Кремнезем, его свойства и применение. Природные и промышленные силикаты. Их применение в строительстве. Кремний (химический элемент): свойства, характеристика, формула. История открытия кремния

КРЕМНИЙ (латинский Silicium), Si, химический элемент IV группы короткой формы (14-й группы длинной формы) периодической системы; атомный номер 14, атомная масса 28,0855. Природный кремний состоит из трёх стабильных изотопов: 28 Si (92,2297%), 29 Si (4,6832%), 30 Si (3,0872%). Искусственно получены радиоизотопы с массовыми числами 22-42.

Историческая справка . Широко распространённые на земле соединения кремния использовались человеком с каменного века; например, с глубокой древности до железного века кремень применяли для выделки каменных орудий труда. Переработка соединений кремния - изготовление стекла - началась в 4-м тысячелетии до нашей эры в Древнем Египте. Элементарный кремний получен в 1824-25 Й. Берцелиусом при восстановлении фторида SiF 4 металлическим калием. Новому элементу было дано название «силиций» (от латинского silex - кремень; русское название «кремний», введённое в 1834 Г. И. Гессом, также происходит от слова «кремень»).

Распространённость в природе . По распространённости в земной коре кремний - второй химический элемент (после кислорода): содержание кремния в литосфере составляет 29,5% по массе. В свободном состоянии в природе не встречается. Важнейшие минералы, содержащие кремний, - алюмосиликаты и силикаты природные (амфиболы природные, полевые шпаты, слюды и др.), а также кремнезёма минералы (кварц и другие полиморфные модификации кремния диоксида).

Свойства . Конфигурация внешней электронной оболочки атома кремния 3s 2 3р 2 . В соединениях проявляет степень окисления +4, редко +1, +2, +3, -4; электроотрицательность по Полингу 1,90, потенциалы ионизации Si 0 → Si + →Si 2+ → Si 3+ →Si 4+ соответственно равны 8,15, 16,34, 33,46 и 45,13 эВ; атомный радиус 110 пм, радиус иона Si 4+ 40 пм (координационное число 4), 54 пм (координационное число 6).

Кремний - тёмно-серое твёрдое хрупкое кристаллическое вещество с металлическим блеском. Кристаллическая решётка кубическая гранецентрированная; t пл 1414 °С, t кип 2900 °С, плотность 2330 кг/м 3 (при 25 °С). Теплоёмкость 20,1 Дж/(моль∙К), теплопроводность 95,5 Вт/(м∙К), диэлектрическая проницаемость 12; твёрдость по Моосу 7. При обычных условиях кремний - хрупкий материал; заметная пластическая деформация наблюдается при температурах выше 800 °С. Кремний прозрачен для ИК-излучения с длиной волны больше 1 мкм (коэффициент преломления 3,45 при длине волны 2-10 мкм). Диамагнитен (магнитная восприимчивость - 3,9∙10 -6). Кремний - полупроводник, ширина запрещённой зоны 1,21 эВ (0 К); удельное электрическое сопротивление 2,3∙10 3 Ом∙м (при 25 °С), подвижность электронов 0,135-0,145, дырок - 0,048-0,050 м 2 /(В с). Электрические свойства кремния очень сильно зависят от наличия примесей. Для получения монокристаллов кремния с проводимостью р-типа используют легирующие добавки В, Al, Ga, In (акцепторные примеси), с проводимостью n-типа - Р, As, Sb, Bi (донорные примеси).

Кремний на воздухе покрывается оксидной плёнкой, поэтому при низких температурах химически инертен; при нагревании выше 400 °С взаимодействует с кислородом (образуются оксид SiO и диоксид SiO 2), галогенами (кремния галогениды), азотом (кремния нитрид Si 3 N 4), углеродом (кремния карбид SiC) и др. Соединения кремния с водородом - силаны - получают косвенным путём. Кремний взаимодействует с металлами с образованием силицидов.

Мелкодисперсный кремний - восстановитель: при нагревании взаимодействует с парами воды с выделением водорода, восстанавливает оксиды металлов до свободных металлов. Кислоты-неокислители пассивируют кремний вследствие образования на его поверхности нерастворимой в кислотах оксидной плёнки. Кремний растворяется в смеси концентрированной HNO 3 с HF, при этом образуется кремнефтороводородная кислота: 3Si + 4HNO 3 + 18HF = 3Н 2 + 4NO + 8Н 2 О. Кремний (особенно мелкодисперсный) взаимодействует со щелочами с выделением водорода, например: Si + 2NaOH + Н 2 О = Na 2 SiO 3 + 2Н 2 . Кремний образует различные кремнийорганические соединения.

Биологическая роль. Кремний относится к микроэлементам. Суточная потребность человека в кремнии 20-50 мг (элемент необходим для правильного роста костей и соединительных тканей). В организм человека кремний попадает с пищей, а также с вдыхаемым воздухом в виде пылеобразного SiO 2 . При длительном вдыхании пыли, содержащей свободный SiO 2 , возникает силикоз.

Получение . Кремний технической чистоты (95-98%) получают восстановлением SiO 2 углеродом или металлами. Высокочистый поликристаллический кремний получают восстановлением SiCl 4 или SiHCl 3 водородом при температуре 1000-1100 °С, термическим разложением Sil 4 или SiH 4 ; монокристаллический кремний высокой чистоты - зонной плавкой или по методу Чохральского. Объём мирового производства кремния около 1600 тысяч т/год (2003).

Применение . Кремний - основной материал микроэлектроники и полупроводниковых приборов; используется при изготовлении стёкол, прозрачных для ИК-излучения. Кремний является компонентом сплавов железа и цветных металлов (в малых концентрациях кремний повышает коррозионную стойкость и механическую прочность сплавов, улучшает их литейные свойства; в больших концентрациях может вызвать хрупкость); наибольшее значение имеют железные, медные и алюминиевые кремнийсодержащие сплавы. Кремний применяют в качестве исходного вещества для получения кремнийорганических соединений и силицидов.

Лит.: Баранский П. И., Клочков В. П., Потыкевич И. В. Полупроводниковая электроника. Свойства материалов: Справочник. К., 1975; Дроздов А. А., Зломанов В. П., Мазо Г. Н., Спиридонов Ф. М. Неорганическая химия. М., 2004. Т. 2; Шрайвер Д., Эткинс П. Неорганическая химия. М., 2004. Т. 1-2; Кремний и его сплавы. Екатеринбург, 2005.

Характеристика элемента

14 Si 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2

Изотопы: 28 Si (92.27 %); 29 Si (4.68 %); 30 Si (3,05 %)

Кремний - второй после кислорода по распространенности в земной коре элемент (27,6 % по массе). В свободном состоянии в природе не встречается, находится преимущественно в виде SiO 2 или силикатов.

Соединения Si токсичны; вдыхание мельчайших частиц SiO 2 и др. соединений кремния (например, асбеста) вызывает опасную болезнь - силикоз

В основном состоянии атом кремния имеет валентность = II, а в возбужденом состоянии = IV.

Наиболее устойчивой степенью окисления Si является +4. В соединениях с металлами (силицидах) С.О. -4.

Способы получения кремния

Самым распространенным природным соединением кремния является кремнезем (диоксид кремния) SiО 2 . Он является основным сырьем для получения кремния.

1) Восстановление SiO 2 углеродом в дуговых печах при 1800"С: SiO 2 + 2С = Si + 2СО

2) Высокочистый Si из технического продукта получают согласно схеме:

a) Si → SiCl 2 → Si

б) Si → Mg 2 Si → SiH 4 → Si

Физические свойства кремния. Аллотропные модификации кремния

1) Кристаллический кремний - вещество серебристо - серого цвета с металлическим блеском, кристаллическая решетка типа алмаза; т. пл. 1415"С, т. кип. 3249"С, плотность 2,33 г/см3; является полупроводником.

2) Аморфный кремний - порошок бурого цвета.

Химические свойства кремния

В большинстве реакций Si выступает в роли восстановителя:

При низких температурах кремний химически инертен, при нагревании его реакционная способность резко возрастает.

1. С кислородом взаимодействует при Т выше 400°С:

Si + О 2 = SiO 2 оксид кремния

2. С фтором реагирует уже при комнатной температуре:

Si + 2F 2 = SiF 4 тетрафторид кремня

3. С остальными галогенами реакции идут при температуре = 300 - 500°С

Si + 2Hal 2 = SiHal 4

4. С парами серы при 600°С образует дисульфид:

5. Реакция с азотом происходит выше 1000°С:

3Si + 2N 2 = Si 3 N 4 нитрид кремния

6. При температуре = 1150°С реагирует с углеродом:

SiO 2 + 3С = SiС + 2СО

По твердости карборунд близок к алмазу.

7. С водородом кремний непосредственно не реагирует.

8. Кремний стоек к действию кислот. Взаимодействует только со смесью азотной и фтороводородной (плавиковой) кислот:

3Si + 12HF + 4HNO 3 = 3SiF 4 + 4NO + 8H 2 O

9. реагирует с растворами щелочей с образованием силикатов и выделением водорода:

Si + 2NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 2H 2

10. Восстановительные свойства кремния используют для выделения металлов из их оксидов:

2MgO = Si = 2Mg + SiO 2

В реакциях с металлами Si - окислитель:

Кремний образует силициды с s-металлами и большинством d-металлов.

Состав силицидов данного металла может быть различен. (Например, FeSi и FeSi 2 ; Ni 2 Si и NiSi 2 .) Один из наиболее известных силицидов - силицид магния, который можно получать прямым взаимодействием простых веществ:

2Mg + Si = Mg 2 Si

Силан (моносилан) SiH 4

Силаны (кремневодороды) Si n H 2n + 2 , (ср. с алканами), где п = 1-8. Силаны - аналоги алканов, отличаются от них неустойчивостью цепей -Si-Si-.

Моносилан SiH 4 - бесцветный газ с неприятным запахом; растворяется в этаноле, бензине.

Способы получения:

1. Разложение силицида магния соляной кислотой: Mg 2 Si + 4HCI = 2MgCI 2 + SiH 4

2. Восстановление галогенидов Si алюмогидридом лития: SiCl 4 + LiAlH 4 = SiH 4 + LiCl + AlCl 3

Химические свойства.

Силан - сильный восстановитель.

1.SiH 4 окисляется кислородом даже при очень низких температурах:

SiH 4 + 2O 2 = SiO 2 + 2Н 2 О

2. SiH 4 легко гидролизуется, особенно в щелочной среде:

SiH 4 + 2Н 2 О = SiO 2 + 4Н 2

SiH 4 + 2NaOH + Н 2 О = Na 2 SiO 3 + 4Н 2

Оксид кремния (IV) (кремнезем) SiO 2

Кремнезем существует в виде различных форм: кристаллической, аморфной и стеклообразной. Наиболее распространенной кристаллической формой является кварц. При разрушении кварцевых горных пород образуются кварцевые пески. Монокристаллы кварца - прозрачны, бесцветны (горный хрусталь) или окрашены примесями в различные цвета (аметист, агат, яшма и др.).

Аморфный SiO 2 встречается в виде минерала опала: искусственно получают силикагель, состоящий из коллоидных частиц SiO 2 и являющийся очень хорошим адсорбентом. Стеклообразный SiO 2 известен как кварцевое стекло.

Физические свойства

В воде SiO 2 растворяется очень незначительно, в органических растворителях также практически не растворяется. Кремнезем является диэлектриком.

Химические свойства

1. SiO 2 - кислотный оксид, поэтому аморфный кремнезем медленно растворяется в водных растворах щелочей:

SiO 2 + 2NaOH = Na 2 SiO 3 + Н 2 О

2. SiO 2 взаимодействует также при нагревании с основными оксидами:

SiO 2 + К 2 О = K 2 SiO 3 ;

SiO 2 + СаО = CaSiO 3

3. Будучи нелетучим оксидом, SiO 2 вытесняет углекислый газ из Na 2 CO 3 (при сплавлении):

SiO 2 + Na 2 CO 3 = Na 2 SiO 3 + CO 2

4. Кремнезем реагирует с фтороводородной кислотой, образуя кремнефтористоводородную кислоту H 2 SiF 6:

SiO 2 + 6HF = H 2 SiF 6 + 2Н 2 О

5. При 250 - 400°С SiO 2 взаимодействует с газообразным HF и F 2 , образуя тетрафторсилан (тетрафторид кремния):

SiO 2 + 4HF (газ.) = SiF 4 + 2Н 2 О

SiO 2 + 2F 2 = SiF 4 + O 2

Кремниевые кислоты

Известны:

Ортокремниевая кислота H 4 SiО 4 ;

Метакремниевая (кремниевая) кислота H 2 SiO 3 ;

Ди- и поликремниевые кислоты.

Все кремниевые кислоты малорастворимы в воде, легко образуют коллоидные растворы.

Способы по-лучения

1. Осаждение кислотами из растворов силикатов щелочных металлов:

Na 2 SiO 3 + 2HCl = H 2 SiO 3 ↓ + 2NaCl

2. Гидролиз хлорсиланов: SiCl 4 + 4Н 2 О = H 4 SiO 4 + 4HCl

Химические свойства

Кремниевые кислоты - очень слабые кислоты (слабее угольной кислоты).

При нагревании они дегидратируются с образованием в качестве конечного продукта кремнезема

H 4 SiО 4 → H 2 SiO 3 → SiO 2

Силикаты - соли кремниевых кислот

Поскольку кремниевые кислоты чрезвычайно слабые, их соли в водных растворах сильно гидро лизованы:

Na 2 SiO 3 + Н 2 О = NaHSiO 3 + NaOH

SiO 3 2- + Н 2 О = HSiO 3 - + ОН - (щелочная среда)

По этой же причине при пропускании углекислого газа через растворы силикатов происходит вытеснение из них кремниевой кислоты:

K 2 SiO 3 + СO 2 + Н 2 О = H 2 SiO 3 ↓ + K 2 СO 3

SiO 3 + СO 2 + Н 2 О = H 2 SiO 3 ↓ + СO 3

Данную реакцию можно рассматривать как качественную реакцию на силикат-ионы.

Среди силикатов хорошо растворимыми являются только Na 2 SiO 3 и K 2 SiO 3 , которые называются растворимым стеклом, а их водные растворы - жидким стеклом.

Стекло

Обычное оконное стекло имеет состав Na 2 O СаО 6SiO 2 , т. е. является смесью силикатов натрия и кальция. Его получают сплавлением соды Na 2 CO 3 , известняка СаСO 3 и песка SiO 2 ;

Na 2 CO 3 + CaCO 3 + 6SiO 2 = Na 2 O СаО 6SiO 2 + 2СO 2

Цемент

Порошкообразный вяжущий материал, образующий при взаимодействии с водой пластичную массу, превращающуюся со временем в твердое камневидное тело; основной строительный материал.

Химический состав наиболее распространенного портланд-цемента (в % по массе) - 20 - 23% SiO 2 ; 62 - 76 % СаО; 4 - 7 % Al 2 O 3 ; 2-5% Fe 2 O 3 ; 1- 5% МgО.

Понятие элемента кремний.

Второй представитель элементов главной подгруппы IV группы Периодической системы Д.И.Менделеева. В природе кремний - второй по распространенности после кислорода химический элемент. Земная кора более чем на четверть состоит из его соединений.

Историческая справка.

В 1825 году шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус действием металлического калия на фтористый кремний SiF4 получил чистый элементарный кремний. Новому элементу было дано название «силиций» (от лат. silex — кремень). Русское название «кремний» введено в 1834 году российским химиком Германом Ивановичем Гессом. В переводе c др.-греч. κρημνός — «утёс, гора».

Нахождение в природе.

Чаще всего в природе кремний встречается в виде кремнезема - 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 распространенности в природе группу соединений кремний составляют силикаты и алюмосиликаты.

Были отмечены единичные факты нахождения чистого кремния в самородном виде.

Физические свойства.

Кремний - полупроводник. Кремний существует в двух модификациях: аморфной и кристаллической. Аморфный кремний - порошок бурого цвета, плотностью 2,33 г/см3, растворяется в расплавах металлов. Кристаллический кремний - кристаллы темно-серого цвета, обладающие стальным блеском, твердый и хрупкий, плотностью 2,4 г/см3. Кремний состоит из трех изотопов: Si (28), Si (29), Si (30). В отличие от металлов электропроводность кремния с повышением температуры увеличивается.

Химические свойства.

Кремний горит в кислороде, образуя оксид кремния (IV).

Будучи неметаллом, при нагревании кремний соединяется с металлами с образованием силицидов. Силициды легко разлагаются водой или кислотами, при этом выделяется газообразное водородное соединение кремния - силан. В отличие от углеводородов силан на воздухе самовоспламеняется и сгорает с образованием оксида кремния (IV) и воды. Кремний взаимодействует с концентрированными водными растворами щелочей, образуя силикат и водород.

Получение кремния.

Свободный кремний можно получить прокаливанием с магнием мелкого белого песка, который представляет собой диоксид кремния:

SiO2 + 2Mg → 2MgO + Si

При этом образуется бурый порошок аморфного кремния.

В промышленности кремний технической чистоты получают, восстанавливая расплав SiO2 коксом при температуре около 1800оС в руднотермических печах шахтного типа. Чистота полученного таким образом кремния может достигать 99,9% (основные примеси - углерод, металлы). Возможна дальнейшая очистка кремния от примесей.

Применение кремния.

Кремний применяют для получения полупроводниковых материалов, а также кислотоупорных сплавов. При сплавлении кварцевого песка с углем при высоких температурах образуется карбид кремния SiC, который по твердости уступает только алмазу. Поэтому его используют для затачивания резцов металлорежущих станков и шлифовки драгоценных камней. Из расплавленного кварца изготавливают различную кварцевую химическую посуду, которая может выдерживать высокую температуру и не трескается при резком охлаждении. Соединения кремния служат основой для производства стекла и цемента.

Источники

Обозначение - Si (Silicon);
Период - III;
Группа - 14 (IVa);
Атомная масса - 28,0855;
Атомный номер - 14;
Радиус атома = 132 пм;
Ковалентный радиус = 111 пм;
Распределение электронов - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 ;
t плавления = 1412°C;
t кипения = 2355°C;
Электроотрицательность (по Полингу/по Алпреду и Рохову) = 1,90/1,74;
Степень окисления: +4, +2, 0, -4;
Плотность (н. у.) = 2,33 г/см 3 ;
Молярный объем = 12,1 см 3 /моль.

Соединения кремния:

В чистом виде впервые кремний был выделен в 1811 году (французы Ж. Л. Гей-Люссак и Л. Ж. Тенар). Чистый элементарный кремний был получен в 1825 г. (швед Й. Я. Берцелиус). Свое название "кремний" (в переводе с древнегреческого - гора) химический элемент получил в 1834 году (российский химик Г. И. Гесс).

Кремний является самым распространенным (после кислорода) химическим элементом на Земле (содержание в земной коре 28-29% по массе). В природе кремний чаще всего присутствует в виде кремнезема (песок, кварц, кремень, полевые шпаты), а также в силикатах и алюмосиликатах. В чистом виде кремний встречается чрезвычайно редко. Многие природные силикаты в чистом виде являются драгоценными камнями: изумруд, топаз, аквамари - это все кремний. Чистый кристаллический оксид кремния (IV) встречается в виде горного хрусталя и кварца. Оксид кремния, в котором присутствуют различные примеси, образует драгоценные и полудрагоценные камни - аметист, агат, яшма.

Рис. Строение атома кремния.

Электронная конфигурация кремния - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 (см. Электронная структура атомов). На внешнем энергетическом уровне у кремния находятся 4 электрона: 2 спаренных на 3s-подуровне + 2 неспаренных на p-орбиталях. При переходе атома кремния в возбужденное состояние один электрон с s-подуровня "покидает" свою пару и переходит на p-подуровень, где имеется одна свободная орбиталь. Т. о., в возбужденном состоянии электронная конфигурация атома кремния приобретает следующий вид: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3 .

Рис. Переход атома кремния в возбужденное состояние.

Т. о., кремний в соединениях может проявлять валентность 4 (чаще всего) или 2 (см. Валентность). Кремний (так же, как и углерод), реагируя с другими элементами, образует химические связи в которых может как отдавать свои электроны, так и принимать их, но при этом способность принимать электроны у атомов кремния выражена слабее, чем у атомов углерода , по причине большего размера атома кремния.

Степени окисления кремния:

-4 : SiH 4 (силан), Ca 2 Si, Mg 2 Si (силикаты металлов);
+4 - наиболее устойчивая: SiO 2 (оксид кремния), H 2 SiO 3 (кремниевая кислота), силикаты и галогениды кремния;
0 : Si (простое вещество)

Кремний, как простое вещество

Кремний представляет из себя темно-серое кристаллическое вещество с металлическим блеском. Кристаллический кремний является полупроводником.

Кремний образует только одну аллотропную модификацию, подобную алмазу, но при этом не такую прочную, т. к. связи Si-Si не так прочны, как в алмазной молекуле углерода (См. Алмаз).

Аморфный кремний - порошок бурого цвета, с температурой плавления 1420°C.

Кристаллический кремний получают из аморфного путем его перекристаллизации. В отличие от аморфного кремния, который является достаточно активным химическим веществом, кристаллический кремний более инертен в плане взаимодействия с другими веществами.

Строение кристаллической решетки кремния повторяет структуру алмаза, - каждый атом окружен четырьмя другими атомами, расположенными в вершинах тетраэдра. Атомы связываются друг с другом ковалентными связями, которые не так прочны, как углеродные связи в алмазе. По этой причине, даже при н.у. некоторые ковалентные связи в кристаллическом кремнии разрушаются, в результате чего высвобождается некоторая часть электронов, благодаря чему кремний обладает небольшой электропроводностью. По мере нагревания кремния, на свету или при добавлении некоторых примесей, кол-во разрушаемых ковалентных связей увеличивается, вследствие чего и увеличивается кол-во свободных электронов, следовательно, растет и электропроводность кремния.

Химические свойства кремния

Как и углерод, кремний может быть и восстановителем, и окислителем, в зависимости от того, с каким веществом вступает в реакцию.

При н.у. кремний взаимодействует только с фтором, что объясняется достаточно прочной кристаллической решеткой кремния.

В реакцию с хлором и бромом кремний вступает при температурах, превышающих 400°C.

С углеродом и азотом кремний взаимодействует только при очень высоких температурах.

В реакциях с неметаллами кремний выступает в роли восстановителя :
- при нормальных условиях из неметаллов кремний реагирует только с фтором, образуя галогенид кремния:
  Si + 2F 2 = SiF 4
- при высоких температурах кремний реагирует с хлором (400°C), кислородом (600°C), азотом (1000°C), углеродом (2000°C):
  - Si + 2Cl 2 = SiCl 4 - галогенид кремния;
  - Si + O 2 = SiO 2 - оксид кремния;
  - 3Si + 2N 2 = Si 3 N 4 - нитрид кремния;
  - Si + C = SiC - карборунд (карбид кремния)
В реакциях с металлами кремний является окислителем (образуются салициды :
Si + 2Mg = Mg 2 Si
В реакциях с концентрированными р-рами щелочей кремний реагирует с выделением водорода, образуя растворимые соли кремниевой кислоты, называемые силикатами :
Si + 2NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 2H 2
С кислотами (за исключением HF) кремний не реагирует.

Получение и применение кремния

Получение кремния:

в лаборатории - из кремнезема (алюмотерапия):
3SiO 2 + 4Al = 3Si + 2Al 2 O 3
в промышленности - восстановлением оксида кремния коксом (технически чистый кремний) при высокой температуре:
SiO 2 + 2C = Si + 2CO
самый чистый кремний получают восстановлением тетрахлорида кремния водородом (цинком) при высокой температуре:
SiCl 4 +2H 2 = Si+4HCl

Применение кремния:

изготовление полупроводниковых радиоэлементов;
в качестве металлургических добавок при производстве жаропрочных и кислотоустойчивых соединений;
в производстве фотоэлементов для солнечных батарей;
в качестве выпрямителей переменного тока.

Физические свойства
Кремний - элемент IV группы, атомный номер его 14, атомная масса 28,06. Число атомов в одном кубическом сантиметре 5*10в22.
Кристаллизуется кремний, подобно германию, в кубической решетке типа алмаза с постоянной а = 5,4198А, в узлах элементарной ячейки которой находится 8 атомов кремния с координационным числом 4. Минимальное расстояние между соседними атомами и постоянная решетки у кремния меньше, чем у германия. Поэтому и тетраэдрическая ковалентная связь в кремнии более прочна, чем обусловлена большая ширина запрещенной зоны кремния и более высокая его температура плавления, чем германия.
Кремний - темно-серое вещество с синеватым отливом. Вследствие высокой твердости, которая по Moocy равна 7, он очень хрупок; при ударе рассыпается, поэтому с трудом поддается обработке не только в холодном, но и в горячем состоянии.
Температура плавления кремния чистотой 99,9% Si определена равной 1413-1420° С. Кремний более высокой степени чистоты имеет температуру плавления 1480-1500° С.
Температура кипения кремния лежит в пределах 2400-2630° С. Плотность кремния при 25° С составляет 2,32-2,49 г/см3. При плавлении плотность кремния увеличивается, что объясняется перестройкой структуры ближнего порядка в направлении повышения координационного числа. Поэтому при охлаждении он увеличивается в объеме, а при плавлении - уменьшается. Уменьшение объема кремния при плавлении составляет 9-10%.
Теплопроводность кристаллического кремния при комнатной температуре равна 0,2-0,26кал/сек*см*град. Теплоемкость в пределах 20-100° C составляет 0,181 кал/г*град. Зависимость теплоемкости твердого кремния от 298° К до температуры плавления описывается уравнением

Ср = 5,70+1,02*10в-3Т-1,06*10в-5Т-2 кал/град*моль.

В жидком состоянии до температуры кипения величина теплоемкости составляет 7,4 кал/град*моль. Теплоемкость кремния чистотой >99,99% при температурах от 1200° С до температуры плавления равна 6,53 кал/град*моль, а от температуры плавления до 1500° С 6,12 кал/град*моль. Теплота плавления чистого кремния составляет 12095± 100 кал/г*атом.
Изменение упругости пара твердого кремния от 1200° К до температуры плавления выражается уравнением

Ig р мм рт. ст. = -18000/Т - 1,022 IgT + 12,83,

а для жидкого кремния

Ig р мм рт. ст. = -17100/Т - 1,022 Ig T + 12,31.

Упругость пара кремния при температуре плавления составляет ~10в-2 мм рт. ст.
Поверхностное натяжение расплавленного кремния, измеренное методом сидячей капли на подложках из ZrO2, TiO2 и MgO в атмосфере гелия при 1450° С, равно 730 дин/см.
Электрические свойства
Кремний по своим электрическим свойствам относится к типичным полупроводникам. С повышением температуры удельное электросопротивление кремния резко снижается. При плавлении он имеет электропроводность, свойственную жидким металлам.
При 300°К удельное электросопротивление кремния (р) зависит от содержания в нем примесей.
Кремний чистотой 98,5% имеет р = 0,8 ом*см, 99,97% -12,6 ом*см, спектрально-чистый кремний 30 ом*см. Наиболее чистые образцы кремния имеют р = 16 000 ом*см.
Ниже приведены некоторые теоретически рассчитанные электрические характеристики кремния, обладающего собственной проводимостью (при 300°С):

Наименьшая концентрация электрически активных примесей, достигнутая в настоящее время в результате глубокой очистки кремния, составляет 10в13 см-3.
Подвижность носителей тока в кремнии при высоких температурах определяется рассеянием на колебаниях решетки, а при низких - на ионах примеси.
Изменение подвижности электронов и дырок в кремнии в зависимости от температуры определяется следующими уравнениями:

μn = 1,2*10в8*Т-2 см2/в*сек;
μр = 2,9*10в9*T-2,7 см2/в*сек.

Заметное снижение подвижности электронов в кремнии при комнатной температуре наступает при концентрации носителей тока, отвечающей величине р = 1,0 ом*см, а подвижность дырок - при р = 10 ом*см.
Время жизни носителей заряда изменяется в кремнии в широких пределах: в среднем т = 200 мксек.
Для полупроводниковой техники большое значение имеют сплавы кремния с другими элементами, главным образом III и V групп. Эти элементы вводят в глубоко-очищенный кремний в небольших количествах для придания ему определенных электрических свойств.
Работа полупроводниковых приборов - диодов, триодов, фотоэлементов, термоэлементов основана на свойствах электронно-дырочных переходов, которые получают легированием кремния теми или иными элементами. Для создания в кремнии n-проводимости его легируют фосфором, мышьяком или сурьмой, а для получения р-проводимости чаще всего легируют бором. К числу наиболее важных донорных элементов принадлежат фосфор и мышьяк.
Кремний хорошо растворяется во многих расплавленных металлах, например в алюминии, олове, свинце, цинке. Растворимость металлов в твердом кремнии, как правило, очень мала.
В настоящее время известно более тридцати диаграмм состояния кремния с другими элементами. Co многими элементами кремний образует химические соединения, в частности с фосфором, мышьяком, бором, литием, марганцем, железом, кобальтом, никелем, кальцием, магнием, серой, селеном и др. С другими же элементами, например с алюминием, бериллием, оловом, галлием, индием, сурьмой и др. образует системы эвтектического типа.
Химические свойства
Кремний устойчив против окисления на воздухе до 900° С, однако при этой температуре водяной пар окисляет кремний, а при более высокой температуре водяной пар полностью разлагается кремнием.
При 1000° C и выше кремний сильно окисляется кислородом воздуха с образованием кремниевого ангидрида или кремнезема SiO2. С водородом кремний реагирует только при температуре дуги, образуя кремнийводородные соединения.
В присутствии азота при 1300° С кремний образует нитрид Si3N4. Это - белый тугоплавкий порошок, возгоняющийся около 2000° С.
С галоидами кремний легко взаимодействует, например с фтором - при комнатной температуре, с хлором - при 200-300° С, с бромом - при 450-500° С, а с йодом - при более высоких температурах, 700-750° С.
С фосфором, мышьяком и сурьмой кремний не реагирует вплоть до температуры их кипения; с углеродом и бором он вступает в соединение лишь при очень высоких температурах (-2000°С).
Кремний характеризуется стойкостью ко всем кислотам любой концентрации, в том числе к серной, соляной, азотной и плавиковой. Растворяется кремний только в смеси плавиковой и азотной кислот (HF+HNO3). Meнее интенсивно кремний растворяется в азотной кислоте, содержащей добавки перекиси водорода и брома.
В противоположность кислотам щелочные растворы хорошо растворяют кремний; при этом выделяется кислород и образуются соли кремниевой кислоты, например

Si + 2KOH + H2O = K2SiO3 + 2H2.

В присутствии перекиси водорода растворение кремния в щелочах ускоряется.
Для травления кремния применяют щелочные и кислые травители. Щелочные травители действуют сильнее, поэтому их применяют для удаления поверхностных загрязнений, слоев с нарушенной структурой в результате механической обработки и для выявления макродефектов. С этой целью кремний травят в кипящем водном растворе KOH или NaOH.
Для выявления дислокаций на монокристаллах кремния применяют кислые травители, например СР-4 с добавкой азотнокислой ртути.
Кремний образует химические соединения с валентностями 2 и 4. Соединения двухвалентного кремния мало устойчивы. С кислородом кремний образует два соединения: SiO - моноокись и SiO2 - двуокись кремния.
Моноокись кремния SiO в природе не встречается, но она легко образуется при восстановлении SiO2 углеродом при 1500° С:

SiO2 + C → SiO + CO,

или же при взаимодействии кремния с кварцем при 1350° С:

Si + SiO2 ⇔ 2SiO.

При высокой температуре равновесие этой реакции смещается вправо, так как моноокись кремния получается в газообразном состоянии. При нагревании до 1700° С моноокись кремния полностью возгоняется, а при более высоких температурах диспропорционирует на Si и SiO2.
Моноокись кремния SiO - порошок темно-желтого цвета с плотностью 2,13; ток не проводит даже при высоких температурах, поэтому применяется как изоляционный материал.
Очень важным химическим соединением кремния является его двуокись (кварц). Это соединение очень устойчиво, образование его сопровождается большим выделением тепла:

Si + O2 = SiO2 + 203 ккал.

Кварц - бесцветное вещество с температурой плавления ~1713°С и температурой кипения 2590° С.
При охлаждении расплавленного кварца образуется прозрачное кварцевое стекло, которое служит одним из важнейших материалов для изготовления аппаратуры, применяемой в технологии производства кремния и других полупроводниковых материалов.
При нагревании SiO2 с углем при 2000-2200° С образуется карбид кремния SiC, обладающий полупроводниковыми свойствами.
Кремний образует довольно прочные соединения с галоидами, физико-химические свойства этих соединений приведены в табл. 57.

Галоидные соединения кремния SiF4, SiCl4, SiBr4 и SiI3 могут быть получены простым синтезом из элементов или при взаимодействии SiO2 с галоидом в присутствии углерода:

Si + 2Cl2 → SiCl4,
SiO2 + 2Cl2 + C → SiCl4 + CO2,
Si + 2I2 → SiI4,
SiO2 + 2Br2 + C → SiBr4 + CO2.

Галоидно-силановые соединения кремния образуются в реакциях гидрохлорирования или гидробромирования кремния:

Si + 3HCl → SiHCl3 + H2,
Si + 3HBr → SiHBr3 + H2,

которые протекают при сравнительно низких температурах, около 300° С.
Тетрахлорид кремния SiCl4 представляет собой бесцветную прозрачную жидкость, сильно дымящую на воздухе вследствие гидролиза и образования хлороводорода. Водой разлагается с образованием силикагеля:

SiCli + 4H2O → 4HCl + Si(OH)4.

Тетрайодид кремния SiI4 - бесцветное кристаллическое вещество. При нагревании на воздухе пары тетрайодида легко воспламеняются.
Трихлорсилан SiHCl3 - это горючая жидкость с очень высокой упругостью пара при комнатной температуре. Поэтому трихлорсилан обычно хранят в герметичных стальных емкостях, способных выдерживать высокое давление.
Кремний может замещать углерод в органических соединениях, образуя при этом кремнийводородные соединения - силаны. По своим свойствам силаны аналогичны углеводородам. Некоторые свойства силанов приведены в табл. 58.

Соединения этого типа в лабораторных условиях могут быть получены, например, растворением силицида магния в крепкой соляной кислоте:

Mg2Si + 4HCl → 2MgCl2 + SiH4.

Эта реакция протекает сложно. Наряду с моносила-ном могут образовываться различные полисиланы и выделяться водород.
Все силаны легко окисляются на воздухе. Реакционная способность их возрастает с увеличением молекулярной массы. Весьма опасно попадание в сосуды с силаном воздуха.
Моносилан SiH4 - это бесцветный газ, достаточно устойчивый при отсутствии воздуха и влаги. С воздухом моносилан образует взрывчатую смесь; может окисляться со вспышкой даже при -180° С.
Моносилан характеризуется большей термической стойкостью по сравнению с полисиланами. При нагревании выше 400° С моносилан разлагается на элементы, выделяя аморфный кремний:

SiH4 → Si + 2H2.

Эта реакция используется при получении кремния си-лановым методом. Силаны быстро и полно разлагаются водой с образованием SiO2:

SiH4 + 2H2O = SiO2 + 4H2,
Si3H8 + 6H2O = 3SiO2 + 10H2.

Также быстро и до конца разлагаются силаны водными растворами щелочей:

SiH4 + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + 4H2.

Устойчивость силанов резко увеличивается при введении в их молекулы галоидов, замещающих атомы водорода. В ряду замещенных силанов наибольший интерес представляет трихлорсилан SiHCl3, при восстановлении которого получают чистый кремний.
Применение кремния
Кремний как полупроводник известен раньше германия. Однако трудность получения кремния в чистейшем виде задерживала использование его в технике.
В последнее время разработаны и освоены эффективные методы очистки кремния до высокой степени чистоты, поэтому кремний находит все более широкое применение в полупроводниковых приборах. Так, из кремния изготавливают выпрямители тока (диоды), усилители радиоволн (триоды). В этом случае для мощных усилителей изготавливают кремниевые электроды с большими поверхностями, разделяющими электронную и дырочную части полупроводника.
Кремний служит хорошим материалом и для фотоэлектрических преобразователей. Поэтому для создания солнечных батарей применяют кремниевые фотоэлементы, предназначенные для непосредственного превращения солнечной энергии в электрическую. Кремниевые фотопреобразователи лучше других подходят по своей спектральной чувствительности для использования солнечного света.
Кремний обладает рядом преимуществ перед германием: имеет большую величину запрещенной зоны, которая обеспечивает наибольшую выходную электрическую мощность; кремниевые приборы могут работать при более высоких температурах (если рабочая температура германиевых приборов не превышает 60-80° С, то кремниевые диоды могут работать при 200° С).
Соединения кремния также находят применение в приборах. Например, карбид кремния применяется для изготовления туннельных диодов (нелинейные сопротивления) и др.

15.03.2019

Специалисты фирмы Emirates Global Aluminum сделали заявление по поводу того, что их филиал Guinea Alumina Corp надеется в скором времени привлечь от семисот до семисот...

15.03.2019

Демонтаж козлового крана предусматривает разбор металлических конструкций, а также подкрановых путей, удаление оснащения, а также отсоединение разнообразных устройств. В...

14.03.2019

С годами в частных домах и квартирах скапливается металлический лом. Может быть представлен старыми бытовыми устройствами, отходами строительной деятельности и многим...

14.03.2019

Осень – пора, когда можно отдохнуть от надоевшей жары, уехав на пару дней на дачу, где можно не только насладиться дарами природы, но и поностальгировать. Однако чтобы...

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: