Wikia

Наука

Кремний

Обсуждение0
14 737статей на этой вики
Kremniy
Кремний (Si)
SiliconCroda
Атомный номер ~14
  • Категория элемента - металлоид;
  • Внешний вид простого вещества;
  • В аморфной форме — коричневый порошок;
  • В кристаллической — тёмно-серый,

слегка блестящий порошок.

Свойства атома
Атомная масса
(молярная масса)
28,0855 а. е. м. (г/моль)
Радиус атома 132 пм
Энергия ионизации
(первый электрон)
786,0(8,15) кДж/моль (эВ)
Электронная конфигурация [Ne] 3s2 3p2
Химические свойстваa
Ковалентный радиус 111 пм
Радиус иона 42(+4e)271(-4e)[[ пм
Электроотрицательность
(по Полингу)
1,90
Электродный потенциал 0
Степени окисления +4, −4, +2
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность 2,33 г/см³
Удельная теплоёмкость 19,8 Дж/(K·моль)
Теплопроводность 149 Вт/(м·K)
Температура плавления 1688 K
Теплота плавления 50,6 кДж/моль
Температура кипения 2623K
Теплота испарения 383 кДж/моль
Молярный объём 12,1 см³/моль
Кристаллическая решётка
Структура решётки алмаз
Период решётки 5,430 Å
Отношение c/a n/a
Подвижность электронов 0,15 м²/в·с.
Температура Дебая 625,00 K

Кре́мний (греч. Kremnos — «утёс, гора») — химический элемент с атомным номером ~14 в периодической системе, обозначается символом ~Si (лат. Silicium), металл.

В чистом виде был выделен в 1811 году французскими учеными Жозефом Луи Гей-Люссаком и Луи Жаком Тенаром. В 1825 году шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус действием металлического калия на фтористый кремний SiF4 получил чистый элементарный кремний. Новому элементу было дано название «силиций» (от лат. silexкремень). Русское название «кремний» введено в 1834 году российским химиком Германом Ивановичем Гессом.

Нахождение в природе Править

По распространённости в земной коре кремний среди всех 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 Править

В промышленности кремний получают, восстанавливая расплав SiO2 коксом при температуре около 1800 °C в дуговых печах. Чистота полученного таким образом кремния составляет около 99,9 %. Так как для практического использования нужен кремний более высокой чистоты, полученный кремний хлорируют. Образуются соединения состава SiCl4 и SiCl3H. Эти хлориды далее очищают различными способами от примесей и на заключительном этапе восстанавливают чистым водородом. Возможна также очистка кремния за счет предварительного получения силицида магния Mg2Si. Далее из силицида магния с помощью соляной или уксусной кислот получают летучий моносилан SiH4. Моносилан очищают далее ректификацией, сорбционными и др. методами, а затем разлагают на кремний и водород при температуре около 1000 °C. Содержание примесей в получаемом этими методами кремнии снижается до 10-8-10-6% по массе.

Способ получения кремния в чистом виде разработан Николаем Николаевичем Бекетовым. Крупнейшим производителем кремния в России является ОК Русал[1] — кремний производится на заводах в г. Каменск-Уральский (Свердловская область) и г. Шелехов (Иркутская область).

Физические свойства Править

Kristalicheskaya struktura kremniya

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 длинны волны 1.1 микрометр. Обладая самым высоким коэффициетом преломления (n = 3,4), прозрачностью, пропусканию инфракрасеых лучей он нашёл широкое применение в изготовлении оптических систем (объективов, биноклей ночного видения, в медицине — контактных линз и т.д.)
Schema sonnoy strukturi kremniya

Схематическое изображение зонной структуры кремния [1]

Электрофизические свойства Править

Элементарный кремний — типичный непрямозонный полупроводник. Ширина запрещенной зоны при комнатной температуре 1,12 эВ, а при Т = 0 К составляет 1,21 эВ [2]. Концентрация носителей заряда в кремнии с собственной проводимостью при комнатной температуре 1,5·1016м-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 0,15 м²/в·с (или 1500 cм²/в·с ).[3]

Химические свойства Править

Schema atoma kremniya

Схема атома кремния

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 SiF4. При нагревании до температуры 400—500°C кремний реагирует с кислородом с образованием диоксида SiO2, с хлором, бромом и иодом — с образованием соответствующих легко летучих тетрагалогенидов SiHal4.

С водородом кремний непосредственно не реагирует, соединения кремния с водородом — силаны с общей формулой SinH2n+2 — получают косвенным путем. Моносилан SiH4 (его часто называют просто силаном) выделяется при взаимодействии силицидов металлов с растворами кислот, например:

Ca2Si + 4HCl → 2CaCl2 + SiH4↑.

Образующийся в этой реакции силан SiH4 содержит примесь и других силанов, в частности, дисилана Si2H6 и трисилана Si3H8, в которых имеется цепочка из атомов кремния, связанных между собой одинарными связями (—Si—Si—Si—).

С азотом кремний при температуре около 1000 °C образует нитрид Si3N4, с бором — термически и химически стойкие бориды SiB3, SiB6 и SiB12. Соединение кремния и его ближайшего аналога по таблице Менделеева — углеродакарбид кремния SiС (карборунд) характеризуется высокой твердостью и низкой химической активностью. Карборунд широко используется как абразивный материал.

При нагревании кремния с металлами возникают силициды. Силициды можно подразделить на две группы: ионно-ковалентные (силициды щелочных, щелочноземельных металлов и магния типа Ca2Si, Mg2Si и др.) и металлоподобные (силициды переходных металлов). Силициды активных металлов разлагаются под действием кислот, силициды переходных металлов химически стойки и под действием кислот не разлагаются. Металлоподобные силициды имеют высокие температуры плавления (до 2000 °C). Наиболее часто образуются металлоподобные силициды составов MeSi, Me3Si2, Me2Si3, Me5Si3 и MeSi2. Металлоподобные силициды химически инертны, устойчивы к действию кислорода даже при высоких температурах.

При восстановлении SiO2 кремнием при высоких температурах образуется оксид кремния (II) SiO.

Для кремния характерно образование кремнийорганических соединений, в которых атомы кремния соединены в длинные цепочки за счет мостиковых атомов кислорода —О—, а к каждому атому кремния, кроме двух атомов О, присоединены еще два органических радикала R1 и R2 = CH3, C2H5, C6H5, CH2CH2CF3 и др.

Применение Править

CRQFP80 UV ST62E40

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

В настоящее время кремний — основной материал для электроники и солнечной энергетики. Монокристаллический кремний — материал для рентгеновской оптики преломленияоптика, отличающаяся новыми свойствами и характкристиками, обеспечивающая преломление и фокусировку рентгеновских лучей аналогично тонким линзам. Также применяется для изготовления рентгеновских зеркал, применяемых в рентгеновских микроскопах, телескопах и др. Иногда кремний (технической чистоты) и его сплав с железом (ферросилиций) используется для производства водорода в полевых условиях. Соединения металлов с кремнием — силициды, являются широкоупотребляемыми в промышленности (например электронной и атомной) материалами с широким спектром полезных химических, электрических и ядерных свойств (устойчивость к окислению, нейтронам и др.), а также силициды ряда элементов являются важными термоэлектрическими материалами. Кремний применяется в металлургии при выплавке чугуна, сталей, бронз, силумина и др. (как раскислитель и модификатор, а также как легирующий компонент). Соединения кремния служат основой для производства стекла и цемента. Производством стекла и цемента занимается силикатная промышленность. Она также выпускает силикатную керамику — кирпич, фарфор, фаянс, стеклокерамику (ситаллы) и изделия из них.

Ядерная энергетика Править

Медицина Править

Оптика Править

Lenso

Плоско-выпуклая линза

Contactlenzen Confortissimo

Линзы контактные

  • Оптические элементы из кремния — линзы, призмы, пластинки, изготовленная из однородного кремния, прозрачны для инфракрасно излучения, преломляют Х-лучи и стойкие к Х-излучению.[4]
  • Линзы контактные

Линзы из органических полимеров дают возможность создавать недорогие асферические линзы с помощью литья. В области офтальмологии созданы мягкие контактные линзы. Их производство основано на применении оптическиих полимерных материалов материалов (ОПМ), имеющих бифазную природу, сочетающих фрагменты кремний-органического или кремний-фторорганического полимера силикона и гидрофильного полимера гидрогеля.

  • Линзы из кремния
Linsa X-prelomlayustschay

Линза преломления ретгеновских лучей

Линзы из кремния или рентгеновская оптика преломления — линзы, изготовленные из однородного кремния, прозрачные для инфракрасного излучения, рентгеновсого излучения, преломляющие Х-лучи.

В настоящее время нашли применение линзы из кремния. Это связано с современным уровнем технологий обработки твёрдых кристаллов и самое важное, кремний сочетает сверхвысокую дисперсию с самым большим абсолютным значением коэффициента преломления n=3,4 в диапазоне ИК-излучения; линзы из кремния прозрачны к Х-лучам и способны их преломлять, фокусировать (мягкие и жёсткие Х-лучи), что в последнее время находят широкое применение в микроскопии, телескопии, вытесняя рентгеновскую дорогостоящую оптику с применением зеркал и оптических систем «скользящего» преломления Х-лучей. Они полностью непрозрачны в видимом диапазоне спектра. Кроме этого кремний обладает способностью создавать материалы, имеющих бифазную природу, сочетающих фрагменты кремний-органического или кремний-фторорганического полимера силикона и гидрофильного полимера гидрогеля. Что делает его самым перспективным в изготовлении мягких контактных линз. [5]

Биологическая роль Править

Для некоторых организмов кремний является важным биогеным элементом. Он входит в состав опорных образований у растений и скелетных — у животных. В больших количествах кремний концентрируют морские организмы — диатомовые водоросли, радиолярии, губки. Большие количества кремния концентрируют хвощи и злаки, в первую очередь - подсемейства Бамбуков и Рисовидных, в том числе - рис посевной. 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 относительно нетоксичны. Но очень опасно вдыхание высокодисперсных частиц как силикатов, так и диоксида кремния, образующихся, например, при взрывных работах, при долблении пород в шахтах, при работе пескоструйных аппаратов и т. д. Микрочастицы SiO2, попавшие в лёгкие, кристаллизуются в них, а возникающие кристаллики разрушают лёгочную ткань и вызывают тяжёлую болезнь — силикоз. Чтобы не допустить попадания в лёгкие опасной пыли, следует использовать для защиты органов дыхания респиратор.

Цены Править

Изотопы Править

См. также Править

Ссылки Править

  1. Р Смит., Полупроводники: Пер. с англ. — М.: Мир, 1982. — 560 с, ил.
  2. Зи С., Физика полупроводниковых приборов: В 2-х книгах. Кн. 1. Пер. с англ. — М.: Мир, 1984. — 456 с, ил.
  3. http://www.lenta.ru/news/2008/01/22/graphene/
  4. В.В.Аристов, Л.Г.Шабельников Успехи физических наук, январь 2008г.,Том178, №1
  5. http://www.nsc.ru/HBC/hbc.phtml?15+320+1


Литература Править

  • Самсонов. Г. В. Силициды и их использование в технике. Киев, Изд-во АН УССР, 1959. 204 стр. с илл.
  • Алёшин Е.П., Алёшин Н.Е. Рис. Москва, 1993. 504 стр. 100 рис.

Шаблон:Периодическая система элементов (маленький)

Шаблон:Химические семейства элементов



Периодическая система элементов
1 H
Medeleeff by repin
He
2 Li Be B C N O F Ne
3 Na Mg Al Si P S Cl Ar
4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
6 Cs Ba La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
7 Fr Ra Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Uub Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo
  IIа IIIб IIIб: лантаноиды и актиноиды IVб VIб VIIб VIIIб IIб IIIа IVа VIа VIIа VIIIа
Химические семейства элементов периодической таблицы
Щелочные металлы Щёлочноземельные металлы Лантаноиды Актиноиды Переходные металлы
Лёгкие металлы Полуметаллы Неметаллы Галогены Инертные газы

Викия-сеть

Случайная вики