Кремний в природе: химические свойства элемента

Кремний – химический элемент и простое вещество

Кремний — химический элемент IV группы периодической системы, аналог углерода.

это самый распространенный элемент земной коры после кислорода (26% по массе).

В отличие от углерода, элемента флоры и фауны, кремний является основным элементом в царстве минералов и горных пород.

В природе кремний встречается только в соединениях.

Название «кремний» происходит от латинского слова sylex — кремень; Русское «кремний» — от греческого слова «кремнос» — обрыв, скала.

Наиболее распространенными его соединениями являются кремнезем и силикаты.

Кремнезем — оксид кремния (IV) SiO2 — представлен в виде обычного песка и бесцветных прозрачных гексагональных кристаллов горного хрусталя.

Кристаллы, окрашенные примесями горного хрусталя, представляют собой драгоценные камни: пурпурный — аметист, дымчатый — топаз, желтый — цитрин.

Все эти драгоценные камни представляют собой наиболее распространенный оксид кремния.

Силикаты (соли кремниевой кислоты), соединения кремния с кислородом и другими элементами.

Природные силикаты — довольно сложные вещества.

Их состав обычно изображают как соединение нескольких оксидов:

каолин Аl2O3 x 2SiO3 x 2Н2O — основной компонент глин

полевой шпат К2O x Аl2O3 x 6SiO2

слюда К2O x Аl2O3 x 6SiO2 x 2Н2O

Оксид кремния в минералах очень часто встречается вместе с оксидом алюминия.

В промышленности кремний получают восстановлением оксида кремния (IV) коксом в электропечах:

Производство кремния связано с высокими энергетическими затратами, поскольку оксид кремния (SiO2) имеет атомарную кристаллическую решетку, поэтому он химически очень стабилен, и на его разложение необходимо затратить огромное количество энергии.

Кремний существует в двух аллотропных модификациях:

• аморфный
• кристаллический

Аморфный кремний представляет собой порошок коричневого цвета:

Кристаллический кремний представляет собой твердое вещество темно-серого цвета с металлическим блеском.

он хрупкий, тугоплавкий и обладает полупроводниковыми свойствами.

Это связано со структурой его кристаллов: кремний по структуре похож на алмаз.

На внешнем энергетическом уровне атома кремния четыре электрона, поэтому он может отдать два или четыре или добавить четыре электрона, переходя в состояние со степенью окисления +2, +4 или –4.

Соединения, в которых он имеет степень окисления +4, более характерны для кремния. Однако известен и двухвалентный оксид кремния — SiO.

Это смолистое вещество, достаточно устойчивое с химической точки зрения.

Оксид кремния (II) нашел даже применение: его используют в защитных оптических слоях полупроводников и в качестве непрозрачной «стенки» для оптических волокон.

При комнатной температуре кремний инертен, но при нагревании вступает в реакцию с кислородом, хлором, бромом и многими другими неметаллами.

При нагревании в кислороде кремний горит с образованием оксида кремния (IV):

Чистый кремний используется в радиоэлектронной промышленности в солнечных батареях, которые преобразуют солнечную энергию в электрическую и снабжают энергией искусственные спутники Земли.

Принцип действия солнечной батареи основан на том, что в двух кремниевых пластинах, одна покрыта бором, другая — фосфором, под действием солнечного света генерируется электрический ток.

Свободные электроны появляются в пластине, покрытой фосфором.

Почему выбирают бор и фосфор? Бор находится в III группе периодической системы элементов, то есть на внешнем электронном уровне его атома находится 3 электрона.

У атома фосфора их 5. Следовательно, возникает электрический ток: электроны перемещаются из области своего избытка в область своего дефицита.

В металлургии кремний является неотъемлемой частью многих типов сталей.

Высококремнистая сталь, содержащая 50% кремния, не подвержена воздействию кислот.

Если сталь содержит 2% кремния, ее намного легче намагнитить, чем обычную сталь.

Многие соединения кремния очень твердые, например, карборунд SiC вместе с алмазом используется в качестве абразивного материала.

Запасы, руды, минералы

Главный минерал кремния — песок. Кроме него есть:

• кварц;
• кварцит;
• полевой шпат;
• силикаты;
• алюмосиликаты.

Нашего героя много в земной коре (до 30% по массе). После углерода это второй по распространенности элемент на планете).

Многие соединения кремния представляют собой драгоценные и полудрагоценные камни. Это аквамарин, изумруд, топаз, аметист, яшма и топаз.

Нахождение в природе

По содержанию в земной коре кремний занимает второе место среди всех химических элементов (после кислорода). Масса земной коры состоит из 27,6-29,5% кремния. Кремний входит в состав нескольких сотен различных природных силикатов и алюмосиликатов. Наиболее распространены кремнезем, многочисленные формы диоксида кремния (IV) SiO2 (речной песок, кварц, кремень и др.), Которые составляют около 12% земной коры (по весу). Кремний не встречается в природе в свободном виде, хотя четверть Земли состоит из кремния.

Сплавы, получение кремния

Кремний не может образовывать сплавы, это привилегия металлов. Но он способен растворять многие металлы. Эти соединения — силициды — используются в промышленности.

Это включает:

• силумино;
• ферро-кремний;
• сплав РС-1004;
• сплав РС1714;
• сплав RS 4800;
• сплав RS5406.

Способы производства кремния:

1. В шахтных печах восстановлением SiO2 коксом (технически чистый кремний).
2. Дальнейшую очистку продукта проводят по реакции SiCl4 + 2H2 = Si + 4HCl (восстановление тетрахлорида водородом при высокой температуре).

Сверхчистый продукт (поликремний) для производства полупроводников и солнечных элементов подвергается дополнительной очистке.

Свойства атома кремния :

200	Свойства атома
201	Атомная масса (молярная масса)*	28,084-28,086 а.е.м. (г / моль)
202	Электронная конфигурация	1с2 2с2 2п6 3с2 3п2
203	Электронная оболочка	K2 L8 M4 N0 O0 P0 Q0 R0
204	Радиус атома (рассчитанный)	111 вечера
205	Эмпирический радиус атома *	110 часов
206	Ковалентный радиус	111 вечера
207	Ионный радиус (кристаллический)	Si4+ 40 (4) вечера, 54 (6) вечера (в скобках указано координационное число — характеристика, определяющая количество ближайших частиц (ионов или атомов) в молекуле или кристалле)
208	Радиус Ван-дер-Ваальса	210 вечера
209	Электроны, протоны, нейтроны	14 электронов, 14 протонов, 14 нейтронов
210	Семья (блок)	член семьи p
211	Период в периодической таблице	3
212	Группа по периодической таблице	14 группа (по старой классификации — основная подгруппа 4 группы)
213	Спектр излучения

Плюсы и минусы

Кремний имеет много преимуществ. Это:

1. Доступность в добыче полезных ископаемых, простота получения продукта.
2. Наш герой не токсичен, это дает возможность использовать его в любом секторе.
3. В электротехнике и радиотехнике не обойтись без полупроводниковых свойств неметалла.
4. Кремний способен образовывать множество полезных и разнообразных соединений.

К недостаткам можно отнести хрупкость неметалла при хорошей твердости.

Состав и структура

Кремний существует в двух аллотропных формах, которые одинаково стабильны при нормальных температурах.

• Кристаллический имеет вид темно-серого порошка. Вещество, хотя и имеет алмазоподобную кристаллическую решетку, хрупкое из-за слишком длинной связи между атомами. Интересны его полупроводниковые свойства.
• При очень высоких давлениях может быть получена гексагональная модификация с плотностью 2,55 г / см 3, ср. Однако этот шаг еще не нашел практического смысла.
• Аморфный — коричнево-коричневый порошок. В отличие от кристаллической формы реагирует гораздо активнее. Это связано не столько с инерционностью первой формы, сколько с тем, что в воздухе вещество покрыто слоем диоксида.

Кроме того, необходимо учитывать еще один тип классификации, связанный с размером кристаллов кремния, которые вместе образуют вещество. Кристаллическая решетка, как известно, предполагает упорядочение не только атомов, но и структур, которые эти атомы образуют, — так называемый дальний порядок. Чем он больше, тем более однородным по свойствам будет вещество.

• Монокристаллический: образец представляет собой монокристалл. Его структура максимально аккуратна, свойства однородны и хорошо предсказуемы. Именно этот материал наиболее востребован в электротехнике. Однако он также относится к более дорогим видам, так как процесс его получения сложен, а скорость роста низкая.
• Мультикристаллический: образец содержит ряд крупных кристаллических зерен. Границы между ними образуют дополнительные уровни дефектов, которые снижают характеристики образца как полупроводника и приводят к более быстрому износу. Технология выращивания мультикристалла проще, а значит, и материал дешевле.
• Поликристаллический: состоит из большого количества зерен, случайно расположенных друг относительно друга. Это самый чистый тип промышленного кремния, используемый в микроэлектронике и солнечной энергии. Довольно часто его используют как сырье для выращивания множественных и монокристаллов.
• Аморфный кремний также занимает в этой классификации отдельное место. Здесь порядок расположения атомов сохраняется только на кратчайших расстояниях. Однако в электротехнике до сих пор используется в виде тонких пленок.

Далее мы расскажем вам о сырье для производства кремния, вредности добычи, технологии его производства в мировом масштабе и в России.

Кристаллическая решётка кремния:

500	Кристаллическая решетка
511	Кристаллическая решетка # 1
512	Ретикулярная структура	Кубический алмаз
513	Параметры решетки	5,4307
514	C / a отчет
515	Температура Дебая	645 ± 5 тыс
516	Название группы пространств симметрии	Fd_ 3м
517	Номер пространственной группы симметрии	227

Где используется

Использование кремния определяет его свойства. Неметалл хрупок, поэтому не годится в качестве «каркаса» конструкций. Однако эта же функция позволяет безупречно обрабатывать поверхность кристалла, что ценится производителями электроники.

Применение кремния

Кремний — материал номер один для солнечных панелей, компьютеров, смартфонов и других устройств третьего тысячелетия.

Микроконтроллер 1993 года выпуска со стиранием памяти UV 62E40 от европейской компании STMicroelectronics. За окном виден кристалл микросхемы — кремниевая подложка с запущенной на ней схемой.

Промышленность

Помимо ИТ-сектора, неметаллический сектор востребован традиционными отраслевыми сегментами.

• Металлургия. Технический кремний используется как раскислитель при выплавке чугуна, как отвердитель для сплавов.
• Машиностроение, изготовление инструментов. Сплавы с металлами твердые, тугоплавкие. Применяются в составе турбин, термоэлементов оборудования металлургических заводов.
• Электротехника, радиотехника. Солнечные элементы, интегральные схемы, транзисторы, диоды и другие изделия изготавливаются из неметаллических полупроводников.
• Органический, неорганический синтез.
• Прозрачность вещества для инфракрасного спектра — важное преимущество для производителей оптики.
• Стекольная промышленность. Силикаты служат источником для производства стекла, хрусталя, керамики, фарфора и различных видов майолики.
• Песок входит в состав строительных материалов (цемент, бетон).
• Практически универсален карбид (кремний + углерод). Компаунд закупается у металлургов, инструментальщиков и предприятий химической промышленности. Твердое вещество (7 баллов по Моосу) используется как широкодиапазонный и абразивный полупроводник.
• Органические кремнийорганические соединения закупают у производителей силиконовых изделий — герметиков, смазок и других товаров.

То есть было найдено применение чистому веществу и соединению.

Другие сферы

Силиконовые изделия фармацевты используют как основу препаратов для профилактики и лечения атеросклероза, туберкулеза, артрита.

Вода из резервуаров, облицованных кремнием, отличается кристаллической чистотой, отсутствием микробов и лечебными свойствами.

Эстетические разновидности неметаллов — агаты, аметисты, горный хрусталь, опалы, сердолик — покупают ювелиры и коллекционеры минералогических коллекций.

МОРФОЛОГИЯ

Чаще всего кремний встречается в природе в виде кремнезема — соединений на основе диоксида кремния (IV) SiO2 (около 12% от массы земной коры). Основными минералами и породами, образованными диоксидом кремния, являются песок (речной и кварц), кварц и кварцит, кремень, полевой шпат. Вторая по распространенности группа соединений кремния в природе — силикаты и алюмосиликаты.

Есть единичные факты нахождения чистого кремния в самородном состоянии.

Биологическое воздействие

Как и в литосфере, кремний в организме человека является одним из основных макроэлементов (до 4%).

Человеку необходимо 48-51 мг кремния в сутки.

О недостатке вещества сигнализируют следующие факторы:

• Тусклость, ломкость волос, ногтей.
• Сухая кожа.
• Частые ОРВИ, ОРЗ.
• Сердцебиение.
• Ослабленный скелет (боли в позвоночнике, остеопороз).
• Бесплодие.

�