Одержання кремнію. Кремній: характеристики, особливості та сфери застосування. Хімічні властивості оксиду кремнію

Зміст статті

КРЕМНІЙ, Si (silicium), хімічний елемент IVA підгрупи (C, Si, Ge, Sn та Pb) періодичної системи елементів, неметал. Кремній у вільному вигляді був виділений у 1811 р. Ж.Гей-Люссаком та Л.Тенаром при пропусканні парів фториду кремнію над металевим калієм, проте він не був описаний ними як елемент. Шведський хімік Й.Берцеліус у 1823 дав опис кремнію, отриманого ним при обробці калієвої солі K 2 SiF 6 металевим калієм при високій температурі, проте лише у 1854 кремній був отриманий у кристалічній формі А.Девілем. Кремній – другий за поширеністю (після кисню) елемент у земній корі, де він становить понад 25% (мас.). Зустрічається в природі в основному у вигляді піску, або кремнезему, який є діоксидом кремнію, і у вигляді силікатів (польові шпати M (M = Na, K, Ba), каолініт Al 4 (OH) 8 , слюди). Кремній можна отримати прожарюванням подрібненого піску з алюмінієм або магнієм; в останньому випадку його відокремлюють від утворюється MgO розчиненням оксиду магнію в соляній кислоті. Технічний кремній одержують у великих кількостях в електричних печах шляхом відновлення кремнезему вугіллям або коксом. Напівпровідниковий кремній отримують відновленням SiCl 4 або SiHCl 3 воднем з наступним розкладанням SiH 4, що утворюється, при 400-600° С. Високочистий кремній отримують вирощуванням монокристалу з розплаву напівпровідникового кремнію за методом Чохральського або методом безтигельної зонної плавки. Елементний кремній отримують в основному для напівпровідникової техніки, в інших випадках він використовується як легуюча добавка у виробництві сталей та сплавів кольорових металів (наприклад, для отримання феросиліцію FeSi, який утворюється при прожарюванні суміші піску, коксу та оксиду заліза в електричній печі та застосовується як розкислювач і легуюча добавка у виробництві сталей та як відновник у виробництві феросплавів).

Застосування.

Найбільше застосування кремній знаходить у виробництві сплавів для надання міцності алюмінію, міді та магнію та для отримання феросиліцидів, що мають важливе значення у виробництві сталей та напівпровідникової техніки. Кристали кремнію застосовують у сонячних батареях та напівпровідникових пристроях – транзисторах та діодах. Кремній служить також сировиною для виробництва кремнійорганічних сполук, або силоксанів, одержуваних у вигляді олій, мастил, пластмас та синтетичних каучуків. Неорганічні сполуки кремнію використовують у технології кераміки та скла, як ізоляційний матеріал та п'єзокристали.

Властивості.

Кремній – темно-сіра, блискуча кристалічна речовина, крихка і дуже тверда, кристалізується в решітці алмазу. Це типовий напівпровідник (проводить електрику краще, ніж ізолятор типу каучуку і гірше провідника – міді). При високій температурі кремній дуже реакційноздатний і взаємодіє з більшістю елементів, утворюючи силіциди, наприклад силіцид магнію Mg 2 Si та інші сполуки, наприклад SiO 2 (діоксид кремнію), SiF 4 (тетрафторид кремнію) і SiC (карбід кремнію, карборунд). Кремній розчиняється в гарячому розчині лугу з виділенням водню: Si + NaOH Na 4 SiO 4 + 2H 2 . 4 (тетрахлорид кремнію) отримують із SiO 2 і CCl 4 при високій температурі; це безбарвна рідина, що кипить при 58° С, легко гідролізується, утворюючи хлороводневу (соляну) кислоту HCl і ортокремнієву кислоту H 4 SiO 4 (цю властивість використовують для створення димових написів: HCl, що виділяється в присутності аміаку, утворює білу хмару хлориду хлориду . Тетрафторид кремнію SiF 4 утворюється при дії фтороводородної (плавикової) кислоти на скло:

Na 2 SiO 3 + 6HF ® 2NaF + SiF 4 + 3H 2 O

SiF 4 гідролізується, утворюючи ортокремнієву та гексафторокремнієву (H 2 SiF 6) кислоти. H 2 SiF 6 за силою близька до сірчаної кислоти. Багато фторосилікати металів розчиняються у воді (солі натрію, барію, калію, рубідія, цезію малорозчинні), тому HF використовують для переведення мінералів у розчин при виконанні аналізів. Сама кислота H 2 SiF 6 та її солі отруйні.

Кремнієві кислоти.

Дві оксокислоти кремнію H 4 SiO 4 (ортокремнієва) і H 2 SiO 3 (метакремнієва, або кремнієва) існують тільки в розчині і незворотно перетворюються на SiO 2 якщо випарити воду. Інші кремнієві кислоти виходять за рахунок різної кількості води в їх складі: H 6 Si 2 O 7 (пірокремнієва кислота з двох молекул ортокремнієвої кислоти), H 2 Si 2 O 5 і H 4 Si 3 O 8 (ді-і трикремнієва кислоти з двох і відповідно трьох молекул метакремнієвої кислоти). Усі кислоти кремнію слабкі. При додаванні до розчину силікату сірчаної кислоти утворюється гель (желатиноподібна речовина), при нагріванні та висушуванні якого залишається твердий пористий продукт – силікагель, що має розвинену поверхню і використовується як адсорбент газів, осушувач, каталізатор і носій каталізаторів.

ВИЗНАЧЕННЯ

Кремній- Чотирнадцятий елемент Періодичної таблиці. Позначення – Si від латинського «silicium». Розташований у третьому періоді, IVА групі. Належить до неметалів. Заряд ядра дорівнює 14.

Кремній - один із найпоширеніших у земній корі елементів. Він становить 27% (мас.) Доступної нашому дослідженню частини земної кори, займаючи за поширеністю друге місце після кисню. У природі кремній зустрічається тільки у сполуках: у вигляді діоксиду кремнію SiO 2 , що називається кремнієвим ангідридом або кремнеземом, у вигляді солей кремнієвих кислот (силікатів). Найширше у природі поширені алюмосилікати, тобто. силікати, до складу яких входить алюміній До них відносяться польові шпати, слюди, каолін та ін.

Як вуглець, входячи до складу всіх органічних речовинкремній є найважливішим елементомрослинного та тваринного царства.

У звичайних умовах кремній є речовиною темно-сірого кольору (рис. 1). за зовнішньому виглядусхожий на метал. Тугоплавок – температура плавлення дорівнює 1415 o С. Характеризується високою твердістю.

Мал. 1. Кремній. Зовнішній вигляд.

Атомна та молекулярна маса кремнію

Відносна молекулярна маса речовини (M r) - це число, що показує, у скільки разів маса даної молекули більша за 1/12 маси атома вуглецю, а відносна атомна маса елемента (A r) — у скільки разів середня маса атомів хімічного елементабільше ніж 1/12 маси атома вуглецю.

Оскільки у вільному стані кремній існує у вигляді одноатомних молекул Si, значення його атомної та молекулярної масзбігаються. Вони дорівнюють 28,084.

Алотропія та алотропні модифікації кремнію

Кремній може існувати у вигляді двох алотропних модифікацій: алмазоподібної (кубічної) (стійка) та графітоподібної (нестійка). Алмазоподібний кремній знаходиться у твердому агрегатному стані, а графітоподібний – в аморфному. Вони також різняться на вигляд і хімічної активності.

Кристалічний кремній є речовиною темно-сірого кольору з металевим блиском, а аморфний - порошок бурого кольору. Друга модифікація має більшу реакційну здатність, ніж перша.

Ізотопи кремнію

Відомо, що в природі кремній може бути у вигляді трьох стабільних ізотопів 28 Si, 29 Si і 30 Si. Їхні масові числа дорівнюють 28, 29 і 30 відповідно. Ядро атома ізотопу кремнію 28 Si містить чотирнадцять протонів і чотирнадцять нейтронів, а ізотопів Si 29 ​​і 30 Si - така ж кількість протонів, п'ятнадцять і шістнадцять нейтронів відповідно.

Існують штучні ізотопи кремнію з масовими числами від 22-х до 44-х, серед яких найбільш довгоживучим є 32 Si з періодом напіврозпаду рівним 170 років.

Іони кремнію

На зовнішньому енергетичному рівні атома кремнію є чотири електрони, які є валентними:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3р 2 .

Через війну хімічної взаємодії кремній може віддавати свої валентні електрони, тобто. бути їх донором і перетворюватися на позитивно заряджений іон, або приймати електрони від іншого атома, тобто. бути акцептором, і перетворюється на негативно заряджений іон:

Si 0 -4e → Si 4+;

Si 0 +4e → Si 4-.

Молекула та атом кремнію

У вільному стані кремній існує як одноатомних молекул Si. Наведемо деякі властивості, що характеризують атом та молекулу кремнію:

Сплави кремнію

Кремній використовується у металургії. Він є складовою багатьох сплавів. Найважливіші з них - це сплави на основі заліза, міді та алюмінію.

Приклади розв'язання задач

ПРИКЛАД 1

ПРИКЛАД 2

Сполуки Кремнія, поширені землі, були відомі людині з кам'яного віку. Використання кам'яних знарядь праці та полювання тривало кілька тисячоліть. Застосування сполук Кремнію, пов'язане з їх переробкою, – виготовлення скла – почалося близько 3000 років до н. е. (у Стародавньому Єгипті). Раніше відоме з'єднання Кремнію - оксид SiO 2 (кремнезем). У 18 столітті кремнезем вважали простим тілом і відносили до "землям" (що й відбито у його назві). Складність складу кремнезему встановив І. Я. Берцеліус. Він же вперше, в 1825, отримав елементарний кремній з фтористого кремнію SiF 4 відновлюючи останній металевим калієм. Новому елементу було названо " силіцій " (від латів. silex - кремінь). Російську назву ввів Г. І. Гесс у 1834 році.

Поширення Кремнію у природі.За поширеністю в земній корі Кремній – другий (після кисню) елемент, його середній вміст у літосфері 29,5% (за масою). У земній корі Кремній грає таку ж першорядну роль, як вуглець у тварині та рослинному світі. Для геохімії Кремнію важливим є виключно міцний зв'язок його з киснем. Близько 12% літосфери становить кремнезем SiO 2 у формі мінералу кварцу та його різновидів. 75% літосфери складають різні силікати та алюмосилікати (польові шпати, слюди, амфіболи тощо). Загальна кількість мінералів, що містять кремнезем, перевищує 400.

При магматичних процесах відбувається слабка диференціація Кремнію: він накопичується як у гранітоїдах (32,3%), так і в ультраосновних породах (19%). При високих температурах і великому тиску розчинність SiO 2 підвищується. Можлива його міграція і з водяною парою, тому для пегматитів гідротермальних жил характерні значні концентрації кварцу, з яким нерідко пов'язані і рудні елементи (золото-кварцові, кварцово-каситеритові та інші жили).

Фізичні властивості Кремнію.Кремній утворює темно-сірі з металевим блиском кристали, що мають кубічні гранецентровані грати типу алмазу з періодом а = 5.431Å, щільністю 2,33 г/см 3 . При дуже високих тискахотримано нову (мабуть, гексагональну) модифікацію з щільністю 2,55 г/см 3 . Кремній плавиться за 1417 °С, кипить при 2600 °С. Питома теплоємність (при 20-100 °С) 800 Дж/(кгК), або 0,191 кал/(гград); теплопровідність навіть для найчистіших зразків не постійна і знаходиться в межах (25 ° С) 84-126 вт/(м·К), або 0,20-0,30 кал/(см·сек·град). Температурний коефіцієнт лінійного розширення 2,33 · 10 -6 К -1 нижче 120 К стає негативним. Кремній прозорий для довгохвильових ІЧ-променів; показник заломлення (для = 6 мкм) 3,42; діелектрична проникність 11,7. Кремній діамагнітний, атомна магнітна сприйнятливість -0,13-10-6. Твердість Кремнію за Моосом 7,0, за Брінеллем 2,4 Гн/м 2 (240 кгс/мм 2), модуль пружності 109 Гн/м 2 (10 890 кгс/мм 2), коефіцієнт стисливості 0,325·10 -6 см 2 / кг. Кремній тендітний матеріал; помітна пластична деформація починається за температури вище 800°С.

Кремній – напівпровідник, що знаходить велике застосування. Електричні властивості Кремнію дуже залежить від домішок. Власний питомий об'ємний електроопір Кремнію при кімнатній температурі приймається рівним 2,3·10 3 ом·м (2,3·10 5 ом·см).

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

Хімічні властивості Кремнію.Відповідно до положення Кремнію в періодичній системі Менделєєва 14 електронів атома Кремнію розподілено за трьома оболонками: у першій (від ядра) 2 електрони, у другій 8, у третій (валентній) 4; конфігурація електронної оболонки 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 . Послідовні потенціали іонізації (ЕВ): 8,149; 16,34; 33,46 та 45,13. Атомний радіус 1,ЗЗÅ, ковалентний радіус 1,17Å, іонні радіуси Si 4+ 0,39Å, Si 4- 1,98Å.

У з'єднаннях Кремній (аналогічно вуглецю) 4-валентний. Однак, на відміну від вуглецю, Кремній поряд з координаційним числом 4 виявляє координаційне число 6, що пояснюється великим об'ємом його атома (приклад таких сполук є кремнефториди, що містять групу 2-).

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

Кремній утворює сполуки майже з усіма металами – силіциди (не виявлені сполуки лише з Bi, Tl, Pb, Hg). Отримано понад 250 силіцидів, склад яких (MeSi, MeSi 2 , Me 5 Si 3 , Me 3 Si, Me 2 Si та інших) зазвичай не відповідає класичним валентностям. Силициди відрізняються тугоплавкістю та твердістю; найбільше практичне значення мають феросиліцій (відновник при виплавці спеціальних сплавів, див. Феросплави) та силіцид молібдену MoSi 2 (нагрівачі електропечей, лопатки газових турбін тощо).

Отримання Кремнію.Кремній технічної чистоти (95-98%) одержують електричної дузі відновленням кремнезему SiO 2 між графітовими електродами. У зв'язку з розвитком напівпровідникової техніки розроблено методи одержання чистого і особливо чистого Кремнію.

Чистий напівпровідниковий Кремній отримують у двох видах: полікристалічний (відновленням SiCl 4 або SiHCl 3 цинком або воднем, термічним розкладанням SiI 4 і SiH 4) і монокристалічний (бестигельною зонною плавкою і "витягуванням" монокристалу з розплавленого Кремнія.

Застосування Кремнію.Спеціально легований Кремній широко застосовується як матеріал для виготовлення напівпровідникових приладів (транзистори, термістори, силові випрямлячі струму, тиристори; сонячні фотоелементи, що використовуються в космічних кораблях, і т.д.). Оскільки Кремній прозорий для променів із довжиною хвилі від 1 до 9 мкм, його застосовують в інфрачервоній оптиці,

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

Кремній в організмі знаходиться у вигляді різних сполук, що беруть участь головним чином у освіті твердих скелетних частин і тканин. Особливо багато Кремнію можуть накопичувати деякі морські рослини (наприклад, діатомові водорості) та тварини (наприклад, кремнерогові губки, радіолярії), що утворюють при відмиранні на дні океану потужні відкладення оксиду кремнію (IV). У холодних морях та озерах переважають біогенні мули, збагачені Кремнієм, у тропіч. морях - вапняні мули з низьким вмістом Кремнію. Серед наземних рослин багато Кремнію накопичують злаки, осоки, пальми, хвощі. У хребетних тварин вміст оксиду кремнію (IV) у зольних речовин 0,1-0,5%. У найбільших кількостях Кремній виявлений у щільній сполучній тканині, нирках, підшлунковій залозі. У добовому раціоні людини міститься до 1 г Кремнію. При високому вмісті в повітрі пилу оксиду кремнію (IV) вона потрапляє в легені людини і викликає захворювання - силікоз.

Кремній в організмі.Кремній в організмі знаходиться у вигляді різних сполук, що беруть участь головним чином у освіті твердих скелетних частин і тканин. Особливо багато Кремнію можуть накопичувати деякі морські рослини (наприклад, діатомові водорості) та тварини (наприклад, кремнерогові губки, радіолярії), що утворюють при відмиранні на дні океану потужні відкладення оксиду кремнію (IV). У холодних морях та озерах переважають біогенні мули, збагачені Кремнієм, у тропіч. морях - вапняні мули з низьким вмістом Кремнію. Серед наземних рослин багато Кремнію накопичують злаки, осоки, пальми, хвощі. У хребетних тварин вміст оксиду кремнію (IV) у зольних речовин 0,1-0,5%. У найбільших кількостях Кремній виявлений у щільній сполучній тканині, нирках, підшлунковій залозі. У добовому раціоні людини міститься до 1 г Кремнію. При високому вмісті в повітрі пилу оксиду кремнію (IV) вона потрапляє у легені людини та викликає захворювання – силікоз.

Після кисню кремнійє найпоширенішим елементом у земній корі. Він має 2 стійких ізотопу: 28 Si, 29 Si, 30 Si. У вільному вигляді кремній у природі не зустрічається.

Найчастіше зустрічаються: солі кремнієвих кислот і оксид кремній (кремнезем, пісок, кварц). Вони входять до складу мінеральних солей, слюди, тальку, азбесту.

Аллотропія кремнію.

У кремніює 2 алотропні модифікації:

Кристалічна (світло-сірі кристали. Структура подібна до кристалічних ґрат алмазу, де атом кремнію ковалентно пов'язаний з 4 однаковими атомами , а сам знаходиться в sp3 - гібридизації);

Аморфна (порошок бурого кольору, активніша форма ніж кристалічна).

Властивості кремнію.

При температурі кремній реагують із киснем повітря:

Si + O 2 = SiO 2 .

Якщо кисню не вистачає (недолік), то може мати місце така реакція:

2 Si + O 2 = 2 SiO,

Де SiO- монооксид, який також може утворюватись при реакції:

Si + SiO 2 = 2 SiO.

У нормальних умовах кремнійможе реагувати з F 2 , при нагріванні - з Cl 2 . Якщо підвищувати температуру далі, то Siбуде здатний провзаємодіяти з Nі S:

4Si + S 8 = 4SiS 2;

Si + 2F2 = SiF4.

Кремній здатний реагувати з вуглецем. карборунд:

Si + C = SiC.

Кремній розчинний у суміші концентрованої азотної та фтороводородної кислот:

3Si + 4HNO 3 + 12HF = 3SiF 4 + 4NO + 8H 2 O.

Кремній розчиняється у водних розчинах лугів:

Si + 2NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + H 2 .

При нагріванні з оксидами кремній диспропорціонує:

2 MgO + 3 Si = Mg 2 Si + 2 SiO.

При взаємодії з металами, кремній виступає як окислювач:

2 Mg + Si = Mg 2 Si.

Застосування кремнію.

Найбільше застосування кремній знаходить у виробництві сплавів для надання міцності алюмінію, міді та магнію та для отримання феросиліцидів, що мають важливе значення у виробництві сталей та напівпровідникової техніки. Кристали кремнію застосовують у сонячних батареях та напівпровідникових пристроях - транзисторах та діодах.

Кремній служить також сировиною для виробництва кремнійорганічних сполук, або силоксанів, одержуваних у вигляді олій, мастил, пластмас та синтетичних каучуків. Неорганічні сполуки кремнію використовують у технології кераміки та скла, як ізоляційний матеріал та п'єзокристали.

Один із найпоширеніших у природі елементів – це silicium, або кремній. Таке широке розселення свідчить про важливість та значущість цієї речовини. Це швидко зрозуміли та засвоїли люди, які навчилися правильно використовувати у своїх цілях кремній. Застосування його ґрунтується на особливих властивостях, про які й поговоримо далі.

Кремній – хімічний елемент

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

1. Порядковий номер – 14.
2. Період – третій малий.
3. Група – IV.
4. Підгрупа – головна.
5. Будова зовнішньої електронної оболонки виражається формулою 3s 2 3p 2 .
6. Елемент кремній позначається хімічним символом Si, який вимовляється як силіціум.
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 стійкі ізотопи даного елемента з масовими числами 28, 29 і 30.

Отже, атом кремнію з хімічної погляду - досить вивчений елемент, описано безліч різних його властивостей.

Історія відкриття

Так як у природі дуже популярні і масові за змістом саме різні сполуки аналізованого елемента, з давніх-давен люди використовували і знали про властивості саме багатьох з них. Чистий кремній довгий час залишався за межею знань людини в хімії.

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

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

Також з давніх-давен прийнято використовувати кварц і в 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 Шееле;
• Гей-Люссак;
• Тенар;
• Гемфрі Деві;
• Антуан Лавуазьє.

Здійснити вдало отримання кремнію в чистому виглядівдалося Йєнсу Якобсу Берцеліусу в 1823 році. Для цього він проводив досвід зі сплавлення парів фтористого кремнію та металевого калію. В результаті отримав аморфну ​​модифікацію аналізованого елемента. Цим самим ученим було запропоновано латинську назву відкритому атому.

Ще трохи пізніше, в 1855 році, інший вчений - Сент Клер-Девіль - зумів синтезувати інший алотропний різновид - кристалічний кремній. З того часу знання про цей елемент та його властивості стали дуже швидко поповнюватися. Люди зрозуміли, що він має унікальні особливості, які можна дуже грамотно використовувати для задоволення власних потреб. Тому сьогодні один із найбільш затребуваних елементів в електроніці та техніці – це кремній. Застосування його лише розширює свої межі з кожним роком.

Російську назву атому дав учений Гесс у 1831 році. Саме воно і закріпилося до сьогодні.

За поширеністю у природі кремній посідає друге місце після кисню. Його відсоткове співвідношення проти іншими атомами у складі земної кори - 29,5%. Крім того, вуглець і кремній - це два особливі елементи, здатні формувати ланцюги, з'єднуючись один з одним. Саме тому для останнього відомо більше 400 різних природних мінералів, у складі яких він міститься в літосфері, гідросфері та біомасі.

Де саме міститься кремній?

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

Можна позначити кілька найпоширеніших мінералів та гірських порід, у складі яких у велику кількістьє кремній. Хімія їхня така, що масовий вміст чистого елемента в них досягає 75%. Проте 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.

Нагромаджуючись у панцирах і зовнішніх кістяках морських тварин, кремній поступово формує потужні поклади кремнезему на дні водойм. Це один із природних джерел даного елемента.

Крім того, було встановлено, що силіціум може існувати у чистому самородному вигляді – у вигляді кристалів. Але такі родовища дуже рідкісні.

Фізичні властивості кремнію

Якщо давати характеристику аналізованого елемента за набором фізико-хімічних властивостей, то насамперед слід позначити саме фізичні параметри. Ось кілька основних:

1. Існує у вигляді двох алотропних модифікацій – аморфний та кристалічний, які відрізняються за всіма властивостями.
2. Кристалічна решітка дуже схожа з такою у алмазу, адже вуглець і кремній щодо цього майже однакові. Однак відстань між атомами різна (у кремнію більше), тому алмаз набагато твердіший і міцніший. Тип грат - кубічна гранецентрована.
3. Речовина дуже крихка, при високих температурах стає пластичною.
4. Температура плавлення дорівнює 1415?
5. Температура кипіння - 3250?
6. Щільність речовини - 2,33 г/см3.
7. Колір сполуки – сріблясто-сірий, виражений характерний металевий блиск.
8. Має хороші напівпровідникові властивості, які здатні варіювати при додаванні тих чи інших агентів.
9. Не розчиняється у воді, органічних розчинниках та кислотах.
10. Специфічно розчинний у лугах.

Позначені фізичні властивості кремнію дозволяють людям керувати ним та застосовувати для створення різних виробів. Так, наприклад, на властивості напівпровідності засноване використання чистого кремнію в електроніці.

Хімічні властивості

Хімічні властивостікремнію дуже залежить від умов проведення реакції. Якщо говорити про стандартні параметри, то потрібно позначити дуже низьку активність. Як кристалічний, і аморфний кремній дуже інертні. Чи 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 SiO 2 яка перешкоджає подальшим взаємодіям. Вона здатна утворитися під впливом води, повітря, пари.

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

• киснем;
• усіма видами галогенів;
• воднем.

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

Також хімічні властивості кремнію чітко простежуються під час реакцій з металами. По відношенню до них він окислювач, тому продукти звуться силіцидів. Відомі подібні сполуки для:

• лужних;
• лужноземельних;
• перехідних металів.

Незвичайними властивостями володіє сполука, що отримується при сплавленні заліза та кремнію. Воно носить назву феросиліцієвої кераміки та 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 та соляної кислот);
• їдких лугах.

При цьому температура розчину повинна бути не меншою за 60˚С. Все це ще раз підтверджує фізичну основу речовини - алмазоподібні стійкі кристалічні грати, що надає йому міцність та інертність.

Способи отримання

Отримання кремнію в чистому вигляді – процес досить затратний економічно. З іншого боку, з його властивостей будь-який спосіб дає лише з 90-99 % чистий продукт, тоді як домішки як металів і вуглецю залишаються однаково. Тому просто одержати речовину недостатньо. Його треба ще й якісно очистити від сторонніх елементів.

У цілому виробництво кремнію здійснюється двома основними шляхами:

1. З білого піску, який є чистим оксидом кремнію SiO 2 . При прожарюванні його з активними металами(найчастіше з магнієм) відбувається утворення вільного елемента у вигляді аморфної модифікації. Чистота такого способу висока, продукт виходить із 99,9-відсотковим виходом.
2. Найбільш поширений спосіб у промислових масштабах - це спікання розплаву піску з коксом у спеціалізованих термічних печах для випалу. Даний метод був розроблений російським вченим Бекетовим Н. Н.

Подальша обробка полягає у піддаванні продуктів методам очищення. Для цього використовуються кислоти чи галогени (хлор, фтор).

Аморфний кремній

Характеристика кремнію буде неповною, якщо не розглянути окремо кожну його аллотропну модифікацію. Перша з них – це аморфна. У такому стані речовина, що розглядається нами, являє собою порошок буро-коричневого кольору, дрібнодисперсний. Має високим ступенемгігроскопічність, виявляє досить високу хімічну активність при нагріванні. У стандартних умовах здатний взаємодіяти лише з найсильнішим окислювачем – фтором.

Називати аморфний кремній саме різновидом кристалічного не зовсім правильно. Його грати показують, що ця речовина - це лише форма дрібнодисперсного кремнію, що існує у вигляді кристалів. Тому як такі ці модифікації - те саме з'єднання.

Однак властивості їх різняться, тому й заведено говорити про алотропію. Сам по собі аморфний кремній має високу світлопоглинальну здатність. Крім того, за певних умов даний показник у рази перевищує подібний до кристалічної форми. Тому його використовують у технічних цілях. У вигляді (порошок) з'єднання легко наноситься на будь-яку поверхню, чи то пластик або скло. Тому такий зручний для використання саме аморфний кремній. Застосування ґрунтується на різних розмірах.

Хоча зношування батарей подібного типу досить швидке, що пов'язано з стиранням тонкої плівки речовини, проте застосування і затребуваність тільки зростає. Адже навіть за короткий строкслужби сонячних батарей 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 сполук активними металами, наприклад натрієм або магнієм.

Кристалічний кремній

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

Характеристика кремнію з кристалічною решіткою включає класифікацію його видів, так як їх кілька:

1. Електронної якості - найчистіший і максимально високоякісний. Саме такий вид використовується в електроніці для створення особливо вразливих приладів.
2. Сонячної якості. Сама назва визначає область використання. Це також досить високий по чистоті кремній, застосування якого необхідне для створення якісних сонячних батарей, що довго працюють. Фотоелектричні перетворювачі, створені на основі саме кристалічної структури, більш якісні та зносостійкі, ніж ті, що створені з використанням аморфної модифікації шляхом напилення на різного типупідкладки.
3. Технічний кремній. Цей різновид включаються ті зразки речовини, в яких міститься близько 98 % чистого елемента. Решта йде на різного роду домішки:

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

Останній різновид аналізованої речовини використовується з метою отримання полікристалів кремнію. І тому проводяться процеси перекристалізації. Внаслідок цього чистотою виходять такі продукти, які можна відносити до груп сонячної та електронної якості.

За своєю природою полікремній – це проміжний продукт між аморфною модифікацією та кристалічною. З таким варіантом легше працювати, він краще піддається переробці та очищенню фтором та хлором.

Продукти, що виходять в результаті, можна класифікувати так:

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

Кожен з них знаходить застосування у промисловості та використовується людиною повністю. Тому, що стосуються кремнію, вважаються безвідходними. Це значно знижує його економічну вартість, не впливаючи на якість.

Використання чистого кремнію

Виробництво кремнію в промисловості налагоджено досить добре, яке масштаби досить об'ємні. Це з тим, що це елемент, як чистий, і у вигляді різних сполук, поширений і затребуваний у різних галузях науку й техніки.

Де ж використовується кристалічний та аморфний кремній у чистому вигляді?

1. У металургії як легуюча добавка, здатна змінювати властивості металів та його сплавів. Так, він використовується при виплавці сталі та чавуну.
2. Різні види речовини йдуть виготовлення більш чистого варіанту - поликремния.
3. Сполуки кремнію з - це ціла хімічна галузь, яка набула особливої ​​популярності сьогодні. Кремнійорганічні матеріали використовуються в медицині, при виготовленні посуду, інструментів та багато іншого.
4. Виготовлення різних сонячних батарей. Цей спосіб отримання енергії є одним із найперспективніших у майбутньому. Екологічно чисто, економічно вигідно та зносостійко – основні переваги такого отримання електрики.
5. Кремній для запальничок використовується вже давно. Ще в давнину люди використовували кремінь для отримання іскри під час розпалу вогню. Цей принцип закладено основою виробництва запальничок різноманітних. Сьогодні зустрічаються види, в яких кремінь замінений на сплав певного складу, що дає ще більше швидкий результат(Щиро).
6. Електроніка та сонячна енергетика.
7. Виготовлення дзеркалець у газових лазерних пристроях.

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

Застосування сполук кремнію

Крім простої речовини, використовуються різні сполуки кремнію, причому дуже широко. Існує ціла галузь промисловості, яка називається силікатною. Саме вона ґрунтується на використанні різних речовин, до складу яких входить цей дивовижний елемент. Які це сполуки та що з них виробляють?

1. Кварц, або річковий пісок – SiO 2 . Використовується для виготовлення таких будівельних та декоративних матеріалів, як цемент та скло. Де використовуються ці матеріали всім відомо. Жодне будівництво не обходиться без цих компонентів, що підтверджує важливість сполук кремнію.
2. Силікатна кераміка, в яку входять такі матеріали, як фаянс, фарфор, цегла та продукти на їх основі. Дані компоненти використовуються в медицині, при виготовленні посуду, декоративних прикрас, предметів побуту, у будівництві та інших побутових сферах діяльності людини.
3. - силікони, силікагелі, силіконові олії.
4. Силікатний клей - використовується як канцелярський, у піротехніці та будівництві.

Кремній, ціна на який варіює на світовому ринку, але не перетинає зверху вниз позначку 100 рублів РФ за кілограм (за кристалічний), є затребуваною і цінною речовиною. Природно, що і з'єднання цього елемента так само поширені і застосовні.

Біологічна роль кремнію

З погляду значущості для організму кремній важливий. Його зміст та розподіл за тканинами такий:

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

Щодня всередину має потрапляти близько одного грама кремнію, інакше почнуть розвиватися захворювання. Смертельно небезпечних у тому числі немає, проте тривале кремнієве голодування призводить до:

• випадання волосся;
• появі вугрової висипки та прищів;
• крихкості та ламкості кісток;
• легкої проникності капілярів;
• втоми та головним болям;
• появі численних синців та синців.

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