Кремний

Кремний — это химический элемент 14-й группы (по устаревшей классификации — IVA группы) третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 14. Обозначается символом Si (от лат. Silicium). Является типичным неметаллом, вторым по распространённости элементом в земной коре после кислорода (около 27,6 % по массе). В чистом виде представляет собой твёрдое вещество тёмно-серого цвета с металлическим блеском, обладающее полупроводниковыми свойствами. Кремний — основа современной электроники и один из важнейших элементов в материаловедении.

История открытия и происхождение названия

Соединения кремния, в первую очередь кремнезём (диоксид кремния, SiO₂), были известны человеку с глубокой древности. Из кремнезёма изготавливали каменные орудия труда, а позже — стекло. Однако в чистом виде элемент был выделен лишь в начале XIX века.

В 1808 году английский химик Хамфри Дэви предпринял попытку получить кремний электролизом, но безуспешно. Первым, кому удалось выделить кремний в элементарном виде, считается шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус в 1823 году. Он получил аморфный кремний, нагревая металлический калий с кремниевым фтором (тетрафторидом кремния) в запаянной трубке. Полученный продукт был назван «силицием» (от лат. silex — кремень). Русское название «кремний» было предложено химиком Г. И. Гессом в 1834 году и происходит от слова «кремень» (твёрдый камень), что отражает его распространённость в виде кремнезёма.

Кристаллический кремний впервые был получен значительно позже, в 1854 году, французским химиком Анри Этьеном Сент-Клер Девилем, который использовал электролиз расплавленной смеси хлорида натрия и хлорида кремния.

Физические свойства

Чистый кремний — хрупкое вещество с характерным серо-стальным блеском. Существует в двух основных аллотропных модификациях: аморфной и кристаллической.

Кристаллический кремний

• Структура: кубическая гранецентрированная решётка типа алмаза.
• Цвет: тёмно-серый с металлическим блеском.
• Твёрдость: 7 по шкале Мооса (достаточно твёрдый, царапает стекло).
• Плотность: 2,33 г/см³ (при 20 °C).
• Температура плавления: 1414 °C.
• Температура кипения: 3265 °C.
• Полупроводниковые свойства: является полупроводником с шириной запрещённой зоны 1,12 эВ при комнатной температуре. Электропроводность сильно зависит от примесей и температуры. При нагревании проводимость увеличивается, что отличает его от металлов.

Аморфный кремний

• Структура: неупорядоченная, без дальнего порядка в расположении атомов.
• Цвет: коричневый порошок.
• Плотность: около 2,0 г/см³.
• Химическая активность: значительно выше, чем у кристаллической формы.
• Применение: используется в тонкоплёночных солнечных батареях и некоторых типах транзисторов.

Химические свойства

По химической активности кремний занимает промежуточное положение между углеродом и германием. При комнатной температуре он химически инертен, но при нагревании реагирует со многими веществами.

Взаимодействие с неметаллами

• С кислородом: при нагревании выше 400 °C кремний окисляется до диоксида кремния: Si + O₂ → SiO₂.
• С галогенами: энергично реагирует с фтором при комнатной температуре, с хлором — при нагревании, образуя тетрагалогениды (SiF₄, SiCl₄).
• С углеродом: при очень высоких температурах (около 2000 °C) образует карбид кремния (SiC) — одно из самых твёрдых веществ, известное как карборунд.
• С водородом: напрямую не реагирует, соединения кремния с водородом (силаны) получают косвенными методами.

Взаимодействие с металлами

При нагревании кремний растворяется в расплавленных металлах, образуя силициды (например, Mg₂Si, CaSi₂, FeSi). Силициды многих металлов обладают высокой твёрдостью и жаропрочностью.

Взаимодействие с кислотами и щелочами

• С кислотами: кремний устойчив к действию большинства кислот (кроме смеси плавиковой и азотной кислот). В плавиковой кислоте (HF) растворяется с выделением водорода и образованием гексафторокремниевой кислоты: Si + 6HF → H₂[SiF₆] + 2H₂.
• Со щелочами: легко реагирует с концентрированными растворами щелочей при нагревании, образуя силикаты и водород: Si + 2NaOH + H₂O → Na₂SiO₃ + 2H₂↑.

Распространённость в природе

Кремний — второй по распространённости элемент в земной коре (после кислорода). В свободном виде в природе не встречается из-за высокой химической активности. Основные соединения:

• Диоксид кремния (SiO₂): основная форма, встречается в виде кварца, кремнезёма, горного хрусталя, аметиста, агата, яшмы, опала. Кварц является основой многих горных пород (песок, песчаник, гранит).
• Силикаты и алюмосиликаты: обширный класс минералов, составляющих основу земной мантии и коры. К ним относятся полевые шпаты (ортоклаз, альбит), слюды (мусковит, биотит), глины (каолинит), а также такие минералы, как тальк, асбест, цеолиты.

Кремний входит в состав многих живых организмов. Он необходим для роста и развития растений (особенно злаков, хвощей, бамбука), а также для формирования скелетов некоторых морских организмов (радиолярий, диатомовых водорослей). В организме человека кремний содержится в небольших количествах и играет роль в формировании соединительной ткани и костей.

Получение

В промышленности кремний получают двумя основными способами:

Металлургический (технический) кремний

Производится восстановлением диоксида кремния (кварцевого песка) углеродом (коксом) в электрических дуговых печах при температуре около 1800–2000 °C: SiO₂ + 2C → Si + 2CO↑ Полученный продукт имеет чистоту 96–99 % и называется техническим кремнием. Он используется в металлургии (как легирующая добавка в алюминиевые и стальные сплавы) и в химической промышленности.

Высокочистый (электронный) кремний

Для полупроводниковой промышленности требуется кремний сверхвысокой чистоты (99,9999999 % или 9N). Его получают в несколько этапов:

1. Синтез трихлорсилана: технический кремний обрабатывают хлороводородом: Si + 3HCl → SiHCl₃ + H₂.
2. Очистка трихлорсилана: методом ректификации.
3. Восстановление: очищенный трихлорсилан восстанавливают водородом: SiHCl₃ + H₂ → Si + 3HCl.
4. Зонная плавка: для получения монокристаллического кремния с минимальным количеством дефектов используется метод зонной плавки или метод Чохральского (вытягивание кристалла из расплава).

Применение

Кремний — один из самых востребованных элементов в современной промышленности.

Электроника и микроэлектроника

Основное применение кремния — производство полупроводниковых приборов. Из монокристаллического кремния изготавливают:

• Микропроцессоры и микроконтроллеры: основа всех современных компьютеров, смартфонов, бытовой техники.
• Микросхемы памяти: оперативная (DRAM, SRAM) и постоянная (Flash, ROM).
• Диоды и транзисторы: для выпрямления, усиления и переключения сигналов.
• Солнечные батареи: фотоэлектрические преобразователи на основе кремния (монокристаллического, поликристаллического или аморфного) составляют более 90 % мирового рынка солнечной энергетики.
• Датчики: кремниевые датчики давления, температуры, ускорения (акселерометры).

Металлургия

• Легирование стали: добавка кремния (до 3–4 %) повышает прочность, упругость и коррозионную стойкость стали (трансформаторная, пружинная, рессорная сталь).
• Производство алюминиевых сплавов: силумин (сплав алюминия с кремнием) обладает высокой жидкотекучестью и используется для литья сложных деталей.
• Производство ферросилиция: сплав железа и кремния, используемый для раскисления стали (удаления кислорода).

Химическая промышленность

• Производство силиконов (полисилоксанов): кремнийорганические полимеры, обладающие высокой термостойкостью, эластичностью и гидрофобностью. Используются для изготовления герметиков, смазок, медицинских имплантатов, косметики.
• Производство кремнезёма: используется в производстве стекла, керамики, абразивов, наполнителей для резины и пластмасс (в том числе для шин).
• Производство карбида кремния (SiC): сверхтвёрдый абразивный материал, а также полупроводник для высокотемпературной и высоковольтной электроники.

Строительство

• Стекло: кварцевое стекло (из чистого SiO₂) используется для изготовления оптических приборов, лабораторной посуды, волоконной оптики.
• Цемент и бетон: силикаты кальция являются основой портландцемента.
• Керамика: кирпич, черепица, фаянс, фарфор.

Биологическая роль и влияние на здоровье

Кремний является важным микроэлементом для многих живых организмов. Он участвует в синтезе коллагена и эластина, необходим для формирования костной и хрящевой ткани, а также для здоровья кожи, волос и ногтей. Недостаток кремния в организме может приводить к хрупкости костей, выпадению волос и ухудшению состояния кожи.

Основные источники кремния в питании человека: злаки (овёс, ячмень, рис), хвощ полевой, крапива, бамбук, а также некоторые овощи (огурцы, лук). В чистом виде кремний нетоксичен. Однако вдыхание мелкодисперсной пыли диоксида кремния (кварцевой пыли) может вызывать тяжёлое профессиональное заболевание — силикоз (фиброз лёгких). Некоторые кремнийорганические соединения (силиконы) считаются биологически инертными и широко применяются в медицине для изготовления имплантатов.

Интересные факты

• Кремний — второй по распространённости элемент в земной коре, но лишь восьмой по распространённости во Вселенной.
• Кварцевые часы (на основе пьезоэлектрического эффекта кварца) являются одними из самых точных в мире.
• В 1954 году на основе кремния был создан первый кремниевый транзистор, что положило начало эпохе полупроводниковой электроники.
• Кремниевая долина (Silicon Valley) в Калифорнии получила своё название именно благодаря кремнию, используемому в производстве микросхем.
• Карбид кремния (карборунд) — одно из самых твёрдых природных веществ, уступающее по твёрдости только алмазу и нитриду бора.
• В 2010-х годах ведутся активные исследования по созданию кремниевых фотонных интегральных схем, которые могли бы заменить электронные в передаче данных.

Источники

• Химическая энциклопедия: в 5 т. / Редкол.: Кнунянц И. Л. (гл. ред.) и др. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2.
• Гринвуд Н., Эрншо А. Химия элементов: в 2 т. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008.
• Физические величины: Справочник / Под ред. И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова. — М.: Энергоатомиздат, 1991.
• Коттон Ф., Уилкинсон Дж. Современная неорганическая химия. — М.: Мир, 1969.
• Данные Международного союза теоретической и прикладной химии (IUPAC).