Кремний что это такое и для чего он нужен

Кремний

Кремний — очень редкий минеральный вид из класса самородных элементов. На самом деле это удивительно, как редко химический элемент кремний, составляющий в связанном виде не менее 27,6% массы земной коры, встречается в природе в чистом виде. Но кремний прочно связывается с кислородом и почти всегда находится в виде кремнезёма — диоксида кремния, SiO₂ (семейство кварца) или в составе силикатов (SiO₄ 4- ). Самородный кремний как минерал был найден в продуктах вулканических испарений и как мельчайшие включения в самородном золоте.

СТРУКТУРА

Кристаллическая решётка кремния кубическая гранецентрированная типа алмаза, параметр а = 0,54307 нм (при высоких давлениях получены и другие полиморфные модификации кремния), но из-за большей длины связи между атомами Si—Si по сравнению с длиной связи С—С твёрдость кремния значительно меньше, чем алмаза. Имеет объемную структуру. Ядра атомов вместе с электронами на внутренних оболочках обладают положительным зарядом 4, который уравновешивается отрицательными зарядами четырех электронов на внешней оболочке. Вместе с электронами соседних атомов они образуют ковалентные связи на кристаллической решетке. Таким образом, на внешней оболочке находятся четыре своих электрона и четыре электрона, заимствованные у четырех соседних атомов. При температуре абсолютного нуля все электроны внешних оболочек участвуют в ковалентных связях. При этом кремний является идеальными изолятором, так как не имеет свободных электронов, создающих проводимость.

СВОЙСТВА

Аморфный кремний – порошок бурого цвета на основе сильно разупорядоченной алмазоподобной структуры. Обладает большей реакционной способностью, чем кристаллический кремний.

МОРФОЛОГИЯ

Чаще всего в природе кремний встречается в виде кремнезёма — соединений на основе диоксида кремния (IV) SiO₂ (около 12 % массы земной коры). Основные минералы и горные породы, образуемые диоксидом кремния, — это песок (речной и кварцевый), кварц и кварциты, кремень, полевые шпаты. Вторую по распространённости в природе группу соединений кремния составляют силикаты и алюмосиликаты.

Отмечены единичные факты нахождения чистого кремния в самородном виде.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Содержание кремния в земной коре составляет по разным данным 27,6—29,5 % по массе. Таким образом по распространённости в земной коре кремний занимает второе место после кислорода. Концентрация в морской воде 3 мг/л. Отмечены единичные факты нахождения чистого кремния в самородном виде — мельчайшие включения (наноиндивиды) в ийолитах Горячегорского щелочно-габброидного массива (Кузнецкий Алатау, Красноярский край); в Карелии и на Кольском п-ове (по мат. изучения Кольской сверхглубокой скважины); микроскопические кристаллы в фумаролах вулканов Толбачик и Кудрявый (Камчатка).

ПРИМЕНЕНИЕ

Сверхчистый кремний преимущественно используется для производства одиночных электронных приборов (нелинейные пассивные элементы электрических схем) и однокристальных микросхем. Чистый кремний, отходы сверхчистого кремния, очищенный металлургический кремний в виде кристаллического кремния являются основным сырьевым материалом для солнечной энергетики.

Монокристаллический кремний — помимо электроники и солнечной энергетики, используется для изготовления зеркал газовых лазеров.

Соединения металлов с кремнием — силициды — являются широко употребляемыми в промышленности (например, электронной и атомной) материалами с широким спектром полезных химических, электрических и ядерных свойств (устойчивость к окислению, нейтронам и др.). Силициды ряда элементов являются важными термоэлектрическими материалами.

Соединения кремния служат основой для производства стекла и цемента. Производством стекла и цемента занимается силикатная промышленность. Она также выпускает силикатную керамику — кирпич, фарфор, фаянс и изделия из них. Широко известен силикатный клей, применяемый в строительстве как сиккатив, а в пиротехнике и в быту для склеивания бумаги. Получили широкое распространение силиконовые масла и силиконы — материалы на основе кремнийорганических соединений.

Технический кремний находит следующие применения:

Источник

Кремний

Введение

Будучи студентом одного из московских вузов с специальностью «Наноматериалы», я хотел познакомить тебя, дорогой читатель, с самыми важными химическими элементами нашей планеты. Я долго выбирал с чего начать, углерод или кремний, и все таки решил остановиться именно на Si, потому что сердце любого современного гаджета основано именно на нем, если можно так выразиться конечно. Излагать мысли постараюсь предельно просто и доступно, написав этот материал я рассчитывал, в основном на новичков, но и более продвинутые люди смогут почерпнуть что-то интересное, так же хотелось бы сказать, что статья написана исключительно для расширения кругозора заинтересовавшихся. Итак, приступим.

Silicium

Кремний (лат. Silicium), Si, химический элемент IV группы периодической системы Менделеева; атомный номер 14, атомная масса 28,086.
В природе элемент представлен тремя стабильными изотопами: 28Si (92,27%), 29Si (4,68%) и 30Si (3,05%).
Плотность (при н.у.) 2,33 г/см³
Температура плавления 1688 K

Порошковый Si

Историческая справка

Соединения Кремния, широко распространенные на земле, были известны человеку с каменного века. Использование каменных орудий для труда и охоты продолжалось несколько тысячелетий. Применение соединений Кремния, связанное с их переработкой, — изготовление стекла — началось около 3000 лет до н. э. (в Древнем Египте). Раньше других известное соединение Кремния — оксид SiO2 (кремнезем). В 18 веке кремнезем считали простым телом и относили к «землям» (что и отражено в его названии). Сложность состава кремнезема установил И. Я. Берцелиус. Он же впервые, в 1825, получил элементарный Кремний из фтористого кремния SiF4, восстанавливая последний металлическим калием. Новому элементу было дано название «силиций» (от лат. silex — кремень). Русское название ввел Г. И. Гесс в 1834.

Кремний очень распространен в природе в составе обыкновенного песка

Распространение Кремния в природе

По распространенности в земной коре Кремний — второй (после кислорода) элемент, его среднее содержание в литосфере 29,5% (по массе). В земной коре Кремний играет такую же первостепенную роль, как углерод в животном и растительном мире. Для геохимии Кремния важна исключительно прочная связь его с кислородом. Около 12% литосферы составляет кремнезем SiO2 в форме минерала кварца и его разновидностей. 75% литосферы слагают различные силикаты и алюмосиликаты (полевые шпаты, слюды, амфиболы и т. д.). Общее число минералов, содержащих кремнезем, превышает 400.

Физические свойства Кремния

Думаю тут останавливаться особо не стоит, все физические свойства имеются в свободном доступе, а я же перечислю самые основные.
Температура кипения 2600 °С
Кремний прозрачен для длинноволновых ИК-лучей
Диэлектрическая проницаемость 11,7
Твердость Кремния по Моосу 7,0
Хотелось бы сказать, что кремний хрупкий материал, заметная пластическая деформация начинается при температуре выше 800°С.
Кремний — полупроводник, именно поэтому он находит большое применение. Электрические свойства кремния очень сильно зависят от примесей.

Химические свойства Кремния

Тут много конечно можно сказать, но остановлюсь на самом интересном. В соединениях Si (аналогично углероду) 4-валентен.
На воздухе кремний благодаря образованию защитной оксидной пленки устойчив даже при повышенных температурах. В кислороде окисляется начиная с 400 °С, образуя оксид кремния (IV) SiO2.
Кремний устойчив к кислотам и растворяется только в смеси азотной и фтористоводородной кислот, легко растворяется в горячих растворах щелочей с выделением водорода.
Кремний образует 2 группы кислородсодержащих силанов — силоксаны и силоксены. С азотом Кремний реагирует при температуре выше 1000 °С, Важное практическое значение имеет нитрид Si3N4, не окисляющийся на воздухе даже при 1200 °С, стойкий по отношению к кислотам (кроме азотной) и щелочам, а также к расплавленным металлам и шлакам, что делает его ценным материалом для химической промышленности, а так же для производства огнеупоров. Высокой твердостью, а также термической и химической стойкостью отличаются соединения Кремния с углеродом (карбид кремния SiC) и с бором (SiB3, SiB6, SiB12).

Получение Кремния

Я думаю это самая интересная часть, тут остановимся поподробнее.
В зависимости от предназначения различают:
1. Кремний электронного качества (т. н. «электронный кремний») — наиболее качественный кремний с содержанием кремния свыше 99,999 % по весу, удельное электрическое сопротивление кремния электронного качества может находиться в интервале примерно от 0,001 до 150 Ом•см, но при этом величина сопротивления должна быть обеспечена исключительно заданной примесью т. е. попадание в кристалл других примесей, хотя бы и обеспечивающих заданное удельное электрическое сопротивление, как правило, недопустимо.
2. Кремний солнечного качества (т. н. «солнечный кремний») — кремний с содержанием кремния свыше 99,99 % по весу, используемый для производства фотоэлектрических преобразователей (солнечных батарей).

3. Технический кремний — блоки кремния поликристаллической структуры, полученного методом карботермического восстановления из чистого кварцевого песка; содержит 98 % кремния, основная примесь — углерод, отличается высоким содержанием легирующих элементов — бора, фосфора, алюминия; в основном используется для получения поликристаллического кремния.

Кремний технической чистоты (95-98%) получают в электрической дуге восстановлением кремнезема SiO2 между графитовыми электродами. В связи с развитием полупроводниковой техники разработаны методы получения чистого и особо чистого кремния. Это требует предварительного синтеза чистейших исходных соединений кремния, из которых кремний извлекают путем восстановления или термического разложения.
Поликристаллический кремний («поликремний») — наиболее чистая форма промышленно производимого кремния — полуфабрикат, получаемый очисткой технического кремния хлоридными и фторидными методами и используемый для производства моно- и мультикристаллического кремния.
Традиционно поликристаллический кремний получают из технического кремния путём перевода его в летучие силаны (моносилан, хлорсиланы, фторсиланы) с последующими разделением образующихся силанов, ректификационной очисткой выбранного силана и восстановлением силана до металлического кремния.
Чистый полупроводниковый кремний получают в двух видах: поликристаллический (восстановлением SiCl4 или SiHCl3 цинком или водородом, термическим разложением SiI4 и SiH4) и монокристаллический (бестигельной зонной плавкой и «вытягиванием» монокристалла из расплавленного кремния — метод Чохральского).

Тут можно увидеть процесс выращивания кремния, методом Чохральского.

Метод Чохральского — метод выращивания кристаллов путём вытягивания их вверх от свободной поверхности большого объёма расплава с инициацией начала кристаллизации путём приведения затравочного кристалла (или нескольких кристаллов) заданной структуры и кристаллографической ориентации в контакт со свободной поверхностью расплава.

Применение Кремния

Специально легированный кремний широко применяется как материал для изготовления полупроводниковых приборов (транзисторы, термисторы, силовые выпрямители тока, тиристоры; солнечные фотоэлементы, используемые в космических кораблях, а так же много всякой всячины).
Поскольку кремний прозрачен для лучей с длиной волны от 1 до 9 мкм, его применяют в инфракрасной оптике.
Кремний имеет разнообразные и все расширяющиеся области применения. В металлургии Si
используется для удаления растворенного в расплавленных металлах кислорода (раскисления).
Кремний является составной частью большого числа сплавов железа и цветных металлов.
Обычно Кремний придает сплавам повышенную устойчивость к коррозии, улучшает их литейные свойства и повышает механическую прочность; однако при большем его содержании Кремний может вызвать хрупкость.
Наибольшее значение имеют железные, медные и алюминиевые сплавы, содержащие кремний.
Кремнезем перерабатываются стекольной, цементной, керамической, электротехнической и другими отраслями промышленности.
Сверхчистый кремний преимущественно используется для производства одиночных электронных приборов (например процессор твоего компьютера) и однокристальных микросхем.
Чистый кремний, отходы сверхчистого кремния, очищенный металлургический кремний в виде кристаллического кремния являются основным сырьевым материалом для солнечной энергетики.
Монокристаллический кремний — помимо электроники и солнечной энергетики используется для изготовления зеркал газовых лазеров.

Сверхчистый кремний и продукт его производства

Кремний в организме

Кремний в организме находится в виде различных соединений, участвующих главным образом в образовании твердых скелетных частей и тканей. Особенно много кремния могут накапливать некоторые морские растения (например, диатомовые водоросли) и животные (например, кремнероговые губки, радиолярии), образующие при отмирании на дне океана мощные отложения оксида кремния (IV). В холодных морях и озерах преобладают биогенные илы, обогащенные кремнием, в тропических морях — известковые илы с низким содержанием кремния. Среди наземных растений много кремния накапливают злаки, осоки, пальмы, хвощи. У позвоночных животных содержание оксида кремния (IV) в зольных веществах 0,1-0,5%. В наибольших количествах кремний обнаружен в плотной соединительной ткани, почках, поджелудочной железе. В суточном рационе человека содержится до 1 г кремния. При высоком содержании в воздухе пыли оксида кремния (IV) она попадает в легкие человека и вызывает заболевание — силикоз.

Источник

Кремний. Минерал жизни и красоты почему так важен для организма человека.

Кремний. Минерал жизни и красоты почему так важен для организма человека.

Кремний – второй по распространенности после кислорода элемент на земле и третий в организме человека. Присутствует в воде, в растительных и животных источниках.

Однако, несмотря на это о роли и значении кремния как питательного вещества для сохранения и поддержания здоровья говорится мало. Мало кто способен назвать симптомы дефицита, который может нарушить функционирование всего организма.

Кремний по праву называют элементом молодости и здоровья. Поддерживает правильное функционирование и тормозит возрастные изменения.

Что такое кремний

Кремний — это неметалл, который существует как в твердом в виде минерала и в жидкой форме. В периодической системе Менделеева стоит под номером 14. Атомная масса — 28,085.

В земной коре самый распространенный элемент после кислорода – 29.5 процента.

Впервые описан французским химиком Антуаном Лавуазье в 1787 году. Йенс Якоб Берцелиус (шведский врач, химик и минералог) в 1823 году первым получил чистый кремний из кремнезема.

Кремний присутствует в большинстве горных пород, главным образом в виде:

Силикатов;
Алюмосиликатов;
Кремнезема

не усваиваемых человеческим организмом.

Кварц — самое распространенное в природе соединение кремния. Черный кварц — минерал, где основной компонент диоксид кремния. Происхождение черного кварца — органическое, то есть образовался в момент гибели колоний живых организмов, сохранивших свои раковины и скелеты, в теплых водах мелового периода. То есть в тот период, когда на земле только стали появляться известные формы жизни.

Кварц сохранился до наших дней в первозданном виде и принес «память» о воде из прошлых периодов. Принято считать, что элементом жизни является углерод (на нем основана вся современная биология). Однако, кремний способен создавать больше структур, чем углерод, более универсален и, возможно, был и будет в ближайшем будущем главным элементом жизни.

Благодаря реакционной способности элемента земная кора состоит на 87 процентов из соединений кремния.

Польза для организма

В организме человека около 1-2 грамма кремния. Это третий микроэлемент после железа и цинка.

Из-за важности для организма кремний иногда называют минералом жизни. Играет роль в формировании клеточных стенок и участвует в метаболических процессах.

Является частью соединительной ткани и составляет основу структуры:

Костей;
Хрящей;
Кровеносных сосудов;
Слизистых оболочек;
Мышц;
Кожи;
Ногтей;
Волос.

Поджелудочной железе;
Печени;
Легких;
Надпочечниках;
Почках;
Сердце;
Щитовидной и вилочковой железе;
Гипофизе
Крови.

Играет ключевую роль в состоянии кожи, волос, ногтей. Необходим для биосинтеза:

Коллагена;
Эластина;
Гиалуроновой кислоты.

Это компоненты, из которых состоят:

Благодаря такому участию, улучшает регенерацию клеток кожи. Лечит воспаления и угри. Предупреждает преждевременное старение.

Играет важную роль в сохранении здоровья человека, влияя на многие жизненно важные функции.

Необходим для иммунной системы. Повышает сопротивляемость организма.

В фитотерапии этот элемент используется при некоторых респираторных заболеваниях, например, при бронхиальной астме.

Укрепляет стенки кровеносных сосудов, кожу и слизистые оболочки.

Являясь частью костно-суставной системы, предупреждает дегенеративные изменения. Рекомендуется людям с:

Переломами костей;
После операций на костях;
Рахитом;
Заболеваниями суставов.

Благодаря свойствам, поддерживающим эластичность вен, предупреждает отложение атеросклеротических бляшек на стенках сосудов. Применяют в качестве профилактики атеросклероза. Рекомендуется людям, страдающим атеросклерозом.

Так как участвует в обменных процессах, способствует эффективному похуданию. Известен детоксицирующими свойствами из-за способности связывать соли тяжелых металлов.

Кроме того, достаточное количества элемента в организме человека:

Повышает память и концентрацию внимания;
Способствует выведению шлаков;
Улучшает работу почек;
Оказывает противовоспалительное действие.

Диоксид кремния (кремнезем) используется в косметических продуктах для кожи, волос и зубной пасте.

Дефицит кремния

Согласно статистике, более 90 процентов мирового сообщества испытывает нехватку кремния по следующим причинам:

Подщелачивание почвы. На протяжении десятилетий пахотные земли обрабатывались известью для получения нейтрального рН (около 6,2).

При таком pH ортокремниевая кислота связывается с известью в нерастворимую соль (бетон) независимо от полимеризации. Растения, растущие в такой почве, испытывают дефицит кремния. Следовательно, автоматически человек недополучает нужное количество минерала из такой пищи.

Глубокая переработка продуктов, в основном очистка и переработка растительных, таких как крупы, зерно и прочее, при которых удаляется часть питательных веществ, в том числе и кремний.

К причинам дефицита кремния можно отнести:

Недостаточное употребление клетчатки и минеральной воды;
Избыток алюминия в организме, который нарушает усвоение минерала;
Период интенсивного роста у детей;
Физические нагрузки.

Дефицит кремния также может быть связан с общим дефицитом минералов. Чрезмерное употребление антагонистов кремния:

Магния;
Калия;
Хрома;
Витаминов B2, B5 и B6;
Насыщенных жиров;
Трансжирных кислот

препятствует усвоению. В свою очередь, большее употребление жирных кислот омега-6 увеличивает содержание кремния в организме.

На усвоение кремния в человеческом организме оказывают влияние различные виды паразитов. Специалист по натуральным методам лечения Надежда Семенова отмечает, что при падении уровня кремния до 1,6 грамм, способствует развитию вирусного гепатита и диабета. А при содержании 1,4 грамма и ниже повышается риск развития:

Рака;
Церебральных кровоизлияний;
Аневризмы;
Сердечных приступов.

Важность кремния отмечал В. Вернадский, который утверждал, что ни один живой организм не может жить без кремния.

Значение кремния для правильного функционирования отмечают и другие ученые, в том числе и зарубежные.

Нехватка кремния в организме вызывает:

Хрупкость аорты и кровеносных сосудов;
Боли в спине;
Деформацию суставов, в том числе остеопороз;
Недостаток синтеза эластина и коллагена;
Кальциноз сосудов;
Неопластические заболевания;
Слабость;
Отсутствие устойчивости к инфекциям;
Преждевременное старение;
Ломкость волос, ногтей;
Тусклый цвет лица.

У детей приводит к замедлению роста.

От дефицита кремния страдают также зубы.

Симптомы дефицита проявляются:

Болями в суставах;
Частыми респираторными заболеваниями;
Обильными и болезненными месячными;
Изменениями кожных покровов, таких как угри, розацеа;
Микозом кожи;
Целлюлитом;
Трудно заживающими кожными повреждениями;
Выпадением волос;
Ломкостью ногтей;
Перхотью;
Ранним поседением волос.

Кроме того, приводит к плохому усвоению других питательных веществ.

Переизбыток кремния

Переизбыток кремния в организме возможен при:

Бесконтрольном употреблении добавок;
Нарушении кремниевого обмена;
Работе в условиях, содержащих соединения кремния.

Симптомы переизбытка проявляются:

Повышенной раздражительностью;
Развитием мочекаменной болезни;
Частыми мочеиспусканиями;
Повышением уровня сахара в крови.

Но пока случаев переизбытка кремния не зафиксировано, так как выводится с мочой и не накапливается в волосах.

При наличии в воздухе пыли, содержащей диоксид кремния, развивается тяжелое заболевание – силикоз легких. Поэтому в таких помещениях работать только в респираторе.

Количество кремния с возрастом уменьшается. Рекомендуемая суточная потребность составляет 20-30 мг и зависит от:

Возраста;
Пола;
Образа жизни.

По последним данным ученых рекомендуемая ежедневная норма потребления кремния — 25-50 мг.

В повышенных дозах требуется пожилым людям и беременным женщинам.

В каких продуктах содержится

Кремний практически отсутствует в продуктах, подвергшихся глубокой переработке. Рекомендуется ежедневно употреблять свежие фрукты и овощи и желательно не очищенные. Именно в кожуре присутствует наибольшее количества данного элемента.

Кремний содержится в продуктах растительного и животного происхождения, таких как:

Постно мясо;
Печень;
Пшено;
Коричневый рис;
Фасоль;
Чечевица;
Горох;
Зеленая гречка;
Овсянка;
Отруби.
Чеснок;
Редис;
Спаржа;
Лук.

Много кремния в таких травах, как:

Полевой хвощ;
Крапива;
Пырей;
Мать и мачеха.

Присутствует в маточном молочке.

Еще один источник – кремниевая минеральная вода.

В какой форме лучше употреблять

Наиболее популярен кремний в органической форме, что объясняется хорошей абсорбцией по сравнению с природным. Органический кремний усваивается на 60 процентов лучше, чем коллоидный, содержащийся в горных породах. Кроме того, только небольшой процент выводится с мочой, в то время как большая часть поглощается клетками организма.

Такие кремниевые добавки рекомендуются главным образом людям, страдающим дегенеративным артритом. Получение больными людьми 2 мг кремния в день, способствует поддержанию соединительной ткани и профилактике дегенеративных изменений.

Органический кремний доступен в форме таблеток и питьевой жидкости. Рекомендуется принимать трижды в день перед едой.

Несмотря на доступность органического кремния, врачи все же рекомендуют получать достаточное количество этого минерала из пищи. Тем более, что содержится в доступных продуктах, которые можно включать ежедневно в питание.

Подводя итог, нужно отметить, что прежде, чем принимать какие-либо биологически активные добавки или витаминные комплексы, нужно проконсультироваться с врачом.

Источник