Кремний

Кремний (Si)
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. silex — кремень). Русское название «кремний» введено в 1834 году российским химиком Германом Ивановичем Гессом.

Нахождение в природе

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

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

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.)

Схематическое изображение зонной структуры кремния

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 1,5·10¹⁶м^-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 ).

Химические свойства

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 Si_nH_2n+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 — углерода — карбид 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

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 зеркал газовых лазеров. 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.

Оптика

Плоско-выпуклая линза

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.

• 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

Файл:Linsa prelomlena rentgenovskich lutshey.jpg

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 сверхнизкую! 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.

Биологическая роль

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.

См. также

• Категория:Соединения кремния
• Пористый кремний
• Стекло
• Линза
• Фотоматериалы
• Фотосенсор(Матрица (фото))
• Ситаллы
• Углерод
• Германий

Ссылки

• Кремний на Webelements
• Кремний в Популярной библиотеке химических элементов

Литература

• 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.
• Китай ввел пошлины на ввоз поликристаллического кремния «солнечного» качества из США… Под их действие не попадает поликремний «электронного» качества, предназначенный, в частности, для изготовления чипов… // 2014

---

Периодическая система элементов

1

H

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

Cn

Uut

Fl

Uup

Lv

Uus

Uuo

8

Uue

Ubn

Ubu

Ubb

Ubt

Ubq

Ubp

Ubh

Iа

IIа

IIIб

IIIб: лантаноиды и актиноиды и Суперактиноиды

IVб

Vб

VIб

VIIб

VIIIб

Iб

IIб

IIIа

IVа

Vа

VIа

VIIа

VIIIа

---

Химические семейства элементов периодической таблицы

Щелочные металлы	Щёлочноземельные металлы	Лантаноиды	Актиноиды	Переходные металлы
Лёгкие металлы	Полуметаллы	Неметаллы	Галогены	Инертные газы