Кремній

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Силіцій (Si)
Атомний номер 14
Зовнішній вигляд
простої речовини
В аморфній формі -
коричневий порошок,
в кристалічній - темно-сірий,
трохи блискучий
Властивості атома
Атомна маса
(молярна маса)
28,0855 а.о.м. (г/моль)
Радіус атома 132 пм
Енергія іонізації
(перший електрон)
786,0(8,15) кДж/моль (еВ)
Електронна конфігурація [Ne] 3s2 3p2
Хімічні властивості
Ковалентний радіус 111 пм
Радіус іона 42 (+4e) 271 (-4e) пм
Електронегативність
(за Полінгом)
1,90
Електродний потенціал 0
Ступені окиснення 4, -4
Термодинамічні властивості
Густина 2,33 г/см³
Питома теплоємність 0,703 Дж/(K моль)
Теплопровідність 149 Вт/(м К)
Температура плавлення 1683 K
Теплота плавлення 50,6 кДж/моль
Температура кипіння 2628 K
Теплота випаровування 383 кДж/моль
Молярний об'єм 12,1 см³/моль
Кристалічна ґратка
Структура ґратки алмаз
Період ґратки 5,430 Å
Відношення c/a n/a
Температура Дебая 625,00 K
Періодична система елементів
H He
Li Be B C N O F Ne
Na Mg Al Si P S Cl Ar
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
Cs Ba * Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
Fr Ra ** Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Fl Uup Lv Uus Uuo
* La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
** Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

Силі́цій (Si) – хімічний елемент з атомним номером 14, проста речовина якого, кремній, утворює темно-сірі зі смолистим блиском крихкі кристали з гранецентрованою кубічною ґраткою типу алмазу. За новою номенклатурою IUPAC Силіцій належить до групи 14 періодичної системи елементів, за старою — до IV підгрупи основної групи.

Густина кремнію 2,328, tплав 1415°C, tкип 3250°C. Твердість за Брінеллем 2,4 ГПа, за Моосом 7. Модуль пружності 109 ГПа. Кремній - напівпровідник, електричні властивості якого сильно залежать від домішок.

При низькій температурі Силіцій хімічно інертний. З багатьма металами утворює силіциди. Вміст у земній корі 27,6% за масою. Солі кремнієвих кислот поширені в природі - мінерали класу природних силікатів. При ізоморфному заміщенні в їхній структурі частини кремнію алюмінієм утворюються алюмосилікати. Відомо понад 400 мінералів, що містять Силіцій. Найважливіші мінерали Силіцію - силікати, кремнезем.

Історія та походження назви[ред.ред. код]

У чистому вигляді кремній був виділений в 1811 році французькими ученими Жозефом Луї Гей-Люссаком і Луї Жаком Тенаром. У 1825 шведський хімік Єнс Якоб Берцеліус дією металевого калію на фтористий кремній SiF4 отримав чистий елементарний кремній. Новому елементу було дано назву «силіцій» (від лат. silex — кремінь). Назва «кремній» введена в 1834 році російським хіміком Германом Івановичем Гессом.

Поширення в природі[ред.ред. код]

За поширеністю на Землі Силіцій займає друге місце серед хімічних елементів (27,6% маси земної кори)[1]. У вільному стані в природі проста речовина Силіцію (кремній), не зустрічається, проте його в значних кількостях отримують штучно для потреб промисловості. Найпоширенішими сполуками силіцію є діоксид силіцію SiO2 (силікатний ангідрид або кремнезем) і солі силікатної кислоти — силікати, що є основою всіх гірських порід. У невеликих кількостях сполуки силіцію входять також до складу організмів рослин.

Близько 12 % літосфери складає кварц SiO2 і його різновиди, а 75 % складають різні силікати і алюмосилікати (польові шпати, слюди, амфіболи).

Середній вміст кремнію (в масових %): в кам'яних метеоритах 18, ультраосновних гірських породах 19, основних 24, середніх 26, кислих 32,3, глинах 7,3, пісковиках 36,8, карбонатних гірських породах 2,4; у воді океанів 3·10-4 %.

Ізотопи[ред.ред. код]

Природній Силіцій складається з трьох стабільних ізотопів: 28Si, 29Si та 30Si, серед яких найбільше Силіцію-28 (92 %)[2]. Серед цих ізотопів тільки Силіцій-29 використовується в ЯМР та ЕПР спектроскопії[3]. Відкрито 20 радіоактивних ізотопів, серед яких найбільший період напіврозпаду, 170 років, має ізотоп 32Si, 31Si має період напіврозпаду 157,3 хвилини[2]. Усі решту радіоактивні ізотопи живуть менше, ніж сім секунд, а більшість із них менше, ніж одну десяту секунди[2]. Ядерні ізомери для Силіцію не відомі[2].

Масове число ізотопів Силіцію пробігає від 22 до 44[2]. Шість ізотопів із масою, меншою від маси стабільного ізотопу 28Si, розпадаються здебільшого через бета-плюс розпад, утоворюючи ізотопи Алюмінію[2]. 16 ізотопів з масою, більшою, ніж у 28Si, розпадаються через бета-мінус розпад, утворюючи ізотопи Фосфору[2].

Фізичні властивості[ред.ред. код]

Вільний кремній може бути в аморфному і кристалічному стані. Аморфний кремній — бурий порошок, а кристалічний має сірий колір і металічний блиск. Густина — 2,33 г/см³; температура плавлення 1423°С, температура кипіння 1600°С.

Кремній є непрямозонним напівпровідником з шириною забороненої зони 1,12 еВ. Електричного струму чистий кремній майже зовсім не проводить. Електрична провідність кремнію сильно залежить від присутності домішок, які поділяють на два види: донори й акцептори. При переважанні донорів основними носіями заряду в кремнії є електрони провідності, при переважанні акцепторів — дірки. Такий кремній є напівпровідником n-типу й p-типу, відповідно.

Кремній дуже зручний з огляду на технологію виготовлення напівпровідникових пристроїв електроніки, а тому є основним її елементом. Власний, очищений від домішок, кремній використовується як підкладка, області провідності різних типів порівняно легко можна утворити вибірковим легуванням, тоді як шари діоксиду силіцію, утворені при вибірковому окисленні, відіграють роль ізоляторів між провідними областями.

Монокристал кремнію для виробництва напівпровідників.

Хімічні властивості[ред.ред. код]

Силіцій, як і вуглець, належить до головної підгрупи четвертої групи періодичної системи Менделєєва. У його зовнішньому електронному шарі чотири електрони, тому атоми силіцію при хімічних реакціях можуть прилучати недостаючі їм до завершення шару чотири електрони або віддавати іншим елементам свої чотири валентні електрони. Тому силіцій проявляє ступінь окиснення або -4, або +4. Типовішим для нього є позитивний ступінь окиснення.

При звичайній температурі силіцій досить пасивний і взаємодіє лише з фтором:

Si + 2F2 = SiF4

Але при нагріванні він стає активнішим і безпосередньо сполучається з киснем, галогенами і навіть з вуглецем. При цьому аморфний силіцій виявляє значно більшу активність, ніж кристалічний

Si + O2 = SiO2
Si + 2Cl2 = SiCl4
Si + С = SiC

При нагріванні він сполучається також з багатьма металами, утворюючи так звані силіциди, наприклад:

Si + 2Mg = Mg2Si

З воднем силіцій безпосередньо не реагує, але його водневі сполуки — силани — можна одержати посередньо. Найпростішою з водневих сполук силіцію є моносилан SiH4, аналогічний метану. Його можна одержати при дії хлоридної кислоти на силіцид магнію:

Mg2Si + 4HCl = 2MgCl2 + SiH4

З кислотами силіцій не взаємодіє, але з їдкими лугами реагує досить енергійно, особливо аморфний, з утворенням солі силікатної кислоти та виділенням водню:

Si + 2KOH + H2O = K2SiO3 + 2H2

Одержання[ред.ред. код]

Аморфний кремній можна одержати нагріванням діоксиду силіцію з магнієм

SiO2 + 2Mg = Si + 2MgO

При обробці продуктів реакції хлоридною кислотою оксид магнію розчиняється, а порошок кремнію залишається у чистому вигляді. Аморфний кремній добре розчиняється в розплавленому цинку й алюмінії, а при їхньому охолодженні виділяється в кристалічному стані. Кристали кремнію можна легко відділити від цинку або алюмінію розчиненням останніх в хлоридній кислоті, з якою Силіцій не реагує.

У техніці кремній одержують відновленням діоксиду силіцію вугіллям при дуже високій температурі в електропечах:

SiO2 + 2C = Si + 2CO↑

Для потреб чорної металургії кремній одержують звичайно у вигляді його сплаву з залізом під назвою феросиліцію прожарюванням в електропечах суміші залізної руди з діоксидом силіцію і коксом.

Чистий кремній добувають звичайно так: суміш діоксиду силіцію і коксу при дуже високій температурі обробляють хлором і одержують тетрахлорид силіцію SiCl4 (рідина з температурою кипіння 57,6°С). Останній старанно очищають перегонкою, а потім відновлюють парами дуже чистого цинку при 950°С. Хімічні реакції, що відбуваються при цьому, можна зобразити такими рівняннями:

SiO2 + 2С = Si + 2CO↑
Si + 2Cl2 = SiCl4
SiCl4 + 2Zn = Si + 2ZnCl2

Застосування[ред.ред. код]

Силіцій застосовується головним чином для виробництва різних сплавів. Так, залізо з добавкою 4 % силіцію має здатність швидко намагнічуватись і розмагнічуватись. З нього виготовляють електричні трансформатори. Сталь з вмістом 15—20 % силіцію є кислотостійкою і йде на виготовлення хімічної апаратури. Сплав міді з 4—5 % силіцію застосовується у машинобудуванні. Кремній широко застосовують як напівпровідниковий матеріал в електронній та радіотехнічній промисловості. Але для цього він повинен бути найвищої чистоти.

Серед штучно одержуваних сполук Силіцію, які застосовуються в практиці, слід відмітити карбід силіцію, або карборунд SiC, який одержують прожарюванням в електропечах діоксиду силіцію з надлишком коксу:

SiO2 + 3C = SiC + 2CO↑

Карборунд за своєю твердістю мало в чому поступається перед алмазом, його використовують як абразивний матеріал для виготовлення точильних та шліфувальних кругів, брусків тощо.

Технічний кремній застосовують як легуючу добавку при виробництві сталей і сплавів кольорових металів, напівпровідниковий кремній - в електротехніці й електроніці.

Див. також[ред.ред. код]

Джерела[ред.ред. код]

  1. Кравчук П. А. Рекорды природы. – Любешов: Эрудит, 1993, 216 с.: ил. ISBN 5-7707-2044-1
  2. а б в г д е ж NNDC contributors (2008). У Alejandro A. Sonzogni (Database Manager). «Chart of Nuclides». Upton (NY): National Nuclear Data Center, Brookhaven National Laboratory. Архів оригіналу за 2013-06-23. Процитовано 2008-09-13. 
  3. Jerschow, Alexej. «Interactive NMR Frequency Map». New York University. Архів оригіналу за 2013-06-23. Процитовано 2011-10-20.