Описание и свойства кремния

Кремний – элемент , чётвёртая группа, третий период в таблице элементов. Атомный номер 14. Формула кремния — 3s2 3p2. Определён как элемент, в 1811 г, а в 1834 г получил русское название «кремний», взамен прежнего «сицилий». Плавится при 1414º С, закипает при 2349º С.

Молекулярным строением он напоминает , но уступает ему по твёрдости. Довольно хрупок, в нагретом состоянии (не менее 800º С) приобретает пластичность. Просвечивается инфракрасным излучением. Монокристаллический тип кремния обладает полупроводниковыми свойствами. По некоторым характеристикам атом кремния схож с атомарным строением углерода. Электроны кремния имеют такое же валентное число, как и при углеродном строении.

Рабочие свойства кремния зависят от содержания в нём определённых содержаний. У кремния допустим различный тип проводимости. В частности это «дырочный» и «электронный» тип. Для получения первого в кремний добавляется бор. Если добавить фосфор, кремний приобретает второй тип проводимости. Если кремний нагревать вместе с другими металлами, образовываются специфические соединения, называемые «силицидами», например, при реакции «магний-кремний «.

Кремний, идущий на нужды электроники, в первую очередь оценивается по характеристикам его верхних слоёв. Поэтому необходимо обращать внимание именно на их качество, оно непосредственно отражается на общих показателях. От них зависит работа произведённого прибора. Для получения наиболее приемлемых показателей верхних слоёв кремния, их обрабатывают различными химическими способами или подвергают облучению.

Соединение «сера-кремний», образует сульфид кремния, легко взаимодействующий с водой и кислородом. При реакции с кислородом, в температурных условиях выше 400º С, получается диоксид кремния. При этой же температуре становятся возможными реакции с хлором и йодом, а также с бромом, во время этого образуются летучие вещества – тетрагалогениды.

Соединить кремний и водород, путём прямого контакта, не получится, для этого существуют методы косвенного характера. При 1000º С возможна реакция с азотом, а также бором, при этом получается нитрид и борид кремния. При этой же температуре, соединив кремний с углеродом, можно произвести карбид кремния , так называемый «карборунд». Данный состав обладает твёрдой структурой, химическая активность вялая. Используется как абразив.

В соединении с железом, кремний образует особую смесь, это допускает плавление этих элементов, при котором образуется ферросилициевая керамика. Причём температура её плавления гораздо ниже, чем если их плавить по отдельности. При температурном режиме выше 1200º С, из элемента начинается образование оксида кремния , также при определённых условиях получается гидроксид кремния . При травлении кремния применяются щелочные растворы на водной основе. Их температура должна быть не менее 60º С.

Месторождения и добыча кремния

Элемент – второе по распространению на планете вещество. Кремний составляет почти треть объёма земной коры. Более распространенным является только кислород. Преимущественно выражен кремнезёмом – соединением в своей основе содержащим диоксид кремния. Главные производные диоксида кремния – кремень, различные пески, кварц, а также полевые . После них идут силикатные соединения кремния. Самородность для кремния – редкое явление.

Применение кремния

Кремний, химические свойства которого определяют область его применения, делится на несколько видов. Менее чистый кремний идёт на металлургические нужды: на , например для добавки в алюминий, кремний активно меняет его свойства, раскислители, и т.д. Он активно модифицирует свойства металлов, посредством добавки в их состав. Кремний легирует их, изменяя рабочие характеристики, кремния достаточно при этом совсем небольшого количества.

Также из неочищенного кремния производят более качественные производные, в частности, моно и поликристаллический кремний, а также кремниевые органики – это силиконы и различные органические масла. Также он нашёл своё применение при производстве цемента и стекольной промышленности. Не обошёл он и кирпичное производство, фабрики производящие фарфор и также без него не обходятся.

Кремний входит в состав всем известного силикатного клея, который идёт на ремонтные работы, а раньше он использовался в канцелярских нуждах, пока не появились более практичные заменители. В состав некоторых пиротехнических изделий также входи кремний. Из него и его железных сплавов можно получать водород на открытом воздухе.

На что идёт более качественный кремний? Пластины солнечных батарей тоже включают в состав кремний, естественно не технический. Для этих нужд необходим кремний идеальной чистоты или хотя бы технический кремний высшей степени очистки.

Так называемый «электронный кремний», который содержит кремний почти на 100%, обладает гораздо лучшими показателями. Поэтому его предпочитают при производстве сверхточных электронных приборов и сложных микросхем. При их изготовлении требуется качественная производственная схема, кремний для которой должен идти только высшей категории. Работа этих устройств зависит от того, сколько содержит кремний нежелательных примесей.

Кремний занимает важное место в природе, и большинство живых существ, постоянно испытывают в нём потребность. Для них это своеобразный строительный состав, потому — что он крайне важен для здоровья опорно-двигательного аппарата. Ежедневно человек поглощает до 1 г соединений кремния .

Может ли кремний быть вредным?

Да, по той причине что, диоксид кремния крайне расположен к пылеобразованию. Она имеет раздражающее воздействие на слизистые поверхности организма и способна активно накапливаться в лёгких, вызывая силикоз. Для этого на производстве связанного с переработкой кремниевых элементов, обязательно применение респираторов. Особенно важно их наличие, если речь идёт о моноксиде кремния.

Цена кремния

Как известно вся современная электронная техника, начиная от телекоммуникаций и заканчивая компьютерными технологиями, основывается на применении кремния, используя его полупроводниковые свойства. Его другие аналоги применяются в гораздо меньшей степени. Уникальные свойства кремния и его производных пока вне конкуренции, на долгие года вперёд. Несмотря на спад цен в 2001 г на кремний, продажи быстро пришли в норму. И уже в 2003 г товарооборот составил 24 тысячи тонн за год.

Для новейших технологий, требующих почти кристальной чистоты кремния, его технические аналоги не подходят. А за счёт его сложной системы очистки цена соответственно в разы возрастает. Более распространённым является поликристаллический тип кремния, несколько меньшим спросом пользуется его монокристаллический прототип. При этом доля использования кремния для полупроводников занимает львиную часть товарооборота.

Цены на продукцию варьируются в зависимости от чистоты и назначения кремния, купить который, можно начиная от 10 центов за кг неочищенного сырья и до 10$ и выше за «электронный» кремний.

Кремний - химический элемент IV группы Периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Открыт в 1811 г. Ж. Гей-Люсаком и Л. Тернаром. Его порядковый номер 14, атомная масса 28,08, атомный объем 12,04 10 -6 м 3 /моль. Кремний - металлоид, принадлежит к подгруппе углерода. Его валентность по кислороду +2 и +4. По распространенности в природе кремний уступает только кислороду. Его массовая доля в земной коре составляет 27,6 %. Земная кора, по мнению В.И. Вернадского, более чем на 97 % состоит из кремнезема и силикатов. Кислородные и органические соединения кремния входят также в состав растений и животных.

Искусственно полученный кремнии может быть как аморфным, так и кристаллическим. Аморфный кремний - коричневый, тонко дисперсный, сильно гигроскопичный порошок, по рентгеноструктурным данным, состоит из мельчайших кристалликов кремния. Он может быть получен восстановлением при высоких температурах SiCl 4 парами цинка.

Кристаллический кремний имеет серо-стальной цвет и отличается металлическим блеском. Плотность кристаллического кремния при 20°С составляет 2,33 г/см 3 , жидкого кремния при 1723-2,51, а при 1903К — 2,445 г/см 3 . Температура плавления кремния - 1690 К, кипения - 3513 К. В соответствии с данными, давление паров кремния при Т = 2500÷4000 К описывается уравнением lg p Si = -20130/ Т + 7,736, кПа. Теплота возгонки кремния 452610, плавления 49790, испарения 385020 Дж/моль.

Поликристаллы кремния отличаются высокой твердостью (при 20°С HRC = 106). Однако кремний очень хрупок, поэтому имеет высокую прочность при сжатии (σ СЖ В ≈690 МПа) и очень низкое сопротивление разрыву (σ В ≈ 16,7 МПа).

При комнатной температуре кремний инертен, реагирует только со фтором, образуя летучий 81Р4. Из кислот реагирует только с азотной в смеси с плавиковой кислотой. Со щелочами, однако, кремний реагирует довольно легко. Одна из его реакции со щелочами

Si + NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 2H 2

используется для получения водорода. Вместе с этим с неметаллами кремний способен давать большое количество химически прочных соединений. Из подобных соединений необходимо отметить галогениды (от SiX 4 до Si n X 2n+2 , где X - галоген, а n ≤ 25), их смешанные соединения SiCl 3 B, SiFCl 3 и др., оксихлориды Si 2 OCl 3 , Si 3 O 2 Cl 3 и др., нитриды Si 3 N 4 , Si 2 N 3 , SiN и гидриды с общей формулой Si n H 2n+2 , а из соединений, встречающихся при производстве ферросплавов, - летучие сульфиды SiS и SiS 2 и тугоплавкий карбид SiC.

Кремний способен также давать соединения с металлами - силициды, наиболее важными из них являются силициды железа, хрома, марганца, молибдена, циркония, а также РЗМ и ЩЗМ. Это свойство кремния - способность давать химически очень прочные соединения и растворы с металлами - широко используется в технике производства низкоуглеродистых ферросплавов, а также при восстановлении легкокипящих щелочноземельных (Са, Mg, Ва) и трудновосстановимых металлов (Zr, Al и др.).

Сплавы кремния с железом изучены П.В. Гельдом и его школой, особое внимание было обращено на часть системы Fe-Si, относящуюся к сплавам с его высоким содержанием. Это связано с тем, что, как видно из диаграммы Fe-Si (рисунок 1), в сплавах этого состава происходит целый ряд превращений, значительно влияющих на качество ферросилиция различных марок. Так, дисилицид FeSi 2 стабилен только при низких температурах (< 918 или 968 °С, см. рисунок 1). При высоких температурах устойчива его высокотемпературная модификация - лебоит. Содержание кремния в этой фазе колеблется в пределах 53-56 %. В дальнейшем лебоит будем обозначать химической формулой Fe 2 Si 5 , что практически соответствует максимальной концентрации кремния в лебоите.

При охлаждении сплавов с содержанием > 55,5 % Si лебоит при Т < 1213 К разлагается по эвтектоидной реакции

Fe 2 Si 5 → FeSi 2 +Si (2)

а сплавов 33,86-50,07 % Si при Т < 1255 К - по перитектоидной реакции

Fe 2 Si 5 + FeSi = ЗFeSi 2 (3)

Cплавы промежуточного состава (50,15-55,5 % Si) сначала при 1255 К претерпевают перитектоидное (3), а затем при 1213 К - эвтектоидное (2) превращения. Эти превращения Fe 2 Si 5 по реакциям (2) и (3) сопровождаются изменениями объема силицида. Особенно велико подобное изменение в ходе реакции (2) - примерно 14 %, поэтому сплавы, содержащие лебоит, теряют сплошность, растрескиваются и даже рассыпаются. При медленной, равновесной кристаллизации (см. рисунок 1) лебоит может выделяться при кристаллизации как сплава ФС75, так и ФС45.

Однако растрескивание, связанное с эвтектоидным распадом лебоита, лишь одна из причин рассыпания. Второй причиной, по-видимому главной, является то, что образование трещин по границам зерна создает возможность ликватам, выделяющимся по этим границам - фосфору, мышьяку, сульфидам и карбидам алюминия и др., - реагировать с влагой воздуха по реакциям, в результате которых в атмосферу выделяются H 2 , PH 3 , PH 4 , AsH 4 и т.п., а в трещинах — рыхлые оксиды Al 2 O 3 , SiO 2 и другие соединения, распирающие их. Предотвратить рассыпание сплавов можно их модифицированием магнием, легированием добавками элементов, измельчающих зерно (V, Ti, Zг и др.) или делающих его более пластичным. Измельчение зерна уменьшает на его границах концентрацию примесей и их соединений и влияет на свойства сплавов так же, как общее понижение в сплаве концентрации примесей (P, Al, Ca), способствующих рассыпанию. Термодинамические свойства сплавов Fe-Si (теплота смешения, активность, растворимость углерода) изучены подробно, их можно найти в работах. Сведения о растворимости углерода в сплавах Fe-Si приведены на рисунке 2, об активности кремния - в таблице 1.

Рисунок 1. — Диаграмма состояния системы Fe-Si

Физико-химические свойства кислородных соединений кремния изучал П.В. Гельд с сотрудниками. Несмотря на важность системы Si-O, ее диаграмма до сих пор не построена. В настоящее время известны два кислородных соединения кремния - кремнезем SiO 2 и монооксид SiO. В литературе имеются также указания о существовании и других кислородных соединений кремния - Si 2 O 3 и Si 3 O 4 , однако сведения об их химических и физических свойствах отсутствуют.

В природе кремний представлен только кремнеземом SiO 2 . Это соединение кремния отличается:

1) высокой твердостью (по шкале Мооса 7) и тугоплавкостью (T пл = 1996 К);

2) высокой температурой кипения (Т КИП = 3532 К). Давление паров кремнезема может бьггь описано уравнениями (Па):

3) образованием большого количества модификаций:

Особенностью аллотропных превращений SiO 2 является то, что они сопровождаются значительными изменениями плотности и объема вещества, что может вызвать растрескивание и измельчение породы;

4) высокой склонностью к переохлаждению. Поэтому имеется возможность в результате быстрого охлаждения зафиксировать структуру как жидкого расплава (стекло), так и высокотемпературных модификаций в-кристобалита и тридимита. Наоборот, при быстром нагревании можно расплавить кварц, минуя структуры тридимита и кристобалита. Температура плавления SiO 2 при этом понижается примерно на 100 °С;

5) высоким электросопротивлением. Например, при 293 К оно составляет 1 10 12 Ом*м. Однако с повышением температуры электросопротивление SiO 2 понижается, а в жидком состоянии кремнезем — неплохой проводник;

6) высокой вязкостью. Так, при 2073 К вязкость равна 1 10 4 Па с, а при 2273 К - 280 Па с.

Последнее, по мнению Н.В. Соломина, объясняется тем, что SiO 2 , подобно органическим полимерам, способен образовывать цепочки, которые при 2073 К состоят из 700, а при 2273 К — из 590 молекул SiO 2 ;

7) высокой термической устойчивостью. Энергия Гиббса образования SiO 2 из элементов с учетом агрегатного их состояния в соответствии с данными с высокой точностью описывается уравнениями:

Эти данные, как видно из таблицы 2, несколько отличаются от данных авторов. Для термодинамических расчетов могут использоваться и двухчленные уравнения:

Монооксид кремния SiO обнаружен в 1895 г. Поттером в газовой фазе электропечей. В настоящее время надежно установлено, что SiO существует и в конденсированных фазах. По исследованиям П.В. Гельда, оксид отличается невысокой плотностью (2,15 г/см 3), высоким электросопротивлением (10 5 -10 6 Ом*м). Конденсированный оксид хрупок, его твердость по шкале Мооса ∼ 5. Температуру плавления вследствие высокой его летучести экспериментально определить не удалось. По данным О. Кубашевского, она равна 1875 К, по мнению Бережного, - 1883 К. Теплота плавления SiO в несколько раз выше ΔH 0 SiO2 по данным она равна 50242 Дж/моль. По-видимому, вследствие летучести она завышена. Имеет стекловидный излом, его цвет изменяется от белого до шоколадного, что связано, вероятно, с его окислением кислородом воздуха. Свежий излом SiO обычно имеет гороховатый цвет с жирным блеском. Термодинамически стабилен оксид только при высоких температурах в виде SiO (Г) . При охлаждении оксид диспропорционирует по реакции

2SiO (Г) = SiO (Ж) + SiO 2 (6)

Температуру кипения SiO можно ориентировочно оценить из уравнения:

Газообразный оксид кремния термодинамически очень стоек. Энергию Гиббса его образования можно описать уравнениями (см. таблицу 2):

из которых видно, что химическая прочность SiO подобно CO с ростом температуры повышается, что делает его прекрасным восстановителем для многих веществ.

Для термодинамического анализа можно использовать и двухчленные уравнения:

Состав газов над SiO 2 оценивался И.С. Куликовым. В зависимости от температуры содержание SiO над SiO 2 описывается уравнениями:

Карбид кремния, как и SiO, является одним из промежуточных соединений, образующихся в ходе восстановления SiO 2 . Карбид отличается высокой температурой плавления.

В зависимости от давления он стоек вплоть до 3033-3103 К (рисунок 3). При высоких температурах карбид кремния сублимирует. Однако давление паров Si (Г) , Si 2 C (Г) , SiC 2(Г) над карбидом при Т < 2800К невелико, что следует из уравнения

Карбид существует в виде двух модификаций - кубической низкотемпературной β-SiC и гексагональной высокотемпературной α-SiC. В ферросплавных печах обычно встречается лишь β-SiC. Как показали расчеты с использованием данных, энергия Гиббса образования описывается уравнениями:

которые заметно отличаются от данных. Из этих уравнений следует, что карбид термически стоек до 3194 К. По физическим свойствам карбид отличается высокой твердостью (~ 10), высоким электросопротивлением (при 1273К p≈0,13 ⋅ 10 4 мкОм ⋅ м), повышенной плотностью (3,22 г/см 3) и высокой стойкостью как в восстановительной, так и в окислительной атмосфере.

По внешнему виду чистый карбид бесцветен, обладает полупроводниковыми свойствами, которые сохраняются и при высоких температурах. Технический карбид кремния содержит примеси и поэтому окрашен в зеленый или черный цвет. Так, зеленый карбид содержит 0,5-1,3 % примесей (0,1-0,3 % C, 0,2-1,2 % Si + SiO 2 , 0,05-0,20 % Fe 2 O 3 , 0,01- 0,08 % Al 2 O 3 и др.). В черном карбиде содержание примесей более высокое (1-2 %).

В качестве восстановителя при производстве сплавов кремния применяют углерод. Он же является основным веществом, из которого изготавливают электроды и футеровки электропечей, выплавляющих кремний и его сплавы. Углерод довольно распространен в природе, его содержание в земной коре составляет 0,14 %. В природе он встречается как в свободном состоянии, так и в виде органических и неорганических соединений (в основном карбонатов).

Углерод (графит) имеет гексагональную кубическую решетку. Рентгеновская плотность графита 2,666 г/см 3 , пикнометрическая — 2,253 г/см 3 . Он отличается высокими температурами плавления (~ 4000 °С) и кипения (~ 4200 °С), повышающимся с ростом температуры электросопротивлением (при 873 К p≈9,6 мкОм⋅м, при 2273 К p≈ 15,0 мкОм⋅м), довольно прочен. Его временное сопротивление на усах может составить 480-500 МПа. Однако электродный графит имеет σ в = 3,4÷17,2 МПа. Твердость графита по шкале Мооса ~ 1.

Углерод - прекрасный восстановитель. Это связано с тем, что прочность одного из его кислородных соединений (СО) повышается с ростом температуры. Это видно из энергии Гиббса его образования, которая, как показали наши расчеты с использованием данных, хорошо описывается как трехчленным

так и двухчленными уравнениями:

Диоксид углерода СO 2 термодинамически прочен лишь до 1300 К. Энергия Гиббса образования CO 2 описывается уравнениями:

Как самостоятельный химический элемент кремний стал известен человечеству всего лишь в 1825 году. Что, конечно, не мешало применять соединения кремния в таком количестве сфер, что проще перечислить те, где элемент не используется. Данная статья прольет свет на физические, механические и полезные химические свойства кремния и его соединений, области применения, также мы расскажем о том, как влияет кремний на свойства стали и иных металлов.

Для начала давайте остановимся на общей характеристике кремния. От 27,6 до 29,5% массы земной коры составляет кремний. В морской воде концентрация элемента тоже изрядная – до 3 мг/л.

По распространенности в литосфере кремний занимает второе почетное место после кислорода. Однако наиболее известная его форма – кремнезем, является диоксидом, и именно его свойства и стали основой для столь широкого применения.

О том, что такое кремний, расскажет этот видеосюжет:

Понятие и особенности

Кремний – неметалл, однако при разных условиях может проявлять и кислотные, и основные свойства. Является типичным полупроводником и чрезвычайно широко используется в электротехнике. Физические и химические его свойства во многом определяются аллотропным состоянием. Чаще всего дело имеют с кристаллической формой, поскольку ее качества более востребованы в народном хозяйстве.

• Кремний – один из базовых макроэлементов в человеческом теле. Его нехватка губительно сказывается на состоянии костной ткани, волос, кожи, ногтей. Кроме того, кремний оказывает влияние на работоспособность иммунной системы.
• В медицине элемент, вернее говоря, его соединения нашли свое первое применение именно в этом качестве. Вода из колодцев, выложенных кремнием, отличались не только чистотой, но и положительно сказывалась на стойкости к инфекционным болезням. Сегодня соединение с кремнием служат основой для препаратов против туберкулеза, атеросклероза, артрита.
• В целом неметалл малоактивен, однако и в чистом виде встретить его сложно. Связано это с тем, что на воздухе он быстро пассивируется слоем диоксида и перестает реагировать. При нагревании химическая активность увеличивается. В результате человечество гораздо ближе знакомо с соединениями вещества, а не с ним самим.

Так, кремний образует сплавы практически со всеми металлами – силициды. Все они отличаются тугоплавкостью и твердостью и применяются на соответствующих участках: газовые турбины, нагреватели печей.

Размещается неметалл в таблице Д. И. Менделеева в 6 группе вместе с углеродом, германием, что указывает на определенную общность с этими веществами. Так, с углеродом его «роднит» способность к образованию соединений по типу органических. При этом кремний, как и германий может проявить свойства металла в некоторых химических реакциях, что используется в синтезе.

Плюсы и минусы

Как и всякое другое вещество с точки зрения применения в народном хозяйстве, кремний обладает определенными полезными или не слишком качествами. Важны они именно для определения области использования.

• Немалым достоинством вещества является его доступность . В природе он, правда, находится не в свободном виде, но все же, технология получения кремния не так уж и сложна, хотя и энергозатратна.
• Второе важнейшее достоинство – образование множества соединений с необыкновенно полезными свойствами. Это и силаны, и силициды, и диоксид, и, конечно, разнообразнейшие силикаты. Способность кремния и его соединений образовывать сложные твердые растворы практически бесконечна, что позволяет бесконечно же получать самые разные вариации стекла, камня и керамики.
• Полупроводниковые свойства неметалла обеспечивает ему место базового материала в электро- и радиотехнике.
• Неметалл является нетоксичным , что допускает применение в любой отрасли промышленности, и при этом не превращает технологический процесс в потенциально опасный.

К недостаткам материала можно отнести лишь относительную хрупкость при хорошей твердости. Кремний не используется для несущих конструкций, но зато это сочетание позволяет обрабатывать должным образом поверхность кристаллов, что важно для приборостроения.

Давайте теперь поговорим про основные свойства кремния.

Свойства и характеристики

Поскольку в промышленности чаще всего эксплуатируется кристаллический кремний, то именно его свойства и являются более важными, и именно они и приводятся в технических характеристиках. Физические свойства вещества таковы:

• температура плавления – 1417 С;
• температура кипения – 2600 С;
• плотность составляет 2,33 г/куб. см, что свидетельствует о хрупкости;
• теплоемкость, как и теплопроводность не постоянны даже на самых чистых пробах: 800 Дж/(кг·К), или 0,191 кал/(г·град) и 84-126 вт/(м·К), или 0,20-0,30 кал/(см·сек·град) соответственно;
• прозрачен для длинноволнового ИК-излучения, что используется в инфракрасной оптике;
• диэлектрическая проницаемость – 1,17;
• твердость по шкале Мооса – 7.

Электрические свойства неметалла сильно зависят от примесей. В промышленности эту особенность используют, модулируя нужный тип полупроводника. При нормальной температуре кремний хрупок, но при нагревании выше 800 С возможна пластическая деформация.

Свойства аморфного кремния разительно отличаются: он сильно гигроскопичен, намного активнее вступает в реакцию даже при нормальной температуре.

Структура и химический состав, а также свойства кремния рассмотрены в видеоролике ниже:

Состав и структура

Кремний существует в двух аллотропных формах, одинаково устойчивых при нормальной температуре.

• Кристаллический имеет вид темно-серого порошка. Вещество, хотя и имеет алмазоподобную кристаллическую решетку, является хрупким – из-за чересчур длинной связи между атомами. Интерес представляют его свойства полупроводника.
• При очень высоких давлениях можно получить гексагональную модификацию с плотностью 2,55 г/куб. см. Однако эта фаза практического значения пока не нашла.
• Аморфный – буро-коричневый порошок. В отличие от кристаллической формы намного активнее вступает в реакцию. Связано это не столько с инертностью первой формы, сколько с тем, что на воздухе вещество покрывается слоем диоксида.

Кроме того, необходимо учитывать и еще один тип классификации, связанный с величиной кристалла кремния, которые в совокупности образуют вещество. Кристаллическая решетка, как известно, предполагают упорядоченность 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 один кристалл. Структура его максимально упорядочена, свойства однородны и хорошо предсказуемы. Именно такой материал наиболее востребован в электротехнике. Однако он же относится к самому дорогому виду, поскольку процесс его получения сложен, а скорость роста низка.
• Мультикристаллический – образец составляет некоторое количество крупных кристаллических зерен. Границы между ними формируют дополнительные дефектные уровни, что снижает производительность образца, как полупроводника и приводит к более быстрому износу. Технология выращивания мультикристалла проще, потому и материал дешевле.
• Поликристаллический – состоит из большого количества зерен, расположенных хаотически относительно друг друга. Это наиболее чистая разновидность промышленного кремния, применяется в микроэлектронике и солнечной энергетике. Довольно часто используется в качестве сырья для выращивания мульти- и монокристаллов.
• Аморфный кремний и в этой классификации занимает отдельную позицию. Здесь порядок расположения атомов удерживается только на самых коротких дистанциях. Однако в электротехнике он все же используется в виде тонких пленок.

Производство неметалла

Получить чистый кремний не так уж и просто, учитывая инертность его соединений и высокую температуру плавления большинства из них. В промышленности чаще всего прибегают к восстановлению углеродом из диоксида. Проводят реакцию в дуговых печах при температуре 1800 С. Таким образом получают неметалл чистотой в 99,9%, что для его применения недостаточно.

Полученный материал хлорируют с тем, чтобы получить хлориды и гидрохлориды. Затем соединения очищают всеми возможными методами от примесей и восстанавливают водородом.

Очистить вещество можно и за счет получения силицида магния. Силицид подвергают действию соляной или уксусной кислоты. Получают силан, а последний очищают различными способами – сорбционным, ректификацией и так далее. Затем силан разлагают на водород и кремний при температуре в 1000 С. В этом случае получают вещество с долей примеси 10 -8 –10 -6 %.

Применение вещества

Для промышленности наибольший интерес представляют электрофизические характеристики неметалла. Его монокристаллическая форма является непрямозонным полупроводником. Свойства его определяются примесями, что позволяет получать кристаллы кремния с заданными свойствами. Так, добавка бора, индия дает возможность вырастить кристалл с дырочной проводимостью, а введение фосфора или мышьяка – кристалл с электронной проводимостью.

• Кремний в буквальном смысле слова служит основой современной электротехники. Из него изготавливают транзисторы, фотоэлементы, интегральные схемы, диоды и так далее. Причем функциональность прибора определяет практически всегда только приповерхностный слой кристалла, что обуславливает весьма специфические требования именно к обработке поверхности.
• В металлургии технический кремний применяют и как модификатор сплавов – придает большую прочность, и как компонент – в , например, и как раскислитель – при производстве чугуна.
• Сверхчистый и очищенный металлургический составляют основу солнечной энергетики.
• Диоксид неметалла встречается в природе в очень разных формах. Его кристаллические разновидности – опал, агат, сердолик, аметист, горный хрусталь, нашли свое место в ювелирном деле. Не столь привлекательные внешне модификации – кремень, кварц, используются и в металлургии, и в строительстве, и в радиоэлектротехнике.
• Соединение неметалла с углеродом – карбид, применяется и в металлургии, и в приборостроении, и в химической промышленности. Он является широкозональным полупроводником, отличается высокой твердостью – 7 по шкале Мооса, и прочностью, что и позволяет применять его в качестве абразивного материала.
• Силикаты – то есть, соли кремниевой кислоты. Неустойчивы, легко разлагаются под действием температуры. Примечательность их в том, что они образуют многочисленные и разнообразные соли. А вот последние являются основой при производстве стекла, керамики, фаянса, хрусталя, и . Можно смело сказать, что современное строительство зиждется на разнообразных силикатах.
• Стекло представляет здесь наиболее интересный случай. Основой его служат алюмосиликаты, но ничтожные примеси других веществ – обычно оксидов, придают материалу массу разных свойств, в том числе и цвет. – , фаянс, фарфор, по сути, имеет ту же формулу, хотя и с другим соотношением компонентов, и ее разнообразие тоже поразительно.
• Неметалл обладает еще одной способностью: образует соединения по типу углеродных, в виде длинной цепочки из атомов кремния. Такие соединения носят название кремнийорганических. Сфера их применения не менее известна – это силиконы, герметики, смазки и так далее.

Кремний – очень распространенный элемент и имеет необыкновенно большое значение в очень многих сферах народного хозяйства. Причем активно используется не только само вещество, но все его разнообразные и многочисленные соединения.

Данное видео расскажет о свойствах и применении кремния:

Краткая сравнительная характеристика элементов углерода и кремния представлена в таблице 6.

Таблица 6

Сравнительная характеристика углерода и кремния

Критерии сравнения	Углерод – С	Кремний – Si
положение в периодической системе химических элементов	, 2-ой период, IV группа, главная подгруппа	, 3-ий период, IV группа, главная подгруппа
электронная конфигурация атомов
валентные возможности	II – в стационарном состоянии IV – в возбужденном состоянии
возможные степени окисления	, , , , ,	,
высший оксид	, кислотный	, кислотный
высший гидроксид	– слабая нестойкая кислота	() или – слабая кислота, имеет полимерную структуру
водородное соединение	– метан (углеводород)	– силан, неустойчив

Углерод . Для углерода-элемента характерна аллотропия. Углерод существует в форме следующих простых веществ: алмаз, графит, карбин, фуллерен, из которых термодинамически устойчивым является только графит. Уголь и сажу можно рассматривать как аморфные разновидности графита.

Графит тугоплавок, мало летуч, при обычной температуре химически инертен, представляет собой непрозрачное, мягкое вещество, слабо проводящее ток. Структура графита слоистая.

Аламаз – чрезвычайно твердое, химически инертное (до 900 °С) вещество, не проводит тока и плохо проводит тепло. Структура алмаза тетраэдрическая (каждый атом в тетраэдре окружен четырьмя атомами и т.д.). Поэтому алмаз – простейший полимер, макромолекула которого состоит из одних атомов углерода.

Карбин имеет линейную структуру ( –карбин, полиин) или ( – карбин, полиен). Представляет собой черный порошок, обладает полупроводниковыми свойствами. Под действием света электропроводность карбина увеличивается, а при температуре карбин превращается в графит. Химически более активен, чем графит. Синтезирован в начале 60-х годов XX в., позже был обнаружен в некоторых метеоритах.

Фуллерен – аллотропная модификация углерода, образованная молекулами , имеющими конструкцию типа “футбольный мяч”. Были синтезированы молекулы , и другие фуллерены. Все фуллерены представляют собой замкнутые структуры из атомов углерода в гибридном состоянии. Негибридизованные электроны связей делокализованы как в ароматических соединениях. Кристаллы фуллерена относятся к молекулярному типу.

Кремний . Для кремния не характерно связей, не характерно существование в гибридном состоянии. Поэтому существует только одна устойчивая аллотропная модификация кремния, кристаллическая решетка которой подобна решетке алмаза. Кремний – твердое (по шкале Мооса твердость равна 7), тугоплавкое (), очень хрупкое вещество темно-серого цвета с металлическим блеском при стандартных условиях – полупроводник. Химическая активность зависит от размеров кристаллов (крупнокристаллический менее активен, чем аморфный).

Реакционная способность углерода зависит от аллотропной модификации. Углерод в виде алмаза и графита довольно инертен, устойчив к действию кислот, щелочей, что позволяет изготавливать из графита тигли, электроды и т.д. Более высокую реакционную способность углерод проявляет в виде угля и сажи.

Кристаллический кремний достаточно инертен, в аморфной форме – более активен.

Основные виды реакций, отражающих химические свойства углерода и кремния, приведены в таблице 7.

Таблица 7

Основные химические свойства углерода и кремния

реакция с	углерод	реакция с	кремний
простыми веществами	кислородом		кислородом
галогенами		галогенами
серой		углеродом
водородом		водородом	не реагирует
металлами		металлами
сложными веществами	оксидами металлов		щелочами
водяным паром		кислотами	не реагирует
кислотами

Вяжущие материалы

Вяжущие материалы – минеральные или органические строительные материалы, применяемые для изготовления бетонов, скрепления отдельных элементов строительных конструкций, гидроизоляции и др .

Минеральные вяжущие материалы (МВМ)– тонкоизмельченные порошкообразные материалы (цементы, гипс, известь и др.), образущие при смешивании с водой (в отдельных случаях – с растворами солей, кислот, щелочей) пластичную удобоукладываемую массу, затвердевающую в прочное камневидное тело и связывающую частицы твердых заполнителей и арматуру в монолитное целое.

Твердение МВМ осуществляется вследствие процессов растворения, образования пересыщенного раствора и коллоидной массы; последняя частично или полностью кристаллизуется.

Классификация МВМ:

1. гидравлические вяжущие материалы:

При смешивании с водой (затворении) твердеют и продолжают сохранять или наращивать свою прочность в воде. К ним относятся различные цементы и гидравлическая известь. При твердении гидравлической извести происходит взаимодействие СаО с водой и углекислым газом воздуха и кристаллизация образующегося продукта. Применяют в строительстве наземных, подземных и гидротехнических сооружений, подвергающихся постоянному воздействию воды.

2. воздушные вяжущие материалы:

При смешивании с водой твердеют и сохраняют прочность только на воздухе. К ним относятся воздушная известь, гипсово-ангидритные и магнезиальные воздушные вяжущие.

3. кислотоупорные вяжущие материалы:

Состоят в основном из кислотоупорного цемента, содержащего тонкоизмельченную смесь кварцевого песка и ; их затворяют, как правило, водными растворами силиката натрия или калия, они длительно сохраняют свою прочность при воздействии кислот. При твердении осуществляется реакция . Применяют для производства кислотоупорных замазок, строительных растворов и бетонов при строительстве химических предприятий.

4. вяжущие материалы автоклавного твердения:

Состоят из известково-кремнеземистых и известково-нефелиновых вяжущих (известь, кварцевый песок, нефелиновый шлам) и твердеют при обработке в автоклаве (6-10 ч, давление пара 0,9-1,3 МПа). К ним относят также песчанистые портландцементы и другие вяжущие на основе извести, зол и малоактивных шламов. Применяют в производстве изделий из силикатных бетонов (блоки, силикатный кирпич и др.).

5. фосфатные вяжущие материалы:

Состоят из специальных цементов; их затворяют фосфорной кислотой с образованием пластичной массы, постепенно затвердевающей в монолитное тело, и сохраняющей свою прочность при температурах выше 1000 °С. Обычно используют титанофосфатный, цинкофосфатный, алюмофосфатный и др. цементы. Применяют для изготовления огнеупорной футеровочной массы и герметиков для высокотемпературной защиты металлических деталей и конструкций в производстве огнеупорных бетонов и др.

Органические вяжущие материалы (ОВМ)– вещества органического происхождения, способные переходить из пластичного состояния в твердое или малопластичное в результате полимеризации или поликонденсации.

По сравнению с МВМ они менее хрупки, имеют большую прочность при растяжении. К ним относятся продукты, образующиеся при переработке нефти (асфальт, битум), продукты термического разложения древесины (деготь), а также синтетические термореактивные полиэфирные, эпоксидные, феноло-формальдегидные смолы. Применяют в строительстве дорог, мостов, полов производственных помещений, рулонных кровельных материалов, асфальтополимерныбетонов и др.

Слайд 2

Нахождение в природе.

Среди множества химических элементов, без которых невозможно существование жизни на Земле, углерод является главным. Более 99% углерода в атмосфере содержится в виде углекислого газа. Около 97% углерода в океанах существует в растворённой форме (), а в литосфере - в виде минералов. Элементарный углерод присутствует в атмосфере в малых количествах в виде графита и алмаза, а в почве - в форме древесного угля.

Слайд 3

Положение в ПСХЭ.Общая характеристика элементов подгруппы углерода.

Главную подгруппу IV группы периодической системы Д. И. Менделеева образуют пять элементов - углерод, кремний, германий, олово и свинец. В связи с тем, что от углерода к свинцу радиус атома увеличивается, размеры атомов возрастают, способность к присоединению электронов, а, следовательно, и неметаллические свойства будут ослабевать, легкость же отдачи электронов - возрастать.

Слайд 4

Электронноестроение

В нормальном состоянии элементы этой подгруппы проявляют валентность, равную 2.При переходе в возбуждённое состояние, сопровождающееся переходом одного из s – электронов внешнего слоя в свободную ячейку p – подуровня того же уровня, все электроны наружного слоя становятся не спаренными и валентность при этом возрастает до 4.

Слайд 5

Методы получения: лабораторные и промышленные.

Углерод Неполное сжигание метана: СН4 + О2 = С + 2Н2О Оксид углерода (II) В промышленности: Оксид углерода (II) получают в особых печах, называемых газогенераторами, в результате двух последовательно протекающих реакций. В нижней части газогенератора, где кислорода достаточно, происходит полное сгорание угля и образуется оксид углерода (IV): C + O2 = CO2 + 402 кДж.

Слайд 6

По мере продвижения оксида углерода (IV) снизу вверх последний соприкасается с раскалённым углём: CO2 + C = CO – 175 кДж. Получающийся газ состоит из свободного азота и оксида углерода (II). Такая смесь называется генераторным газом. В газогенераторах иногда через раскалённый уголь продувают водяной пар: C + H2O = CO + H2 – Q, «CO + H2» - водянойгаз. В лаборатории: Действуя на муравьиную кислоту концентрированной серной кислотой, которая связывает воду: HCOOH  H2O + CO.

Слайд 7

Оксид углерода (IV) В промышленности: Побочный продукт при производстве извести: CaCO3 CaO + CO2. В лаборатории: При взаимодействии кислот с мелом или мрамором: CaCO3 + 2HCl  CaCl2 + CO2+ H2O. Карбиды Карбиды получают при помощи прокаливания металлов или их оксидов с углём.

Слайд 8

Угольная кислота Получают растворением оксида углерода (IV) в воде. Так как угольная кислота очень не прочное соединение, то эта реакция обратима:CO2 + H2O H2CO3. Кремний В промышленности: При нагревании смеси песка и угля: 2C + SiO2Si + 2CO. В лаборатории: При взаимодействии смеси чистого песка с порошком магния: 2Mg + SiO2  2MgO + Si.

Слайд 9

Кремниевая кислота Получают при действии кислот на растворы её солей. При этом она выпадает в виде студенистого осадка: Na2SiO3 + HCl  2NaCl + H2SiO3 2H+ + SiO32- H2SiO3

Слайд 10

Аллотропные видоизменения углерода.

Углерод существует в трех аллотропных модификациях: алмаз, графит и карбин.

Слайд 11

Графит.

Мягкий графит имеет слоистое строение. Непрозрачен, серого цвета с металлическим блеском. Довольно хорошо проводит электрический ток, благодаря наличию подвижных электронов. Скользок на ощупь. Одно из самых мягких среди твердых веществ. Рис.2 Модель решетки графита.

Слайд 12

Алмаз.

Алмаз - самое твердое природное вещество. Кристаллы алмазов высоко ценятся и как технический материал, и как драгоценное украшение. Хорошо отшлифованный алмаз - бриллиант. Преломляя лучи света, он сверкает чистыми, яркими цветами радуги. Самый крупный из когда-либо найденных алмазов весит 602 г, имеет длину 11 см, ширину 5 см, высоту 6 см. Этот алмаз был найден в 1905 г и носит имя «Кэллиан». Рис.1 Модель решетки алмаза.

Слайд 13

Карбин и Зеркальный углерод.

Карбин представляет собой порошок глубокого черного цвета с вкраплением более крупных частиц. Карбин - самая термодинамически устойчивая форма элементарного углерода. Зеркальный углерод имеет слоистое строение. Одна из важнейших особенностей зеркального углерода (кроме твердости, стойкости к высоким температурам и т. д.) - его биологическая совместимость с живыми тканями.

Слайд 14

Химические свойства.

Щелочи переводят кремний в соли кремниевой кислоты с выделением водорода:Si + 2КОН + H2O= К2Si03 + 2Н2 С водой углерод и кремний реагируют лишь при высоких температурах: С + Н2О ¬ СО + Н2 Si + ЗН2О = Н2SiO3 + 2Н2 Углерод в отличие от кремния непосредственно взаимодействует с водородом:С + 2Н2 = СН4

Слайд 15

Карбиды.

Соединения углерода с металлами и другими элементами, которые по отношению к углероду являются электроположительными, называются карбидами. При взаимодействии карбида алюминия с водой образуется метан Al4C3 + 12H2O = 4Al (OH)3 + 3CH4 При взаимодействии с водой карбида кальция – ацетилен: CaC2 + 2H2O = Ca (OH)2 + C2H2