Кремний – характеристики, особенности и сферы использования

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

Кремень использовали еще древние люди: с его помощью можно было высечь искру. По этому признаку данный вид кремния легко отличить от других камней.

Физико-химические характеристики

Кремний – это неметалл, но выступает как восстановитель либо окислитель:

  • Образует сплавы (силициды) с большинством металлов.
  • В обычном микроклимате покрывается пленкой-оксидом, становясь инертным.
  • Химическая активность почти нулевая, однако растет с ростом температуры.
  • Физические и химические свойства формируются строением кристаллической решетки (аллотропным форматом). Например, аморфный неметалл активно впитывает влагу, быстрее взаимодействует при обычной температуре.

Кристаллическая структура кремния

Подобно углероду, неметалл при взаимодействии образует соединения сродни органическим.

Свойства атома Название, символ, номер Атомная масса
(молярная масса) Электронная конфигурация Радиус атома Химические свойства Ковалентный радиус Радиус иона Электроотрицательность Электродный потенциал Степени окисления Энергия ионизации
(первый электрон) Термодинамические свойства простого вещества Плотность (при н. у.) Температура плавления Температура кипения Уд. теплота плавления Уд. теплота испарения Молярная теплоёмкость Молярный объём Кристаллическая решётка простого вещества Структура решётки Параметры решётки Температура Дебая Прочие характеристики Теплопроводность Номер CAS
Кремний/Silicium (Si), 14
[28,086] а. е. м. (г/моль)
[Ne] 3s2 3p2; в соед. [Ne] 3s 3p3 (гибридизация)
132 пм
111 пм
42 (+4e), 271 (−4e) пм
1,90 (шкала Полинга)
−4, 0, +2; +4
 786,0 (8,15) кДж/моль (эВ)
2,33 г/см³
1414,85 °C (1688 K)
2349,85 °C (2623 K)
50,6 кДж/моль
383 кДж/моль
20,16 Дж/(K·моль)
12,1 см³/моль
кубическая, алмазная
5,4307 Å
645 ± 5 K
(300 K) 149 Вт/(м·К)
7440-21-3

В ряде химических процессов кремний ведет себя как металл.

Технология получения

Цель переработки сырья – максимально чистое вещество.

В лабораториях процедура следующая:

  1. Добывают силицид магния.
  2. Воздействуют на вещество уксусной либо соляной кислотой.
  3. Образовавшийся моносилан очищают (сорбентами, ректификаторами), нагревают до 1050°C.

В результате получают водород и кремний.

Для промышленников сырьем служит белый песок мелких фракций (диоксид вещества с формулой SiO2).

Кристалл кремния

Способ получения неметалла предусматривает следующие этапы:

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

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

Монокристалл кремния, выращенный по методу Чохральского

Читайте также  Алпанит – искусственный камень Swarovski, страз третьего тысячелетия

Новые технологии очистки предусматривают замену хлора фтором: это экологичнее и рентабельнее. Есть способы получения вещества на основе дистилляции оксида неметалла, вытравкой примесей.

Плюсы и минусы

Кремний наделен свойствами, полезными либо нет с утилитарной точки зрения.

Недостатки вещества:

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

Достоинства материала:

  1. Доступность сырья: четверть земной коры – это кремний.
  2. Простота технологии извлечения вещества.
  3. Способность образовывать линейку соединений: диоксид, силаны, силициды, силикаты. Плюс твердые конгломераты – база для создания сотен видов стекла, керамики.
  4. Возможности как полупроводника широкого охвата. На электрические характеристики неметалла влияют примеси. Промышленность «эксплуатирует» этот феномен для создания полупроводников заданного типа.

Главный плюс кремния – нулевая токсичность. Она облегчает использование неметалла всеми сегментами рынка, включая медицину и фармакологию.

Где используется

Применение кремния определяют свойства. Неметалл хрупок, поэтому непригоден в качестве «скелета» конструкций. Однако эта же характеристика позволяет идеально обрабатывать поверхность кристаллов, что ценят производители электроники.

Применение кремния

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

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

Промышленность

Кроме IT-индустрии неметалл востребован традиционными сегментами промышленности.

  • Металлургия. Технический кремний используется как раскислитель при выплавке чугуна, упрочнитель сплавов.
  • Машино-, приборостроение. Сплавы с металлами тверды, тугоплавки. Используются как компоненты турбин, термоэлементы оборудования металлургических комбинатов.
  • Электро-, радиотехника. Из неметалла-полупроводника изготавливают фотоэлементы, интегральные схемы, транзисторы, диоды, другую продукцию.
  • Органический, неорганический синтез.
  • Прозрачность вещества для инфракрасного спектра – главный плюс для производителей оптики.
  • Стекольная промышленность. Силикаты – исходник при производстве стекла, хрусталя, керамики, фарфоро-фаянсового ассортимента.
  • Песок – компонент строительных материалов (цемента, бетона).
  • Почти универсален карбид (кремний + углерод). Соединение закупают металлурги, приборостроители, химпром. Твердое (7 баллов по Моосу) вещество используется как полупроводник широкого диапазона действия и абразив.
  • Кремнийорганические соединения закупают производители силиконовой продукции: герметиков, смазок, других изделий.

То есть применение нашлось чистому веществу и соединениям.

Другие сферы

Фармацевты используют кремниевые продукты как базис препаратов для профилактики и лечения атеросклероза, туберкулеза, артрита.

Вода из резервуаров, выложенных кремнием, опознается по кристальной чистоте, отсутствию микробов и целебным свойствам.

Эстетичные разновидности неметалла – агаты, аметисты, горный хрусталь, опалы, сердолик – закупают ювелиры и собиратели минералогических коллекций.

Читайте также  Три бесплатных DLC дополнения для Tom Clancy’s The Division 2

Биологическое воздействие

Как и в литосфере, в организме человека кремний – один из топовых макроэлементов (до 4%).

Ежедневно человеку требуется 48-51 мг кремния.

О нехватке вещества сигнализирует следующие факторы:

  • Тусклость, ломкость волос, ногтей.
  • Сухость кожи.
  • Частые ОРВИ, ОРЗ.
  • Учащенное сердцебиение.
  • Ослабленность скелета (позвоночные боли, остеопороз).
  • Бесплодие.

Плюс пониженный иммунитет. У детей – замедление роста и общего развития.

Пополнить запас микроэлемента помогают продукты.

Больше всего вещества в продуктах, богатых клетчаткой:

  • Необработанные крупы: рис, овес, ячмень, гречка.
  • Все бобовые.
  • Орехи, овощи, ягоды, фрукты,

Кремнием насыщены лечебные травы: полынь, крапива, хвощ, мать-и-мачеха.

В «животном» сегменте это мясо, яйца, морепродукты, молоко.

Предостережение

Опасно вдыхание кремниевой пыли, постоянный контакт с концентрированной формой вещества. Это проблема людей, занятых на добыче и переработке сырья.

Стоимость

На рынке представлена линейка продукции из кремния – промышленного и аптечного сегмента.

Цена определяется исходя из параметров продукта (руб./ кг):

  • порошок (99,8%) – 4 560;
  • пруток – 4 050;
  • кристаллический – 158-310;
  • карборунд – 270.

Стоимость аптечных препаратов, БАДов зависит от страны-производителя, бренда, габаритов упаковки – 200+ руб.

Источник: jgems.ru

Mila Vitsa