КРЕМНІЙ: ІСТОРІЯ, ВЛАСТИВОСТІ, СТРУКТУРА, ОТРИМАННЯ, ВИКОРИСТАННЯ - ХІМІЯ - 2025

Кремнію не є - металеві і металоїди в той же час елемент представлений хімічний символ Si. Це напівпровідник, який є невід'ємною частиною комп'ютерів, калькуляторів, стільникових телефонів, сонячних батарей, діодів тощо; Це практично головний компонент, який дозволив встановити цифрову епоху.

Кремній завжди був присутній у кварці та силікатах, обидва мінерали складають близько 28% за масою всієї земної кори. Таким чином, це другий за чисельністю елемент на поверхні Землі, і простори пустель і пляжів дозволяють переглянути перспективу того, наскільки вона рясна.

Пустелі є рясним природним джерелом частинок або гранітів кремнезему разом з іншими мінералами. Джерело: Pxhere.

Кремній належить до групи 14 періодичної таблиці, такий же, як і вуглець, розташований під ним. Ось чому цей елемент вважається чотиривалентним металоїдом; він має чотири валентні електрони і теоретично він може втратити всі вони, утворюючи катіон Si ⁴⁺ .

Одна властивість, якою вона ділиться з вугіллям, - це його здатність зв'язуватися разом; тобто їх атоми ковалентно пов'язані для визначення молекулярних ланцюгів. Також кремній може утворювати власні "вуглеводні", які називаються силанами.

Переважаючими в природі сполуками кремнію є відомі силікати. У чистому вигляді він може виглядати як монокристалічне, полікристалічне або аморфне тверде речовина. Це відносно інертне тверде речовина, тому не несе значних ризиків.

Історія

Кремнієвий камінь

Кремній - це, мабуть, один із елементів, який мав найбільший вплив в історії людства.

Цей елемент є головним героєм кам'яної доби, а також цифрової доби. Її витоки датуються тим часом, коли цивілізації колись працювали з кварцом і виготовляли власні окуляри; І сьогодні це головний компонент комп’ютерів, ноутбуків та смартфонів.

Кремній практично був каменем двох чітко визначених епох нашої історії.

Ізоляція

Оскільки кремнезем настільки рясний, ім'я народжене з кременючої скелі, воно повинно містити надзвичайно багатий елемент у земній корі; це була правильна підозра на Антуана Лавуазьє, який у 1787 р. зазнав невдач у своїх спробах зменшити його від іржі.

Через деякий час, у 1808 році, Хамфрі Деві зробив власні спроби і дав елементу свою першу назву: "кремній", що в перекладі стане "кременевим металом". Тобто кремній до того часу вважався металом через відсутність його характеристики.

Тоді, у 1811 році, французьким хімікам Джозефу Л. Гей-Люссаку та Луї Жак Тенар вдалося вперше приготувати аморфний кремній. Для цього вони прореагували тетрафторидом кремнію з металевим калієм. Однак вони не очищали та не характеризували отриманий продукт, тому не прийшли до висновку, що це новий кремній кремнію.

Лише у 1823 р. Шведський хімік Яків Берцеліус отримав аморфний кремній достатньої чистоти, щоб визнати його кремнієм; назва, дане в 1817 році шотландським хіміком Томасом Томсоном, вважаючи його неметалічним елементом. Берцелій провів реакцію між фторосилікатом калію та розплавленим калієм, щоб отримати цей кремній.

Кристалічний кремній

Кристалічний кремній вперше був підготовлений у 1854 році французьким хіміком Генрі Девілем. Щоб досягти цього, Девілл здійснив електроліз суміші алюмінію та хлоридів натрію, отримавши таким чином кристали кремнію, покриті шаром силіциду алюмінію, який він видалив (мабуть), промивши їх водою.

Фізичні та хімічні властивості

Зовнішність

Елементарний кремній, який має металевий блиск, але насправді є металоїдом. Джерело: Зображення високої здатності хімічних елементів

Кремній у своїй чистій або стихійній формі складається з сіруватого або синювато-чорного твердого тіла (верхнє зображення), яке, хоч і не метал, має блискучі обличчя, як ніби це було насправді.

Це тверде, але крихке тверде речовина, яке також виявляє лускату поверхню, якщо воно складається з полікристалів. Аморфний кремній, з іншого боку, схожий на темно-коричневу порошкоподібну тверду речовину. Завдяки цьому легко ідентифікувати та диференціювати один тип кремнію (кристалічний чи полікристалічний) від іншого (аморфний).

Молярна маса

28,085 г / моль

Атомне число (Z)

14 ( ₁₄ Так)

Точка плавлення

1414 ºC

Точка кипіння

3265 ºC

Щільність

-На кімнатній температурі: 2,33 г / мл

-Права при температурі плавлення: 2,57 г / мл

Зауважте, що рідкий кремній щільніше, ніж твердий кремній; що означає, що його кристали будуть плавати на рідкій фазі, як це відбувається з системою крижаної води. Пояснення пояснюється тим, що міжатомний простір між атомами Si в його кристалі більший (менш щільний), ніж відповідний у рідині (більш щільний).

Тепло синтезу

50,21 кДж / моль

Тепло випаровування

383 кДж / моль

Молярна теплоємність

19,789 Дж / (моль К)

Електронегативність

1,90 за шкалою Полінга

Енергії іонізації

-По-перше: 786,5 кДж / моль

-Друге: 1577,1 кДж / моль

-Третя: 3231,6 кДж / моль

Атомне радіо

111 вечора (вимірюється на відповідних кристалах алмазів)

Теплопровідність

149 Вт / (м К)

Електричний опір

2,3 · 10 ³ Ом · м при 20 ºC

Твердість Мооса

6.5

Сполучення

Атоми кремнію здатні утворювати прості зв'язки Si-Si, які в кінцевому підсумку визначають ланцюг (Si-Si-Si …).

Ця властивість проявляється також вуглецем і сіркою; проте гібридизація sp ³ кремнію є біднішою порівняно з іншими двома елементами, і, крім того, їх 3p орбіталі є більш дифузними, тому перекриття отриманих sp ³ орбіталей слабкіше.

Середні енергії ковалентних зв'язків Si-Si та CC становлять 226 кДж / моль та 356 кДж / моль відповідно. Тому зв’язки Si-Si слабкіші. Через це кремній не є наріжним каменем життя (і не є сіркою). Насправді найдовший ланцюг або каркас, який кремній може утворювати, зазвичай чотиричленний (Si ₄ ).

Окислювальні числа

Кремній може мати будь-яке з таких окислювальних чисел, припускаючи, що в кожному з них існують іони з відповідними зарядами: -4 (Si ^4- ), -3 (Si ^3- ), -2 (Si ^2- ), -1 (Si ^- ), +1 (Si ⁺ ), +2 (Si ²⁺ ), +3 (Si ³⁺ ) і +4 (Si ⁴⁺ ). З усіх них найбільш важливими є -4 і +4.

Наприклад, -4 передбачається в силіцидах (Mg ₂ Si або Mg ₂ ²⁺ Si ^4- ); тоді як +4 відповідає рівню кремнезему (SiO ₂ або Si ⁴⁺ O ₂ ^2- ).

Реактивність

Кремній повністю нерозчинний у воді, а також сильних кислотах або основах. Однак він розчиняється в концентрованій суміші азотної та фтористоводневої кислот (HNO ₃ -HF). Так само розчиняється в гарячому лужному розчині, відбувається наступна хімічна реакція:

Si (s) + 2NaOH (aq) + H ₂ O (l) => Na ₂ SiO ₃ (aq) + 2H ₂ (g)

Метасилікатна сіль натрію, Na ₂ SiO ₃ , також утворюється при розчиненні кремнію в розплавленому карбонаті натрію:

Si (s) + Na ₂ CO ₃ (l) => Na ₂ SiO ₃ (l) + C (s)

При кімнатній температурі він взагалі не реагує з киснем, навіть при 900 ºC, коли починає утворюватися захисний склоподібний шар SiO ₂ ; а потім, при 1400 ° С, кремній вступає в реакцію з азотом на повітрі, утворюючи суміш нітридів, SiN і Si ₃ N ₄ .

Кремній також реагує при високих температурах з металами з утворенням силіцидів металів:

₂ мг (s) + Si (s) => Mg ₂ Si (s)

2Cu (s) + Si (s) => Cu ₂ Si (s)

При кімнатній температурі він реагує вибухово і безпосередньо з галогенами (немає шару SiO _{2, який} би захищав його від цього). Наприклад, у нас є реакція утворення SiF ₄ :

Si (s) + 2F ₂ (g) => SiF ₄ (g)

І хоча кремній нерозчинний у воді, він гаряче реагує з потоком пари:

Si (s) + H ₂ O (g) => SiO ₂ (s) + 2H ₂ (g)

Структура та електронна конфігурація

Кристалічна структура або одинична клітина кремнію, представлена ​​моделлю сфер і стрижнів. Джерело: Benjah-bmm27

На зображенні, наведеному вище, показана гранічно орієнтована кубічна структура (fcc), така ж, як у алмазу, для кристала кремнію. Сіруваті сфери відповідають атомам Si, які, як видно, ковалентно пов'язані один з одним; крім того, вони, у свою чергу, мають чотиригранні середовища, які відтворюються уздовж кристала.

Кристалічний кремній є Fcc, оскільки спостерігається атом Si, розташований на кожній з граней куба (6 × 1/2). Так само у вершинах куба (8 × 1/8) розташовано вісім атомів Si та чотири, розташовані всередині нього (ті, що показують навколо нього чітко визначений тетраедр, 4 × 1).

Зважаючи на це, кожна одиниця осередку має загалом вісім атомів кремнію (3 + 1 + 4, числа, зазначені в абзаці вище); характеристика, яка допомагає пояснити його високу твердість і жорсткість, оскільки чистий кремній є ковалентним кристалом, як алмаз.

Ковалентний характер

Цей ковалентний характер пояснюється тим, що, як і вуглець, кремній має чотири валентні електрони відповідно до своєї електронної конфігурації:

3s ² 3p ²

Для склеювання чисті орбіталі 3s та 2p марні. Ось чому атом створює чотири sp ³ гібридних орбіталі , за допомогою яких він може утворювати чотири ковалентні зв’язки Si-Si і, таким чином, заповнювати валентний октет для двох атомів кремнію.

Потім кристал кремнію візуалізується як тривимірна ковалентна решітка, складена з взаємопов'язаних тетраедрів.

Однак ця мережа не є досконалою, оскільки має дефекти та межі зерна, які відокремлюють та визначають один кристал від іншого; і коли таких кристалів дуже мало і багато, ми говоримо про полікристалічне тверде тіло, ідентифіковане його гетерогенним блиском (схожим на сріблясту мозаїчну або лускату поверхню).

Електропровідність

Зв'язки Si-Si з добре розташованими електронами в принципі відрізняються від того, що очікується від металу: море електронів "змочує" його атоми; принаймні, це так при кімнатній температурі.

Коли температура збільшується, однак кремній починає проводити електрику і, таким чином, поводиться як метал; тобто це напівпровідниковий металлоїдний елемент.

Аморфний кремній

Тетраедри кремнію не завжди приймають структурну схему, але можуть бути розташовані безладно; і навіть з атомами кремнію, гібридизація яких здається не sp ^3, а sp ² , що сприяє подальшому збільшенню ступеня розладу. Тому ми говоримо про аморфний і некристалічний кремній.

В аморфному кремнію є електронні вакансії, де деякі його атоми мають орбіталь з непарним електроном. Завдяки цьому його тверда речовина може гідрогенізуватися, спричиняючи утворення гідрогенізованого аморфного кремнію; тобто він має зв’язки Si-H, за допомогою яких тетраедри завершуються в невпорядкованому та довільному положеннях.

Цей розділ завершується тим, що кремній може бути представлений у трьох типах твердих речовин (не зазначаючи його ступінь чистоти): кристалічному, полікристалічному та аморфному.

Кожен з них має власний спосіб виробництва чи процес, а також свої застосування та компроміси при вирішенні, який із трьох використовувати, знаючи його переваги та недоліки.

Де знайти та отримати

Кристали кварцу (кремнезему) є одним з головних і надзвичайних мінералів, де знаходиться кремній. Джерело: Джеймс Сент-Джон (https://www.flickr.com/photos/jsjgeology/22437758830)

Кремній є сьомим найпоширенішим елементом Всесвіту і другим у земній корі, також збагачуючи мантію Землі своїм величезним сімейством мінералів. Цей елемент надзвичайно добре асоціюється з киснем, утворюючи широкий спектр оксидів; серед них кремнезем, SO ₂ та силікати (різного хімічного складу).

Кремній можна побачити неозброєним оком в пустелях і пляжах, оскільки пісок в основному складається з SiO ₂ . У свою чергу, цей оксид може проявлятися у кількох поліморфах, найпоширенішими з яких є: кварц, аметист, агат, кристобаліт, триполі, цезит, стешовіт і тридиміт. Крім того, його можна знайти в аморфних твердих тілах, таких як опали та діатомовая земля.

Силікати, тим часом, ще багатші структурно і хімічно. Деякі з силікатних мінералів включають: азбест (білий, коричневий і синюватий), польовий шпат, глини, міки, олівіни, алюмосилікати, цеоліти, амфіболи та піроксени.

Практично всі породи складаються з кремнію та кисню, з їх стійкими зв'язками Si-O, а також їх кремнію та силікати, змішані з оксидами металів та неорганічними видами.

-Редукція кремнезему

Проблема отримання кремнію полягає в розриві зазначеної зв'язку Si-O, для якої потрібні спеціальні печі та хороша стратегія відновлення. Сировиною для цього процесу є діоксид кремнію у вигляді кварцу, який попередньо подрібнюється до отримання дрібного порошку.

З цього меленого кремнезему можна приготувати або аморфний, або полікристалічний кремній.

Аморфний кремній

У невеликих масштабах, проведених в лабораторії та за допомогою відповідних заходів, діоксид кремнію змішують з порошком магнію в тиглі та спалюють у відсутності повітря. Потім відбувається наступна реакція:

SiO ₂ (s) + Mg (s) => 2MgO (s) + Si (s)

Магній та його оксид видаляють розведеним розчином соляної кислоти. Потім решту твердого речовини обробляють фтористою кислотою, так що надлишок SiO ₂ закінчує реакцію ; в іншому випадку надлишок магнію сприяє утворенню відповідного силіциду, Mg ₂ Si, небажаної сполуки для цього процесу.

SiO ₂ перетворюється в летючий газ SiF ₄ , який відновлюється для інших хімічних синтезів. Нарешті, аморфну ​​кремнієву масу висушують під потоком газу водню.

Інший аналогічний спосіб отримання аморфного кремнію складається з використання того ж SiF _{4, що був} вироблений раніше, або SiCl ₄ (раніше придбаний). Пари цих галогенідів кремнію пропускаються над рідким натрієм в інертній атмосфері, так що відновлення газу може відбуватися без наявності кисню:

SiCl ₄ (g) + 4Na (l) => Si (s) + 4NaCl (l)

Цікаво, що аморфний кремній використовується для виготовлення енергоефективних сонячних панелей.

Кристалічний кремній

Починаючи знову з пилоподібного кремнезему або кварцу, їх перевозять в електродугову піч, де вони реагують з коксом. Таким чином відновник - це вже не метал, а вуглецевий матеріал високої чистоти:

SiO ₂ (s) + 2C (s) => Si (s) + 2CO (g)

В результаті реакції утворюється також карбід кремнію, SiC, який нейтралізується надлишком SiO ₂ (знову ж таки кварцу надлишок):

2SiC (s) + SiO ₂ (s) => 3Si (s) + 2CO (g)

Іншим способом приготування кристалічного кремнію є використання алюмінію як відновника:

3SiO ₂ (s) + 4Al (l) => 3Si (s) + 2Al ₂ O ₃ (s)

А починаючи з гексафторусілікатної калію калію, K ₂ , вона також реагує з металевим алюмінієм або калієм, щоб отримати той самий продукт:

K ₂ (l) + 4Al (l) => 3Si (s) + 6KF (l) + 4AlF ₃ (g)

Кремній негайно розчиняється в розплаві алюмінію, і коли система охолоджується, перша кристалізується і відокремлюється від другої; тобто утворюються кремнієві кристали, на яких з’являються сіруваті кольори.

Полікристалічний кремній

На відміну від інших синтезів або виробництв, отримання полікристалічного кремнію починається з газової фази силану, SiH ₄ . Цей газ піддають піролізу вище 500 ºC таким чином, що відбувається термічне розкладання, і, таким чином, з його початкових парів полікристали кремнію в кінцевому підсумку осідають на напівпровідниковій поверхні.

Наступне хімічне рівняння ілюструє реакцію, що відбувається:

SiH ₄ (g) => Si (s) + H ₂ (g)

Очевидно, що в камері не повинно бути кисню, як це реагуватиме з SiH ₄ :

SiH ₄ (g) + 2O ₂ (g) => SiO ₂ (s) + 2H ₂ O (g)

Такою є спонтанність реакції горіння, що вона відбувається швидко при кімнатній температурі з мінімальним впливом силану на повітря.

Інший синтетичний шлях отримання цього типу кремнію починається з кристалічного кремнію як сировини. Вони змушують його вступати в реакцію з хлоридом водню при температурі близько 300 ºC, завдяки чому утворюється трихлорсилан:

Si (s) + 3HCl (g) => SiCl ₃ H (g) + H ₂ (g)

А SiCl ₃ H реагує при температурі 1100 ºC для регенерації кремнію, але в даний час полікристалічного:

4SiCl ₃ H (g) => Si (s) + 3SiCl ₄ (g) + 2H ₂ (g)

Просто подивіться на рівняння, щоб отримати уявлення про роботу та жорсткі виробничі параметри, які необхідно враховувати.

Ізотопи

Кремній зустрічається природним шляхом і головним чином як ізотоп ²⁸ Si, з чисельністю 92,23%.

Окрім цього, є ще два ізотопи, які є стабільними і тому не зазнають радіоактивного розпаду: ²⁹ Si, з великою кількістю 4,67%; та ³⁰ Так, з великою кількістю 3,10%. ²⁸ Si , настільки рясний , не дивно, що атомна маса кремнію становить 28,084 ц.

Кремній також можна зустріти в різних радіоізотопах, серед яких ³¹ Si (t _1/2 = 2,62 години) і ³² Si (t _1/2 = 153 роки). Інші ( ²² Si - ⁴⁴ Si) мають дуже короткі або короткі t _1/2 (менше сотих секунди).

Ризики

Чистий кремній є відносно інертною речовиною, тому він зазвичай не накопичується в жодному органі чи тканині до тих пір, поки вплив його низький. У вигляді порошку він може дратувати очі, викликаючи полив або почервоніння, при дотику до нього може викликати дискомфорт шкіри, свербіж і лущення.

Коли вплив дуже високий, кремній може пошкодити легені; але без наслідків, якщо кількість не є достатньою, щоб викликати задуху. Однак це не так з кварцом, який пов’язаний з раком легенів та такими захворюваннями, як бронхіт та емфізема.

Так само чистий кремній є дуже рідкісним у природі, а його сполуки, настільки рясні в земній корі, не становлять ніякого ризику для навколишнього середовища.

Щодо органосиліцію, вони можуть бути токсичними; але оскільки їх багато, це залежить від того, який з них розглядається, а також від інших факторів (реактивність, pH, механізм дії тощо).

Програми

Будівельна промисловість

Кремнієві мінерали складають "камінь", з якого будуються будівлі, будинки чи пам'ятники. Наприклад, цементи, бетони, ліпнини і вогнетриви складаються з твердих сумішей на основі силікатів. З цього підходу можна уявити корисність цього елемента в містах та архітектурі.

Скло та кераміка

Кристали, що використовуються в оптичних пристроях, можуть бути виготовлені з діоксиду кремнію, як ізолятори, осередки для зразків, спектрофотометри, п'єзоелектричні кристали або просто лінзи.

Крім того, коли матеріал готується з декількома добавками, він перетворюється на аморфне тверде тіло, добре відоме як скло; і гори піску зазвичай є джерелом кремнезему або кварцу, необхідних для його виробництва. З іншого боку, з силікатів виготовляють керамічні матеріали та порцеляни.

Переплітаючи ідеї, кремній також присутній у ремеслах та орнаментах.

Сплави

Атоми кремнію можуть згуртовуватися і бути змішуваними з металевою матрицею, що робить її добавкою для багатьох сплавів або металів; наприклад, сталь, для виготовлення магнітних сердечників; бронзи, для виготовлення телефонних кабелів; та алюміній, у виробництві алюмінієво-кремнієвого сплаву, призначеного для легких автомобільних деталей.

Тому його можна знайти не лише у «камені» будівель, а й у металах їх стовпців.

Десиканти

Желеподібні кремнеземні кульки, використовувані як осушувачі. Джерело: Десиканти

Кремній, в гелевій або аморфній формі, дозволяє виготовляти тверді речовини, які діють як осушувачі, захоплюючи молекули води, що потрапляють у контейнер, і зберігаючи його внутрішнє приміщення сухим.

Електронна промисловість

Для виготовлення сонячних панелей використовуються полікристалічний та аморфний кремній. Джерело: Pxhere.

Шари кремнію різної товщини та кольору є частиною комп'ютерних мікросхем, як і їх тверді (кристалічні або аморфні), розроблені інтегральні схеми та сонячні батареї.

Будучи напівпровідником, він включає в себе атоми з меншою кількістю (Al, B, Ga) або більше електронів (P, As, Sb), щоб перетворити його відповідно на напівпровідники типу пон. З’єднання двох силіконів, одного n та іншого p, виготовляються світлодіоди.

Силіконові полімери

Знаменитий силіконовий клей складається з органічного полімеру, підтримуваного стабільністю ланцюгів зв’язків Si-O-Si … Якщо ці ланцюги дуже довгі, короткі або зшиті, змінюються властивості силіконового полімеру, а також їх остаточне застосування. .

Серед його перелічених цілей, можна зазначити наступне:

-Клей або клей, не тільки для з'єднання паперів, але будівельних блоків, каучуків, скляних панелей, скель тощо.

-Мастильні матеріали в гідравлічних гальмівних системах

-Зміцнює фарби та покращує яскравість та інтенсивність їх кольорів, дозволяючи їм протистояти перепадам температури, не розтріскуючись і не їдаючи

-Використовуються як водовідштовхувальні спреї, які зберігають деякі поверхні чи предмети сухими

-Дають засоби особистої гігієни (зубні пасти, шампуні, гелі, креми для гоління тощо) відчуття шовковистості.

-Ето покриття захищають електронні компоненти делікатних пристроїв, таких як мікропроцесори, від тепла та вологості

-З силіконових полімерів було зроблено кілька гумових кульок, які підстрибують, як тільки їх опускають на підлогу.

Список літератури

1. Шивер і Аткінс. (2008). Неорганічна хімія. (Четверте видання). Mc Graw Hill.
2. Вікіпедія. (2019). Кремній. Відновлено з: en.wikipedia.org
3. Мікрохімічні речовини. (sf). Кристалографія кремнію. Відновлено з: microchemicals.com
4. Lenntech BV (2019). Періодична таблиця: кремній. Відновлено з: lenntech.com
5. Маркес Мігель. (sf). Поява кремнію. Відновлено з: nautilus.fis.uc.pt
6. Більше Геманта. (05 листопада 2017 р.). Кремній. Відновлено з: hemantmore.org.in
7. Пільгард Майкл. (22 серпня 2018 р.). Кремній: виникнення, виділення та синтез. Відновлено з: pilgaardelements.com
8. Доктор Дуг Стюарт. (2019). Факти кремнію. Хіміколь. Відновлено з: chemicool.com
9. Крістіана Гонсберг та Стюарт Боуден. (2019). Збірник ресурсів для фотовольтаїчного викладача. PVeducation. Відновлено з: pveducation.org
10. American Chemistry Council, Inc. (2019). Силікони в повсякденному житті. Відновлено з: sehsc.americanchemistry.com