Кремний что это такое

22.01.202308.03.2023 admin 0 Comments

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 (Si) – роль в организме, симптомы недостатка, источники

Кремний (Silicium, Si) – химический элемент и микроэлемент для человеческого организма, без которого некоторые формы жизни, например, губки и диатомеи вообще не могут существовать, ведь именно кремний является одним из важнейших строительных элементов костной ткани. Да-да, мы привыкли, что кости – это «кальций», но это скорее всего знания из рекламы, т.к. для формирования и развития костей необходимо множество разных веществ, и кремний – один из них.

Кроме того, кремний играет важную роль в поддержании здоровья кожи, волос и ногтей. За счет этого, недостаток кремния в организме человека проявляется, главным образом, сухими и секущимися волосами, повышенной ломкостью ногтей, дряблой кожей и склонностью к переломам. А еще, Si повышает эластичность и прочность кровеносных сосудов, чем минимизирует развитие сердечно-сосудистых болезней.

Наиболее же известным для многих людей применением кремния является производство микрочипов – процессоров, чипсетов и прочих радиодеталей. Собственно, и сам научный т.н. центр по компьютерным разработкам находится в одноименной точке – «Кремниевая долина» (Калифорния, США).

В природе, кремний чаще всего встречается в форме диоксида кремния (SiO2), который в сочетании с другими минералами образовывает соединения под названием – «кремнезём» или «силикаты». Кремнезём же может быть строительным материалом для кремня, кварца, полевого шпата и прочих. В очень редких случаях в руки ученым попадались небольшие экземпляры чистого кремния.

Обратите внимание, что кремний и кремень – разные понятия, которые не стоит путать. Кремень является камнем, горной породой, в составе которого присутствует диоксид кремния (SiO2) и могут присутствовать другие химические элементы – кальций, медь, марганец, фосфор, цинк, стронций и прочие. Таким образом, кремень – это камень, состоящий из разных элементов, а кремний – химический элемент. Вроде звучит банально, но отличие важное.

Еще интересным фактов является количество Si на Землей! Задумайтесь, количество кремния в земной коре (кларк) по разным данным составляет от 27,6 до 29,5% всей массы! 1 В итоге, получается, что больше на Земле только кислорода (О), а Si идет сразу же за ним. В самой только морской воде этого химического элемента находится в пределах 3 мг на 1л.

Самородный кремний в природе представляет собой непрозрачный неметалл темно-серого цвета с металлическим блеском.

Свое наименование «Silicium (силициум)» кремний получил от латинского слова «silex», что в переводе означает — камень, скала, утес. Русский же термин «кремний» этот химический элемент получен в 1834 году русским химиком Германом Гессом от старославянского «кремень», означающий — твердый камень.

История – краткая справка

Первые сведения о кремнии появились в начале 18 ст., когда химик из Швеции Йенс Якоб Берцелиус в 1810 году заявил о наличии нового, до селе неописанного наукой элементе, однако, в чистой форме ученый смог выделить Si а ж в 1823 году. Именно тогда новый элемент получилось получить от обработки калиевой соли с помощью металлического калия и фтористого кремния под нагревом до высоких температур. Тогда же ему и присвоили наименование «Силиций».

Несколькими годами ранее, в 1811 году Si в чистом виде удалось добыть 2 учеными из Франции, которых звали Луи Жак Тенар и Жозеф Луи Гей Люссак.

Общие данные

Расположение в периодической таблице Д.И. Менделеева: в старой версии — III период, III ряд, IV группа, в новой версии таблицы – 14 группа, 3 период.

Физико-химические свойства. Физические и химические свойства кремния зависят от его формы.

Кристаллический кремний представляет собой хрупкое, но в то же самое время очень твердое кристаллическое вещество темно-серого цвета с металлическим отблеском.
Аморфный кремний представляет собой порошкообразное вещество бурого цвета.
Под воздействием высоких температур (от 800 °С) Si становится пластичным. Несмотря на отсутствие прозрачности, спокойно пропускает через себя инфракрасный спектр лучей, длина которых составляет от 1.1 микрометра.

Химически Si – малоактивный элемент. При температуре в пределах 21-24 °С реагирует с фтором (F), образовывая летучий тетрафторид кремния SiF4. При воздействии более высоких температур, от 400 до 500 °C начинает реагировать с кислородом (О), образовывая диоксид кремния, а также с бромом (Br), хлором (Cl) и йодом (I) – летучие тетрагалогениды (SiHal4). При температуре 1000 °C уже вступает в реакцию с азотом, образовывая нитрид азота Si3N4, или бориды (SiB3, SiB6, SiB12) при контакте с бором. А вот с водородом Si не реагирует.

Si растворяется в горячих щелочных растворах.

Биологическая роль и функции кремния в организме

Для чего нужен кремний организму? Как мы уже и говорили в начале статьи, Si играет важную роль в формировании и поддержании здоровья костной ткани, кожного покрова, волос, ногтей, а также кровеносных сосудов.

Количество кремния в костных тканях взрослого среднестатистического человека 17⋅10−4 %, в мышечных тканях — (1-2)⋅10−2 %, в крови — 3,9 мг/л, а также гипофизе, щитовидной железе, надпочечниках, ногтях и волосах.

В нашем организме кремний больше всего содержится в щитовидной железе, надпочечниках, гипофизе. Самая высокая концентрация его обнаружена в волосах и ногтях.

Кремний выполняет и множество других полезных функций, среди которых:

Применение кремния в других сферах человеческой жизни

Кремний — суточная потребность

Суточная доза кремния повышается при беременности, пременопаузе, после хирургического лечения, при переломах, высоких физических нагрузках на организм.

Нехватка кремния — симптомы

Дефицит Si может вызывать следующие нарушения в работе организма:

Причины нехватки Si

Применение кремния в медицине

Применение Silicium целесообразно в следующих случаях:

Избыток кремния

Передозировка этим полезным микроэлементов также возможна.

Отравление кремнием сопровождается следующими симптомами:

Причины переизбытка Si в организме

Злоупотребление препаратами, в которых содержится этот химический элемент;

Работа на производстве по обработке кремня – пылевые частицы с кремнием попадают на слизистые дыхательных путей и пищеварительного тракта, вызывая в местах оседания воспалительные процессы, а также развитие силикоза.

Источники кремния

В каких продуктах кремний содержится больше всего?

Растительные и животные источники (мг на 100 г): рис (1240), овес (1000), просо (754), ячневая крупа (600), кунжутное семя (200), соя (177), гречка (120), земляника (100), ананас (94), фасоль (92), репа (90), жимолость (90), горох (84), дыня (81), чечевица (80), свекла (80), банан (75), авокадо (65), кукуруза (60), грецкий орех (58), капуста белокочанная (55), огурцы (50), картофель (50), фисташки (50), пшеница (48), инжир свежий (48), вишня (46), овсянка (43), шпинат (42), малина (40), редька (40), редис (30), петрушка (30), сельдерей (29), морковь (25), перец болгарский (22), черника (20), виноград (12), персик (10), помидоры (10), апельсин (6), груша (6), абрикос (6), слива (4), хвощ полевой (2,5).

Дополнительным источником Si могут стать минеральные воды.

Химические источники (Si): «Кремний активный» (таблетки), MSM комплекс в составе БАДов.

Синтез в организме: не синтезируется.

Взаимодействие кремния с другими веществами

Видео

Обсудить S и другие минералы на форуме…

Источники:

1. «Обилие химических элементов в Земной коре: новая таблица». Автор: Taylor S.R., Журнал «Геохимия и Космохимия» 29 том, №8, 1964 г. Страницы 1273—1285.

2. Методические рекомендации Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека №2.3.1.1915-04 от 02.07.2004.

3. «Кремний Актив» — инструкция по применению.

Источник

Кремний

слегка блестящий порошок.

Свойства атомаАтомная масса
(молярная масса)28,0855 а. е. м. (г/моль)Радиус атома132 пмЭнергия ионизации
(первый электрон)786,0(8,15) кДж/моль (эВ)Электронная конфигурация[Ne] 3s 2 3p 2Химические свойстваaКовалентный радиус111 пмРадиус иона42(+4e)271(-4e)[[ пмЭлектроотрицательность
(по Полингу)1,90Электродный потенциал0Степени окисления+4, −4, +2Термодинамические свойства простого веществаПлотность2,33 г/см³Удельная теплоёмкость19,8 Дж/(K·моль)Теплопроводность149 Вт/(м·K)Температура плавления1688 KТеплота плавления50,6 кДж/мольТемпература кипения2623KТеплота испарения383 кДж/мольМолярный объём12,1 см³/мольКристаллическая решёткаСтруктура решёткиалмазПериод решётки5,430 ÅОтношение c/an/aПодвижность электронов0,15 м²/в·с.Температура Дебая625,00 K

Кре́мний (греч. Kremnos — «утёс, гора») — химический элемент с атомным номером в периодической системе, обозначается символом (лат. Silicium ), металл.

Содержание

Нахождение в природе

Получение

Физические свойства

Кристаллическая структура кремния.

Кристаллическая решетка 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 твердость кремния значительно меньше, чем алмаза. Кремний хрупок, только при нагревании выше 800 °C он становится пластичным веществом. Интересно, что кремний прозрачен к инфракрасному излучению начиная с длинны волны 1.1 микрометр. Обладая самым высоким коэффициетом преломления (n = 3,4), прозрачностью, пропусканию инфракрасеых лучей он нашёл широкое применение в изготовлении оптических систем (объективов, биноклей ночного видения, в медицине — контактных линз и т.д.)

Схематическое изображение зонной структуры кремния [1]

Электрофизические свойства

Подвижность электронов 0,15 м²/ в ·с (или 1500 cм²/в·с ). [3]

Химические свойства

Схема атома кремния

В соединениях кремний склонен проявлять степень окисления +4 или −4, так как для атома кремния более характерно состояние sp³-гибридизации орбиталей. Поэтому во всех соединениях, кроме оксида кремния (II) SiO, кремний четырёхвалентен.

Химически кремний малоактивен. При комнатной температуре реагирует только с газообразным фтором, при этом образуется летучий тетрафторид кремния SiF₄. При нагревании до температуры 400—500°C кремний реагирует с кислородом с образованием диоксида SiO₂, с хлором, бромом и иодом — с образованием соответствующих легко летучих тетрагалогенидов SiHal₄.

Образующийся в этой реакции силан SiH₄ содержит примесь и других силанов, в частности, дисилана Si₂H₆ и трисилана Si₃H₈, в которых имеется цепочка из атомов кремния, связанных между собой одинарными связями (—Si—Si—Si—).

С азотом кремний при температуре около 1000 °C образует нитрид Si₃N₄, с бором — термически и химически стойкие бориды SiB₃, SiB₆ и SiB₁₂. Соединение кремния и его ближайшего аналога по таблице Менделеева — углерода — карбид кремния SiС (карборунд) характеризуется высокой твердостью и низкой химической активностью. Карборунд широко используется как абразивный материал.

При нагревании кремния с металлами возникают силициды. Силициды можно подразделить на две группы: ионно-ковалентные (силициды щелочных, щелочноземельных металлов и магния типа Ca₂Si, Mg₂Si и др.) и металлоподобные (силициды переходных металлов ). Силициды активных металлов разлагаются под действием кислот, силициды переходных металлов химически стойки и под действием кислот не разлагаются. Металлоподобные силициды имеют высокие температуры плавления (до 2000 °C). Наиболее часто образуются металлоподобные силициды составов MeSi, Me₃Si₂, Me₂Si₃, Me₅Si₃ и MeSi₂. Металлоподобные силициды химически инертны, устойчивы к действию кислорода даже при высоких температурах.

При восстановлении SiO₂ кремнием при высоких температурах образуется оксид кремния (II) SiO.

Для кремния характерно образование кремнийорганических соединений, в которых атомы кремния соединены в длинные цепочки за счет мостиковых атомов кислорода —О—, а к каждому атому кремния, кроме двух атомов О, присоединены еще два органических радикала R₁ и R₂ = CH₃, C₂H₅, C₆H₅, CH₂CH₂CF₃ и др.

Применение

Мини Микроконтроллер 1993 года с УФ стиранием памяти 62E40 европейской фирмы STMicroelectronics За окошечком виден кристалл микросхемы — кремниевая подложка с выполненной на ней схемой.

В настоящее время кремний — основной материал для электроники и солнечной энергетики. Монокристаллический кремний — материал для рентгеновской оптики преломления — оптика, отличающаяся новыми свойствами и характкристиками, обеспечивающая преломление и фокусировку рентгеновских лучей аналогично тонким линзам. Также применяется для изготовления рентгеновских зеркал, применяемых в рентгеновских микроскопах, телескопах и др. Иногда кремний (технической чистоты) и его сплав с железом (ферросилиций) используется для производства водорода в полевых условиях. Соединения металлов с кремнием — силициды, являются широкоупотребляемыми в промышленности (например электронной и атомной) материалами с широким спектром полезных химических, электрических и ядерных свойств (устойчивость к окислению, нейтронам и др.), а также силициды ряда элементов являются важными термоэлектрическими материалами. Кремний применяется в металлургии при выплавке чугуна, сталей, бронз, силумина и др. (как раскислитель и модификатор, а также как легирующий компонент). Соединения кремния служат основой для производства стекла и цемента. Производством стекла и цемента занимается силикатная промышленность. Она также выпускает силикатную керамику — кирпич, фарфор, фаянс, стеклокерамику (ситаллы) и изделия из них.

Ядерная энергетика

Медицина

Оптика

Линзы из органических полимеров дают возможность создавать недорогие асферические линзы с помощью литья. В области офтальмологии созданы мягкие контактные линзы. Их производство основано на применении оптическиих полимерных материалов материалов (ОПМ), имеющих бифазную природу, сочетающих фрагменты кремний-органического или кремний-фторорганического полимера силикона и гидрофильного полимера гидрогеля.

Линза преломления ретгеновских лучей

Линзы из кремния или рентгеновская оптика преломления — линзы, изготовленные из однородного кремния, прозрачные для инфракрасного излучения, рентгеновсого излучения, преломляющие Х-лучи.

В настоящее время нашли применение линзы из кремния. Это связано с современным уровнем технологий обработки твёрдых кристаллов и самое важное, кремний сочетает сверхвысокую дисперсию с самым большим абсолютным значением коэффициента преломления n=3,4 в диапазоне ИК-излучения; линзы из кремния прозрачны к Х-лучам и способны их преломлять, фокусировать (мягкие и жёсткие Х-лучи), что в последнее время находят широкое применение в микроскопии, телескопии, вытесняя рентгеновскую дорогостоящую оптику с применением зеркал и оптических систем «скользящего» преломления Х-лучей. Они полностью непрозрачны в видимом диапазоне спектра. Кроме этого кремний обладает способностью создавать материалы, имеющих бифазную природу, сочетающих фрагменты кремний-органического или кремний-фторорганического полимера силикона и гидрофильного полимера гидрогеля. Что делает его самым перспективным в изготовлении мягких контактных линз. [5]

Биологическая роль

Источник

Кремний

слегка блестящий порошок.

Содержание

Нахождение в природе

Получение