Кремний (Si) — химический элемент¶

Кремний (Si, латинское Silicium) — химический элемент 14 группы (IV группы старой нумерации) периодической системы Д. И. Менделеева, атомный номер 14. Относится к подгруппе углерода (главная подгруппа IV группы). При нормальных условиях представляет собой твёрдое кристаллическое вещество с полупроводниковыми свойствами. В природе кремний — второй по распространённости элемент в земной коре (после кислорода), его содержание составляет около 27,7 % по массе.

¶Этимология и история

Название элемента происходит от латинского silex — кремень. В русском языке закрепилось название «кремний», хотя исторически за этим словом был закреплён углерод (в названиях «кремнёвый огонь», «кремнёвая кислота» для карбоновых соединений). Термин «силиций» использовался в русскоязычной литературе XIX века как калька с латинского названия.

Кремний был открыт в 1824 году шведским химиком Йёнсом Якобом Берцелиусом, который получил его восстановлением кремнезёма (SiO₂) калиевым металлом. До этого кремнийсодержащие соединения — прежде всего кремнезём и силикаты — были известны человеку с глубокой древности и применялись в виде глины, песка, стекла и минералов.

¶Физические свойства

Кремний — твёрдый хрупкий кристалл серовато-металлического цвета с кубической решёткой алмазного типа. Обладает свойствами полупроводника: электропроводность резко возрастает с повышением температуры и при легировании примесями. В чистом виде при комнатной температуре удельное сопротивление кремния составляет около 2,3×10³ Ом·м, что существенно выше, чем у металлов.

¶Химические свойства

В обычных условиях кремний устойчив к действию кислорода: на воздухе он покрывается тонкой защитной плёнкой оксида кремния SiO₂. При нагревании выше 1000 °C кремний горит с образованием SiO₂:

Si + O₂ → SiO₂

С галогенами кремний реагирует при нагревании, образуя тетрагалогениды SiX₄. С азотом при высокой температуре образует нитрид кремния Si₃N₄. С водой и разбавленными кислотами кремний не взаимодействует, но растворяется в плавиковой кислоте с образованием гексафторкремниевой кислоты:

Si + 6HF → H₂SiF₆ + 2H₂

С щелочами кремний реагирует с выделением водорода:

Si + 2NaOH + H₂O → Na₂SiO₃ + 2H₂↑

Наиболее характерная степень окисления кремния — +4. Оксид кремния SiO₂ (диоксид кремния, кремнезём) — кислотный оксид, образующий при взаимодействии с щелочами силикаты. Кремний образует обширный класс силикатов и алюмосиликатов, составляющих основу большинства горных пород и минералов.

¶Нахождение в природе

Свободного кремния в природе практически не существует — он всегда связан с кислородом. Основные природные формы:

• Кварц (SiO₂) — один из самых распространённых минералов земной коры;
• Силикаты и алюмосиликаты — полевые шпаты, слюды, глины, оливины, пироксены, амфиболы;
• Карбонат кремния (SiO₂·nH₂O) — опал, халцедон.

Кремний входит в состав около 90 % всех минералов. В живых организмах кремний присутствует в виде кремнекислоты и её солей — в клеточных стенках диатомовых водорослей, стеблях злаков, костях и соединительной ткани животных.

¶Получение

Промышленный кремний получают восстановлением кремнезёма в электропечях при температуре около 1700 °C с использованием кокса или древесного угля:

SiO₂ + 2C → Si + 2CO↑

Такой кремний называется техническим (кремний марки КР, КД) и содержит до 1–2 % примесей. Для производства полупроводниковых приборов требуется полупроводниковый кремний чистотой 99,9999 % и выше. Его получают последующим переплавлением (зонная плавка) и выращиванием монокристаллов методом Чохральского.

¶Применение

Кремний — один из важнейших технических материалов XX–XXI веков.

¶Полупроводниковая промышленность

Основной потребитель высокочистого кремния — электроника. Кремниевые пластины служат подложками для интегральных схем, транзисторов, солнечных элементов. Кремниевые солнечные батареи занимают основную долю мирового рынка фотовольтаики.

¶Металлургия

Сплавы кремния с алюминием (силумины), медью и другими металлами применяются в машиностроении. Ферросилиций используется при производстве стали для раскисления и легирования.

¶Строительные материалы

Силикатный кирпич, стекло, цемент, керамика и абразивные материалы основаны на кремнезёме и силикатах. Силикатный клей (жидкое стекло) — раствор силиката натрия или калия.

¶Органическая химия

Органосиликоновые соединения (силиконы, силаны) применяются как герметики, смазки, гидрофобизаторы и электроизоляционные материалы.

¶Биологическая роль

Кремний участвует в формировании костной и соединительной ткани, укрепляет стенки сосудов. Дефицит кремния в пище связывают с нарушением минерализации костей. Кремнезём способен накапливаться в лёгочной ткани при длительной ингаляции пыли — это профессиональное заболевание силикоз.

¶Изотопы

Природный кремний состоит из трёх стабильных изотопов: ²⁸Si (92,23 %), ²⁹Si (4,67 %) и ³⁰Si (3,10 %). Известны также радиоактивные изотопы, наиболее значимый из которых — ³²Si с периодом полураспада около 150 лет.

Источники:

• Д. И. Менделеев, «Основы химии»
• Н. Н. Величко, «Курс неорганической химии»
• Ф. А. Коттон, Д. Уилкинсон, «Современная неорганическая химия»
• А. В. Новосёлов, «Неорганическая химия. Кремний»
• Периодическая таблица химических элементов Д. И. Менделеева