Кремній: характеристики, особливості та сфери застосування

Кремній: характеристики, особливості та сфери застосування Як самостійний хімічний елемент кремній став відомий людству всього лише в 1825 році. Що, звичайно, не заважало застосовувати сполуки кремнію в такій кількості сфер, що простіше перерахувати ті, де елемент не використовується. Дана стаття проллє світло на фізичні, механічні та корисні хімічні властивості кремнію і його сполук, області застосування, також ми розповімо про те, як впливає кремній на властивості стали і інших металів.

Що таке кремній


Для початку давайте зупинимося на загальній характеристиці кремнію. Від 27,6 до 29,5% маси земної кори складає кремній. У морській воді концентрація елемента теж неабияка - до 3 мг / л.

За поширеністю в літосфері кремній посідає друге почесне місце після кисню. Однак найбільш відома його форма - кремнезем, є діоксидом, і саме його властивості і стали основою для такого широкого застосування.

Поняття і особливості


Кремній - неметал, однак при різних умовах може проявляти і кислотні, і основні властивості. Є типовим напівпровідником і надзвичайно широко використовується в електротехніці. Фізичні та хімічні його властивості багато в чому визначаються алотропна станом. Найчастіше справа мають з кристалічною формою, оскільки її якості більш затребувані.

• Кремній - один з базових макроелементів в людському тілі. Його нестача згубно позначається на стані кісткової тканини, волосся, шкіри, нігтів. Крім того, кремній впливає на працездатність імунної системи.

• У медицині елемент, вірніше кажучи, його сполуки знайшли своє перше застосування саме в цій якості. Вода з колодязів, викладених кремнієм, відрізнялися не тільки чистотою, а й позитивно позначалася на стійкості до інфекційних хвороб. Сьогодні з'єднання з кремнієм є основою для препаратів проти туберкульозу, атеросклерозу, артриту.



• В цілому неметал малоактивний, однак і в чистому вигляді зустріти його складно. Пов'язано це з тим, що на повітрі він швидко пассивируется шаром діоксиду і перестає реагувати. При нагріванні хімічна активність збільшується. В результаті людство набагато ближче знайоме з сполуками речовини, а не з ним самим.

Так, кремній утворює сплави практично з усіма металами - силіциди. Всі вони відрізняються тугоплавкостью і твердістю і застосовуються на відповідних ділянках: газові турбіни, нагрівачі печей.

Розміщується неметал в таблиці Менделєєва в 6 групі разом з вуглецем, германієм, оловом, що вказує на певну спільність з цими речовинами. Так, з вуглецем його «ріднить» здатність до утворення сполук за типом органічних. При цьому кремній, як і германій може проявити властивості металу в деяких хімічних реакціях, що використовується в синтезі.

Плюси і мінуси


Як і будь-яка інша речовина з точки зору застосування в народному господарстві, кремній має певні корисними або не дуже якостями. Важливі вони саме для визначення області використання.

• Чималим перевагою речовини є його доступність. У природі він, правда, знаходиться не у вільному вигляді, але все ж, технологія отримання кремнію не так вже й складна, хоча і енергозатратна.
• Друге найважливіше гідність - утворення безлічі з'єднань з незвичайно корисними властивостями. Це і силани, і силіциди, і діоксид, і, звичайно, різноманітні силікати. Здатність кремнію і його сполук утворювати складні тверді розчини практично нескінченна, що дозволяє нескінченно ж отримувати найрізноманітніші варіації скла, каменю та кераміки.
• Напівпровідникові властивості неметалу забезпечує йому місце базового матеріалу в електро- і радіотехніці.
• Неметалл є нетоксичним , що допускає застосування в будь-якій галузі промисловості, і при цьому не перетворює технологічний процес в потенційно небезпечний.

До недоліків матеріалу можна віднести лише відносну крихкість при хорошій твердості. Кремній не використовується для несучих конструкцій, але зате це поєднання дозволяє обробляти належним чином поверхню кристалів, що важливо для приладобудування.
Давайте тепер поговоримо про основні властивості кремнію.

Властивості і характеристики


Оскільки в промисловості найчастіше експлуатується кристалічний кремній, то саме його властивості та є більш важливими, і саме вони і наводяться в технічних характеристиках. Фізичні властивості речовини такі:

• температура плавлення - 1417 С;
• температура кипіння - 2600 С;
• щільність становить 2,33 г / куб. см, що свідчить про крихкість;
• теплоємність, як і теплопровідність не постійні навіть на найчистіших пробах: 800 Дж / (кг · К), або 0,191 кал / (г · град) і 84-126 Вт / (м · К), або 0,20-0, 30 кал / (см · сек · град) відповідно;
• прозорий для довгохвильового інфрачервоного випромінювання, що використовується в інфрачервоній оптиці;
• діелектрична проникність - 1,17;
• твердість за шкалою Мооса - 7.

Електричні властивості неметалу сильно залежать від домішок. У промисловості цю особливість використовують, модулюючи потрібний тип напівпровідника. При нормальній температурі кремній крихкий, але при нагріванні вище 800 С можлива пластична деформація.
Властивості аморфного кремнію разюче відрізняються: він сильно гігроскопічний, набагато активніше вступає в реакцію навіть при нормальній температурі.

Склад і структура


Кремній існує в двох аллотропних формах, однаково стійких при нормальній температурі.

• Кристалічний має вигляд темно-сірого порошку. Речовина, хоча і має алмазоподобную кристалічну решітку, є крихким - через надто довгою зв'язку між атомами. Інтерес представляють його властивості напівпровідника.

• При дуже високих тисках можна отримати гексагональну модифікацію з щільністю 2,55 г / куб.см. Однак ця фаза практичного значення поки не знайшла.

• Аморфний - буро-коричневий порошок. На відміну від кристалічної форми набагато активніше вступає в реакцію. Пов'язано це не стільки з інертністю першої форми, скільки з тим, що на повітрі речовина покривається шаром діоксиду.

Крім того, необхідно враховувати і ще один тип класифікації, пов'язаний з величиною кристала кремнію, які в сукупності утворюють речовину. Кристалічна решітка, як відомо, припускають впорядкованість не тільки атомів, але і структур, які ці атоми утворюють - так званий дальній порядок. Чим він більший, тим більш однорідним за властивостями буде речовина.

• Монокристалічний - зразок являє собою один кристал. Структура його максимально впорядкована, властивості однорідні і добре передбачувані. Саме такий матеріал найбільш затребуваний в електротехніці. Однак він же відноситься до найдорожчого виду, оскільки процес його отримання складний, а швидкість росту низька.

• Мультикристалічних - зразок становить кілька великих кристалічних зерен. Межі між ними формують додаткові дефектні рівні, що знижує продуктивність зразка, як напівпровідника і призводить до швидшого зносу. Технологія вирощування мультикристалів простіше, тому і матеріал дешевше.

• Полікристалічний - складається з великої кількості зерен, розташованих хаотично відносно один одного. Це найбільш чиста різновид промислового кремнію, застосовується в мікроелектроніці і сонячної енергетики. Досить часто використовується в якості сировини для вирощування мульти- і монокристалів.

• Аморфний кремній і в цій класифікації посідає окрему позицію. Тут порядок розташування атомів утримується тільки на самих коротких дистанціях. Однак в електротехніці він все ж використовується у вигляді тонких плівок.

Виробництво


Отримати чистий кремній не так вже й просто, враховуючи інертність його з'єднань і високу температуру плавлення більшості з них. У промисловості найчастіше вдаються до відновлення вуглецем з діоксиду. Проводять реакцію в дугових печах при температурі 1800 С. Таким чином отримують неметал чистотою в 99,9%, що для його застосування недостатньо. Отриманий матеріал хлорують з тим, щоб отримати хлориди і гідрохлориди. Потім з'єднання очищають усіма можливими методами від домішок і відновлюють воднем.

Очистити речовина можна і за рахунок отримання силіциду магнію. Силіцид піддають дії соляної або оцтової кислоти. Отримують силан, а останній очищають різними способами - сорбційними, ректифікацією і так далі. Потім силан розкладають на водень і кремній при температурі в 1000 С. В цьому випадку отримують речовину з часткою домішки 10 -8 -10 -6 %.

Застосування речовини


Для промисловості найбільший інтерес представляють електрофізичні характеристики неметалу. Його монокристалічна форма є непрямозонних полупроводником. Властивості його визначаються домішками, що дозволяє отримувати кристали кремнію з заданими властивостями. Так, добавка бору, алюмінію, індію дає можливість виростити кристал з доречнийпровідністю, а введення фосфору або миш'яку - кристал з електронною провідністю.

• Кремній в буквальному сенсі слова є основою сучасної електротехніки. З нього виготовляють транзистори, фотоелементи, інтегральні схеми, діоди і так далі. Причому функціональність приладу визначає практично завжди тільки приповерхневих шар кристала, що обумовлює досить специфічні вимоги саме до обробки поверхні.

• У металургії технічний кремній застосовують і як модифікатор сплавів - додає велику міцність, і як компонент - в бронзах, наприклад, і як раскислитель - при виробництві чавуну.

• Надчистий і очищений металургійний складають основу сонячної енергетики.

• Діоксид неметалу зустрічається в природі в дуже різних формах. Його кристалічні різновиди - опал, агат, сердолік, аметист, гірський кришталь, знайшли своє місце в ювелірній справі. Не настільки привабливі зовні модифікації - кремінь, пісок, кварц, використовуються і в металургії, і в будівництві, і в радіоелектротехнік.

• З'єднання неметалу з вуглецем - карбід, застосовується і в металургії, і в приладобудуванні, і в хімічній промисловості. Він є шірокозональним полупроводником, відрізняється високою твердістю - 7 за шкалою Мооса, і міцністю, що і дозволяє застосовувати його в якості абразивного матеріалу.

• Силікати - тобто, солі кремнієвої кислоти. Нестійкі, легко розкладаються під дією температури. Визначність їх в тому, що вони утворюють численні і різноманітні солі. А ось останні є основою при виробництві скла, кераміки, фаянсу, кришталю, цементу і бетону. Можна сміливо сказати, що сучасне будівництво грунтується на різноманітних силікату.

• Скло являє тут найбільш цікавий випадок. Основою його є алюмосилікати, але незначні домішки інших речовин - зазвичай оксидів, надають матеріалу масу різних властивостей, в тому числі і колір. Кераміка - клінкер, фаянс, фарфор, по суті, має ту ж формулу, хоча і з іншим співвідношенням компонентів, і її різноманітність теж разюче.

• Неметал володіє ще однією здатністю: утворює сполуки за типом вуглецевих, у вигляді довгого ланцюжка з атомів кремнію. Такі сполуки звуться кремнійорганічних. Сфера їх застосування не менше відома - це силікони, герметики, мастила і так далі.
Кремній - дуже поширений елемент і має надзвичайно велике значення в дуже багатьох сферах народного господарства. Причому активно використовується не тільки сама речовина, але все його різноманітні і численні з'єднання.


3-12-2018, 17:29 79 0

Поділіться власною думкою