Надо Знать

добавить знаний



Кремний



План:


Введение

Кремний (Si) - химический элемент с атомным номером 14, простое вещество которого, кремний, образует темно-серые со смолистым блеском хрупкие кристаллы с гранецентрированной кубической решеткой типа алмаза. По новой номенклатуре IUPAC кремний относится к группы 14 периодической системы элементов, по старой - к IV подгруппы основной группы.

Плотность кремния 2,328, t плав 1415 о С, t кип 3250 ? С. Твердость по Бринеллю 2,4 ГПа, за Моосу 7. Модуль упругости 109 ГПа. Кремний - полупроводник, электрические свойства которого сильно зависят от примесей.

При низкой температуре кремний химически инертен. Со многими металлами образует силициды. Содержание в земной коре 27,6% по массе. Соли кремниевых кислот распространены в природе - минералы класса природных силикатов. При изоморфные замещения в их структуре части кремния алюминием образуются алюмосиликаты. Известно более 400 минералов, содержащих кремний. Важнейшие минералы кремния - силикаты, кремнезем.


1. История и происхождение названия

В чистом виде кремний был выделен в 1811 году французскими учеными Жозефом Луи Гей-Люссак и Луи Жаком Тенаром. В 1825 шведский химик Йенс Якоб Берцелиус действием металлического калия на фтористый кремний SiF 4 получил чистую элементарный кремний. Новому элементу было дано название "кремний" (от лат. silex - Кремень). Название "кремний" введена в 1834 году русским химиком Германом Ивановичем Гессом.


2. Распространение в природе

По распространенности на Земле кремний занимает второе место среди химических элементов (27,6% массы земной коры) [1]. В свободном состоянии в природе простое вещество кремния, кремний, не встречается, однако его в значительных количествах получают искусственно для нужд промышленности. Наиболее распространенными соединениями кремния является диоксид кремния SiO 2 (силикатный ангидрид или кремнезем) и соли кремниевой кислоты - силикаты, которые являются основой всех горных пород. В небольших количествах соединения кремния входят также в состав организмов растений.

Около 12% литосферы составляет кварц SiO 2 и его разновидности, а 75% составляют различные силикаты и алюмосиликаты ( полевые шпаты, слюды, амфиболы).

Среднее содержание кремния (в массовых%): в каменных метеоритах 18, ультраосновных горных породах 19, основных 24, средних 26, кислых 32,3, глинах 7,3, песчаниках 36,8, карбонатных горных породах 2,4; в воде океанов 3.10 -4%.


3. Изотопы

Естественный кремний состоит из трех стабильных изотопов: 28 Si, 29 Si и 30 Si, среди которых наибольшее кремния-28 (92%) [2]. Среди этих изотопов только кремний-29 используется в ЯМР и ЭПР спектроскопии [3]. Открыто 20 радиоактивных изотопов, среди которых наибольший период полураспада, 170 лет, имеет изотоп 32 Si, 31 Si имеет период полураспада 157,3 минуты [2]. Все остальные радиоактивные изотопы живут меньше, чем семь секунд, а большинство из них меньше, чем одну десятую секунды [2]. Ядерные изомеры для кремния не известны [2].

Массовое число изотопов кремния пробегает от 22 до 44 [2]. Шесть изотопов с массой, меньше массы стабильного изотопа 28 Si, распадаются в основном из-за бета-плюс распад, утоворюючы изотопы Алюминия [2]. 16 изотопов с массой больше, чем в 28 Si, распадаются через бета-минус распад, образуя изотопы Фосфора [2].


4. Физические свойства

Свободный кремний может быть в аморфном и кристаллическом состоянии. Аморфный кремний - бурый порошок, а кристаллический имеет серый цвет и металлический блеск. Плотность - 2,33 г / см 3, температура плавления 1423 ? С, температура кипения 1600 ? С.

Кремний является непрямозонных полупроводником с шириной запрещенной зоны 1,12 эВ. Электрического тока чистый кремний почти не проводит. Электрическая проводимость кремния сильно зависит от присутствия примесей, делятся на два вида: доноры и акцепторы. При преобладании доноров основными носителями заряда в кремнии является электроны проводимости, при преобладании акцепторов - дыры. Такой кремний является полупроводником n-типа и p-типа соответственно.

Кремний очень удобен учитывая технологию изготовления полупроводниковых устройств электроники, а потому является основным ее элементом. Собственный, очищенный от примесей, кремний используется в качестве подложки, области проводимости различных типов сравнительно легко создать выборочным легированием, тогда как слои диоксида кремния, образованные при выборочном окислении, играют роль изоляторов между ведущими областями.

Монокристалл кремния для производства полупроводников.

5. Химические свойства

Кремний, как и углерод, относится к главной подгруппы четвертой группы периодической системы Менделеева. В его внешнем электронном слое четыре электрона, поэтому атомы кремния при химических реакциях могут приобщать недостающие им до завершения слоя четыре электрона или отдавать другим элементам свои четыре валентные электроны. Поэтому кремний проявляет степень окисления или -4, или +4. Типичным для него положительный степень окисления.

При обычной температуре кремний достаточно пассивный и взаимодействует только с фтором :

Si + 2F 2 = SiF 4

Но при нагревании он становится активным и непосредственно соединяется с кислородом, галогенами и даже с углеродом. При этом аморфный кремний проявляет значительно большую активность, чем кристаллический

Si + O 2 = SiO 2
Si + 2Cl 2 = SiCl 4
Si + С = SiC

При нагревании он соединяется также со многими металлами, образуя так называемые силициды, например:

Si + 2Mg = Mg 2 Si

С водородом кремний непосредственно не реагирует, но его водородные соединения - Силаны - можно получить непосредственно. Простой из водородных соединений кремния является моносилан SiH 4, аналогичный метана. Его можно получить при воздействии соляной кислоты на силициды магния:

Mg 2 Si + 4HCl = 2MgCl 2 + SiH 4

С кислотами кремний не взаимодействует, но с едкими щелочами реагирует весьма энергично, особенно аморфный, с образованием соли кремниевой кислоты и выделением водорода:

Si + 2KOH + H 2 O = K 2 SiO 3 + 2H 2

6. Получение

Аморфный кремний можно получить нагреванием диоксида кремния с магнием

SiO 2 + 2Mg = Si + 2MgO

При обработке продуктов реакции соляной кислотой оксид магния растворяется, а порошок кремния остается в чистом виде. Аморфный кремний хорошо растворяется в расплавленном цинка и алюминии, а при их охлаждении выделяется в кристаллическом состоянии. Кристаллы кремния можно легко отделить от цинка или алюминия растворением последних в хлоридной кислоте, которой кремний не реагирует.

В технике кремний получают восстановлением диоксида кремния углем при очень высокой температуре в электропечах:

SiO 2 + 2C = Si + 2CO ↑

Для нужд черной металлургии кремний получают обычно в виде его сплава с железом под названием ферросилиция прокаливанием в электропечах смеси железной руды с диоксидом кремния и коксом.

Чистый кремний добывают обычно так: смесь диоксида кремния и кокса при очень высокой температуре обрабатывают хлором и получают тетрахлорид кремния SiCl 4 (жидкость с температурой кипения 57,6 ? С). Последний тщательно очищают перегонкой, а затем восстанавливают парами очень чистого цинка при 950 ? С. Химические реакции, происходящие при этом, можно изобразить такими уравнениями:

SiO 2 + 2С = Si + 2CO ↑
Si + 2Cl 2 = SiCl 4
SiCl 4 + 2Zn = Si + 2ZnCl 2

7. Применение

Кремний применяется главным образом для производства различных сплавов. Так, железо с добавкой 4% кремния обладает способностью быстро намагничиваться и розмагничуватись. Из него изготовляют электрические трансформаторы. Сталь с содержанием 15-20% кремния является кислотостойкой и идет на изготовления химической аппаратуры. Сплав меди с 4-5% кремния применяется в машиностроении. Кремний широко применяют как полупроводниковый материал в электронной и радиотехнической промышленности. Но для этого он должен быть самой чистоты.

Среди искусственно получаемых соединений Cилицию, которые применяются в практике, следует отметить карбид кремния, или карборунд SiC, получаемый прокаливанием в электропечах диоксида кремния с избытком кокса:

SiO 2 + 3C = SiC + 2CO ↑

Карборунд по своей твердостью мало в чем уступает алмазом, его используют как абразивный материал для изготовления точильных и шлифовальных кругов, брусков и т.д..

Технический кремний применяют как легирующая добавку при производстве сталей и сплавов цветных металлов, полупроводниковый кремний - в электротехнике и электронике.


8. Смотрите также

Источники

  1. Кравчук П. А. Рекорды природы. - Любешова: Эрудит, 1993, 216 с.: Ил. ISBN 5-7707-2044-1
  2. а б в г д е ж NNDC contributors (2008). "Chart of Nuclides". В Alejandro A. Sonzogni (Database Manager). Upton (NY): National Nuclear Data Center, Brookhaven National Laboratory . http://www.nndc.bnl.gov/chart/ . Проверено 2008-09-13 .
  3. Jerschow, Alexej. "Interactive NMR Frequency Map". New York University . http://www.nyu.edu/cgi-bin/cgiwrap/aj39/NMRmap.cgi . Проверено 2011-10-20 .
  • Глоссарий терминов по химии / / Й.Опейда, О.Швайка. Ин-т физико-органической химии и углехимии им .. Л.М.Литвиненка НАН Украины, Донецкий национальный университет - Донецк: "Вебер", 2008. - 758 с. ISBN 978-966-335-206-0
  • Ф. А. Деркач "Химия" Л. 1968
  • Малая горная энциклопедия. В 3-х т. / Под ред. В. С. Белецкого. - Донецк: Донбасс, 2004. - ISBN 966-7804-14-3.


код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам