Химический элемент Кремний

Элемент кремний (Si) представляет собой твердое, хрупкое кристаллическое вещество. Это металлоид с сине-серым блеском. Название кремний происходит от латинского слова “silicis”, означающего “кремень”. Примечательно, что этот элемент имеет множество применений в современной экономике. Фактически, конец 20-го и 21-й века были названы “Кремниевым веком”.

Десять интересных фактов о кремнии

Большая часть области химии минералов сосредоточена вокруг кристаллизации и извлечения силикатов.
Несмотря на современные ассоциации с вычислительной и высокотехнологичной промышленностью, кремний, как ключевой ингредиент горных пород и камней, имеет историю использования человеком, уходящую корнями в каменный век.
Распространенное заблуждение заключается в том, что кремний и силикон - это одно и то же вещество. Хотя силикон включает кремний, эти два вещества сильно различаются по своим свойствам.
В 1954 году был создан первый коммерческий кремниевый транзистор.
При создании полупроводников в качестве исходного материала чаще всего используется песок из-за высокого содержания в нем кремния.
После кислорода кремний является вторым по распространенности элементом в земной коре.
Диоксид кремния является наиболее распространенным соединением в земной коре.
Чистый элемент Si имеет ту же кристаллическую организацию, что и алмаз. Это потому, что углерод и кремний являются такими тесно связанными элементами.
Глина в основном состоит из силикатов.
В 2015 году общий объем производства полупроводников на основе кремния во всем мире превысил 10 миллионов квадратных дюймов.

Кремний в периодической таблице
Кремний, атомный символ Si, имеет атомный номер 14, ниже углерода и справа от алюминия. Этот элемент относится к семейству металлоидов и имеет четыре валентных электрона. Следовательно, это не очень реактивный элемент.

Электроотрицательность кремния составляет 1,9 (по шкале Полинга). Типичная электронная конфигурация кремния составляет 1s22s22p63s23p2 . Кроме того, другие элементы семейства металлоидов включают мышьяк, германий, теллур, полоний, бор и сурьму. Эти элементы обладают многими физическими и химическими свойствами.

Элемент кремний в наших телах
Хотя он присутствует в следовых количествах, степень, в которой человеческий организм нуждается в кремнии для функционирования, остается неясной. Некоторые ученые предполагают, что Si помогает вырабатывать коллаген. Коллаген, структурный белок, частично составляет соединительную ткань животных. Пациенты с остеопорозом, а также пациенты с другими проблемами со здоровьем, связанными с кожей и костями, принимают Si в качестве добавки. Пищевые источники элемента включают мясо, молоко, фрукты, овощи и даже воду, в зависимости от того, откуда он поступает.

Сплавы элемента кремний
Si образует сплавы с несколькими металлами, включая алюминий, железо и магний, но не ограничиваясь ими. Хотя использованию кремния в электронике уделяется наибольшее внимание, большая часть производимого кремния фактически идет на сплавы, используемые в автомобильной промышленности.

Сплавы алюминий-Si (иногда называемые силумином) представляют собой легкий, высокопрочный класс сплавов, известных своей устойчивостью к коррозии. Это делает их идеальными для использования во влажных средах. Обычное применение включает литье, поршни и блоки двигателей внутреннего сгорания. Сплавы Al-Si-Cu-Mg обладают свойствами, аналогичными силумину, но они поддаются термической обработке.

Ферросилиций, сплав кремния и железа, получают восстановлением смеси оксида железа и диоксида кремния углеродом. При производстве кислотостойких сплавов используется FeSi.

Сплавы Si принадлежат к семейству сплавов, известных как силициды. Примеры включают CaSi 2, Cu 15 Si 4, Mg 2 Si, Fe 2 Si, FeSi, CoSi, Nisi, CaSi 2 и многие другие.

Применение в современном мире

В электронике
В электронике используется высокоочищенный кремний. Для этого использования в Si должно быть менее одного из десяти миллиардов атомов примеси. Затем в этот очень редкий чистый образец добавляют несколько частей на миллиард фосфора, бора или других специфических элементов для создания базового полупроводника. Этот базовый полупроводник является основным компонентом для транзисторов и микросхем. Этот процесс сделал возможной революцию в информационных технологиях.

Микрочип, пример использования кремния
В силиконах
Кремний также используется для производства силиконов. Силиконы представляют собой кремний-кислородные полимеры с присоединенными метильными группами. В масляной форме силикон хорошо работает в качестве смазки, что делает его полезным ингредиентом в кондиционерах для волос, гелях и косметике. Кроме того, силиконовая резина хорошо выполняет функцию водонепроницаемого герметика. Кроме того, он используется для герметизации окон или сломанных труб. В грудных и лицевых имплантатах используется силикон в твердой / желатиновой форме.

В медицине
Нитрид кремния является давним ортопедическим биоматериалом. Хотя изначально керамический материал был разработан для промышленного применения, его высокая прочность и устойчивость к разрушению в экстремальных условиях эксплуатации сделали его привлекательным материалом для содействия сращиванию костей в хирургии позвоночника. В настоящее время начались клинические испытания в отношении его потенциального использования при протезировании тазобедренного сустава.

Открытие кремния
Si был открыт шведским химиком Йонсом Якобом Берцелиусом. Он успешно выделил новый элемент, нагревая фторсиликат калия в своей лаборатории в 1824 году.

Где во Вселенной присутствует Si?
Мы уже обсуждали, что кремний является очень распространенным элементом на земле. Однако он также встречается в космосе. Используя спектроскопию, японские ученые идентифицировали молекулы, которые содержали этот элемент в облаках газа, окружающих некоторые звезды. В космосе, в частности, кремний часто встречается в виде силикатов в облаках пыли. Более реакционноспособные соединения Si обнаружены в газах межзвездной среды.

Соединения, реакции, степени окисления, выделение
Химические свойства элемента
Si проявляет сходные химические свойства с металлами. Он электроположительный, с рисунком сцепления, аналогичным углеродному. Si в некоторой степени реагирует с кислородом в воздухе, но он реагирует с азотом только при очень высоких температурах. Элементарный кремний не вступает в реакцию с водой при нормальных условиях.

Соединения Si
Обладая свойствами соединения, аналогичными углероду, Si может образовывать и образует соединения с элементами со всей периодической таблицы.

Карбид кремния (SiC)
При нагревании углерода и песка в электрической печи образуется SiC. Это соединение имеет структуру, сходную с алмазом. Он служит абразивом, но также может использоваться в качестве полупроводника.

Диоксид кремния (SiO2)
Также известный как диоксид кремния, это соединение встречается в природе в виде кристаллов кварца. Он имеет полиморфные свойства кристобалита и тридимита (тот же материал, другая кристаллическая структура). Различные формы этих кристаллов поляризуют свет под разными углами.

Кремниевая кислота (H4O4Si)
Слабая кислота с лигантностью четыре, что означает, что атом Si занимает центр четырех атомов кислорода. Кремниевая кислота группируется и образует с собой структуры более высокого уровня в присутствии воды.

Силикат натрия (Na2sio4 или Na6si2o7)
Силикат натрия, также известный как жидкое стекло, доступен для коммерческого использования и служит в качестве огнезащитной обработки для дерева и ткани.

Выделение кремния
Хотя Берцелиус нагревал кремнезем с калием для очистки кремния в 1824 году, сегодня промышленность использует другие методы. Методы различаются в зависимости от исходного источника. Он отделяется от песка (SiO2) с помощью углерода и тепла. Другим распространенным процессом очистки является метод изоляции неглубоких траншей.

Степени окисления
Этот металлоид может обладать степенями окисления -4, +2 и +4.

Физические свойства кремния
Символ: Si
Температура плавления (по Цельсию): 1410
Температура кипения (по Цельсию): 2355
Плотность (г/см-3): 2,33
Атомная масса (amu): 28.09
Атомный номер: 14
Электроотрицательность (шкала Полинга): 1,9
Классификация: Металлоид
Численность земной коры: 27,7%
Электронная конфигурация: [Ne]3s23p2
Ключевые изотопы: 28Si, 29Si, 30Si и 32Si (нестабильны)
Токсичность: Инертный, нетоксичный для человека

Где я могу купить элементарный кремний?
Чистый элемент продается через поставщиков химикатов, таких как Sigma Aldrich, по цене от 1-50 долларов за грамм, в зависимости от чистоты и формы, в которой он продается – порошок, нанопорошок, пластина и т. Д …