Кремний — химический элемент¶
Кремний (Si, лат. Silicium) — химический элемент 14-й группы периодической таблицы Менделеева, третий по распространённости в земной коре после кислорода и алюминия. Природный кремний состоит из трёх стабильных изотопов: ²⁸Si (92,23 %), ²⁹Si (4,67 %) и ³⁰Si (3,10 %). В чистом виде — твёрдый полупроводник с металлическим блеском, широко применяемый в электронике, металлургии и строительстве.
¶Свойства
¶Физические свойства
Кремний — твёрдое кристаллическое вещество серовато-металлического цвета. Температура плавления — 1414 °C, кипения — 3265 °C, плотность — 2,33 г/см³. Кристаллическая решётка алмазного типа, в которой каждый атом кремния связан ковалентными связями с четырьмя соседями. Электропроводность кремния резко возрастает с ростом температуры, что и определяет его как полупроводник.
¶Химические свойства
В обычных условиях кремний устойчив к действию кислот (за исключением плавиковой и смеси азотной с плавиковой) и щелочей реагирует с образованием силикатов и водорода. При нагревании на воздухе образует защитную плёнку диоксида кремния SiO₂. С галогенами образует галогениды, с металлами — силициды. Химическая близость к углероду проявляется в образовании множества органических соединений кремния — силанов, силоксанов и силазов.
¶Нахождение в природе
Кремний — один из главных компонентов земной коры: его содержание составляет около 27,7 % по массе. Он входит в состав большинства минералов — кварца, полевых шпатов, слюд, глинистых минералов. Основные природные соединения — кварцевый песок и кремнезём (SiO₂), а также различные силикаты и алюмосиликаты. В свободном виде кремний в природе не встречается.
В живых организмах кремний присутствует в виде кремнекислоты и входит в состав скелетов радиолярий, губок, диатомовых водорослей, а также опорных тканей растений.
¶Получение
Промышленный кремний получают восстановлением кремнезёма коксом в электропечях при температуре около 1700 °C:
SiO₂ + 2C → Si + 2CO
Продукт называется металлургическим кремнием (98–99 % чистоты) и используется в основном для производства ферросилиция и кремнийорганических соединений.
Для электроники требуется сверхчистый кремний (99,9999999 % и выше). Его получают многократной зонной переплавкой или выращиванием монокристаллов методом Чохральского. Затем кремний нарезают на пластины (вейферы) толщиной от 100 до 900 мкм.
¶Применение
¶Электроника и фотovoltaика
Кремний — основной полупроводниковый материал современной электроники. На его основе изготавливаются транзисторы, интегральные схемы, солнечные элементы. Доля кремния в мировом производстве полупроводников превышает 95 %. Солнечные панели на основе монокристаллического и поликристаллического кремния составляют около 95 % мирового рынка фотоэлектрики.
¶Металлургия
Кремний добавляют в сталь и чугун для повышения прочности и коррозионной стойкости. Ферросилиция применяется как раскислитель при выплавке стали. Алюминиевые сплавы с кремнием (силумины) обладают повышенной текучестью и используются в литейном производстве.
¶Строительство и химическая промышленность
Кремнезём — сырьё для производства стекла, керамики, огнеупоров. Силикатный клей, цемент, силикатный кирпич основаны на соединениях кремния. Кремнийорганические полимеры (силиконы) применяются в качестве герметиков, смазок, электроизоляционных материалов и в медицине.
¶Биология
Кремний участвует в формировании опорных тканей растений, повышает их устойчивость к полеганию. В организме человека кремний присутствует в соединительной ткани, костях и коже; его дефицит связывают с нарушением структуры соединительной ткани.
¶Изотопы
Помимо стабильных изотопов, известно более 20 радиоактивных изотопов кремния. Наиболее долгоживущий — ³²Si с периодом полураспада около 150 лет, образующийся в атмосфере при космогенных реакциях. Изотопный состав кремния используется в геохронологии и изучении метеоритов.
¶История
Кремний впервые был выделен в 1824 году шведским химиком Йонсом Якобом Берцелиусом нагреванием смеси кремнезёма с углём. Название происходит от латинского silex — кремень. В 1854 году Девиль впервые получил кристаллический кремний, а в 1947 году в лаборатории Bell Labs были созданы первые кремниевые транзисторы, что положило начало полупроводниковой индустрии.
¶См. также
¶Источники
- Кремний // Большой энциклопедический словарь
- Периодическая таблица химических элементов Д. И. Менделеева
- Химическая энциклопедия, т. 2
- Фрумкин А. Н. Физическая химия