом води, повітря, парів.

Якщо ж змінити стандартні умови і призвести нагрівання кремнію до температури понад 400 С, то його хімічна активність сильно зросте. У цьому випадку він буде вступати в реакції з:

• киснем;
• всіма видами галогенів;
• воднем.

При подальшому підвищенні температури можливе утворення продуктів при взаємодії з бором, азотом та вуглецем. Особливе значення має карборунд - SiC, так як він є хорошим абразивним матеріалом.

Також хімічні властивості кремнію чітко простежуються при реакціях з металами. По відношенню до них він окислювач, тому продукти носять назву силіцидів. Відомі подібні з`єднання для:

• лужних;
• лужноземельних;
• перехідних металів.

Незвичайними властивостями володіє з`єднання, що отримується при сплаву заліза і кремнію. Воно носить назву ферросіліціевой кераміки і успішно застосовується в промисловості.

Зі складними речовинами кремній у взаємодію не вступає, тому з усіх їх різновидів здатний розчинятися лише в:

• царській горілці (суміш азотної і соляної кислот);
• їдких лугах.

При цьому температура розчину має бути не меншою 60 . Все це ще раз підтверджує фізичну основу речовини - алмазоподобную стійку кристалічну решітку, надають йому міцність і інертність.

Способи отримання

Отримання кремнію в чистому вигляді - процес досить витратний економічно. Крім того, в силу його властивостей будь-який спосіб дає лише на 90-99% чистий продукт, у той час як домішки у вигляді металів і вуглецю залишаються все одно. Тому просто отримати речовину недостатньо. Його слід ще й якісно очистити від сторонніх елементів.

В цілому ж виробництво кремнію здійснюється двома основними шляхами:

1. З білого піску, який являє собою чистий оксид кремнію SiO₂. При прожарюванні його з активними металами (найчастіше з магнієм) відбувається утворення вільного елементу у вигляді аморфної модифікації. Чистота такого способу висока, продукт виходить з 99,9-процентним виходом.
2. Більш широко поширений спосіб в промислових масштабах - це спікання розплаву піску з коксом в спеціалізованих термічних печах для випалу. Даний спосіб був розроблений російським ученим Бекетовим Н. Н.

Подальша обробка полягає в піддав продуктів методам очищення. Для цього використовуються кислоти або галогени (хлор, фтор).

Аморфний кремній

Характеристика кремнію буде неповною, якщо не розглянути окремо кожну його аллотропную модифікацію. Перша з них - це аморфна. У такому стані аналізованих нами речовина являє собою порошок буро-коричневого кольору, дрібнодисперсний. Володіє високим ступенем гігроскопічності, проявляє досить високу хімічну активність при нагріванні. У стандартних умовах здатний взаємодіяти тільки з найсильнішим окислювачем - фтором.

Називати аморфний кремній саме різновидом кристалічного не зовсім правильно. Його решітка показує, що дана речовина - це лише форма дрібнодисперсного кремнію, існуючого у вигляді кристалів. Тому як такі ці модифікації - одне й те ж з`єднання.

Однак властивості їх різняться, тому і прийнято говорити про Алотропія. Сам по собі аморфний кремній володіє високою светопоглотітельной здатністю. Крім того, за певних умов даний показник в рази перевищує подібний у кристалічній форми. Тому його використовують у технічних цілях. У розглянутому вигляді (порошок) сполука легко наноситься на будь-яку поверхню, будь то пластик або скло. Тому так зручний для використання саме аморфний кремній. Застосування засноване на виготовленні сонячних батарей різних розмірів.

Хоча знос батарей подібного типу досить швидкий, що пов`язано з стиранням тонкої плівки речовини, однак застосування і затребуваність тільки зростає. Адже навіть за короткий термін служби сонячні батареї на основі аморфного кремнію здатні забезпечити енергією цілі підприємства. До того ж виробництво подібної речовини безвідходне, що робить його дуже економним.

Отримують таку модифікацію шляхом відновлення з`єднань активними металами, наприклад, натрієм або магнієм.

Кристалічний кремній

Сріблясто-сіра блискуча модифікація розглянутого елемента. Саме така форма є найпоширенішою і найбільш затребуваною. Це пояснюється набором якісних властивостей, якими володіє дана речовина.

Характеристика кремнію з кристалічною решіткою включає в себе класифікацію його видів, так як їх декілька:

1. Електронного якості - найчистіший і максимально високоякісний. Саме такий вид використовується в електроніці для створення особливо чутливих приладів.
2. Сонячного якості. Сама назва визначає область використання. Це також досить високий по чистоті кремній, застосування якого необхідно для створення якісних і довго працюють сонячних батарей. Фотоелектричні перетворювачі, створені на основі саме кристалічної структури, якісніші і зносостійкі, ніж ті, що створені з використанням аморфної модифікації шляхом напилення на різного типу підкладки.
3. Технічний кремній. У цю різновид включаються ті зразки речовини, в яких міститься близько 98% чистого елементу. Все інше йде на різного роду домішки:

• бор;
• алюміній;
• хлор;
• вуглець;
• фосфор та інші.

Останній різновид даної речовини використовується з метою отримання полікристалів кремнію. Для цього проводяться процеси перекристалізації. Внаслідок цього по чистоті виходять такі продукти, які можна відносити до груп сонячного і електронного якості.

За своєю природою полікремній - це проміжний продукт між аморфною модифікацією і кристалічної. З таким варіантом легше працювати, він краще піддається переробці і очищенні фтором і хлором.

Продукти, які виходять в результаті, можна класифікувати так:

• мультікремній;
• монокристалічний;
• профільовані кристали;
• кремнієвий скрап;
• технічний кремній;
• відходи виробництва у вигляді осколків і обрізків речовини.

Кожен з них знаходить застосування в промисловості і використовується людиною повністю. Тому виробничі процеси, стосуються кремнію, вважаються безвідходними. Це значно знижує його економічну вартість, при цьому не впливаючи на якість.

Використання чистого кремнію

Виробництво кремнію в промисловості налагоджено досить добре, а його масштаби досить об`ємні. Це пов`язано з тим, що даний елемент, як чистий, так і у вигляді різних сполук, широко поширений і затребуваний у різних галузях науки і техніки.

Де ж використовується кристалічний і аморфний кремній в чистому вигляді?

1. У металургії як легирующая добавка, здатна міняти властивості металів та їх сплавів. Так, він використовується при виплавці сталі і чавуну.
2. Різні види речовини йдуть на виготовлення більш чистого варіанти - полікремнію.
3. Сполуки кремнію з органічними речовинами - це ціла хімічна галузь, яка отримала особливу популярність сьогодні. Кремнійорганічні матеріали використовуються в медицині, при виготовленні посуду, інструментів і багато чого іншого.
4. Виготовлення різних сонячних батарей. Цей спосіб отримання енергії є одним з найперспективніших в майбутньому. Екологічно чисто, економічно вигідно і зносостійке - основні достоїнства такого отримання електрики.
5. Кремній для запальничок використовується вже дуже давно. Ще в давнину люди використовували кремінь для отримання іскри при розпалювання вогню. Цей принцип закладений в основу виробництва запальничок різного роду. Сьогодні зустрічаються види, в яких кремінь замінений на сплав певного складу, що дає ще більш швидкий результат (іскріння).
6. Електроніка та сонячна енергетика.
7. Виготовлення дзеркалець в газових лазерних пристроях.

Таким чином, чистий кремній має масу переважних і особливих властивостей, що дозволяють використовувати його для створення важливих і потрібних продуктів.

Застосування сполук кремнію

Крім простого речовини, використовуються і різні сполуки кремнію, причому дуже широко. Існує ціла галузь промисловості, яка називається силікатної. Саме вона заснована на використанні різних речовин, до складу яких входить цей дивовижний елемент. Які це з`єднання і що з них виробляють?

1. Кварц, або річковий пісок - SiO₂. Використовується для виготовлення таких будівельних і декоративних матеріалів, як цемент і скло. Де використовуються ці матеріали, всім відомо. Жодне будівництво не обходиться без даних компонентів, що підтверджує значимість сполук кремнію.
2. Силікатна кераміка, до якої входять такі матеріали, як фаянс, фарфор, цегла і продукти на їх основі. Дані компоненти використовуються в медицині, при виготовленні посуду, декоративних прикрас, предметів побуту, в будівництві і інших побутових областях діяльності людини.
3. Кремнійорганічні сполуки - силікони, силикагели, силіконові масла.
4. Силікатний клей - використовується як канцелярський, в піротехніці та будівництві.

Кремній, ціна на який варіює на світовому ринку, але не перетинає зверху вниз позначку в 100 рублів РФ за кілограм (за кристалічний), є затребуваним і цінним речовиною. Природно, що і сполуки цього елемента так само широко поширені і застосовні.

Біологічна роль кремнію

З точки зору значущості для організму кремній важливий. Його зміст і розподіл по тканинах таке:

• 0,002% - м`язова;
• 0,000017% - кісткова;
• кров - 3,9 мг / л.

Кожен день всередину повинно потрапляти близько одного грама кремнію, інакше почнуть розвиватися захворювання. Смертельно небезпечних серед них немає, однак тривале кремнієве голодування призводить до:

• випаданню волосся;
• появі вугрової висипки і прищів;
• крихкості і ламкості кісток;
• легкої проникності капілярів;
• втоми і головних болів;
• появи численних синців і синців.

Для рослин кремній - важливий мікроелемент, необхідний для нормального росту і розвитку. Досліди на тваринах показали, що краще ростуть ті особини, які щодня споживають достатню кількість кремнію.