Физические свойства. Кремний хрупок. При нагревании выше 800° C увеличивается его пластичность. Он устойчив к воздействию кислот. В кислой среде покрывается нерастворимой пленкой оксида и пассивируется.
Микроэлемент прозрачен для инфракрасного излучения, начиная с длины волны 1,1 мкм.
Химические свойства. Кремний взаимодействует:
- с галогенами (фтором) с проявлением восстановительных свойств: Si + 2F2 = SiF4. С хлороводородом вступает в реакцию при 300° С, с бромоводородом – при 500° С;
- с хлором при нагревании до 400–600° С: Si + 2Cl2 = SiCl4;
- с кислородом при нагревании до 400–600° С: Si + O2 = SiO2;
- с другими неметаллами. При температуре 2000° С реагирует с углеродом (Si + C = SiC) и бором (Si + 3B = B3Si);
- с азотом при температуре 1000° С: 3Si + 2N2 = Si3N4;
- с металлами с образованием силицидов: 2Ca + Si = Ca2Si;
- с кислотами – только со смесью плавиковой и азотной кислот: 3Si + 4HNO3 + 18HF = 3H2 + 4NO + 8H2O;
- с щелочью. Кремний растворяется и образуется силикат и водород: Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + H2.
С водородом не взаимодействует.
Взаимодействие в организме с витаминами и минералами
Кремний взаимодействует с витаминами , и . Сочетание злаков с цитрусовыми и зелеными овощами считается самым полезным.
Кремний участвует в борьбе со свободными радикалами. Взаимодействуя с тяжелыми металлами (свинцом), микроэлемент образует устойчивые соединения. Они выводятся мочеполовой системой. То же самое происходит со шлаками и токсичными веществами.
Кремний улучшает усвоение железа (Fe) и кальция (Ca) , кобальта (Cb), марганца (Mn), фтора (F).
Снижение концентрации кремния в соединительной ткани приводит к поражению сосудов, атеросклерозу, нарушению прочности костной ткани.
Роль кремния в возникновении и течении различных заболеваний
При недостатке кремния в организме увеличивается концентрация холестерина в крови. Из-за этого образуются холестериновые бляшки, ухудшается отток.
При потреблении кремния менее 20 мг в сутки ослабевает иммунитет. Появляются аллергические высыпания, кожа становится сухой и шелушится, развивается грибок.
Волосы истончаются, кожа головы шелушится и появляется зуд. Ногтевые пластины деформируются.
Работоспособность и психическое состояние ухудшаются из-за нарушения оттока крови и насыщения головного мозга кислородом.
При понижении количества кремния в организме до 1,2-1,6% чревато возникновением инсульта, инфаркта, сахарного диабета, вируса гепатита и онкологии.
Переизбыток кремния приводит к отложению солей в мочевыводящих путях и суставах, фиброзу и патологиям кровеносных сосудов. При наихудшем сценарии увеличивается печень, отекают конечности, синеют кожные покровы, появляется одышка.
Функциональный потенциал кремния
Главная задача кремния в организме – формирование костной, хрящевой ткани и стенок сосудов. 90% минерала содержится в соединительной и костной ткани, лимфатических узлах, щитовидной железе, волосах и коже. Однако этим функциональный потенциал химического элемента не ограничивается. Благодаря кремнию:
- укрепляются кости и связки. Чем больше в первой минералов, тем она крепче. Снижение концентрации кремния в костной ткани чревато остеопорозом и атеросклерозом. Для хрящевой ткани, важен синтез гликозаминогликанов;
- предотвращается дегенерация межпозвоночных дисков. Последние состоят из пластинок хрящевой ткани. Чем меньше кремния, тем быстрее изнашивается пластинка. Если в ней образуется трещинка, начнет вытекать спинномозговая жидкость. Это чревато протрузиями и грыжей;
- восстанавливается костная ткань. Кости, связки и сухожилия срастаются очень трудно и долго;
- улучшается состояние кожных покровов, ногтей и волос. В них содержится наибольшая концентрация химического элемента. Сухая и шелушащаяся кожа, ломкие и тусклые волосы, слоящиеся ногти – признаки дефицита кремния;
- стабилизируется обмен веществ. Благодаря кремнию усваивается три четверти 70% химических элементов. Минерал участвует в белковом и углеводном обмене;
- укрепляется иммунитет. Благодаря кремнию ускоряется фагоцитоз – образование специальных клеток иммунной системы. Их главная функция – расщепление чужеродных белковых структур. Если в организм попадает вирусная инфекция, фагоциты обволакивают неприятеля и уничтожают;
- выводятся тяжелые металлы и токсины. Оксид кремния вступает в реакцию с ними, преобразует в нейтральные для организма соединения, которые выводятся наружу с мочой;
- укрепляются стенки сосудов, сердечные клапаны, оболочка органов желудочно-кишечного тракта. Основа стенки сосудов – эластина, который синтезируется при помощи кремния;
- снижается проницаемость стенок сосудов, уменьшаются признаки варикоза, тромбофлебита и васкулита;
- предотвращаются онкологические заболевания. Антиоксидантные свойства витаминов С, А, Е усиливаются при взаимодействии с кремнием. Бороться со свободными радикалами организму легче;
- предотвращаются заболевания головного мозга. При недостатке кремния стенки сосудов становятся более мягкими, плохо транспортируют кровь к головному мозгу, что приводит к гипоксии – кислородному голоданию, из-за которого мозг не функционирует на полную мощность. Отдавать и получать команды нейроны головного мозга без кремния не могут. В результате нарушается моторика движений, сужаются сосуды, болит и кружится голова, ухудшается самочувствие.
Источники кремния
| Категория | Продукт | Примерное содержание кремния |
| Растительное масло | Кедровое, кунжутное, горчичное, миндальное, оливковое, арахисовое, тыквенное, льняное, соевое | |
| Животные масла | Бараний, говяжий, свиной жиры, сало, маргарин, масло.Рыба: камбала, палтус, чавыча | Незначительное, после переработки кремний отсутствует |
| Сок | Виноградный, грушевый, клюквенный | В стакане – 24% суточной нормы микроэлемента |
| Орехи | Грецкие, фундук, фисташки, семена подсолнечника | В горсти орехов от 12 до 100% суточной нормы. Больше всего кремния в грецких орехах и фундуке (100% в 50 г), меньше всего – в фисташках (25% в 50 г) |
| Злаки | Нешлифованный рис, овсяная крупа, просо, пшеничные отруби, кукуруза, ячмень | Порция каши (200 г) содержит суточную норму кремния |
| Овощи | Капуста белокочанная, лук, сельдерей, огурцы, морковь, шпинат, картофель, редис, свекла. А также томаты, перец, ревень; фасоль, зелёные бобы и соя | |
| Фрукты и ягоды | Абрикосы, бананы, яблоки; клубника, вишня, слива | В 200 г фруктов – до 40% суточной нормы кремния, в таком же количестве ягод – до 30% |
| Сухофрукты | Финики, инжир, изюм | |
| Молочные продукты | Кислое молоко, кефир, яйца | |
| Мясо и морепродукты | Курица, говядина; морская капуста, водоросли |
- бурый рис – 1240;
- овсяная крупа – 1000;
- просо– 754;
- ячмень – 600;
- соя– 177;
- гречневая крупа – 120;
- фасоль – 92;
- Горох – 83;
- Топинамбур – 80;
- Кукуруза – 60;
- Фундук – 51;
- Шпинат – 42;
- Ряженка – 34;
- Петрушка – 31;
- Цветная капуста – 24;
- Салат зеленый листовой – 18;
- Персик – 10;
- Жимолость – 10.
Совет! Хотите быстро восполнить запасы кремния в организме? Забудьте о мясе с гарниром. Само по себе мясо, хоть и содержит достаточное количество кремния (30-50 мг в 100 г), препятствует его усвоению из других продуктов. Раздельное питание – наоборот. Сочетайте нешлифованный рис, ячмень, просо, пшено, гречку с овощами и фруктами. Устраивайте «разгрузочные» дни на абрикосах, грушах и вишне
Сочетание с другими питательными веществами
Избегайте сочетания кремния с алюминием. Действие последнего противоположно действию кремния.
Кремний совместно с другими микроэлементами участвует в химических реакциях синтеза коллагена и эластина, входящих в состав соединительной ткани кожи, волос и ногтей.
Кремний усиливает антиоксидантные свойства витаминов С, А, Е. Последние борются со свободными радикалами, вызывающими онкологические заболевания.
Для профилактики онкологических заболеваний употребляйте совместно такие продукты (описано в таблице)
| Продукты, богатые витамином А: | Продукты, богатые витамином С: | Продукты, богатые витамином Е: |
|
|
|
Оксид кремния взаимодействует в организме с тяжелыми металлами (свинец) и токсинами. В результате химической реакции образуются устойчивые соединения, которые выводятся из организма почками.
Суточная норма
Суточная норма кремния (подано ниже) рассчитана только для взрослых. Верхний допустимый уровень потребления кремния для детей и подростков не установлен.
- Дети до 6 месяцев и после 7-ми – отсутствует.
- От 1 до 13 лет – отсутствует.
- Подростки (мужской и женский пол) – отсутствует.
- Взрослые – 20-50 мг.
При применении кремнийсодержащих препаратов (Атоксил) суточная дозировка у детей старше 7 лет и взрослых составляет 12 г. Максимальная доза препарата– 24 грамма в сутки. Для детей от года до 7 лет – 150-200 мг препарата на килограмм массы тела.
Недостаток и избыток кремния
Недостаток кремния может быть спровоцирован:
Недостаток кремния в организме опасен следующим состоянием:
- высокой концентрацией холестерина в крови. Холестерин засоряет кровеносные сосуды (образуются золестериновые «бляшки»), кровь становится более вязкой и ее отток ухудшается;
- предрасположенностью к грибковым болезням. Чем меньше кремния, тем слабее иммунитет. При попадании в организм вирусной инфекции фагоциты (специальные клетки иммунной системы) вырабатываются в недостаточном количестве;
- перхотью, выпадением и истончением волос. Упругость волос и кожи – заслуга эластина и коллагена, которые синтезируются благодаря кремнию. Недостаток его сказывается на состоянии кожных покровов, волос и ногтей;
- перепадами настроения. От насыщения головного мозга кислородом зависит не только работоспособность, но и психическое состояние человека. Из-за ослабленных стенок сосудов кровь плохо поступает в мозг. Кислорода для выполнения привычных мыслительных операций не хватает. Перепады настроения и ухудшение работоспособности – результат нехватки кремния. То же самое происходит при смене погоды;
- сердечно-сосудистыми заболеваниями. Причина та же – ослабленные стенки сосудов;
- сахарным диабетом. Причина – повышение концентрации глюкозы в крови и неспособность организма снизить ее.
- от 1,2 до 4,7% – инсульт и инфаркт;
- 1,4% и менее – сахарный диабет;
- 1,6% и менее – вирус гепатита;
- 1,3% - онкологические заболевания.
Совет! Кремний участвует во всех видах обмена. Запасенный в стенках сосудов, микроэлемент оберегает их от проникновения жиров в плазму крови и блокирует кровеносное русло
Увеличьте в рационе количество продуктов, содержащих кремний, во время:
- физической и эмоциональной усталости. Порция злаков на завтрак, большая тарелка зеленого салата на обед и стакан ряженки или кефира перед сном гарантируют заряд бодрости;
- беременности и грудного вскармливания Иммунитет малыша и матери зависит от правильного рациона. 20-50 мг кремния в день сделают кости крепкими, а кожу – упругой;
- подготовки к соревнованиям. Чем больше энергозатрат, тем больше кремнийсодержащих продуктов должно быть в рационе. Они предотвратят ломкость костей и растяжение связок и сухожилий;
- пубертатного периода. Болевые ощущения в коленях (болезнь Шлатера) – распространенное явление. Клетки костной ткани делятся быстрее, чем клетки соединительной. Последняя не только поддерживает кость в анатомически правильном положении, но и оберегает от механических повреждений. Клюква, грецкие орехи и груша – отличный перекус для подростка.
Если состояние кожи, волос и ногтей неудовлетворительное, налегайте на каши и соки. Виноградный сок на завтра, клюквенный на обед и грушевый не ужин – первый шаг к эластичной и подтянутой коже.
Чем угрожает избыток кремния
Заболеть из-за избытка кремния в рационе невозможно, но в зоне риска жители местностей с высоким содержанием кремния в почве или воде.
Из-за высокой концентрации кремния в организме:
- откладываются соли в мочевыводящих путях, суставах и других органах;
- развивается фиброз в кровеносных сосудах и во всем организме в целом. Симптомы: учащенное дыхание при легкой нагрузке, уменьшение жизненной емкости легких, пониженное артериальное давление;
- расширяется и гипертрофируется правый желудочек ("легочное сердце");
- увеличивается печень, отекают конечности, синеют кожные покровы;
- усиливается раздражительность, развивается астенический синдром;
- повышается риск заболеваний верхних дыхательных путей. Наиболее распространенное из них – силикоз. Недуг развивается из-за вдыхания пыли, содержащей диоксид кремния, и протекает в хронической форме. По мере прогрессирования заболевания в легких пациента разрастается соединительная ткань. Нормальный газообмен нарушается, а на его фоне развиваются туберкулез, эмфизема или рак легких.
В зоне риска – работники рудников, литейных цехов, производителей огнеупорных материалов и керамических изделий. О заболевании сигнализируют затрудненное дыхание, одышка и кашель. Симптомы усиливаются при физической нагрузке. Фарфоро-фаянсовые, стекольные производства, месторождения руд цветных и драгоценных металлов, пескоструйная очистка литья – потенциально опасные объекты.
О переизбытке кремния свидетельствуют снижение и повышение температуры тела, депрессивное состояние, общая усталость и сонливость.
При подобных признаках включите в рацион морковь, свёклу, картофель, топинамбур, а также абрикосы, вишню, бананы и клубнику.
Препараты, содержащие кремний
Несмотря на то, что в организме взрослого содержится 1-2 г кремния, дополнительная порция не помешает. В сутки, с пищей и водой, взрослый потребляет около 3,5 мг кремния. На основной обмен взрослый тратит в три раза больше - около 9 мг. Причины повышенного употребления кремния – плохая экология, окислительные процессы, провоцирующие образование свободных радикалов, стрессы. Одними кремнийсодержащими продуктами не обойтись – запаситесь препаратами или лекарственными растениями.
Рекордсмены по содержанию кремния можжевельник, хвощ полевой, пижма, полынь, гинкго двулопастный. А также ромашка полевая, тимьян, китайский орех и эвкалипт.
Восполнить дефицит кремния можно при помощи кремниевой воды. Одно из свойства микроэлемента – структуризация молекул воды. Такая вода не пригодна для жизни патогенных микроорганизмов, простейших, грибков, токсинов и чужеродных химических элементов.
Кремниевая вода по вкусу и свежести напоминает талую воду.
Чтоб очистить и обогатить воду кремнием в домашних условиях, необходимо:
- купить кремневые камушки в аптечном магазине – чем мельче, тем лучше (больше площадь соприкосновения кремня с водой);
- положить в воду из расчета 50 г камней на 3 литра воды;
- настаивать воду в стеклянной посуде при комнатной температуре в темном месте 3–4 дня. Чем дольше настаивается вода, тем более выражен лечебный эффект;
- готовую воду перелить в другую емкость, оставив нижний слой глубиной 3–4 см (его использовать нельзя из-за скопления токсинов).
- в герметичной емкости вода хранится до полутора лет.
- пить кремниевую воду можно в любом количестве для профилактики атеросклероза, гипертонической и мочекаменной болезней, патологии кожи и сахарного диабета, инфекционных и онкологических заболеваний, варикозного расширения вен и даже нервно-психических болезней.
Атоксил (Atoxil). Действующее вещество Атоксила – диоксид кремния.
Форма выпуска:
- порошок для приготовления суспензии;
- бутылки по 12 г препарата;
- флаконы по 10 мг препарата;
- пакеты-саше по 2 г, в упаковке 20 пакетиков.
Фармакологическое действие. Действует как энтеросорбент, оказывает ранозаживляющее, противоаллергическое, противомикробное, бактериостатическое и дезинтоксикационное действие.
В органах желудочно-кишечного тракта препарат всасывает экзогенные и эндогенные токсины (бактериальные и пищевые аллергены, эндотоксины микроорганизмов, токсические вещества) и выводит их.
Ускоряет транспортировку токсинов из крови, лимфы и тканей в пищеварительный тракт.
Показания: диарея, сальмонеллез, вирусный гепатит А и В, аллергические заболевания (диатез, атопический дерматит), ожоги, трофические язвы, гнойные раны.
Применяется при заболеваниях почек, энтероколитах, токсическом гепатите, циррозе печени, гепатохолецистите, наркотической и алкогольной интоксикации, заболеваниях кожи (экземе, дерматитах, нейродермитах), интоксикациях при гнойно-септических процессах и ожоговой болезни.
Как применять:
- Флакон. Открыть бутылку (флакон) с порошком, добавить до отметки 250 мл в чистую питьевую воду, взболтать до однородности.
- Пакетик-cаше. 1-2 пакетика-саше растворить в 100-150 мл чистой питьевой воды. Принимать за один час до приема пищи или лекарственных препаратов.
Длительность лечения острых кишечных инфекций – 3-5 суток. Курс терапии – до 15 суток. При лечении вирусных гепатитов – 7-10 суток.
Побочные действия эффекты: запоры.
Противопоказания: обострение язвенной болезни двенадцатиперстной кишки и желудка, эрозии и язвы слизистой оболочки толстого и тонкого отделов кишечника, кишечная непроходимость, повышенная чувствительность к диоксиду кремния.
Препарат не назначают детям до одного года, беременным и кормящим грудью.
Взаимодействие с лекарствами:
- с Ацетилсалициловой кислотой (Аспирин) – усиление дезагрегации тромбоцитов;
- с Симвастатином и Никотиновой кислотой – снижение в крови атерогенных фракций показателей липидного спектра и повышение уровня липопротеидов ВП и холестерина;
- с антисептиками (Трифураном, Фурациллином, Хлоргексидином, Бифураном и т.п.) – повышение эффективности терапии гнойно-воспалительных процессов.
(Silicium), Si - хим. элемент IV группы периодической системы элементов; ат. н. 14, ат. м. 28,086. Кристаллический кремний- темно-серое вещество со смолистым блеском. В большинстве соединений проявляет степени окисления - 4, +2 и +4. Природный кремний состоит из стабильных изотопов 28Si (92,28%), 29Si (4,67%) и 30Si (3,05%). Получены радиоактивные 27Si, 31Si и 32Si с периодами полураспада соответственно 4,5 сек, 2,62 ч и 700 лет. К. впервые выделен в 1811 франц. химиком и физиком Ж. Л. Гей-Люссаком и франц. химиком Л. Ж. Тенаром, но идентифицирован лишь в 1823 швед, химиком и минералогом Й. Я. Берцелиусом.
По распространенности в земной коре (27,6%) Кремний- второй (после кислорода) элемент. Находится преим. в форме кремнезема Si02 и др. кислородсодержащих веществ (силикатов, алюмосиликатов и т. д.). При обычных условиях образуется стабильная полупроводниковая модификация К., отличающаяся гранецентрированной кубической структурой типа алмаза, с периодом а = 5,4307 А. Межатомное расстояние 2,35 А. Плотность 2,328 г\см. При высоком давлении (120-150 кбар)переходит в более плотные полупроводниковые и металлическую модификации. Металлическая модификация-сверхпроводник с т-рой перехода 6,7 К. С ростом давления точка плавления понижается с 1415 ± 3° С при давлении 1 бар до 810° С при давлении 15 104 бар (тройная точка сосуществования полупроводникового, металлического и жидкого К.). При плавлении происходят увеличение координационного числа и металлизация межатомных связей. Аморфный кремний по характеру ближнего порядка, отвечающего сильно искаженной объемноцентрированной кубической структуре, близок к жидкому. Дебаевская т-ра близка к 645 К. Коэфф. температурного линейного расширения изменяется с изменением т-ры по экстремальному закону, ниже т-ры 100 К он становится отрицательным, достигая минимума (-0,77 · 10 -6) град -1 при т-ре 80 К; при т-ре 310 К он равен 2,33 · 10 -6 град -1 , а при т-ре 1273 К -4,8 · 10 град -1 . Теплота плавления 11,9 ккал/г-атом;tкип.3520 К.
Теплота сублимации и испарения при т-ре плавления соответственно 110 и 98,1 ккал/г-атом. Теплопроводность и электропроводность кремния зависят от чистоты и совершенства кристаллов. С ростом т-ры коэфф. теплопроводности чистого К. вначале увеличивается (до 8,4 кал/см X X сек · град при т-ре 35 К), а затем убывает, достигая 0,36 и 0,06 кал/см · сек · град при т-ре соответственно 300 и 1200 К. Энтальпия, энтропия и теплоемкость К. в стандартных условиях равны соответственно 770 кал/г-атом, 4,51 и 4,83 кал/г-атом — град. Кремний диамагнитен, магнитная восприимчивость твердого (-1,1 · 10 -7 э.м.е./г) и жидкого (-0,8 · 10 -7 э.м.е./г). Кремний слабо зависит от т-ры. Поверхностная энергия, плотность и кинематическая вязкость жидкого К. при т-ре плавления составляют 737 эрг/см2, 2,55 г/см3 и 3 · 10 м2/сек. Кристаллический кремния типичный полупроводник с шириной запрещенной зоны 1,15 эв при т-ре 0 К и 1,08 эв - при т-ре 300 К. При комнатной т-ре концентрация собственных носителей зарядов близка к 1,4 · 10 10 см -3 , эффективная подвижность электронов и дырок - соответственно 1450 и 480 см 2 /в · сек, а удельное электрическое сопротивление - 2,5 · 105 ом · см. С ростом т-ры они изменяются по экспоненциальному закону.
Электро свойства кремния зависят от природы и концентрации примесей, а также от совершенства кристалла. Обычно для получения полупроводникового К. с проводимостью р- и n-типа его легируют элементами IIIв (бором, алюминием, галлием) и Vв (фосфором, мышьяком, сурьмой, висмутом) подгрупп, создающими совокупность соответственно акцепторных и донорных уровней, расположенных вблизи границ зон. Для легирования используют и др. элементы (напр., ), формирующие т. и. глубокие уровни, к-рые обусловливают захват и рекомбинацию носителей зарядов. Это позволяет получать материалы с высоким электр. сопротивлением (1010 ом · см при т-ре 80 К) и небольшой продолжительностью существования неосновных носителей зарядов, что важно для увеличения быстродействия различных устройств. Коэфф. термоэдс кремния существенно зависит от т-ры и содержания примесей, увеличиваясь с ростом электросопротивления (при р = 0,6 ом — см, а = 103 мкв/град). Диэлектрическая проницаемость кремния (от 11 до 15) слабо зависит от состава и совершенства монокристаллов. Закономерности оптического поглощения кремния сильно изменяются с изменением его чистоты, концентрации и характера дефектов строения, а также длины волны.
Граница непрямого поглощения электромагнитных колебаний близка к 1,09 эв, прямого поглощения - к 3,3 эв. В видимой области спектра параметры комплексного показателя преломления (n - ik) весьма существенно зависят от состояния поверхности и наличия примесей. Для особо чистого К. (при λ = 5461 А и т-ре 293 К) n = 4,056 и к = 0,028. Работа выхода электронов близка к 4,8 эв. Кремний хрупок. Его твердость (т-ра 300 К) по Моосу - 7; НВ = 240; HV щ = 103; И = 1250 кгс/мм2; модуль норм, упругости (поликристалла) 10 890 кгс/мм2. Предел прочности зависит от совершенства кристалла: на изгиб от 7 до 14, на сжатие от 49 до 56 кгс/мм2; коэфф. сжимаемости 0,325 1066 см2/кг.
При комнатной т-ре кремний практически не взаимодействует с газообразными (исключая ) и твердыми реагентами, кроме щелочей. При повышенной т-ре активно взаимодействует с металлами и неметаллами. В частности, образует карбид SiC (при т-ре выше 1600 К), нитрид Si3N4 (при т-ре выше 1300 К), фосфид SiP (при т-ре выше 1200 К) и арсениды Si As, SiAS2 (при т-ре выше 1000 К). С кислородом реагирует при т-ре выше 700 К, образуя двуокись Si02, с галогенами - фторид SiF4 (при т-ре выше 300 К), хлорид SiCl4 (при т-ре выше 500 К), бромид SiBr4 (при т-ре 700 К) и нодид SiI4 (при т-ре 1000 К). Интенсивно реагирует со мн. металлами, образуя твердые растворы замещения в них или хим. соединения - силициды. Концентрационные области гомогенности твердых растворов зависят от природы растворителя (напр., в германии от 0 до 100%, в железе до 15%, в альфа-цирконии менее 0,1%).
Металлов и неметаллов в твердом кремне значительно меньше и обычно ретроградна. При этом предельные содержания примесей, создающих в К. неглубокие уровни, достигают максимума ( 2 · 10 18 , 10 19 , 2 · 10 19 , 1021, 2 · 10 21 см) в области т-р от 1400 до 1600 К. Примеси с глубокими уровнями отличаются заметно меньшей растворимостью (от 1015 для селена и 5 · 10 16 для железа до 7 · 10 17 для никеля и 10 18 см-3 для меди). В жидком состоянии кремний неограниченно смешивается со всеми металлами, часто с весьма большим выделением тепла. Чистый кремний готовят из технического продукта 99% Si и по — 0,03% Fe, Аl и Со), получаемого восстановлением кварца углеродом в электро печах. Вначале из него отмывают к-тами (смесью соляной и серной, а затем фтористоводородной и серной) примеси, после чего полученный продукт (99,98%) обрабатывают хлором. Синтезированные очищают дистилляцией.
Полупроводниковый кремний получают восстановлением хлорида SiCl4 (или SiHCl3) водородом или термическим разложением гидрида SiH4. Окончательную очистку и выращивание монокристаллов осуществляют бестигельной зонной плавной или по методу Чохральского, получая особо чистые слитки (содержание примесей до 1010-1013 см-3) ср > 10 3 ом · см. В зависимости от назначения К. в процессе приготовления хлоридов или при выращивании монокристаллов в них вводят дозированные количества необходимых примесей. Так готовят цилиндрические слитки диаметром 2- 4 и длиной 3-10 см. Для спец. целей выпускают и более крупные монокристаллы. Технический кремний и особенно его с железом используют в качестве раскислателей стали и восстановителей, а также легирующих присадок. Особо чистые образцы монокристаллического К., легированного различными элементами, находят применение в качестве основы разнообразных слаботочных (в частности, термоэлектрических, радио-, свето- и фототехнических) и сильноточных (выпрямители, преобразователи) устройств.
Силиций или кремний
Кремний относится к неметаллам, его атомы на внешнем энергетическом уровне имеют 4 электрона. Он может отдавать их, проявляя степень окисления + 4 , и присоединять электроны, проявляя степень окисления — 4 . Однако способность присоединять электроны у кремния значительно меньше, чем у углерода. Атомы кремния имеют большой радиус, чем атомы углерода.
Нахождение кремния в природе
Кремний очень распространён в природе. на его долю приходится свыше 26% массы земной коры. По распространённости он занимает второе место (после кислорода) . В отличие от углерода C в свободном состоянии в природе не встречается. Он входит в состав различных химических соединений, в основном разных модификаций оксида кремния (IV) и солей кремниевых кислот (силикатов) .
Получение кремния
В промышленности кремний технической чистоты (95 — 98%) получают, восстанавливая SiO 2 коксом в электрических печах при прокаливании:
SiO 2 + 2C = Si + 2CO
SiO 2 + 2Mg = Si + 2MgO
Таким способом получают аморфный с примесями порошок кремния бурого цвета. Перекристаллизацией из расплавленных металлов (Zn , Al) его можно перевести в кристаллическое состояние.
Для полупроводниковой техники кремний очень высокой чистоты получают, восстановлением при 1000°C тетрахлорид кремния SiCl 4 парами цинка:
SiCl 4 + 2Zn = Si + 2ZnCl 2
и очищая его после этого специальными методами.
Физические и химические свойства кремния
Чистый кристаллический кремний — хрупкий и твёрдый, царапает . Подобно алмазу, он имеет кубическую кристаллическую решётку с ковалентным типом связи. Температура плавления его 1423 °C . При обычных условиях кремний малоактивный элемент, соединяется только с фтором, но при нагревании вступает в различные химические реакции.
Его используют как ценный материал в полупроводниковой технике. По сравнению с другими полупроводниками он отличается значительной стойкость против действия кислот и способностью сохранять большое электрическое сопротивление до 300°C . Технический кремний и ферросилиций используют также в металлургии для производства жароустойчивых, кислотоустойчивых и инструментальных сталей, чугунов и многих других сплавов.
С металлами кремний образует химические соединения, называемые силицидами, при нагревании с магнием образуется силицид магния:
Si + 2Mg = Mg 2 Si
Силициды металлов по структуре и свойствам напоминают карбиды, так металлоподобные силициды, так же как и металлоподобные карбиды, отличаются большой твёрдостью, высокой температурой плавления, хорошей электропроводностью.
При прокаливании смеси песка с коксом в электрических печах образуется соединения кремния с углеродом — карбид кремния, или карборунд:
SiO 2 + 3C = SiC + 2CO
Карборунд — тугоплавкое бесцветное твёрдое вещество, ценный абразивными и жароустойчивым материалом. Карборунд, как и , имеет атомную кристаллическую решётку. В чистом состоянии — это изолятор, но в присутствии примесей становится полупроводником.
Кремний как и , образует два оксида: оксид кремния (II) SiO и оксид кремния (IV) SiO 2 . Оксид кремния (IV) — твёрдое тугоплавкое вещество, широко распространённое в природе в свободном состоянии. Это химически устойчивое вещество, взаимодействует только со фтором и газообразным фтористым водородом или плавиковой кислотой:
SiO 2 + 2F 2 = SiF 4 + O 2
SiO 2 + 4HF = SiF 4 + 2H 2 O
Приведённое направление реакций объясняется тем, что кремний имеет большое сродство к фтору. Кроме того, тетрафторид кремния — летучее вещество.
В технике прозрачный SiO 2 используют для изготовления устойчивого тугоплавкого кварцевого стекла, которое хорошо пропускает ультрофиалетовые лучи, имеет большой коэффицент расширения, поэтому выдерживает значительные мгновенные изменения температуры. Аморфная модификация оксида кремния (II) трепел — имеет большую пористость. Его используют как тепло и звукоизолятор, для производства динамита (носитель взрывчатого ) и так далее. Оксид кремния (IV) в виде обычного песка — один из основных строительных материалов. Его используют в производстве огнестойких и кислотостойких материалов, стекла, как флюс в металлургии и так далее.
Сравнимая молекулярные формулы, химические и физические свойства оксида углерода (IV) и оксида кремния (IV) , легко увидеть, что свойства этих сходных по химическому составу соединений различны. Это объясняется тем, что оксид кремния (IV) состоит не просто из молекул SiO 2 , а из их ассоциатов, в которых атомы кремния соединяются между собой атомами кислорода. Оксиду кремния (IV) (SiO 2 )n .Изображение её на плоскости такое:
¦ ¦ ¦
O O O
¦ ¦ ¦
¦ ¦ ¦
O O O
¦ ¦ ¦
— O — Si — O — Si — O — Si — O —
¦ ¦ ¦
O O O
¦ ¦ ¦
Атомы кремния расположены в центре тетраэдра, а атомы кислорода — по углам его. Связи Si — O очень прочные, этим и объясняется большая твёрдость оксида кремния (IV) .
Взгляните на полуметаллический кремний!
Кремний металл — серый и блестящий полупроводящий металл, который используется для производства стали, солнечных батарей и микрочипов.
Кремний — второй по численности элемент земной коры (позади только кислорода) и восьмой наиболее распространенный элемент во Вселенной. Фактически, почти 30 процентов веса земной коры можно отнести к кремнию.
Элемент с атомным номером 14, естественно, встречается в силикатных минералах, включая кремнезем, полевой шпат и слюду, которые являются основными компонентами обычных пород, таких как кварц и песчаник.
Полуметаллический (или металлоид) кремний обладает некоторыми свойствами как металлов, так и неметаллов.
Подобно воде, но в отличие от большинства металлов, кремний заключает в жидком состоянии и расширяется по мере его затвердевания. Он имеет относительно высокие температуры плавления и кипения, а при кристаллизации образуется кристаллическая кристаллическая структура алмаза.
Критически важным для роли кремния в качестве полупроводника и его использования в электронике является атомная структура элемента, которая включает в себя четыре валентных электрона, которые позволяют кремнию легко связываться с другими элементами.
Шведскому химику Джонсу Якову Берзерлиусу приписывают первый изолирующий кремний в 1823 году. Берцерлий выполнил это путем нагревания металлического калия (который был изолирован только десять лет назад) в тигле вместе с фторосиликатом калия.
Результатом был аморфный кремний.
Однако для получения кристаллического кремния потребовалось больше времени. Электролитический образец кристаллического кремния не будет производиться еще три десятилетия.
Первое коммерческое использование кремния было в форме ферросилиция.
После модернизации Henry Bessemer сталелитейной промышленности в середине 19 века, был большой интерес к металлургической металлургии и исследованиям в области сталелитейной техники.
К моменту первого промышленного производства ферросилиция в 1880-х годах значение кремния в улучшении пластичности в чугуне и раскисляющей стали было достаточно хорошо понято.
Раннее производство ферросилиция производилось в доменных печах путем восстановления кремнийсодержащих руд с древесным углем, что привело к серебристому чугуну, ферросилиция с содержанием кремния до 20 процентов.
Развитие электродуговых печей в начале 20-го века позволило не только увеличить производство стали, но и увеличить производство ферросилиция.
В 1903 году группа, специализирующаяся на создании ферросплавов (Compagnie Generate d’Electrochimie), начала свою деятельность в Германии, Франции и Австрии, а в 1907 году был основан первый коммерческий кремниевый завод в США.
Сталеплавильное производство не было единственным применением для соединений кремния, которые были коммерциализированы до конца XIX века.
Для производства искусственных алмазов в 1890 году Эдвард Гудрич Ачесон нагревал алюмосиликат с порошкообразным коксом и случайно производимым карбидом кремния (SiC).
Три года спустя Ачесон запатентовал свой метод производства и основал компанию Carborundum (карборунд, являющийся общим названием для карбида кремния в то время) с целью изготовления и продажи абразивных изделий.
К началу 20-го века также были реализованы проводящие свойства карбида кремния, и это соединение использовалось в качестве детектора в ранних судовых радиоприемниках. Патент на кремниевые кристаллодетекторы был предоставлен Г. В. Пикарду в 1906 году.
В 1907 году первый светоизлучающий диод (LED) был создан путем приложения напряжения к кристаллу карбида кремния.
В 1930-х годах использование кремния выросло с развитием новых химических продуктов, в том числе силанов и силиконов.
Рост электроники за прошедшее столетие также неразрывно связан с кремнием и его уникальными свойствами.
В то время как создание первых транзисторов — предшественников современных микрочипов — в 1940-х годах опиралось на германий, незадолго до того, как кремний вытеснил своего металлиста-кузена в качестве более прочного полупроводникового материала подложки.
Bell Labs и Texas Instruments начали коммерческое производство кремниевых транзисторов в 1954 году.
Первые кремниевые интегральные схемы были сделаны в 1960-х годах, и к 1970-м годам были разработаны кремниевые процессоры.
Учитывая, что кремниевая полупроводниковая технология является основой современной электроники и вычислительной техники, неудивительно, что мы ссылаемся на центр деятельности этой отрасли как «Силиконовая долина».
(Для подробного изучения истории и разработки технологий Silicon Valley и микрочипов я настоятельно рекомендую документальный фильм American Experience под названием «Силиконовая долина»).
Вскоре после открытия первых транзисторов работа Bell Labs с кремнием привела к второму крупному прорыву в 1954 году: первая кремниевая фотовольтаическая (солнечная) ячейка.
До этого мысль о том, чтобы использовать энергию солнца для создания силы на земле, считалась невозможной большинством. Но всего через четыре года, в 1958 году, первый спутник с силиконовыми солнечными батареями вращался вокруг Земли.
К 1970-м годам коммерческие приложения для солнечных технологий выросли до наземных применений, таких как включение освещения на морских нефтяных платформах и железнодорожных переездах.
За последние два десятилетия использование солнечной энергии выросло по экспоненте. Сегодня на кремниевые фотогальванические технологии приходится около 90 процентов мирового рынка солнечной энергии.
Производство
Большинство очищенных кремний каждый год — около 80 процентов — производится как ферросилиций для использования в железе и производстве стали. Ферросилиций может содержать от 15 до 90% кремния в зависимости от требований плавильного завода.
Сплав железа и кремния производится с использованием погружной электродуговой печи путем редуцирующей плавки. Измельченная в силикагеле руда и источник углерода, такой как коксующийся уголь (металлургический уголь), измельчаются и загружаются в печь вместе с металлоломом.
При температурах выше 1900 ° C (3450 ° F) углерод реагирует с присутствующим в руде кислородом, образуя газообразный монооксид углерода. Остальное железо и кремний, между тем, затем объединяются, чтобы сделать расплавленный ферросилиций, который можно собрать, постукивая по основанию печи.
После охлаждения и закалки ферросилиций можно затем отгружать и использовать непосредственно в производстве железа и стали.
Тот же метод, без включения железа, используется для получения кремния из металлургического сорта, который имеет чистоту более 99 процентов. Металлургический кремний также используется в выплавке стали, а также в производстве алюминиевых литых сплавов и силановых химикатов.
Металлургический кремний классифицируется по примесным уровням железа, алюминия и кальция, присутствующим в сплаве. Например, 553 металлический кремний содержит менее 0,5 процента каждого железа и алюминия и менее 0,3 процента кальция.
Ежегодно в мире производится около 8 миллионов метрических тонн ферросилиция, причем на долю Китая приходится около 70 процентов этой суммы. Крупными производителями являются Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Group OM Materials и Elkem.
Еще 2,6 миллиона метрических тонн металлургического кремния — или около 20 процентов от общего количества рафинированного кремниевого металла — производится ежегодно. Китай, опять же, составляет около 80 процентов этой продукции.
Удивительным для многих является то, что солнечные и электронные сорта кремния составляют лишь небольшое количество (менее двух процентов) всего производства очищенного кремния.
Чтобы модернизировать до кремниевого металла (поликремния) солнечного сорта, чистота должна увеличиться до чистого чистого кремния 99,9999% (6N). Это делается одним из трех способов, наиболее распространенным из которых является процесс Siemens.
Процесс Siemens включает химическое осаждение из паровой фазы летучего газа, известного как трихлорсилан. При температуре 1150 ° C (2102 ° F) трихлорсилан продувается на кремниевом семян высокой чистоты, установленном на конце стержня. По мере того как он проходит, кремний высокой чистоты из газа осаждается на семена.
Реактор с псевдоожиженным слоем (FBR) и модернизированная кремниевая технология металлургического класса (UMG) также используются для повышения качества металла до поликремния, подходящего для фотоэлектрической промышленности.
В 2013 году было произведено 230 000 метрических тонн поликремния. Ведущие производители включают GCL Poly, Wacker-Chemie и OCI.
Наконец, чтобы сделать кремний класса электроники подходящим для полупроводниковой промышленности и некоторыми фотоэлектрическими технологиями, поликремний должен быть превращен в ультрачистый монокристаллический кремний через процесс Чохральского.
Для этого поликремний расплавляют в тигле при температуре 1425 ° C (2597 ° F) в инертной атмосфере. Затем наплавленный семенной кристалл погружают в расплавленный металл и медленно поворачивают и удаляют, давая время для роста кремния на затравочном материале.
Получаемый продукт представляет собой стержень (или бул) из монокристаллического кремниевого металла, который может достигать 99,999999999 (11N) процентов чистого. Этот стержень может быть легирован бором или фосфором, если требуется, чтобы при необходимости модифицировать квантовомеханические свойства.
Монокристаллический стержень может поставляться клиентам как есть, или нарезаться в вафли, а также полироваться или текстурироваться для конкретных пользователей.
Применение
В то время как примерно 10 миллионов метрических тонн ферросилиция и кремниевого металла каждый год очищаются, большинство используемых на рынке кремния в действительности представляют собой кремниевые минералы, которые используются для производства всего, начиная с цемента, растворов и керамики, до стекла и полимеры.
Ферросилиций, как уже отмечалось, является наиболее часто используемой формой металлического кремния. С момента своего первого использования около 150 лет назад ферросилиций оставался важным раскисляющим агентом при производстве углеродистой и нержавеющей стали. Сегодня выплавка стали остается крупнейшим потребителем ферросилиция.
Тем не менее, ферросилиций имеет ряд преимуществ, помимо сталеплавильного производства. Это предварительный сплав в производстве ферросилиция магния, нодулятор, используемый для производства ковкого чугуна, а также во время процесса Пиджона для очистки магния высокой чистоты.
Ферросилиций также можно использовать для изготовления тепловых и коррозионностойких сплавов железа, а также кремниевой стали, которая используется при производстве электродвигателей и трансформаторных сердечников.
Металлургический кремний можно использовать в производстве стали, а также в качестве легирующего агента в алюминиевом литье. Алюминиево-кремниевые (Al-Si) автомобильные детали легкие и прочные, чем компоненты, отлитые из чистого алюминия. Автомобильные детали, такие как блоки двигателя и шины, являются одними из наиболее часто применяемых деталей из литого алюминия.
Почти половина всего металлургического кремния используется химической промышленностью для производства дымящегося диоксида кремния (загустителя и осушителя), силанов (связующего) и силикона (герметиков, адгезивов и смазочных материалов).
Поликремний фотовольтаического класса в первую очередь используется при изготовлении поликремниевых солнечных элементов. Для производства одного мегаватта солнечных модулей требуется около пяти тонн поликремния.
В настоящее время солнечная технология из поликремния составляет более половины солнечной энергии, производимой в глобальном масштабе, в то время как технология моносиликона составляет около 35 процентов. В общей сложности 90 процентов солнечной энергии, используемой людьми, собираются на основе кремниевой технологии.
Монокристаллический кремний также является критическим полупроводниковым материалом, найденным в современной электронике. В качестве материала подложки, используемого при производстве полевых транзисторов (FET), светодиодов и интегральных схем, кремний можно найти практически во всех компьютерах, мобильных телефонах, планшетах, телевизорах, радио и других современных коммуникационных устройствах.
По оценкам, более трети всех электронных устройств содержат полупроводниковые технологии на основе кремния.
Наконец, твердосплавный карбид кремния используется в различных электронных и неэлектронных приложениях, включая синтетические ювелирные изделия, высокотемпературные полупроводники, твердую керамику, режущие инструменты, тормозные диски, абразивы, пуленепробиваемые жилеты и нагревательные элементы.
(первый электрон)
(по Полингу)
| Si | 14 |
| 28,0855 | |
| 3s 2 3p 2 | |
| Кремний | |
История
В чистом виде кре́мний был выделен в 1811 г. французскими учеными Жозефом Луи Гей-Люссаком и Луи Жаком Тенаром.
Происхождение названия
В 1825 году шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус действием металлического калия на фтористый кремний SiF 4 получил чистый элементарный кремний. Новому элементу было дано название «силиций» (от лат. silex — кремень). Русское название «кремний» введено в 1834 году российский химиком Германом Ивановичем Гессом. В переводе c греческого kremnos — «утес, гора».
Нахождение в природе
По распространённости в земной коре кремний среди всеххимических элементов занимает второе место (после кислорода). Масса земной коры на 27,6—29,5 % состоит из кремния. Кремний входит в состав нескольких сотен различных природных силикатов и алюмосиликатов. Больше всего распространен кремнезём — многочисленные формы диоксида кремния (IV) SiO2 (речной песок, кварц, кремень и др.), составляющий около 12 % земной коры (по массе). В свободном виде кремний в природе не встречается, хотя одна четвертая земли состоит из кремния.
Получение
В промышленности кремний получают, восстанавливая расплав SiO 2 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 SiCl 3 H. 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 Mg 2 Si. Далее из силицида магния с помощью соляной или уксусной кислот получают летучий моносилан SiH 4 . 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.
Способ получения кремния в чистом виде разработан Николаем Николаевичем Бекетовым. Крупнейшим производителем кремния в России является ОК Русал — кремний производится на заводах в г. Каменск-Уральский (Свердловская область) и г. Шелехов (Иркутская область).
Физические свойства
Кристаллическая структура кремния.
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. Кремний хрупок, только при нагревании выше 800 °C он становится пластичным веществом. Интересно, что кремний прозрачен к инфракрасному излучению , начиная с длины волны 1.1 микрометр.
Электрофизические свойства
Элементарный кремний — типичный непрямозонный полупроводник . Ширина запрещенной зоны при комнатной температуре 1,12 эВ, а при Т = 0 К составляет 1,21 эВ. Концентрация носителей заряда в кремнии с собственной проводимостью при комнатной температуре 1,5·10 16 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 , алюминия , галлия и индия , с электронной проводимостью — добавки элементов V-й группы — фосфора , мышьяка или сурьмы . Электрические свойства кремния можно варьировать, изменяя условия обработки монокристаллов, в частности, обрабатывая поверхность кремния различными химическими агентами.
- Подвижность электронов: 1300-1400 см²/(в*c).
- Подвижность дырок: 500 см²/(в*c).
- Ширина запрещенной зоны 1,205-2,84*10(^-4)*T
- Продолжительность жизни электрона: 50 — 500 мксек
- Длина свободного пробега электрона: 0,1 см
- Длина свободного пробега дырки: 0,02 — 0,06 см
Химические свойства
В соединениях кремний склонен проявлять степень окисления +4 или −4, так как для атома кремния более характерно состояние sp³-гибридизации орбиталей. Поэтому во всех соединениях, кроме оксида кремния (II) SiO, кремний четырёхвалентен.
Химически кремний малоактивен. При комнатной температуре реагирует только с газообразным фтором , при этом образуется летучий тетрафторид кремния SiF 4 . При нагревании до температуры 400—500 °C кремний реагирует с кислородом с образованием диоксида SiO 2 , с хлором , бромом и иодом — с образованием соответствующих легко летучих тетрагалогенидов SiHal 4 .
С водородом кремний непосредственно не реагирует, соединения кремния с водородом — силаны с общей формулой Si n H 2n+2 — получают косвенным путем. Моносилан SiH 4 (его часто называют просто силаном) выделяется при взаимодействии силицидов металлов с растворами кислот , например:
Ca 2 Si + 4HCl → 2CaCl 2 + SiH 4 .
Образующийся в этой реакции силан SiH 4 содержит примесь и других силанов, в частности, дисилана Si 2 H 6 и трисилана Si 3 H 8 , 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 Si 3 N 4 , с бором — термически и химически стойкие бориды SiB 3 , SiB 6 и SiB 12 . Соединение кремния и его ближайшего аналога по таблице Менделеева — углерода — карбид кремния SiC (карборунд) характеризуется высокой твердостью и низкой химической активностью. Карборунд широко используется как абразивный материал.
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), химический элемент IV группы периодической системы. Тёмно-серые кристаллы с металлическим блеском; плотность 2,33 г/см 3 , t пл 1415ºC. Стоек к химическим воздействиям. Составляет 27,6% массы земной коры (2-е место среди элементов), главные минералы - кремнезём и силикаты. Один из важнейших полупроводниковых материалов (транзисторы, термисторы, фотоэлементы). Составная часть многих сталей и других сплавов (повышает механическую прочность и устойчивость к коррозии, улучшает литейные свойства).
КРЕМНИЙКРЕ́МНИЙ (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 3s
2
р
2
. 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 Si 4+ 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:
SiF 4 + 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 K 2 SiF 6 . 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)
SiO 2 (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 SiO 2 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 SiCl 3 H. 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 Mg 2 Si. Далее из силицида магния с помощью соляной или уксусной кислот получают летучий моносилан SiH 4 . 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/дм 3 . 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 1,5·10 16 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 SiF 4 . При нагревании до температуры 400-500°C кремний реагирует с кислородом с образованием диоксида SiO 2 , с хлором, бромом и иодом - с образованием соответствующих легко летучих тетрагалогенидов SiHal 4 .
С водородом кремний непосредственно не реагирует, соединения кремния с водородом - силаны (см.
СИЛАНЫ)
с общей формулой Si n H 2n+2 - получают косвенным путем. Моносилан SiH 4 (его часто называют просто силаном) выделяется при взаимодействии силицидов металлов с растворами кислот, например:
Ca 2 Si + 4HCl = 2CaCl 2 + SiH 4
Образующийся в этой реакции силан SiH 4 содержит примесь и других силанов, в частности, дисилана Si 2 H 6 и трисилана Si 3 H 8 , 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 Si 3 N 4 , с бором - термически и химически стойкие бориды SiB 3 , SiB 6 и SiB 12 . 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 Ca 2 Si, Mg 2 Si 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, M 3 Si 2 , M 2 Si 3 , M 5 Si 3 и MSi 2 . Металлоподобные силициды химически инертны, устойчивы к действию кислорода даже при высоких температурах.
Диоксид кремния SiO 2 - кислотный оксид, не реагирующий с водой. Существует в виде нескольких полиморфных модификаций (кварц (см.
КВАРЦ)
, тридимит, кристобалит, cтеклообразный SiO 2). 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:
SiO 2 + 6HF =H 2 + 2H 2 O
и газообразным фтороводородом HF:
SiO 2 + 4HF =SiF 4 + 2H 2 O
Эти две реакции широко используют для травления стекла.
При сплавлении SiO 2 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 xH 2 O·ySiO 2 (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:
SiO 2 + 4NaOH = (2Na 2 O)·SiO 2 +2H 2 O,
метасиликат кальция:
SiO 2 + СаО = СаО·SiO 2
или смешанный силикат кальция и натрия:
Na 2 CO 3 + CaCO 3 + 6SiO 2 = Na 2 O·CaO·6SiO 2 + 2CO 2
Из силиката Na 2 O·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 , в которой атом кремния Si окружен тетраэдром из четырех атомов кислорода О. При этом каждый атом кислорода соединен с двумя атомами кремния. Фрагменты могут быть связаны между собой по-разному. Среди силикатов по характеру связи в них фрагментов выделяют островные, цепочечные, ленточные, слоистые, каркасные и другие.
При восстановлении SiO 2 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 R 1 и R 2 = CH 3 , C 2 H 5 , C 6 H 5 , CH 2 CH 2 CF 3 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 SiO 2 , 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.
Энциклопедический словарь . 2009 .
Синонимы :Смотреть что такое "кремний" в других словарях:
- (символ Si), широко распространенный серый химический элемент IV группы периодической таблицы, неметалл. Впервые был выделен Иенсом БЕРЦЕЛИУСОМ в 1824 г. Кремний встречается только в соединениях, таких как КРЕМНЕЗЕМ (диоксид кремния) или в… … Научно-технический энциклопедический словарь
Кремний - получают почти исключительно карботермальным восстановлением диоксида кремния с использованием электродуговых печей. Является плохим проводником тепла и электричества, тверже стекла, обычно имеет вид порошка или чаще бесформенных кусков… … Официальная терминология
КРЕМНИЙ - хим. элемент, неметалл, символ Si (лат. Silicium), ат. н. 14, ат. м. 28,08; известны аморфный и кристаллический кремний (который построен из кристаллов того же типа, что и алмаз). Аморфный К. бурый порошок кубической структуры в высокодисперсном… … Большая политехническая энциклопедия
- (Silicium), Si, химический элемент IV группы периодической системы, атомный номер 14, атомная масса 28,0855; неметалл, tпл 1415шC. Кремний второй после кислорода по распространенности на Земле элемент, содержание в земной коре 27,6% по массе.… … Современная энциклопедия
Si (лат. Silicium * a. silicium, silicon; н. Silizium; ф. silicium; и. siliseo), хим. элемент IV группы периодич. системы Менделеева, ат. н. 14, ат. м. 28,086. B природе встречаются 3 стабильных изотопа 28Si (92,27), 29Si (4,68%), 30Si (3 … Геологическая энциклопедия
- (Si), синтетич. монокристалл, полупроводник. Точечная группа симметрии m3m, плотность 2,33 г/см3, Tпл=1417°С. Твёрдость по шкале Мооса 7, хрупок, заметная пластич. деформация начинается при T>800°С. Теплопроводен, температурный коэфф. линейного… … Физическая энциклопедия
Силиций Словарь русских синонимов. кремний сущ., кол во синонимов: 6 лейкон (1) минерал … Словарь синонимов
Кремний - (Silicium), Si, химический элемент IV группы периодической системы, атомный номер 14, атомная масса 28,0855; неметалл, tпл 1415°C. Кремний второй после кислорода по распространенности на Земле элемент, содержание в земной коре 27,6% по массе.… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
- (лат. Silicium) Si, химический элемент IV группы периодической системы, атомный номер 14, атомная масса 28,0855. Темно серые кристаллы с металлическим блеском; плотность 2,33 г/см³, tпл 1415 .С. Стоек к химическим воздействиям. Составляет… … Большой Энциклопедический словарь
КРЕМНИЙ, кремния, мн. нет, муж. (хим.). Химический элемент, входящий в состав большинства горных пород. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова
