Кремний что это за материал
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:
Кремний: характеристики, особенности и области применения
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.
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.
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:
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.
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.
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.
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 – 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:
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.
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.