Жартылай металл кремнийді қараңыз!

Кремний металы - болат, күн батареялары және микрочиптер жасау үшін қолданылатын сұр және жылтыр жартылай өткізгіш металл.

Кремний - ең көп таралған екінші элемент жер қыртысы(тек оттегінің артында) және Әлемдегі ең көп сегізінші элемент. Шын мәнінде, жер қыртысының салмағының шамамен 30 пайызын кремнийге жатқызуға болады.

Атомдық нөмірі 14 элемент табиғи түрде силикатты минералдарда, соның ішінде кварц және құмтас сияқты қарапайым жыныстардың негізгі құрамдас бөліктері болып табылатын кремний диоксиді, дала шпаты және слюдада кездеседі.

Жартылай металдық (немесе металлоидты) кремний металдардың да, бейметалдардың да кейбір қасиеттеріне ие.

Су сияқты, бірақ көптеген металдардан айырмашылығы, кремний бар сұйық күйжәне қатқан сайын кеңейеді. Ол салыстырмалы түрде жоғары балқу және қайнау температураларына ие және кристалданған кезде ол кристалды алмаз кристалдық құрылымын құрайды.

Кремнийдің жартылай өткізгіш ретіндегі рөлі және оны электроникада қолдануы үшін маңызды нәрсе кремнийдің басқа элементтермен оңай байланысуына мүмкіндік беретін төрт валенттік электронды қамтитын элементтің атомдық құрылымы болып табылады.

Швед химигі Джонс Джейкоб Берсерлиус 1823 жылы бірінші оқшаулағыш кремний деп саналады. Берцерлиус мұны калий фторсиликатымен бірге тигельдегі калий металын (ол он жыл бұрын ғана оқшауланған) қыздыру арқылы жүзеге асырды.

Нәтиже аморфты кремний болды.

Алайда кристалды кремнийді алу үшін көп уақыт қажет болды. Кристалды кремнийдің электролиттік үлгісі тағы үш онжылдықта өндірілмейді.

Кремнийдің алғашқы коммерциялық қолданылуы ферросилиций түрінде болды.

19 ғасырдың ортасында Генри Бессемер болат өнеркәсібін жаңартқаннан кейін металлургиялық металлургияға және болат технологиясын зерттеуге үлкен қызығушылық туды.

1880 жылдары ферросилиций алғаш рет коммерциялық түрде өндірілген кезде, шойынның икемділігін және тотықсыздандыратын болатты жақсартудағы кремнийдің мәні өте жақсы түсінілді.

Құрамында кремнийі бар кендерді көмірмен тотықсыздандыру арқылы домна пештерінде ферросилицийдің ерте өндірісі жүргізілді, нәтижесінде күміс шойын, кремний мөлшері 20 пайызға дейін ферросилиций алынды.

20 ғасырдың басында электр доғалық пештердің дамуы болат өндірісін ұлғайтып қана қоймай, сонымен қатар ферросилиций өндірісін арттыруға мүмкіндік берді.

1903 жылы ферроқорытпаларды жасауға маманданған топ (Compagnie Generate d'Electrochimie) Германияда, Францияда және Австрияда жұмысын бастады, ал 1907 жылы АҚШ-та алғашқы коммерциялық кремний зауыты құрылды.

Болат өңдеу бұрын коммерцияланған кремний қосылыстары үшін жалғыз қолданба болған жоқ аяғы XIXғасыр.

1890 жылы жасанды алмас өндіру үшін Эдвард Гудрих Ачесон алюмосиликатты ұнтақ кокспен қыздырып, кездейсоқ кремний карбидін (SiC) өндірді.

Үш жылдан кейін Ачесон өзінің өндіріс әдісін патенттеп, абразивті бұйымдарды өндіру және сату үшін Карборунд компаниясын құрды.

20 ғасырдың басында кремний карбидінің өткізгіштік қасиеттері де жүзеге асырылды және қосылыс ерте теңіз радиоларында детектор ретінде пайдаланылды. Кремний кристалды детекторларына патент 1906 жылы Г.В.Пиккардқа берілді.

1907 жылы бірінші жарық шығаратын диод(LED) кремний карбиді кристалына кернеу қолдану арқылы жасалған.

1930 жылдары кремнийді қолдану жаңа химиялық өнімдердің, соның ішінде силандар мен силикондардың дамуымен өсті.

Өткен ғасырдағы электрониканың өсуі де кремниймен және оның бірегей қасиеттерімен тығыз байланысты.

1940 жылдары алғашқы транзисторларды жасау - заманауи микрочиптердің ізашарлары - германийге сүйенді, бірақ көп ұзамай кремний өзінің металдық туысын жартылай өткізгіш субстраттың берік материалы ретінде ауыстырды.

Bell Labs және Texas Instruments 1954 жылы кремний транзисторларының коммерциялық өндірісін бастады.
Алғашқы кремний интегралдық схемалары 1960 жылдары жасалды, ал 1970 жылдары кремний процессорлары жасалды.

Кремний жартылай өткізгіш технологиясы заманауи электроника мен есептеуіш техниканың негізі екенін ескерсек, бұл саланың орталығын «Кремний алқабы» деп атауымыз ғажап емес.

(Кремний алқабының және микрочип технологияларының тарихы мен дамуын тереңірек қарау үшін мен өте ұсынамын. деректі фильм«Кремний алқабы» деп аталатын американдық тәжірибе).

Алғашқы транзисторлар ашылғаннан кейін көп ұзамай Bell Labs компаниясының кремниймен жұмысы 1954 жылы екінші үлкен жетістікке әкелді: кремнийдің бірінші фотоэлектрлі (күн) элементі.

Бұған дейін жер бетінде қуат жасау үшін күн энергиясын пайдалану туралы ой көпшілік мүмкін емес деп саналды. Бірақ төрт жылдан кейін, 1958 жылы кремний күн панельдері бар бірінші жер серігі Жерді айналып шықты.

1970 жылдарға қарай күн технологиясына арналған коммерциялық қосымшалар теңіздегі жарықтандыру сияқты жердегі қолданбаларды қамтитындай өсті. мұнай платформаларыжәне темір жол өткелдері.

Соңғы екі онжылдықта күн энергиясын пайдалану экспоненциалды түрде өсті. Бүгінгі таңда кремнийлі фотоэлектрлік технологиялар күн энергиясының әлемдік нарығының шамамен 90 пайызын құрайды.

Өндіріс

Жыл сайын тазартылған кремнийдің көп бөлігі - шамамен 80 пайызы - шойын мен болат өндірісінде пайдалану үшін ферросилиций ретінде өндіріледі. Ферросилицийдің құрамында балқыту зауытының талаптарына байланысты 15-тен 90%-ға дейін кремний болуы мүмкін.

Темір мен кремний қорытпасы тотықсыздандырылған балқыту арқылы суасты электр доғалы пешінің көмегімен өндіріледі. Силикагельді ұнтақталған кен және кокстелетін көмір (металлургиялық көмір) сияқты көміртек көзі ұсақталып, металл сынықтарымен бірге пешке жүктеледі.

1900 °C (3450 °F) жоғары температурада көміртек көміртегі тотығы газын түзу үшін рудадағы оттегімен әрекеттеседі. Ал қалған темір мен кремний, содан кейін балқытылған ферросилицийді алу үшін біріктіріледі, оны пештің негізін түрту арқылы жинауға болады.

Салқындатылған және қатайтылғаннан кейін ферросилицийді жөнелтуге және темір мен болат өндірісінде тікелей пайдалануға болады.

Дәл осындай әдіс темірді қоспай, 99 пайыздан астам таза металлургиялық кремний алу үшін қолданылады. Металлургиялық кремний сонымен қатар болат балқытуда, сондай-ақ алюминий құймалары мен силан химикаттарын өндіруде қолданылады.

Металлургиялық кремний қорытпадағы темір, алюминий және кальций қоспаларының деңгейі бойынша жіктеледі. Мысалы, 553 кремний металының құрамында темір мен алюминийдің әрқайсысында 0,5 пайыздан, ал кальций 0,3 пайыздан аз болады.

Әлемде жыл сайын шамамен 8 миллион метрикалық тонна ферросилиций өндіріледі, оның 70 пайызы Қытайға тиесілі. Негізгі өндірушілерге Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Group OM Materials және Elkem кіреді.

Жыл сайын тағы 2,6 миллион метрикалық тонна металлургиялық кремний немесе жалпы тазартылған кремний металының шамамен 20 пайызы өндіріледі. Бұл өндірістің шамамен 80 пайызы Қытайға тиесілі.

Көпшілікті таң қалдырғаны – кремнийдің күн және электронды сорттары барлық тазартылған кремний өндірісінің аз ғана мөлшерін (екі пайыздан аз) құрайды.

Күн деңгейіндегі кремний металына (полисилиций) дейін жаңарту үшін тазалық 99,9999% таза таза кремнийге (6N) дейін көтерілуі керек. Бұл үш жолдың бірімен жасалады, ең көп таралғаны Siemens процесі.

Siemens процесі трихлорсилан деп аталатын ұшқыш газдың химиялық буының тұндырылуын қамтиды. 1150 °C (2102 °F) температурада трихлоросилан таяқшаның ұшына орнатылған жоғары таза кремний тұқымына үрленеді. Ол өтіп бара жатқанда, газдан жоғары таза кремний тұқымға түседі.

Сондай-ақ металды фотоэлектрлік өнеркәсіп үшін қолайлы полисилицийге дейін жаңарту үшін сұйық қабаттағы реактор (FBR) және жаңартылған металлургиялық сортты (UMG) кремний технологиясы қолданылады.

2013 жылы 230 000 метрикалық тонна полисилиций өндірілді. Жетекші өндірушілерге GCL Poly, Wacker-Chemie және OCI кіреді.

Соңында, электроникадағы кремнийді жартылай өткізгіш өнеркәсібіне және кейбір фотоэлектрлік технологияларға жарамды ету үшін полисилицийді Чохральски процесі арқылы ультра таза монокристалды кремнийге айналдыру керек.

Ол үшін полисилиций инертті атмосферада 1425 °C (2597 °F) температурада тигельде балқытылады. Шөгілген тұқым кристалы содан кейін балқытылған металға батырылады және баяу айналдырылады және жойылады, бұл кремнийдің тұқым материалында өсуіне уақыт береді.

Алынған өнім 99,999999999 (11N) пайыз таза болуы мүмкін монокристалды кремний металының таяқшасы (немесе булы) болып табылады. Қажет болған жағдайда кванттық механикалық қасиеттерді өзгерту үшін қажет болса, бұл таяқшаны бормен немесе фосформен легирлеуге болады.

Монокристалды шыбықты тұтынушыларға сол күйінде беруге немесе вафлиге кесуге және нақты пайдаланушылар үшін жылтыратуға немесе текстуралауға болады.

Қолдану

Жыл сайын шамамен 10 миллион метрикалық тонна ферросилиций мен кремний металы тазартылғанымен, нарыққа шығарылатын кремнийдің көпшілігі цементтен, ерітінділерден және керамикадан бастап шыны мен полимерлерге дейін барлық нәрсені жасау үшін қолданылатын кремний минералдары болып табылады.

Ферросилиций, атап өткендей, кремний металының ең жиі қолданылатын түрі болып табылады. Шамамен 150 жыл бұрын алғаш рет қолданылғаннан бері ферросилиций көміртегі мен тот баспайтын болат өндірісінде маңызды тотықсыздандырғыш болып қала берді. Бүгінгі таңда болат балқыту ферросилицийдің ең ірі тұтынушысы болып қала береді.

Дегенмен, ферросилиций болат балқытудан басқа бірқатар артықшылықтарға ие. Бұл ферросилиций магний өндірісіндегі алдын ала қорытпа, иілгіш темір алу үшін қолданылатын түйін, сонымен қатар жоғары таза магнийді тазарту үшін Pidgeon процесінде.

Ферросилицийді термиялық және коррозияға төзімді темір қорытпаларын, сондай-ақ электр қозғалтқыштары мен трансформатор өзектерін өндіруде қолданылатын кремний болаттарын жасауға да қолдануға болады.

Металлургиялық кремний болат өндірісінде, сондай-ақ алюминий құюында легирлеуші ​​агент ретінде қолданылуы мүмкін. Алюминий-кремний (Al-Si) автомобиль бөлшектері таза алюминийден құйылған компоненттерге қарағанда жеңіл және берік. Қозғалтқыш блоктары мен шиналар сияқты автомобиль бөлшектері ең жиі қолданылатын алюминий құйылған бөлшектердің бірі болып табылады.

Барлық металлургиялық кремнийдің жартысына жуығын химия өнеркәсібі түтінделген кремний диоксиді (қоюландырғыш және кептіргіш), силандар (байланыстырушы) және силиконды (нығыздағыштар, желімдер мен майлау материалдары) өндіру үшін пайдаланады.

Фотовольтаикалық полисилиций негізінен полисиликонды күн батареяларын өндіруде қолданылады. Бір мегаватт күн модульдерін өндіру үшін шамамен бес тонна полисилиций қажет.

Қазіргі уақытта полисиликонды күн технологиясы дүние жүзінде өндірілетін күн энергиясының жартысынан астамын құрайды, ал монокремний технологиясы шамамен 35 пайызды құрайды. Жалпы алғанда, адамдар пайдаланатын күн энергиясының 90 пайызы кремний технологиясы арқылы жиналады.

Монокристалды кремний де қазіргі электроникада табылған маңызды жартылай өткізгіш материал болып табылады. Өрістік транзисторларды (FETs), жарықдиодты шамдарды және интегралды схемаларды өндіруде қолданылатын субстрат материалы ретінде кремнийді барлық дерлік компьютерлерде табуға болады. Ұялы телефондар, планшеттер, теледидарлар, радиолар және басқа заманауи байланыс құрылғылары.

Барлық электрондық құрылғылардың үштен бірінен астамында кремний негізіндегі жартылай өткізгіш технологиясы бар деп есептеледі.

Соңында, карбид кремний карбиді синтетикалық зергерлік бұйымдарды, жоғары температуралы жартылай өткізгіштерді, қатты керамикаларды, кескіш құралдарды, тежегіш дискілерді, абразивтерді, оқ өткізбейтін кеудешелерді және қыздыру элементтерін қоса алғанда, әртүрлі электронды және электронды емес қосымшаларда қолданылады.

(силиций), Si – химиялық. элементтердің периодтық жүйесінің IV топ элементі; сағ. n. 14, сағ. м 28 086. Кристалды кремний - шайырлы жылтырлығы бар қара сұр зат. Көптеген қосылыстарда ол тотығу дәрежесін көрсетеді - 4, +2 және +4. Табиғи кремний 28Si (92,28%), 29Si (4,67%) және 30Si (3,05%) тұрақты изотоптарынан тұрады. Радиоактивті 27Si, 31Si және 32Si сәйкесінше жартылай ыдырау периоды 4,5 секунд, 2,62 сағат және 700 жыл болды. К.-ны алғаш рет 1811 жылы француздар оқшаулады. химик және физик Дж.Л.Гей-Люссак және француз. химик Л.Дж.Тенар, бірақ тек 1823 жылы швед химик және минералог Дж.Ж.Берцелиус анықтаған.

Кремний - жер қыртысындағы екінші элемент (27,6%) (оттегіден кейін). Орналасқан преим. кремний диоксиді Si02 және басқа оттегі бар заттар (силикаттар, алюмосиликаттар және т.б.) түрінде. Сағат қалыпты жағдайларК тұрақты жартылай өткізгіш модификациясы қалыптасады, период a = 5,4307 A. Атомаралық қашықтық 2,35 А. Тығыздығы 2,328 г/см, алмаз тәрізді беттік орталықтандырылған текше құрылымымен сипатталады. Жоғары қысымда (120-150 кбар) ол тығыз жартылай өткізгішті және металл модификациясына айналады. Металл модификациясы 6,7 К өтпелі температурасы бар асқын өткізгіш болып табылады. Қысымның жоғарылауымен балқу температурасы 1 бар қысымда 1415 ± 3 ° C-тан 15 104 бар қысымда 810 ° C-қа дейін төмендейді (үш еселік нүкте). жартылай өткізгіштің, металдың және сұйықтың бірге өмір сүруі К. ). Балқыту кезінде координациялық санның жоғарылауы және атом аралық байланыстардың металдануы орын алады. Аморфты кремний өзінің қысқа диапазонында сұйыққа жақын, ол қатты бұрмаланған денеге бағытталған текше құрылымына сәйкес келеді. Дебай температурасы 645 К. Коэффке жақын. температураның сызықтық кеңеюі температураның өзгеруімен экстремалды заңға сәйкес өзгереді, 100 К температурадан төмен ол теріс болады, 80 К температурада минимумға (-0,77 10 -6) градус -1 жетеді; 310 К температурада 2,33 · 10 -6 градус -1, ал 1273 К температурада -4,8 · 10 градус -1 тең. Балқу жылуы 11,9 ккал/г-атом қайнау температурасы 3520 К.

Балқу температурасындағы сублимация және булану жылуы сәйкесінше 110 және 98,1 ккал/г-атомға тең. Кремнийдің жылу және электр өткізгіштігі кристалдардың тазалығы мен жетілуіне байланысты. t-ry коэффициентінің жоғарылауымен. Таза К.-ның жылу өткізгіштігі алдымен артады (35 К температурада 8,4 кал/см X X сек · градусқа дейін), содан кейін төмендеп, сәйкесінше 300 және температурада 0,36 және 0,06 кал/см · сек · градусқа жетеді. 1200 К. Энтальпия, энтропия және стандартты жағдайларда К. жылу сыйымдылығы сәйкесінше 770 кал/г-атомға, 4,51 және 4,83 кал/г-атомға тең - град. Кремний диамагнитті, қатты (-1,1 · 10 -7 эму/г) және сұйық (-0,8 · 10 -7 эму/г) заттардың магниттік сезімталдығы. Кремний температураға әлсіз тәуелді. Сұйық көміртектің балқу нүктесіндегі беттік энергиясы, тығыздығы және кинематикалық тұтқырлығы 737 эрг/см2, 2,55 г/см3 және 3 × 10 м2/сек. Кристалдық кремний – 0 К температурада 1,15 эВ және 300 К температурада 1,08 эВ жолақ саңылауы бар типтік жартылай өткізгіш. Бөлме температурасында меншікті заряд тасымалдаушылардың концентрациясы 1,4 10 10 см - 3, электрондар мен саңылаулардың тиімді қозғалғыштығы сәйкесінше 1450 және 480 см 2 /в · сек, ал электр кедергісі 2,5 · 105 Ом · см температураның жоғарылауымен олар экспоненциалды түрде өзгереді.

Кремнийдің электрлік қасиеттері қоспалардың табиғаты мен концентрациясына, сондай-ақ кристалдың жетілгендігіне байланысты. Әдетте, өткізгіштігі p- және n-типті жартылай өткізгішті мысты алу үшін оны IIIb (бор, алюминий, галлий) және Vb (фосфор, мышьяк, сурьма, висмут) топшаларының элементтерімен легирлейді, олар акцептор мен донор жиынтығын жасайды. деңгейлер, тиісінше, жолақ шекараларына жақын орналасқан. Легірлеу үшін басқа элементтер қолданылады (мысалы,), қалыптау және т.б. заряд тасушыларды ұстау және рекомбинациялауды анықтайтын терең деңгейлер. Бұл жоғары электр қуаты бар материалдарды алуға мүмкіндік береді. кедергісі (80 К температурада 1010 Ом см) және әртүрлі құрылғылардың өнімділігін арттыру үшін маңызды болып табылатын миноритарлық заряд тасымалдаушылардың қысқа қызмет ету мерзімі. Коэфф. Кремнийдің термоқуаты айтарлықтай дәрежеде температура мен қоспаның құрамына байланысты, электр кедергісі артқан сайын артады (p = 0,6 Ом – см, а = 103 мкВ/град). Кремнийдің диэлектрлік өтімділігі (11-ден 15-ке дейін) монокристалдардың құрамы мен жетілуіне әлсіз тәуелді. Кремнийдің оптикалық жұтылу заңдылықтары оның тазалығының, концентрациясының және құрылымдық ақаулардың сипатының, сондай-ақ толқын ұзындығының өзгеруіне байланысты қатты өзгереді.

Электромагниттік тербелістерді жанама жұту шегі 1,09 эВ-ке жақын, тікелей жұту - 3,3 эВ. Спектрдің көрінетін аймағында күрделі сыну көрсеткішінің (n - ik) параметрлері бетінің күйіне және қоспалардың болуына өте маңызды түрде байланысты. Әсіресе таза К. үшін (атλ = 5461 А және t-re 293 К) n = 4,056 және k = 0,028. Электронның жұмыс функциясы 4,8 эВ жақын. Кремний нәзік. Мохс бойынша оның қаттылығы (температура 300 К) 7; HB = 240; HV = 103; I = 1250 кгс/мм2; нормалар модулі, серпімділік (поликристал) 10,890 кгс/мм2. Созылу күші кристалдың жетілгендігіне байланысты: 7-ден 14-ке дейін иілу үшін, 49-дан 56 кгс/мм2-ге дейін қысу үшін; коэффициент сығылу қабілеті 0,325 1066 см2/кг.

Бөлме температурасында кремний іс жүзінде сілтілерден басқа газ тәрізді (басқа) және қатты реагенттермен әрекеттеспейді. Жоғары температурада ол металдармен және бейметалдармен белсенді әрекеттеседі. Атап айтқанда, SiC карбиді (1600 К жоғары температурада), Si3N4 нитриді (1300 К жоғары температурада), SiP фосфиді (1200 К жоғары температурада) және арсенидтер Si As, SiAS2 (1000 К жоғары температурада) түзеді. 700 К жоғары температурада оттегімен әрекеттеседі, Si02 диоксидін түзеді, галогендермен - фторидпен SiF4 (300 К жоғары температурада), хлоридпен SiCl4 (500 К жоғары температурада), бромидпен SiBr4 (температура 700 К) және түйіндік SiI4 (температурада) температурасы 1000 К). Көптеген адамдармен қарқынды әрекет етеді. металдар, олардағы алмастырудың қатты ерітінділерін құрайтын немесе химиялық. қосылыстар – силицидтер. Қатты ерітінділердің біртектілігінің концентрация диапазондары еріткіштің табиғатына байланысты (мысалы, германийде 0-ден 100%-ға дейін, темірде 15%-ға дейін, альфа цирконийде 0,1%-дан аз).

Қатты шақпақтастағы металдар мен бейметалдар әлдеқайда аз және әдетте ретроградты болады. Сонымен қатар, К.-де таяз деңгейлерді жасайтын қоспалардың максималды мазмұны 1400-ден 1600-ге дейінгі температура диапазонында максимумға (2 × 10 18, 10 19, 2 × 10 19, 1021, 2 × 10 21 см) жетеді. K. Терең деңгейлері бар қоспалар айтарлықтай төмен ерігіштігімен сипатталады (селен үшін 1015 және темір үшін 5 10 16-дан никель үшін 7 10 17 және мыс үшін 10 18 см-3). Сұйық күйде кремний барлық металдармен шексіз араласады, көбінесе өте үлкен жылу бөледі. Таза кремний 99% Si және әрқайсысында 0,03% Fe, Al және Co техникалық өнімінен дайындалады), электр пештерінде кварцты көміртегімен тотықсыздандыру арқылы алынады. Алдымен одан қоспалар жуылады (тұз және күкірт қышқылының қоспасы, содан кейін фтор және күкірт қышқылы), содан кейін алынған өнім (99,98%) хлормен өңделеді. Синтезделгендері дистилляция арқылы тазартылады.

Жартылай өткізгіш кремнийді SiCl4 (немесе SiHCl3) хлоридін сутегімен тотықсыздандыру немесе SiH4 гидридінің термиялық ыдырауы арқылы алады. Монокристалдарды түпкілікті тазарту және өсіру тигельсіз аймақты тегіс әдіспен немесе Чохральский әдісі бойынша, әсіресе таза құймаларды (қоспалардың мөлшері 1010-1013 см-3 дейін) sr > 10 3 Ом см алу арқылы жүзеге асырылады. Хлоридтерді дайындау процесінде немесе монокристалдарды өсіру кезінде хлоридтердің тағайындалуына байланысты оларға қажетті қоспалардың дозаланған мөлшері енгізіледі. Диаметрі 2-4, ұзындығы 3-10 см болатын цилиндрлік құймалар арнайы мақсатта осылай дайындалады. үлкен монокристалдар да мақсаттар үшін шығарылады. Техникалық кремний және әсіресе оны темірмен бірге болат тотықсыздандырғыштар және қалпына келтіргіштер, сондай-ақ легірлеуші ​​қоспалар ретінде қолданылады. Әртүрлі элементтермен легирленген бір кристалды мыстың таза үлгілері әртүрлі төмен токты (атап айтқанда, термоэлектрлік, радио, жарықтандыру және фототехникалық) және жоғары ток (түзеткіштер, түрлендіргіштер) құрылғыларының негізі ретінде пайдаланылады.

Кремний немесе кремний

Кремний - металл емес, оның атомдарында сыртқы энергетикалық деңгейде 4 электрон бар. Ол тотығу дәрежесін + 4 көрсетіп, оларды бере алады және тотығу дәрежесін - 4 көрсетіп электрондарды қоса алады. Дегенмен, электрондарды кремнийге қосу қабілеті көміртегіге қарағанда әлдеқайда аз. Кремний атомдарының радиусы көміртегі атомдарына қарағанда үлкенірек.

Табиғатта кремнийді табу

Кремний табиғатта өте кең таралған. ол жер қыртысының массасының 26%-дан астамын құрайды. Таралуы бойынша екінші орында (оттегіден кейін). Көміртектен айырмашылығы, С табиғатта бос күйде болмайды. Ол әртүрлі химиялық қосылыстардың құрамына кіреді, негізінен кремний (IV) оксидінің және кремний қышқылының тұздарының (силикаттардың) әртүрлі модификациялары.

Кремний алу

Өнеркәсіпте техникалық тазалықтағы кремнийді (95 - 98%) SiO тотықсыздандыру арқылы алады. 2 күйдіру кезінде электр пештеріндегі кокс:

SiO 2 + 2C = Si + 2CO

SiO 2 + 2Mg = Si + 2MgO

Осылайша қоспалары бар аморфты қоңыр кремний ұнтағы алынады. Балқытылған металдардан (Zn, Al) қайта кристалдану арқылы оны кристалдық күйге көшіруге болады.

Жартылай өткізгіштер технологиясы үшін кремнийдің тетрахлориді SiCl-ді 1000°C тотықсыздандыру арқылы өте жоғары таза кремний алынады. 4 жұп мырыш:

SiCl 4 + 2Zn = Si + 2ZnCl 2

содан кейін арнайы әдістермен тазалау.

Кремнийдің физикалық және химиялық қасиеттері

Таза кристалды кремний сынғыш және қатты, сызаттар. Алмаз сияқты, оның текше кристалдық торы бар коваленттік түрікоммуникациялар. Оның балқу температурасы 1423 °C. Қалыпты жағдайда кремний төмен белсенді элемент болып табылады, ол тек фтормен біріктіріледі, бірақ қыздырылған кезде ол әртүрлі химиялық реакцияларға түседі.

Жартылай өткізгіш технологияда бағалы материал ретінде қолданылады. Басқа жартылай өткізгіштермен салыстырғанда ол қышқылдарға айтарлықтай төзімділігімен және 300°С-қа дейін жоғары электр кедергісін сақтау қабілетімен ерекшеленеді. Техникалық кремний мен ферросилиций металлургияда ыстыққа төзімді, қышқылға төзімді және аспаптық болаттар, шойын және басқа да көптеген қорытпалар алу үшін қолданылады.

Кремний металдармен бірге түзіледі химиялық қосылыстар, силицидтер деп аталады, магниймен қыздырғанда магний силициді түзіледі:

Si + 2Mg = Mg 2 Si

Металл силицидтері құрылымы мен қасиеттері бойынша карбидтерге ұқсайды, сондықтан металл тәрізді силицидтер металл тәрізді карбидтер сияқты жоғары қаттылықпен, жоғары балқу температурасымен және жақсы электр өткізгіштігімен ерекшеленеді.

Электр пештерінде құм мен кокс қоспасын күйдіргенде кремний мен көміртек қосылысы – кремний карбиді немесе карборунд түзіледі:

SiO 2 + 3C = SiC + 2CO

Карборунд – отқа төзімді, түссіз қатты зат, абразивті және ыстыққа төзімді материал ретінде бағалы. Карборундтың атомдық кристалдық торы бар. Таза күйінде ол оқшаулағыш болып табылады, бірақ қоспалар болған кезде ол жартылай өткізгішке айналады.

Кремний тәрізді , екі оксид түзеді: кремний (II) оксиді SiO және кремний (IV) оксиді SiO 2 . Кремний (IV) оксиді – қатты, отқа төзімді зат, табиғатта бос күйінде кең таралған. Бұл тек фтормен және газ тәрізді фторидті сутегімен немесе фтор қышқылымен әрекеттесетін химиялық тұрақты зат:

SiO 2 + 2F 2 = SiF 4 + O 2

SiO 2 + 4HF = SiF 4 + 2H 2 O

Реакциялардың берілген бағыты кремнийдің фторға жоғары жақындығымен түсіндіріледі. Сонымен қатар, кремний тетрафториді ұшқыш зат болып табылады.

Технологияда мөлдір SiO 2 ультракүлгін сәулелерді жақсы өткізетін, жоғары кеңею коэффициентіне ие тұрақты, отқа төзімді кварц шынысын жасау үшін қолданылады, сондықтан температураның айтарлықтай лездік өзгерістеріне төтеп береді. Кремний (II) оксидінің аморфты модификациясы, триполи, жоғары кеуектілікке ие. Ол жылу және дыбыс оқшаулағышы ретінде, динамит (жарылғыш тасушы) өндіру үшін және т.б. Кәдімгі құм түріндегі кремний (IV) оксиді негізгі құрылыс материалдарының бірі болып табылады. Ол отқа төзімді және қышқылға төзімді материалдар, шыны өндірісінде, металлургияда флюс ретінде және т.б.

Көміртек оксиді (IV) мен кремний оксидінің (IV) молекулалық формулаларын, химиялық және физикалық қасиеттерін салыстыра отырып, химиялық құрамы жағынан ұқсас бұл қосылыстардың қасиеттерінің әртүрлі екенін байқау қиын емес. Бұл кремний (IV) оксидінің тек SiO молекулаларынан тұратындығымен түсіндіріледі. 2 , бірақ кремний атомдары бір-бірімен оттегі атомдары арқылы байланысқан олардың ассоциацияларынан. Кремний (IV) оксиді (SiO 2 )n Оның жазықтықтағы кескіні келесідей:

¦ ¦ ¦

О О О

¦ ¦ ¦

¦ ¦ ¦

О О О

¦ ¦ ¦

— О — Си — О — Си — О — Си — О —

¦ ¦ ¦

О О О

¦ ¦ ¦

Кремний атомдары тетраэдрдің ортасында, ал оттегі атомдары оның бұрыштарында орналасқан. Si-O байланыстары өте күшті, бұл кремний (IV) оксидінің жоғары қаттылығын түсіндіреді.

Табиғатта кең таралған элементтердің бірі кремний немесе кремний. Мұндай кең таралу маңыздылық пен мәнділік туралы айтады осы заттан. Мұны кремнийді өз мақсаттары үшін қалай дұрыс пайдалану керектігін үйренген адамдар тез түсінді және үйренді. Оны пайдалану арнайы қасиеттерге негізделген, біз оны әрі қарай талқылаймыз.

Кремний – химиялық элемент

Егер сіз сипаттасаңыз осы элементтенПериодтық жүйедегі орнына қарай келесі маңызды сәттерді анықтауға болады:

1. Сериялық нөмірі - 14.
2. Кезең - үшінші шағын.
3. IV топ.
4. Ішкі топ негізгі болып табылады.
5. Сыртқы электрондық қабаттың құрылымы 3s 2 3p 2 формуласымен өрнектеледі.
6. Кремний элементі «силиций» деп оқылатын Si химиялық таңбасымен берілген.
7. Ол көрсететін тотығу дәрежелері: -4; +2; +4.
8. Атомның валенттілігі IV.
9. Кремнийдің атомдық массасы 28,086.
10. Табиғатта бұл элементтің массалық сандары 28, 29 және 30 болатын үш тұрақты изотоптары бар.

Осылайша, химиялық тұрғыдан алғанда, кремний атомы оның көптеген әртүрлі қасиеттері сипатталған.

Ашылу тарихы

Қарастырылып отырған элементтің әртүрлі қосылыстары табиғатта өте танымал және көп болғандықтан, адамдар ежелгі заманнан бері олардың көпшілігінің қасиеттерін пайдаланып, білген. Таза кремний ұзақ уақыт бойы химияда адам білімінен тыс қалды.

Ежелгі мәдениеттердің халықтары (мысырлықтар, римдіктер, қытайлар, орыстар, парсылар және т.б.) күнделікті өмірде және өнеркәсіпте қолданатын ең танымал қосылыстар кремний оксидіне негізделген асыл және сәндік тастар болды. Оларға мыналар жатады:

• опал;
• тау хрусталі;
• топаз;
• хризопраз;
• оникс;
• халцедон және т.б.

Сондай-ақ кварцты құрылыста пайдалану ерте заманнан бері қалыптасқан. Дегенмен, элементар кремнийдің өзі 19 ғасырға дейін ашылмаған күйінде қалды, дегенмен көптеген ғалымдар катализаторларды, жоғары температураны және тіпті электр тогын қолданып, оны әртүрлі қосылыстардан оқшаулауға бекер тырысты. Бұл жарқын ақылдар:

• Карл Шееле;
• Гей-Люссак;
• Тенар;
• Хамфри Дэви;
• Антуан Лавуазье.

Йенс Джейкобс Берцелиус 1823 жылы кремнийді таза күйінде алуға қол жеткізді. Ол үшін кремний фториді мен калий металының буларын балқыту бойынша тәжірибе жүргізді. Нәтижесінде мен қарастырылып отырған элементтің аморфты модификациясын алдым. Сол ғалымдар ашылған атомның латынша атауын ұсынды.

Біраз уақыттан кейін, 1855 жылы тағы бір ғалым - Сент-Клэр-Девиль басқа аллотропты сортты - кристалды кремнийді синтездей алды. Содан бері бұл элемент және оның қасиеттері туралы білім өте тез кеңейе бастады. Адамдар оның өз қажеттіліктерін қанағаттандыру үшін өте ақылды түрде пайдалануға болатын бірегей мүмкіндіктері бар екенін түсінді. Сондықтан бүгінде электроника мен технологиядағы ең танымал элементтердің бірі кремний болып табылады. Оны пайдалану жыл сайын өз шекарасын кеңейтеді.

Атомның орысша атауын 1831 жылы ғалым Гесс берген. Бұл күні бүгінге дейін сақталып келген.

Табиғаттағы көптігі жағынан кремний оттегіден кейін екінші орында. Оның жер қыртысындағы басқа атомдармен салыстырғандағы пайызы 29,5%. Сонымен қатар, көміртегі мен кремний - бір-бірімен байланысу арқылы тізбектер құра алатын екі ерекше элемент. Сондықтан литосферада, гидросферада және биомассада кездесетін 400-ден астам әртүрлі табиғи минералдар соңғысы белгілі.

Кремний нақты қай жерде кездеседі?

1. Топырақтың терең қабаттарында.
2. Тау жыныстарында, кен орындарында және массивтерде.
3. Су қоймаларының, әсіресе теңіздер мен мұхиттардың түбінде.
4. Жануарлар әлемінің өсімдіктері мен теңіз тіршілігінде.
5. Адам ағзасында және жердегі жануарларда.

Біз кремнийдің көп мөлшерін қамтитын ең көп таралған бірнеше минералдар мен тау жыныстарын анықтай аламыз. Олардың химиясы сонша, олардағы таза элементтің массалық мөлшері 75% жетеді. Дегенмен, нақты көрсеткіш материалдың түріне байланысты. Сонымен, тастаржәне құрамында кремний бар минералдар:

• дала шпаттары;
• слюда;
• амфиболдар;
• опалдар;
• халцедон;
• силикаттар;
• құмтастар;
• алюмосиликаттар;
• саз және т.б.

Теңіз жануарларының қабықтары мен экзоскелетінде жинақталған кремний, сайып келгенде, су қоймаларының түбінде күшті кремний шөгінділерін құрайды. Бұл осы элементтің табиғи көздерінің бірі.

Сонымен қатар, кремний өзінің таза табиғи түрінде - кристалдар түрінде болуы мүмкін екендігі анықталды. Бірақ мұндай депозиттер өте сирек кездеседі.

Кремнийдің физикалық қасиеттері

Қарастырылып отырған элементті физикалық және химиялық қасиеттерінің жиынтығы бойынша сипаттайтын болсақ, онда ең алдымен оны көрсету керек физикалық параметрлер. Міне, бірнеше негізгілері:

1. Ол барлық қасиеттерімен ерекшеленетін екі аллотропты модификация түрінде болады – аморфты және кристалды.
2. Кристалл торы гауһар торына өте ұқсас, өйткені көміртегі мен кремний бұл жағынан іс жүзінде бірдей. Дегенмен, атомдар арасындағы қашықтық әртүрлі (кремний үлкенірек), сондықтан алмас әлдеқайда қатты және күшті. Тор түрі - текше бет орталықтандырылған.
3. Зат өте сынғыш және жоғары температурада пластикке айналады.
4. Балқу температурасы 1415˚C.
5. Қайнау температурасы - 3250˚С.
6. Заттың тығыздығы 2,33 г/см3.
7. Қосылыстың түсі күміс-сұр, өзіне тән металдық жылтырлығы бар.
8. Ол жақсы жартылай өткізгіш қасиеттерге ие, ол белгілі бір агенттерді қосқанда өзгеруі мүмкін.
9. Суда, органикалық еріткіштерде және қышқылдарда ерімейді.
10. Сілтілерде ерекше ериді.

Кремнийдің анықталған физикалық қасиеттері адамдарға оны манипуляциялауға және оны әртүрлі өнімдер жасау үшін пайдалануға мүмкіндік береді. Мысалы, электроникада таза кремнийді қолдану жартылай өткізгіштік қасиеттеріне негізделген.

Химиялық қасиеттері

Кремнийдің химиялық қасиеттері реакция жағдайларына өте тәуелді. Егер стандартты параметрлер туралы айтатын болсақ, онда біз өте төмен белсенділікті көрсетуіміз керек. Кристалды да, аморфты кремний де өте инертті. Олар күшті тотықтырғыштармен (фтордан басқа) немесе күшті тотықсыздандырғыштармен әрекеттеспейді.

Бұл заттың бетінде SiO 2 оксидті қабықшасының бірден пайда болуына байланысты, бұл одан әрі өзара әрекеттесуді болдырмайды. Ол судың, ауаның, будың әсерінен пайда болуы мүмкін.

Егер сіз стандартты шарттарды өзгертсеңіз және кремнийді 400˚C жоғары температураға дейін қыздырсаңыз, оның химиялық белсенділігі айтарлықтай артады. Бұл жағдайда ол келесідей әрекет етеді:

• оттегі;
• галогендердің барлық түрлері;
• сутегі.

Температураның одан әрі жоғарылауымен бор, азот және көміртекпен әрекеттесу арқылы өнімдердің түзілуі мүмкін. Карборунд - SiC - ерекше маңызға ие, өйткені ол жақсы абразивті материал болып табылады.

Сондай-ақ Химиялық қасиеттерікремний металдармен әрекеттескенде айқын көрінеді. Оларға қатысты ол тотықтырғыш болып табылады, сондықтан өнімдер силицидтер деп аталады. Ұқсас қосылыстар белгілі:

• сілтілі;
• сілтілі жер;
• өтпелі металдар.

Темір мен кремнийді балқыту арқылы алынған қосылыс әдеттен тыс қасиеттерге ие. Ол ферросиликон керамика деп аталады және өнеркәсіпте сәтті қолданылады.

Кремний күрделі заттармен әрекеттеспейді, сондықтан олардың барлық түрлерінің ішінде ол тек мынада ери алады:

• aqua regia (азот және тұз қышқылдарының қоспасы);
• күйдіргіш сілтілер.

Бұл жағдайда ерітіндінің температурасы кемінде 60˚C болуы керек. Мұның бәрі заттың физикалық негізін тағы бір рет растайды - гауһар тәрізді тұрақты кристалдық тор, ол күш пен инерттілікті береді.

Алу әдістері

Кремнийді оның таза түрінде алу – экономикалық тұрғыдан өте қымбат процесс. Сонымен қатар, қасиеттеріне байланысты кез келген әдіс тек 90-99% таза өнім береді, ал металдар мен көміртегі түріндегі қоспалар бәрі бірдей қалады. Сондықтан затты жай ғана алу жеткіліксіз. Ол сондай-ақ бөтен элементтерден мұқият тазартылуы керек.

Жалпы алғанда, кремний өндірісі екі негізгі жолмен жүзеге асырылады:

1. SiO 2 таза кремний оксиді болып табылатын ақ құмнан. Оны белсенді металдармен (көбінесе магний) күйдіргенде аморфты модификация түрінде бос элемент түзіледі. Бұл әдістің тазалығы жоғары, өнім 99,9 пайыз шығымдылықпен алынады.
2. Өнеркәсіптік масштабта неғұрлым кең тараған әдіс - мамандандырылған термиялық пештерде балқытылған құмды кокспен агломерациялау. Бұл әдісорыс ғалымы Н.Н.Бекетов әзірлеген.

Әрі қарай өңдеу өнімдерді тазарту әдістеріне ұшыратуды қамтиды. Осы мақсатта қышқылдар немесе галогендер (хлор, фтор) қолданылады.

Аморфты кремний

Егер олардың әрқайсысын жеке қарастырмасақ, кремнийдің сипаттамалары толық емес болады. аллотропты модификация. Олардың біріншісі аморфты. Бұл күйде біз қарастырып отырған зат ұсақ дисперсті қоңыр-қоңыр ұнтақ болып табылады. Ол гигроскопиялықтың жоғары дәрежесіне ие және қыздыру кезінде жеткілікті жоғары химиялық белсенділікті көрсетеді. Стандартты жағдайларда ол тек ең күшті тотықтырғыш - фтормен әрекеттесе алады.

Аморфты кремнийді кристалды кремнийдің бір түрі деп атау мүлде дұрыс емес. Оның торы бұл заттың кристалдар түрінде болатын майда дисперсті кремнийдің түрі ғана екенін көрсетеді. Демек, бұл модификациялар бір және бір қосылыс болып табылады.

Дегенмен, олардың қасиеттері әртүрлі, сондықтан аллотропия туралы айту әдеттегідей. Аморфты кремнийдің өзі жоғары жарықты сіңіру қабілетіне ие. Оның үстіне, белгілі бір жағдайларда бұл көрсеткішкристалдық түрге қарағанда бірнеше есе жоғары. Сондықтан ол техникалық мақсатта қолданылады. Бұл пішінде (ұнтақ) қосылыс пластик немесе шыны болсын, кез келген бетке оңай жағылады. Сондықтан аморфты кремнийді пайдалану өте ыңғайлы. Әртүрлі өлшемдерге негізделген қолданба.

Осы типтегі аккумуляторлар өте тез тозады, бұл заттың жұқа қабықшасының тозуына байланысты, олардың қолданылуы мен сұранысы тек өсіп келеді. Өйткені, тіпті үшін қысқа мерзімдіқызметтер, аморфты кремний негізіндегі күн батареялары бүкіл кәсіпорындарды энергиямен қамтамасыз ете алады. Сонымен қатар, мұндай затты өндіру қалдықсыз, бұл оны өте үнемді етеді.

Бұл модификация белсенді металдармен, мысалы, натриймен немесе магниймен қосылыстарды қалпына келтіру арқылы алынады.

Кристалды кремний

Қарастырылып отырған элементтің күміс-сұр жылтыр модификациясы. Бұл пішін ең кең таралған және сұранысқа ие. Бұл осы заттың сапалық қасиеттерінің жиынтығымен түсіндіріледі.

Кристалды торы бар кремнийдің сипаттамалары оның түрлерінің жіктелуін қамтиды, өйткені олардың бірнешеуі бар:

1. Электрондық сапа – ең таза және жоғары сапа. Бұл түрі электроникада аса сезімтал құрылғыларды жасау үшін қолданылады.
2. Күн шуақты сапа. Атаудың өзі қолдану аймағын анықтайды. Бұл сондай-ақ өте жоғары тазалықтағы кремний, оны пайдалану жоғары сапалы және ұзақ мерзімді күн батареяларын жасау үшін қажет. Кристаллдық құрылым негізінде жасалған фотоэлектрлік түрлендіргіштер әртүрлі субстраттарға шашырату арқылы аморфты модификацияны қолдану арқылы жасалғандарға қарағанда жоғары сапалы және тозуға төзімді.
3. Техникалық кремний. Бұл сортқа шамамен 98% таза элемент кіретін зат үлгілері кіреді. Қалғанының бәрі әртүрлі қоспаларға жатады:

• алюминий;
• хлор;
• көміртек;
• фосфор және т.б.

Қарастырылып отырған заттың соңғы түрі кремнийдің поликристалдарын алу үшін қолданылады. Осы мақсатта қайта кристалдану процестері жүргізіледі. Нәтижесінде тазалығы бойынша күн және электронды сапа деп жіктеуге болатын өнімдер алынады.

Полисилиций өзінің табиғаты бойынша аморфты және кристалдық модификациялар арасындағы аралық өнім болып табылады. Бұл опциямен жұмыс істеу оңайырақ, ол жақсы өңделеді және фтор мен хлормен тазартылады.

Алынған өнімдерді келесідей жіктеуге болады:

• мультисилиций;
• монокристалды;
• профильді кристалдар;
• кремний сынықтары;
• техникалық кремний;
• заттардың сынықтары мен сынықтары түріндегі өндіріс қалдықтары.

Олардың әрқайсысы өнеркәсіпте қолданылуын тауып, адам толық пайдаланады. Сондықтан кремнийге тиетіндер қалдық емес болып саналады. Бұл сапаға әсер етпей, оның экономикалық құнын айтарлықтай төмендетеді.

Таза кремнийді қолдану

Өнеркәсіптік кремний өндірісі айтарлықтай жақсы жолға қойылған және оның ауқымы айтарлықтай үлкен. Себебі, бұл элемент таза да, әртүрлі қосылыстар түрінде де ғылым мен техниканың әртүрлі салаларында кеңінен таралған және сұранысқа ие.

Кристалды және аморфты кремний таза күйінде қайда қолданылады?

1. Металлургияда металдар мен олардың қорытпаларының қасиеттерін өзгертуге қабілетті легірлеуші ​​қоспа ретінде. Осылайша, ол болат пен шойын балқытуда қолданылады.
2. Неғұрлым таза нұсқасын жасау үшін заттардың әртүрлі түрлері қолданылады - полиссиликон.
3. Кремний қосылыстары бүгінгі таңда ерекше танымалдыққа ие болған тұтас химия өнеркәсібі болып табылады. Кремний органикалық материалдар медицинада, ыдыс-аяқ, құрал-сайман және т.б. жасауда қолданылады.
4. Әртүрлі күн панельдерін өндіру. Энергияны алудың бұл әдісі болашақта ең перспективалылардың бірі болып табылады. Экологиялық таза, экономикалық тиімді және тозуға төзімділік электр энергиясын өндірудің осы түрінің басты артықшылығы болып табылады.
5. Кремний оттықтар үшін өте ұзақ уақыт бойы қолданылған. Ертеде де адамдар от жағу кезінде ұшқын шығару үшін шақпақ тасты пайдаланған. Бұл принцип оттықтардың әртүрлі түрлерін өндіруге негіз болады. Бүгінгі таңда шақпақ тасты белгілі бір құрамдағы қорытпамен алмастыратын түрлері бар, бұл одан да жылдам нәтиже береді (ұшқын).
6. Электроника және күн энергиясы.
7. Газ лазерлі құрылғыларда айна жасау.

Осылайша, таза кремний маңызды және қажетті өнімдерді жасау үшін пайдалануға мүмкіндік беретін көптеген пайдалы және ерекше қасиеттерге ие.

Кремний қосылыстарын қолдану

Қарапайым заттан басқа, әртүрлі кремний қосылыстары да қолданылады және өте кең. Силикат деген тұтас өнеркәсіп бар. Ол осы таңғажайып элементті қамтитын әртүрлі заттарды қолдануға негізделген. Бұл қосылыстар дегеніміз не және олардан не алынады?

1. Кварц немесе өзен құмы - SiO 2. Цемент, шыны сияқты құрылыс және сәндік материалдар жасау үшін қолданылады. Бұл материалдардың қайда қолданылатынын бәрі біледі. Бұл компоненттерсіз ешқандай құрылыс аяқталмайды, бұл кремний қосылыстарының маңыздылығын растайды.
2. Фаянс, фарфор, кірпіш сияқты материалдарды және олардың негізінде жасалған бұйымдарды қамтитын силикат керамика. Бұл компоненттер медицинада, ыдыс-аяқ, сәндік зергерлік бұйымдар, тұрмыстық заттар жасауда, құрылыста және адам қызметінің басқа да күнделікті салаларында қолданылады.
3. - силикондар, силикагельдер, силикон майлары.
4. Силикатты желім – кеңсе тауарлары ретінде, пиротехникада және құрылыста қолданылады.

Бағасы әлемдік нарықта өзгеретін, бірақ жоғарыдан төменге қарай килограммына 100 ресей рублі (кристалдық) белгісінен өтпейтін кремний сұранысқа ие және құнды зат болып табылады. Әрине, бұл элементтің қосылыстары да кең таралған және қолдануға жарамды.

Кремнийдің биологиялық рөлі

Организм үшін маңыздылығы тұрғысынан кремний маңызды. Оның құрамы мен тіндерде таралуы келесідей:

• 0,002% - бұлшықет;
• 0,000017% - сүйек;
• қан – 3,9 мг/л.

Күн сайын шамамен бір грамм кремнийді қабылдау керек, әйтпесе аурулар дами бастайды. Олардың ешқайсысы өлімге қауіп төндірмейді, бірақ ұзаққа созылған кремний ашығуы мыналарға әкеледі:

• шаштың түсуі;
• безеулер мен безеулердің пайда болуы;
• сүйектердің сынғыштығы мен сынғыштығы;
• жеңіл капиллярлардың өткізгіштігі;
• шаршау және бас ауруы;
• көптеген көгерулер мен көгерулердің пайда болуы.

Өсімдіктер үшін кремний қалыпты өсу мен даму үшін қажетті маңызды микроэлемент болып табылады. Жануарларға жүргізілген тәжірибелер кремнийді күнделікті жеткілікті мөлшерде тұтынатын адамдар жақсы өсетінін көрсетті.

Тәуелсіз ретінде химиялық элементкремний адамзатқа 1825 жылы ғана белгілі болды. Бұл, әрине, кремний қосылыстарының көп салаларда қолданылуына кедергі келтірмеді, сондықтан элемент пайдаланылмайтын жерлерді тізімдеу оңайырақ. Бұл мақала кремнийдің физикалық, механикалық және пайдалы химиялық қасиеттеріне және оның қосылыстарына, қолданылуына жарық түсіреді, сонымен қатар кремний болат пен басқа металдардың қасиеттеріне қалай әсер ететіні туралы айтатын боламыз.

Алдымен кремнийдің жалпы сипаттамаларын қарастырайық. Жер қыртысының массасының 27,6-дан 29,5%-ға дейін кремний құрайды. Теңіз суында элементтің концентрациясы да айтарлықтай - 3 мг/л дейін.

Литосферадағы көптігі жағынан кремний оттегінен кейін екінші орында. Дегенмен, оның ең танымал түрі кремний диоксиді диоксид болып табылады және оның қасиеттері осындай кеңінен қолдануға негіз болды.

Бұл бейне сізге кремнийдің не екенін айтады:

Тұжырымдама және ерекшеліктері

Кремний металл емес, бірақ әртүрлі жағдайларда ол қышқылдық және негіздік қасиеттерді көрсете алады. Бұл әдеттегі жартылай өткізгіш және электротехникада өте кең қолданылады. Оның физикалық және химиялық қасиеттері негізінен аллотропты күйімен анықталады. Көбінесе олар кристалды пішінмен айналысады, өйткені оның қасиеттері халық шаруашылығында сұранысқа ие.

• Кремний - адам ағзасындағы негізгі макроэлементтердің бірі. Оның жетіспеушілігі сүйек тінінің, шаштың, терінің және тырнақтың күйіне зиянды әсер етеді. Сонымен қатар, кремний иммундық жүйенің жұмысына әсер етеді.
• Медицинада элемент, дәлірек айтсақ, оның қосылыстары өзінің алғашқы қолданылуын дәл осы сипатқа ие болды. Кремниймен қапталған құдықтардың суы таза ғана емес, жұқпалы ауруларға төзімділікке де жақсы әсер етті. Бүгінгі күні кремний қосылыстары туберкулезге, атеросклерозға және артритке қарсы препараттардың негізі болып табылады.
• Жалпы, бейметалдың белсенділігі төмен, бірақ оны таза күйінде табу қиын. Бұл ауада диоксид қабатымен тез пассивтеніп, реакциясын тоқтататындығына байланысты. Қыздырған кезде химиялық белсенділік артады. Нәтижесінде, адамзат өзінен гөрі материяның қосылыстарын әлдеқайда жақсы біледі.

Осылайша, кремний барлық дерлік металдар - силицидтермен қорытпалар құрайды. Олардың барлығы отқа төзімділігімен және қаттылығымен сипатталады және сәйкес салаларда қолданылады: газ турбиналары, пеш қыздырғыштары.

Бейметал Д.И.Менделеев кестесінде көміртек пен германиймен бірге 6-топқа орналастырылған, бұл осы заттармен белгілі бір ортақтықты көрсетеді. Осылайша, оның көміртегімен ортақ қасиеті - оның органикалық типті қосылыстар түзу қабілеті. Сонымен бірге кремний, германий сияқты, синтезде қолданылатын кейбір химиялық реакцияларда металдың қасиеттерін көрсете алады.

Артықшылықтары мен кемшіліктері

Халық шаруашылығында пайдалану тұрғысынан кез келген басқа зат сияқты, кремнийдің белгілі бір пайдалы немесе өте пайдалы емес қасиеттері бар. Олар пайдалану аймағын дәл анықтау үшін маңызды.

• Заттың маңызды артықшылығы - оның қолжетімділігі. Табиғатта оның бос күйінде кездеспейтіні рас, бірақ бәрібір, кремний өндіру технологиясы энергияны қажет ететін болса да, соншалықты күрделі емес.
• Екінші маңызды артықшылығы - бұл көптеген қосылыстардың түзілуіәдеттен тыс пайдалы қасиеттері. Оларға силандар, силицидтер, диоксидтер және, әрине, көптеген силикаттар жатады. Кремний мен оның қосылыстарының күрделі қатты ерітінділер түзу қабілеті шексіз дерлік, бұл шыны, тас және керамиканың алуан түрлі нұсқаларын шексіз алуға мүмкіндік береді.
• Жартылай өткізгіштердің қасиеттеріметалл емес оны электр және радиотехникада негізгі материал ретінде орынмен қамтамасыз етеді.
• Бейметалл улы емес, бұл кез келген салада қолдануға мүмкіндік береді және сонымен бірге технологиялық процесті потенциалды қауіптіге айналдырмайды.

Материалдың кемшіліктері жақсы қаттылықпен салыстырмалы сынғыштықты ғана қамтиды. Кремний жүк көтергіш құрылымдар үшін пайдаланылмайды, бірақ бұл комбинация кристалдардың бетін дұрыс өңдеуге мүмкіндік береді, бұл аспап жасау үшін маңызды.

Енді кремнийдің негізгі қасиеттеріне тоқталайық.

Қасиеттер мен сипаттамалар

Кристалдық кремний өнеркәсіпте жиі қолданылатындықтан, оның қасиеттері маңыздырақ және олар техникалық сипаттамалар. Физикалық қасиеттерізаттар мыналар:

• балқу температурасы – 1417 С;
• қайнау температурасы – 2600 С;
• тығыздығы 2,33 г/куб. см, бұл сынғыштықты көрсетеді;
• жылу сыйымдылығы, сондай-ақ жылу өткізгіштік ең таза үлгілерде де тұрақты емес: 800 Дж/(кг К), немесе 0,191 кал/(г градус) және 84-126 Вт/(м К), немесе 0,20-0, 30 кал/(см·сек·град) сәйкесінше;
• инфрақызыл оптикада қолданылатын ұзын толқынды инфрақызыл сәулеленуге мөлдір;
• диэлектрлік өтімділік – 1,17;
• Мох шкаласы бойынша қаттылық – 7.

Бейметалдың электрлік қасиеттері қоспаларға өте тәуелді. Өнеркәсіпте бұл мүмкіндік жартылай өткізгіштің қажетті түрін модуляциялау арқылы қолданылады. Қалыпты температурада кремний сынғыш, бірақ 800 С жоғары қыздырғанда пластикалық деформация мүмкін.

Аморфты кремнийдің қасиеттері таң қалдырады: ол өте гигроскопиялық және қалыпты температурада да әлдеқайда белсендірек әрекет етеді.

Кремнийдің құрылымы мен химиялық құрамы, сондай-ақ қасиеттері төмендегі бейнеде талқыланады:

Құрамы және құрылымы

Кремний қалыпты температурада бірдей тұрақты болатын екі аллотропты түрде болады.

• Кристаллқара сұр ұнтақ түріндегі түрі бар. Зат, оның алмас тәрізді кристалдық торы болса да, атомдар арасындағы тым ұзақ байланыстардың салдарынан нәзік. Оның жартылай өткізгіштік қасиеттері қызықтырады.
• Өте жоғары қысымдарқолжетімді алтыбұрышты 2,55 г/куб тығыздығы бар модификация. см, алайда бұл кезең әлі практикалық маңызын тапқан жоқ.
• Аморфты– қоңыр-қоңыр ұнтақ. Кристалдық пішіннен айырмашылығы, ол әлдеқайда белсендірек әрекет етеді. Бұл бірінші форманың инерттілігінен емес, ауада заттың диоксид қабатымен жабылғандығына байланысты.

Сонымен қатар, бірге затты құрайтын кремний кристалының өлшеміне байланысты классификацияның басқа түрін ескеру қажет. Кристалл торы, белгілі болғандай, тек атомдардың ғана емес, сонымен бірге осы атомдар құрайтын құрылымдардың тәртібін де болжайды - бұл ұзақ мерзімді тәртіп деп аталады. Ол неғұрлым үлкен болса, соғұрлым зат қасиеттері бойынша біртекті болады.

• Монокристалды– үлгі бір кристалдан тұрады. Оның құрылымы барынша реттелген, оның қасиеттері біртекті және жақсы болжамды. Бұл электротехникада ең көп сұранысқа ие материал. Дегенмен, бұл да ең қымбат түрлердің бірі, өйткені оны алу процесі күрделі және өсу қарқыны төмен.
• Көп кристалды– үлгі бірнеше ірі кристалды түйірлерден тұрады. Олардың арасындағы шекаралар қосымша ақау деңгейлерін құрайды, бұл үлгінің жартылай өткізгіш ретінде өнімділігін төмендетеді және тезірек тозуға әкеледі. Мультикристалдарды өсіру технологиясы қарапайым, сондықтан материал арзанырақ.
• Поликристалды– бір-біріне қатысты кездейсоқ орналасқан дәндердің көп санынан тұрады. Бұл микроэлектроникада және күн энергиясында қолданылатын өнеркәсіптік кремнийдің ең таза түрі. Көп және бір кристалды өсіру үшін шикізат ретінде жиі пайдаланылады.
• Бұл классификацияда аморфты кремний де бөлек орын алады. Мұнда атомдардың реті ең қысқа қашықтықта ғана сақталады. Дегенмен, электротехникада ол әлі күнге дейін жұқа қабықшалар түрінде қолданылады.

Металл емес өндіріс

Таза кремнийді алу, оның қосылыстарының инерттілігін және олардың көпшілігінің жоғары балқу температурасын ескере отырып, оңай емес. Өнеркәсіпте олар көбінесе диоксидтен көміртегімен қалпына келтіруге жүгінеді. Реакцияны доғалы пештерде 1800 С температурада жүргізеді.Осылайша тазалығы 99,9% болатын бейметалл алынады, бұл оны қолдану үшін жеткіліксіз.

Алынған материал хлоридтер мен гидрохлоридтер алу үшін хлорланады. Содан кейін қосылыстар барлық мүмкін әдістермен қоспалардан тазартылады және сутегімен тотықсыздандырылады.

Магний силицидін алу арқылы да затты тазартуға болады. Силицидке тұз немесе сірке қышқылы әсер етеді. Силан алынады, ал соңғысы әртүрлі әдістермен тазартылады - сорбция, ректификация және т.б. Содан кейін силан 1000 С температурада сутегі мен кремнийге ыдырайды.Бұл жағдайда қоспалар үлесі 10 -8 -10 -6% болатын зат алынады.

Заттың қолданылуы

Өнеркәсіп үшін бейметалдың электрофизикалық сипаттамалары үлкен қызығушылық тудырады. Оның монокристалды түрі жанама саңылау жартылай өткізгіш болып табылады. Оның қасиеттері қоспалармен анықталады, бұл көрсетілген қасиеттері бар кремний кристалдарын алуға мүмкіндік береді. Осылайша, бор мен индийді қосу саңылау өткізгіштігі бар кристалды өсіруге мүмкіндік береді, ал фосфор немесе мышьяк енгізу электронды өткізгіштігі бар кристалды өсіруге мүмкіндік береді.

• Кремний қазіргі заманғы электротехниканың негізі ретінде қызмет етеді. Одан транзисторлар, фотоэлементтер, интегралдық схемалар, диодтар және т.б. Сонымен қатар, құрылғының функционалдығы әрдайым дерлік тек кристалдың беткі қабатымен анықталады, бұл бетті өңдеуге өте нақты талаптарды анықтайды.
• Металлургияда техникалық кремний қорытпа модификаторы ретінде де қолданылады - ол үлкен күш береді, ал компонент ретінде - мысалы, және тотықсыздандырғыш ретінде - шойын өндірісінде.
• Өте таза және тазартылған металлургиялық материалдар күн энергиясының негізін құрайды.
• Металл емес диоксид табиғатта әртүрлі формаларда кездеседі. Оның кристалдық сорттары – опал, агат, карнелиан, аметист, рок-кристал – зергерлік бұйымдарда өз орнын тапты. Сыртқы түрі соншалықты тартымды емес модификациялар – шақпақтас, кварц металлургияда, құрылыста, радиоэлектроникада қолданылады.
• Бейметалдың көміртегімен, карбидпен қосылысы металлургияда, аспап жасауда және химия өнеркәсібінде қолданылады. Бұл кең жолақты жартылай өткізгіш, жоғары қаттылықпен сипатталады - Mohs шкаласы бойынша 7 және беріктігі оны абразивті материал ретінде пайдалануға мүмкіндік береді.
• Силикаттар – яғни тұздар кремний қышқылы. Тұрақсыз, температура әсерінен оңай ыдырайды. Олардың таңғажайып ерекшелігі - олар көптеген және әртүрлі тұздар түзеді. Бірақ соңғылары шыны, керамика, фаянс, хрусталь және т.б. Қазіргі заманғы құрылыс әртүрлі силикаттарға негізделген деп сенімді түрде айта аламыз.
• Шыны бұл жерде ең қызықты жағдайды білдіреді. Оның негізі - алюмосиликаттар, бірақ басқа заттардың елеусіз қоспалары - әдетте оксидтер - материалға көптеген әртүрлі қасиеттерді, соның ішінде түс береді. -, фаянс, фарфор, шын мәнінде, құрамдас бөліктерінің қатынасы әртүрлі болғанымен, формуласы бірдей және оның әртүрлілігі де таң қалдырады.
• Бейметалдың тағы бір қасиеті бар: ол кремний атомдарының ұзын тізбегі түрінде көміртегі тәрізді қосылыстар түзеді. Мұндай қосылыстар кремнийорганикалық қосылыстар деп аталады. Оларды қолдану аясы кем емес белгілі - бұл силикондар, тығыздағыштар, майлау материалдары және т.б.

Кремний өте кең таралған элемент және әдеттен тыс үлкен мәнкөптеген салаларда Ұлттық экономика. Сонымен қатар, заттың өзі ғана емес, оның барлық әртүрлі және көптеген қосылыстары белсенді қолданылады.

Бұл бейне сізге кремнийдің қасиеттері мен қолданылуы туралы айтып береді:

Табиғатта кездесетін заттардың бірегей қасиеттерінің арқасында көптеген заманауи технологиялық құрылғылар мен аппараттар жасалды. Адамзат тәжірибе жасау және айналамыздағы элементтерді мұқият зерделеу арқылы өзінің өнертабыстарын үнемі жаңартып отырады - бұл процесс деп аталады. техникалық прогресс. Ол қарапайым, барлығына қолжетімді, бізді қоршап тұрған нәрселерге негізделген Күнделікті өмір. Мысалы, құм: бұл туралы таңқаларлық және әдеттен тыс не болуы мүмкін? Ғалымдар одан кремнийді, онсыз компьютерлік технология болмайтын химиялық элементті бөліп ала алды. Оның қолдану аясы алуан түрлі және үнемі кеңеюде. Бұл кремний атомының бірегей қасиеттерінің, оның құрылымының және басқа қарапайым заттармен қосылыстардың мүмкіндігінің арқасында қол жеткізілді.

Сипаттама

Д.И.Менделеев әзірлеген нұсқада кремний Si белгісімен белгіленеді. Бейметалдарға жатады, үшінші периодтың негізгі төртінші тобында орналасқан, бар атомдық нөмір 14. Оның көміртегіге жақындығы кездейсоқ емес: көп жағынан олардың қасиеттері салыстырмалы. Табиғатта ол таза түрінде кездеспейді, өйткені ол белсенді элемент және оттегімен жеткілікті күшті байланысы бар. Негізгі зат – оксид болып табылатын кремний диоксиді және силикаттар (құм). Сонымен қатар, кремний (оның табиғи қосылыстары) жердегі ең көп таралған химиялық элементтердің бірі болып табылады. Құрамының массалық үлесі бойынша ол оттегіден кейінгі екінші орында (28% -дан астам). Жер қыртысының жоғарғы қабатында диоксид түріндегі кремний (бұл кварц), әр түрлі саз және құм бар. Екінші кең таралған топ - оның силикаттары. Жер бетінен шамамен 35 км тереңдікте гранит және базальт шөгінділерінің қабаттары бар, олардың құрамына шақпақтас қосылыстары кіреді. Жердің ядросындағы мазмұнның пайызы әлі есептелмеген, бірақ мантияның жер бетіне ең жақын қабаттары (900 км-ге дейін) силикаттардан тұрады. Құрамында теңіз суыкремний концентрациясы 3 мг/л, 40% оның қосылыстарынан тұрады. Адамзат осы уақытқа дейін зерттеген ғарыш кеңістігінде бұл химиялық элемент көп мөлшерде бар. Мысалы, зерттеушілерге қолжетімді қашықтықта Жерге жақындаған метеориттер олардың 20% кремнийден тұратынын көрсетті. Біздің галактикада осы элемент негізінде тіршіліктің пайда болу мүмкіндігі бар.

Зерттеу процесі

Кремний химиялық элементінің ашылу тарихы бірнеше кезеңнен тұрады. Менделеев жүйелеген көптеген заттарды адамзат ғасырлар бойы пайдаланып келеді. Бұл жағдайда элементтер өздерінің табиғи түрінде болды, яғни. химиялық өңдеуге ұшырамаған қосылыстарда және олардың барлық қасиеттері адамдарға белгісіз. Заттың барлық ерекшеліктерін зерттеу барысында оны қолданудың жаңа бағыттары пайда болды. Кремнийдің қасиеттері бүгінгі күні толық зерттелмеген - бұл элемент қолдану аясы өте кең және әртүрлі, ғалымдардың болашақ ұрпақтары үшін жаңа ашылуларға орын қалдырады. Заманауи технологиялар бұл процесті айтарлықтай жылдамдатады. 19 ғасырда көптеген атақты химиктер кремнийді оның таза түрінде алуға тырысты. Мұны алғаш рет 1811 жылы Л.Тенард пен Дж.Гей-Люссак жасады, бірақ элементтің ашылуы затты бөліп алып қана қоймай, оны сипаттай білген Дж.Берцелиусқа тиесілі. Швециядан келген химик кремнийді 1823 жылы алды, ол үшін металл калий мен калий тұзын пайдаланды. Реакция катализатор астында жоғары температура түрінде өтті. Алынған қарапайым сұр-қоңыр зат аморфты кремний болды. Кристалды таза элементті 1855 жылы Сент-Клэр Девилл алған. Оқшауланудың қиындығы атомдық байланыстардың жоғары беріктігімен тікелей байланысты. Екі жағдайда да химиялық реакция қоспалардан тазарту процесіне бағытталған, ал аморфты және кристалды модельдер әртүрлі қасиеттерге ие.

Химиялық элементтің кремний айтылуы

Алынған ұнтақтың алғашқы атауы - кизель - Берцелиус ұсынған. Ұлыбританияда және АҚШ-та кремнийді әлі күнге дейін кремний (силиций) немесе силикон (Кремний) деп атайды. Бұл термин латынның «шақпақтас» (немесе «тас») сөзінен шыққан және көп жағдайда табиғатта кең таралғандықтан «жер» ұғымымен байланысты. Орысша айтылуыберілген химиялық затБұл әртүрлі болуы мүмкін, бәрі көзге байланысты. Ол кремний диоксиді (1810 жылы Захаров бұл терминді қолданған), сицилий (1824, Двигубский, Соловьев), кремний диоксиді (1825, Страхов) деп аталды және тек 1834 жылы орыс химигі Герман Иванович Гесс көптеген дереккөздерде әлі күнге дейін қолданылатын атауды енгізді. - кремний. Онда Si белгісімен белгіленеді. Химиялық элемент кремний қалай оқылады? Ағылшын тілінде сөйлейтін елдердегі көптеген ғалымдар оның атын «си» деп атайды немесе «силикон» сөзін қолданады. Компьютерлік техниканың ғылыми-өндірістік алаңы болып табылатын алқаптың әлемге әйгілі атауы осыдан шыққан. Орыс тілді халық элементті кремний деп атайды (ежелгі гректің «жар, тау» деген сөзінен).

Табиғатта кездесуі: кен орындары

Бүкіл тау жүйелері кремний қосылыстарынан тұрады, олар таза күйінде кездеспейді, өйткені барлық белгілі минералдар диоксидтер немесе силикаттар (алюмосиликаттар) болып табылады. Таңғажайып әдемі тастарды адамдар сәндік материалдар ретінде пайдаланады - бұл опал, аметист, кварц. әртүрлі түрлері, яшма, халцедон, агат, рок-кристал, карнелиан және басқалар. Олар кремнийдің құрамына олардың тығыздығын, құрылымын, түсін және қолдану бағытын анықтайтын әртүрлі заттардың қосылуы есебінен пайда болды. Бүкіл бейорганикалық әлемді осы химиялық элементпен байланыстыруға болады, ол табиғи ортаметалдармен және бейметалдармен (мырыш, магний, кальций, марганец, титан және т.б.) берік байланыс түзеді. Басқа заттармен салыстырғанда кремний өндіріс ауқымында өндіруге оңай қол жетімді: ол рудалар мен минералдардың көпшілігінде кездеседі. Сондықтан белсенді түрде игерілетін кен орындары материяның аумақтық жинақталуына емес, қолда бар энергия көздеріне байланысты. Кварциттер мен кварц құмдары дүние жүзінің барлық елдерінде кездеседі. Кремнийдің ірі өндірушілері мен жеткізушілері: Қытай, Норвегия, Франция, АҚШ (Батыс Вирджиния, Огайо, Алабама, Нью-Йорк), Австралия, Оңтүстік Африка, Канада, Бразилия. Барлық өндірушілер әртүрлі әдістерді қолданады, олар өндірілетін өнімнің түріне байланысты (техникалық, жартылай өткізгіш, жоғары жиілікті кремний). Қосымша байытылған немесе, керісінше, қоспалардың барлық түрінен тазартылған химиялық элементтің жеке қасиеттері бар әрі қарай пайдалану. Бұл осы затқа да қатысты. Кремнийдің құрылымы оның қолдану аясын анықтайды.

Қолдану тарихы

Көбінесе атаулардың ұқсастығына байланысты адамдар кремний мен шақпақ тасты шатастырады, бірақ бұл ұғымдар бірдей емес. Түсінікті болайық. Жоғарыда айтылғандай, кремний табиғатта таза күйінде кездеспейді, оны оның қосылыстары (сол кремний диоксиді) туралы айту мүмкін емес. Біз қарастырып отырған заттың диоксидінен түзілетін негізгі минералдар мен тау жыныстары – құм (өзен және кварц), кварц пен кварциттер, шақпақ тас. Соңғысы туралы бәрі естіген болуы керек, өйткені оның адамзаттың даму тарихында маңызы зор. Тас дәуірінде адамдар жасаған алғашқы еңбек құралдары осы таспен байланысты. Оның негізгі тау жынысынан үгітілген кезде пайда болған өткір жиектері ежелгі үй шаруасындағы әйелдердің жұмысын айтарлықтай жеңілдеткен, ал қайрау мүмкіндігі аңшылар мен балықшыларды жеңілдеткен. Флинт металл бұйымдарының беріктігіне ие болмады, бірақ істен шыққан құралдарды жаңасымен ауыстыру оңай болды. Оны шақпақ тас ретінде пайдалану көптеген ғасырлар бойы - балама көздерді ойлап тапқанға дейін созылды.

Қазіргі заманғы шындыққа келетін болсақ, кремнийдің қасиеттері затты үй-жайларды безендіру немесе керамикалық ыдыс-аяқ жасау үшін пайдалануға мүмкіндік береді, сонымен бірге оның әдемі эстетикалық көрінісінен басқа, ол көптеген тамаша функционалдық қасиеттерге ие. Бөлек бағытОның қолданылуы шамамен 3000 жыл бұрын әйнекті ойлап тапқан кезден басталады. Бұл оқиға кремнийі бар қосылыстардан айналар, ыдыс-аяқ және мозаикалық витраждар жасауға мүмкіндік берді. Бастапқы заттың формуласы қажетті компоненттермен толықтырылды, бұл өнімге қажетті түсті беруге мүмкіндік берді және әйнектің беріктігіне әсер етті. Ғажайып сұлулық пен алуан түрлі өнер туындыларын адам құрамында кремнийі бар минералдар мен тастар жасаған. Бұл элементтің емдік қасиеттерін ежелгі ғалымдар сипаттаған және адамзат тарихында қолданылған. Олар ауыз суға арналған құдықтарды, азық-түлік сақтайтын қоймаларды төсеп, күнделікті өмірде де, медицинада да пайдаланылды. Ұнтақтау арқылы алынған ұнтақ жараларға жағылды. Құрамында кремний бар қосылыстардан жасалған ыдыстарға тұндырылған суға ерекше назар аударылды. Химиялық элемент оның құрамымен өзара әрекеттесті, бұл бірқатар патогендік бактериялар мен микроорганизмдерді жоюға мүмкіндік берді. Бұл біз қарастыратын зат өте сұранысқа ие барлық салалар емес. Кремнийдің құрылымы оның әмбебаптығын анықтайды.

Қасиеттер

Заттың сипаттамаларымен көбірек танысу үшін оны барлық мүмкін болатын қасиеттерді ескере отырып қарастыру қажет. Кремнийдің химиялық элементін сипаттау жоспары физикалық қасиеттерді, электрлік қасиеттерді, қосылыстарды, реакцияларды және олардың өту жағдайларын зерттеуді және т.б. қамтиды. Кристалды түрдегі кремнийдің металл реңктері бар қара сұр түсі бар. Бет центрленген текше тор көміртекті торға (алмас) ұқсайды, бірақ ұзағырақ байланыстарға байланысты ол соншалықты берік емес. 800 o C дейін қыздыру оны пластикалық етеді, басқа жағдайларда ол сынғыш болып қалады; Кремнийдің физикалық қасиеттері бұл затты шынымен бірегей етеді: ол инфрақызыл сәулеленуге мөлдір. Балқу температурасы – 1410 0 С, қайнау температурасы – 2600 0 С, қалыпты жағдайда тығыздығы – 2330 кг/м 3. Жылу өткізгіштік тұрақты емес әртүрлі үлгілер үшін шамамен 25 0 С шамасында алынады. Кремний атомының қасиеттері оны жартылай өткізгіш ретінде пайдалануға мүмкіндік береді. Бұл қолданбалы аймақта ең сұранысқа ие қазіргі әлем. Электр өткізгіштіктің мәніне кремнийдің құрамы және онымен қосылатын элементтер әсер етеді. Осылайша, электронды өткізгіштіктің жоғарылауы үшін сурьма, мышьяк және фосфор, ал саңылау өткізгіштігі үшін - алюминий, галлий, бор және индий қолданылады. Өткізгіш ретінде кремнийі бар құрылғыларды жасау кезінде құрылғының жұмысына әсер ететін белгілі бір агентпен бетті өңдеу қолданылады.

Кремнийдің тамаша өткізгіш ретіндегі қасиеттері қазіргі заманғы аспап жасауда кеңінен қолданылады. Оны пайдалану әсіресе күрделі жабдықтарды (мысалы, қазіргі заманғы есептеуіш құрылғылар, компьютерлер) өндіруде өзекті болып табылады.

Кремний: химиялық элементтің сипаттамасы

Көп жағдайда кремний төрт валентті, бірақ оның мәні +2 болатын байланыстар да бар. Қалыпты жағдайда белсенді емес, күшті қосылыстары бар, бөлме температурасында тек газ тәрізді агрегаттық күйдегі фтормен әрекеттесе алады. Бұл қоршаған ортадағы оттегімен немесе сумен әрекеттесу кезінде байқалатын диоксидті пленкамен бетті бітеу әсерімен түсіндіріледі. Реакцияларды ынталандыру үшін катализаторды қолдану қажет: температураны арттыру кремний сияқты зат үшін өте қолайлы. Химиялық элемент 400-500 0 С температурада оттегімен әрекеттеседі, нәтижесінде диоксидті қабық ұлғаяды, тотығу процесі жүреді. Температура 50 0 С-қа дейін көтерілгенде броммен, хлормен, йодпен реакция байқалады, нәтижесінде ұшқыш тетрагалидтер түзіледі. Кремний фторлы және азот қышқылдарының қоспасын қоспағанда қышқылдармен әрекеттеспейді, ал қыздырылған күйдегі кез келген сілті еріткіш болып табылады. Кремний сутегі тек силицидтердің ыдырауынан пайда болады, ол сутегімен әрекеттеспейді. Бор және көміртегі бар қосылыстар ең үлкен беріктік пен химиялық пассивтілікпен сипатталады. Сілтілер мен қышқылдарға жоғары тұрақтылық азотпен байланысы бар, ол 1000 0 С жоғары температурада пайда болады. Силицидтер металдармен әрекеттесу арқылы алынады және бұл жағдайда кремний көрсететін валенттілік қосымша элементке байланысты. Өтпелі металдың қатысуымен түзілген заттың формуласы қышқылдарға төзімді. Кремний атомының құрылымы оның қасиеттеріне және басқа элементтермен әрекеттесу қабілетіне тікелей әсер етеді. Табиғатта және затқа әсер ету кезінде (зертханалық, өндірістік жағдайларда) байланыстың түзілу процесі айтарлықтай ерекшеленеді. Кремнийдің құрылымы оның химиялық белсенділігін көрсетеді.

Құрылым

Кремнийдің өзіндік ерекшеліктері бар. Ядро заряды +14, ол периодтық жүйедегі реттік нөмірге сәйкес келеді. Зарядталған бөлшектердің саны: протондар - 14; электрондар - 14; нейтрондар - 14. Кремний атомының құрылым диаграммасы келесідей: Si +14) 2) 8) 4. Соңғы (сыртқы) деңгейде 4 электрон бар, ол тотығу дәрежесін “+” немесе “-” арқылы анықтайды. ” белгісі. Кремний оксидінің формуласы SiO 2 (валенттігі 4+), ұшпа сутегі қосылысы SiH 4 (валенттігі -4). Кремний атомының үлкен көлемі кейбір қосылыстардың координациялық санының 6-ға тең болуына мүмкіндік береді, мысалы, фтормен біріктірілгенде. Молярлық масса- 28, атом радиусы - 132 pm, электронды қабық конфигурациясы: 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 2.

Қолдану

Жартылай өткізгіш ретінде беттік немесе толық легирленген кремний көптеген, соның ішінде жоғары дәлдіктегі құрылғыларды (мысалы, күн фотоэлементтері, транзисторлар, ток түзеткіштер және т.б.) жасауда қолданылады. Өте таза кремний күн батареяларын (энергия) жасау үшін қолданылады. Монокристалды түрі айналар мен газ лазерлерін жасау үшін қолданылады. Кремний қосылыстары шыны, керамикалық плиткалар, ыдыстар, фарфор және фаянс жасау үшін қолданылады. Алынған тауарлардың түр-түрін сипаттау қиын, оларды пайдалану тұрмыстық деңгейде, өнер мен ғылымда және өндірісте орын алады; Алынған цемент құрылыс қоспаларын, кірпіштерді және әрлеу материалдарын жасау үшін шикізат ретінде қызмет етеді. Майлар мен жағармайлардың таралуы көптеген механизмдердің қозғалатын бөліктеріндегі үйкеліс күшін айтарлықтай төмендетуі мүмкін. Агрессивті орталарға (қышқылдар, температуралар) қарсы тұрудағы бірегей қасиеттеріне байланысты силицидтер өнеркәсіпте кеңінен қолданылады. Олардың электрлік, ядролық және химиялық сипаттамаларын күрделі өндірістер мамандары ескереді, кремний атомының құрылымы да маңызды рөл атқарады.

Біз бүгінде ең көп білімді қажет ететін және қолданудың жетілдірілген салаларын тізімдедік. Ең кең тараған, үлкен көлемде өндірілетін техникалық кремний бірқатар салаларда қолданылады:

1. Таза зат алу үшін шикізат ретінде.
2. Металлургия өнеркәсібіндегі легірленген қорытпалар үшін: кремнийдің болуы отқа төзімділікті арттырады, коррозияға төзімділігін және механикалық беріктігін арттырады (егер бұл элемент артық болса, қорытпа тым морт болуы мүмкін).
3. Металдан артық оттегін кетіру үшін тотықсыздандырғыш ретінде.
4. Силандарды өндіруге арналған шикізат (органикалық заттармен кремний қосылыстары).
5. Кремний мен темір қорытпасынан сутегін алу үшін.
6. Күн батареяларын өндіру.

Бұл зат адам ағзасының қалыпты жұмыс істеуі үшін де үлкен маңызға ие. Бұл жағдайда кремнийдің құрылымы және оның қасиеттері шешуші болып табылады. Бұл жағдайда оның артық болуы немесе жетіспеушілігі ауыр ауруларға әкеледі.

Адам ағзасында

Медицина кремнийді ұзақ уақыт бойы бактерицидтік және антисептикалық агент ретінде қолданады. Бірақ сыртқы қолданудың барлық артықшылықтарымен бұл элемент адам ағзасында үнемі жаңартылып отыруы керек. Қалыпты деңгейоның мазмұны жалпы өміріңізді жақсартады. Егер ол жетіспесе, 70-тен астам микроэлементтер мен витаминдер ағзаға сіңбейді, бұл бірқатар ауруларға төзімділікті айтарлықтай төмендетеді. Кремнийдің ең жоғары пайызы сүйектерде, теріде және сіңірлерде байқалады. Ол рөл атқарады құрылымдық элемент, ол беріктікті сақтайды және серпімділік қосады. Барлық қаңқаның қатты тіндері оның байланыстары есебінен түзіледі. Нәтижесінде соңғы зерттеулерКремний құрамы бүйректе, ұйқы безінде және дәнекер тіндерінде табылды. Бұл органдардың ағзаның жұмысындағы рөлі айтарлықтай үлкен, сондықтан оның мазмұнының төмендеуі өмірді қамтамасыз етудің көптеген негізгі көрсеткіштеріне зиянды әсер етеді. Дене күніне 1 грамм кремнийді тамақ пен сумен бірге алуы керек - бұл терінің қабыну процестері, сүйектердің жұмсаруы, бауырда, бүйректе тастардың пайда болуы, көру қабілетінің нашарлауы, шаштың күйі сияқты ықтимал ауруларды болдырмауға көмектеседі. және тырнақтар, атеросклероз. Бұл элементтің жеткілікті деңгейімен иммунитет артады, метаболикалық процестер қалыпқа келеді және адам денсаулығына қажетті көптеген элементтердің сіңуі жақсарады. Кремнийдің ең көп мөлшері дәнді дақылдарда, шалғамда және қарақұмықта. Кремний суы айтарлықтай пайда әкеледі. Оны қолдану мөлшері мен жиілігін анықтау үшін маманмен кеңескен дұрыс.