Кремний

КРЕМНИЙ, Si (лат. Silicium * а. silicium, siliсоn; н. Silizium; ф. silicium; и. siliseo), — химический элемент IV группы периодической системы Менделеева, атомный номер 14, атомная масса 28,086. В природе встречаются 3 стабильных изотопа ²⁸Si (92,27), ²⁹Si (4,68%), ³⁰Si (3,05%).

Физические свойства кремния

Соединения кремния известны человеку с древнейших времён как материал для изготовления орудий труда и охоты. Сведения о переработке его соединений (в Древнем Египте получали стекло) датируются около 3000 лет до н.э. Кремний впервые выделен в 1811 французскими учёными Ж. Л. Гей-Люссаком и Л. Ж. Тенаром, но идентифицирован лишь в 1823 шведским учёным Й. Я. Берцелиусом.

Кремний образует тёмно-серые со смолистым блеском хрупкие кристаллы, решётка гранецентрированная кубическая типа алмаза (а=0,5431 нм). Плотность 2328 кг/м³, t плавления 1415°С, t кипения около 3250°С. Удельная теплоёмкость (при 25°С) 19,79 Дж/(моль•К), коэффициент теплопроводности 84-126 Вт/(м•К), удельное электрическое сопротивление 2,3•10³ Ом•м, температурный коэффициент электрического сопротивления 1,7•10^-3 К^-1 (273 К), температурный коэффициент линейного расширения 3,72•10^-3 К^-1 в интервале 291-1273 К. Твёрдость по Бринеллю 2,4 ГПа, по Moocy 7. Модуль упругости 109 ГПа.

Кремний — полупроводник, электрические свойства которого сильно зависят от примесей. Ширина запрещённой зоны 1,12 эВ при 0 К. Прозрачен для инфракрасных лучей (отражательная способность 0,3, показатель преломления 3,42).

Химические свойства кремния

В большинстве соединений кремний проявляет степени окисления -4, +2, +4. При низких температурах химически инертен. На воздухе покрывается тонкой плёнкой оксида, в атмосфере кислорода окисляется при нагревании свыше 400°С. С фтором взаимодействует в обычных условиях, с остальными галогенами, азотом, углеродом — при нагревании. В воде, кислотах (за исключением смеси HF+HNO₃) не растворяется. Щёлочи переводят кремний в соли кремниевых кислот с выделением водорода. Растворим во многих расплавленных металлах, с некоторыми из них даёт соединения, называемые силицидами. С водородом образует весьма реакционноспособные соединения общей формулы SinH_2n+2 (где n=1-8) — силаны. Известны многочисленные кремнийорганические соединения (силиконы, органосилоксаны и т.д.). Большое значение имеют кремниевые кислоты. В свободном состоянии выделены мета-(Н₂SiO₃), орто-(Н₂SiO₄) и двуметакремниевая (Н₂Si₂О₅) кислоты. Соли кремниевых кислот широко распространены в природе: минералы класса силикатов природных. При изоморфном замещении в их структуре части кремния алюминием образуются алюмосиликаты.

Нахождение в природе

Кремний — второй элемент после кислорода по своей распространённости в земной коре, его кларк 29,5% (по массе). Известно свыше 400 минералов, содержащих кремний. Около 12% литосферы слагает кварц SiO₂ и его скрытокристаллические разновидности (халцедон, опал и т.д.), а 75% составляют различные силикаты и алюмосиликаты (полевые шпаты, слюды, амфиболы и т.д.). В магматических процессах в результате кристаллизационной дифференциации происходит обогащение поздних порций расплава кремнезёмом. При повышенных температурах кремнезём растворяется в водяных парах и может мигрировать, поэтому для гидротермальных образований характерны большие концентрации кварца. При выветривании на месте магматогенных минералов класса силикатов и алюмосиликатов развиваются глинистые минералы и оксиды. Среднее содержания кремния (в массовых %): в каменных метеоритах 18, ультраосновных 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%. В живом веществе кремний играет важную роль, участвуя в образовании твёрдых скелетных частей. Особенно много его накапливается в морских растениях (например, диатомовые водоросли) и животных (кремнероговые губки, радиолярии и др.), которые, отмирая, формируют на дне океанов и морей мощные отложения кремнезёма.

Суточное потребление кремния человеком до 1 г. При высоком содержании диоксида кремния в воздухе он попадает в лёгкие человека и вызывает заболевание — силикоз.

Получение и использование

Получают технический кремний восстановлением SiO₂ коксом; полупроводниковый кремний — восстановлением водородом SiCl₄ или SiHCl₃, разложением SiH₄. Монокристаллы выращивают методом бестигельной зонной плавки и по методу Чохральского (вытягиванием из расплава).

Кремний — основной материал полупроводниковой электроники.

Кремний используют для изготовления интегральных схем, диодов, транзисторов, солнечных батарей, фотоприёмников и др., а также линз в приборах инфракрасной техники. Кремний применяется в качестве легирующей добавки в производстве сталей и сплавов цветных металлов.