На каких свойствах кристаллического кремния

Строение кремния

Кремний – элемент третьего периода главной подгруппы IV группы Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Электронное строение атома кремния отражается конфигурацией:

$1s^22s^22p^63s^23p^2$

На внешнем энергетическом уровне атома углерода содержится 4 электрона, поэтому максимальная валентность кремния – IV. Кремний проявляет степени окисления:

• $Si^0 + 4bar{e} rightarrow Si^{-4}$ окислитель

• $Si^0 – 2bar{e} rightarrow Si^{+2}$ восстановитель

• $Si^0 – 4bar{e} rightarrow Si^{+4}$ восстановитель

Кремний – типичный неметалл, в зависимости от типа превращения элемент может быть окислителем и восстановителем.

Аллотропные модификации кремния

Различают аморфный и кристаллический кремний.

Нахождение в природе

Кремний – второй по распространенности элемент на Земле после кислорода. В свободном виде кремний не встречается, бывает только в виде соединений. Наиболее химически устойчивым соединением кремния является оксид кремния (IV), или кремнезем. Кристаллический кремнезем находится в природе главным образом в виде песка и минералов: кварца, горного хрусталя.

Кремний входит в состав многих полудрагоценных камней (агат, аметист, яшма и др.) и в состав породообразующих минералов – силикатов и алюмосиликатов (полевых шпатов, глин, слюд и др.).

Получение кремния

Кремний применяют главным образом для изготовления полупроводниковых приборов, в том числе солнечных батарей, получения сплавов, восстановления металлов из оксидов.

В лаборатории: кремний получают из кремнезема($SiO_2$) восстановлением  магнием или алюминием:

$SiO_2 + 2Mg = Si + 2MgO$

$3SiO_2 + 4Al = 3Si + 2Al_2O_3$

В промышленности его также получают восстановлением из оксида. В качестве восстановителя используют  кокс:

$SiO_2 + 2C = Si + 2CO$

Кремний, полученный таким образом, содержит примеси, поскольку может напрямую взаимодействовать с углеродом: $Si + C = SiC$ (карбид кремния)

Для получения чистого кремния используют другой способ: тетрахлорид кремния восстанавливают водородом при 1200 °С:

$SiCl_4 + 2H_2 xrightarrow[]{1200 ^circ C} Si + 4HCl$

или проводят термическое разложение силана:

$SiH_4xrightarrow[]{t, ^circ C}Si + 2H_2uparrow$

Химические свойства кремния

Кремний — темно-серое вещество с металлическим блеском. Он хрупок и, как и углерод, тугоплавок. Обладает полупроводниковыми свойствами. В химических реакциях проявляет свойства восстановителя.

Взаимодействие с простыми веществами

1) c металлами:

Окислительные свойства почти не характерны для кремния, однако при взаимодействии с металлами кремний восстанавливается, образуя силициды $Me_nSi$:  

$Si + 2Mg = Mg_2Si$

2) с галогенами:

В силу высокой инертности непосредственно взаимодействует только со фтором, при этом проявляет восстановительные свойства: 

$Si + 2F_2 = SiF_4$

С хлором реагирует при нагревании до 400–600 $^circ C$:

$Si + 2Cl_2 xrightarrow[]{400-600^circ C} SiCl_4$

3) с кислородом:

Измельченный кремний при нагревании до 400–600  $^circ C$ реагирует с кислородом:

$Si + O_2 xrightarrow[]{400-600^circ C}  SiO_2$

4) с другими неметаллами:

При очень высокой температуре около 2000 $^circ C$, образуя карбид кремния $SiC $- карборунд, кристаллическое, построенное по типу алмаза вещество):

$Si +C xrightarrow[]{2000^circ C} SiC$

При 1000  $^circ C$ реагирует с азотом, образуя нитрид кремния ( $Si_3N_4$):

$3Si +2N_2 xrightarrow[]{1000^circ C} Si_3N_4$

С водородом непосредственно не взаимодействует. Соединения кремния с водородом (силаны) получают косвенными путями.

взаимодействие со сложными веществами

5) с кислотами

Кремний устойчив к действию кислот, в кислой среде он покрывается нерастворимой пленкой оксида и пассивируется. Кремний взаимодействует только со смесью плавиковой и азотной кислот:

$3Si + 4HNO_3 + 18HF = 3H_2[SiF_6] + 4NO + 8H_2O$

6) со щелочами 

Кремний реагирует со щелочами очень энергично, проявляя слабо-кислые свойства:

$Si + 2NaOH + H_2O = Na_2SiO_3 + 2H_2$

7)  с галогеноводородами

Кремний реагирует с галогеноводородными кислотами, образуя галогениды кремния:

• $Si + 4HF xrightarrow[]{4textrm{н.у.}}SiF_4 + 2H_2$ 

• $Si + 4HCl xrightarrow[]{300^circ C}  SiCl_4 + 2H_2$ 

• $Si + 4HBr xrightarrow[]{500^circ C} SiBr_4 + 2H_2$ 

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.

Что такое кремний

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.

Размещается неметалл в таблице Д. И. Менделеева в 6 группе вместе с углеродом, германием, оловом, 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.

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.

Далее мы расскажем вам про сырье для производства кремния, вредность добычи, технологию его изготовления в мировых масштабах и в России.

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, алюминия, 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 бронзах, 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, песок, 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, цемента и бетона. 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. Керамика – клинкер, 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:

Понравилась статья? Поделитесь с друзьями в социальных сетях:

И подписывайтесь на обновления сайта в Контакте,
Одноклассниках,
Facebook,
Google Plus или
Twitter.