Кремний и его соединения подобно углероду и его соединениям широко применяются в разных областях. Кремний используется для изготовления микроэлектронных устройств. Кремнезем используется в производстве стекла и цемента. Разнообразны применения силикатов (табл. 15.8). Во всех этих примерах используются силикаты натрия. Наконец, силиконы используются для получения синтетических каучуков, политур и материалов для изготовления защитных покрытий. Теперь мы несколько подробнее остановимся на трех из этих применений.

Таблица 15.8. Некоторые применения силикатов

Революция в микроэлектронике

В последние два-три десятилетия кремний приобрел исключительно важное значение как полупроводниковый материал, используемый для изготовления микроэлектронных устройств, получивших название «микросхемы».

Полупроводник - это вещество, электрическое сопротивление которого имеет промежуточное значение между теми, которые свойственны электрическим изоляторам (диэлектрикам) и проводникам (табл. 15.9).

В полупроводники нередко умышленно вводят примеси, легируя их контролируемыми количествами примесных веществ. Легирование как бы уменьшает зазор между зоной проводимости и валентной зоной полупроводника (см. разд. 2.1), а следовательно, уменьшает его сопротивление. Полупроводник -типа (отрицательного типа) получается при легировании чистого кремния или германия каким-либо элементом

Таблица 15.9. Полупроводниковые свойства кремния

Рис. 15.9. Легированный кремний, а - схематическое изображение атомов Al, Si с их внешними электронами; б - полупроводник: каждая пара электронов образует ковалентную связь; в - примесный полупроводник -типа: наличие в кристаллической решетке кремния примесного атома элемента V группы, например фосфора, привносит в нее избыточный электрон, и это уменьшает электросопротивление кремния; г - примесный полупроводник p-типа: наличие в кристаллической решетке кремния примесного атома элемента III группы, например алюминия, приводит к появлению в решетке электронной «дырки».

V группы, например фосфором. Поскольку атом фосфора имеет во внешней оболочке пять электронов, присутствие атомов фосфора в кристаллической решетке кремния приводит к появлению избыточных электронов, а следовательно, к возникновению эффективного отрицательного заряда (рис. 15.9).

Полупроводник p-типа (положительного типа) имеет эффективный положительный заряд, обусловленный наличием в его кристаллической решетке примесных атомов, принадлежащих какому-либо элементу III группы, например алюминию. Каждый атом алюминия создает в решетке кремния электронную дырку, т. е. положительный заряд.

Полупроводниковый диод получается на стыке двух полупроводниковых электродов, один из которых принадлежит к n-типу, а другой - p-типу (рис. 15.10). Электроны, текущие через электрод p-типа, останавливаются на стыке (переходе) между двумя электродами, который называется -переходом. Электроны, текущие в обратном

Рис. 15.10. Полупроводниковый диод: избыточные электроны из полупроводникового электрода -типа перетекают через -переход, чтобы заполнить «дырки» в полупроводниковом электроде -типа.

Рис. 15.11. Транзисторы, а - транзистор -типа; б - транзистор -типа.

направлении, проходят через этот переход, поскольку они поступают из решетки с избыточными электронами в решетку с дефицитом электронов. Тот же самый поток электрического заряда может рассматриваться как противоположно направленное движение электронных дырок, или положительного заряда, из электрода -типа в электрод -типа.

Полупроводниковые диоды из кремния используются в качестве выпрямителей переменного тока, которые преобразуют его в постоянный ток. Управляемый кремниевый выпрямитель состоит из электродов -типа и -типа, а также третьего электрода, который играет роль диодного клапана. Такой выпрямитель преобразует переменный ток в постоянный только при условии, что к диодному клапану приложено небольшое напряжение.

Транзистор - это трехэлектродное полупроводниковое устройство, в котором между двумя полупроводниковыми электродами -типа (или -типа) находится тонкий слой полупроводника -типа (или -типа) (рис. 15.11). Такое устройство позволяет контролировать протекание электрического тока большой силы, прикладывая к нему небольшое напряжение. Транзистор -типа обладает дырочной проводимостью, а транзистор -типа - электронной проводимостью.

До начала все транзисторы помещались в индивидуальную металлическую либо пластмассовую оболочку. Впоследствии их заменили интегральные схемы. В настоящее время один крохотный кремниевый элемент в программном карманном калькуляторе может содержать свыше 30 000 транзисторов, соединенных в единую интегральную схему.

Стекло

Силикатное стекло образуется при застывании расплавленных силикатов. Натриевое стекло состоит из смеси силиката кальция и силиката натрия О его изготовлении упоминалось в предыдущей главе. Натриевое стекло используется для изготовления оконного стекла и различных сортов листового стекла.

Боросиликатное стекло содержит приблизительно оксида бора а также небольшие количества оксидов натрия и алюминия. Боросиликатное стекло выдерживает температуры до и обладает большой устойчивостью к воздействию химических веществ, например щелочей. Наиболее распространенным сортом боросиликатного стекла является пирекс. Боросиликатное стекло используется для изготовления кухонной утвари и лабораторной посуды.

Свинцовое стекло имеет высокий показатель преломления и используется для изготовления изделий из хрустального стекла. Типичное свинцовое стекло содержит около 8% оксида хорошее хрустальное стекло содержит больше свинца.

Стекловолокно получают разными способами, например капая расплавленным стеклом на вращающийся диск из огнеупорного материала. Стекло разлетается от диска, образуя тонкие нити. Стекловолокно используется для изготовления теплоизоляционных панелей в автомобилестроении, а также деталей корпусов приборов в авиастроении.

Для придания окраски стеклу в него в процессе изготовления вводят оксиды различных d-металлов. Кобальт придает стеклу синюю либо розовую окраску в зависимости от количества присутствующих в стекле основных оксидов, таких как . Коричневая или зеленая окраска недорогих сортов стекла, используемых для изготовления винных и пивных бутылок, обусловлена соединениями железа, которые присутствуют в песке, используемом для изготовления такого стекла.

Оптические волокна изготовляют из кварцевого стекла. Кварцевое стекло получают, расплавляя кварц. Кварцевое стекло обладает прекрасной оптической прозрачностью. Однако кварцевое стекло, используемое для получения оптического волокна, должно быть чрезвычайно чистым. Количество примесей в нем, например железа и меди, должно быть снижено до такого уровня, чтобы оно не превышало одной части на 10°. По этой причине кварцевое стекло, используемое для изготовления оптического волокна, получают непосредственно по реакции кислорода с хлоридом проводимой в газовой фазе. Хлорид может быть получен с чрезвычайно высокой чистотой, характеризуемой как «электронная степень чистоты».

Оптическое волокно имеет сердцевину, которая служит для пропускания света, и оболочку с меньшим показателем преломления, которая препятствует потерям света через боковые стороны. Волокно, имеющее толщину человеческого волоса, окружается защитной оболочкой кремния либо органического полимерного материала.

Оптические волокна используются для передачи телевизионных программ, телефонных разговоров, выходных данных компьютеров и других приборов. Согласно некоторым предсказаниям, оптические волокна постепенно вытеснят медные проволочные кабели, которые обычно используются для этих целей.

Жидкое стекло представляет собой водный раствор силиката натрия Его получают, сплавляя кремнезем с какой-нибудь щелочью, например гидроксидом натрия, либо с карбонатом натрия. Силикат натрия является сильным основанием. При его подкислении образуется гель. Он представляет собой полимерную кислоту, которой приписывается следующая структура:

При нагревании этого материала происходит его дегидратация, и он образует силикагель. Силикагель имеет очень развитую поверхность. Он используется в качестве осушителя, а также как инертный носитель для некоторых тонкоизмельченных катализаторов.

Силиконы

Так называются кремнийорганические полимерные соединения, скелет которых образуют чередующиеся атомы кремния и кислорода, связанные между собой. К атомам кремния присоединены алкильные или арильные группы (см. гл. 17). В качестве примера приведем такую структуру:

Силиконы представляют собой маслянистые, жирные, смолистые либо каучуковидные вещества. Их получают гидролизом хлоросиланов, например диметилхлоросилана Алкил- или арилхлоросиланы получают с помощью реактивов Гриньяра (см. разд. 19.1) либо пропусканием паров алкил- или арилгалогенидов над гранулами кремния в присутствии медного катализатора при температуре порядка 300 °С:

Силиконы термически устойчивы и взаимодействуют с большинством химических веществ. Они обладают хорошими водоотталкивающими свойствами и используются как влагозащитные материалы. Кроме того, их используют в качестве технических масел, смазочных веществ и изоляторов, а также масляных лаков, красок и политур.

- характеристика элемента кремния: электронное строение, возможные степени окисления, основные соединения: оксид, гидроксид. Аморфный и кристаллический кремний.

Кремний – элемент 3-го периода и IVA-группы Периодической системы, порядковый номер 14. Электронная формула атома 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 = [ 10 Ne]3s 2 3p 2 . Характерная степень окисления в соединениях +IV.

Шкала степеней окисления кремния:

Электроотрицательность кремния невысока для неметаллов (2,25). Проявляет неметаллические (кислотные) свойства; образует оксиды, кремниевые кислоты, очень большое число солей – силикатов в виде цепей, лент и трехмерных сеток тетраэдров , бинарные соединения. В настоящее время широко развивается химия органических соединений кремния со связями Si – С и кремнийорганических полимеров – силиконов и силиконовых каучуков со связями Si – Si, Si – О и Si – С.

Важнейший элемент неживой природы, второй по химической распространенности. Встречается только в связанном виде. Жизненно важный элемент для многих организмов.

Кремний Si – Простое вещество. Крупнокристаллический – темно-серый, с металлическим блеском, весьма твердый, очень хрупкий, непрозрачный, тугоплавкий, распространенный полупроводник. Кристаллическая решетка – атомная, связи Si – Si очень прочные. Аморфный – белый или желто-коричневый (с примесями, в основном Fe), химически более активен. Устойчив на воздухе (покрыт прочной оксидной пленкой), не реагирует с водой. Реагирует с HF (конц.), щелочами. Окисляется кислородом, хлором. Восстанавливается магнием. Спекается с графитом. Промышленно важным является сплав с железом – ферросилиций (12–90 % Si). Применяется как легирующая добавка в стали и сплавы цветных металлов, компонент полупроводниковых материалов для микроэлектроники, основа силиконов.

Уравнения важнейших реакций:

Получение в промышленности: восстановление SiCl 4 или SiO 2 при прокаливании:

SiCl 4 + 2Zn = Si + 2ZnCl 2

SiO 2 + 2Mg = Si + 2MgO

(последняя реакция может быть осуществлена и в лаборатории, после обработки соляной кислотой остается аморфный кремний).

Диоксид кремния SiO 2 – Кислотный оксид. Белый порошок (кварцевый песок) и прозрачные кристаллы, природный продукт окрашен примесями (кремнезём) – в виде обычного песка и камня(кремень). Кристаллическая решетка атомная, каждый атом кремния окружен четырьмя атомами кислорода , а каждый атом кислорода – двумя атомами кремния . Имеет несколько кристаллических модификаций (все минералы), важнейшие - кварц, тридимити кристобалит, редко встречающиеся и искусственно полученные - китит, коэсит, стишовит, меланофлогит, волокнистый кремнезём.Тугоплавкий , при медленном охлаждении расплава образуется аморфная форма – кварцевое стекло (в природе минерал лешательеит). Наиболее химически активна аморфная форма.

Практически не реагирует с водой (из раствора осаждается гидрат SiO 2 nН 2 O), распространенными кислотами. Кварцевое стекло разъедается в HF (конц.). Реагирует со щелочами в растворе (образуетортосиликаты) и при сплавлении (продукты - метасиликаты). Легко хлорируется в присутствии кокса. Восстанавливается коксом, магнием, железом (в доменном процессе).

Применяется как промышленное сырье в производстве кремния, обычного, термо– и химически стойкого стекла,

фарфора, керамики, абразивов и адсорбентов, наполнитель резины, смазок, клеев и красок, компонент строительных связующих растворов, в виде монокристаллов кварца – основа генераторов ультразвука и точного хода кварцевых часов. Разновидности кварца (горный хрусталь, розовый кварц, аметист, дымчатый кварц, халцедон, оникси др.) – драгоценные, полудрагоценные или поделочные камни.

Уравнения важнейших реакций:

Полигидрат диоксида кремнияSiO 2 nH 2 O – Кремниевые кислоты с переменным содержанием SiO 2 и Н 2 O. Белый, аморфный (стекловидный) полимер с цепочечным, ленточным, листовым, сетчатым и каркасным строением. При нагревании постепенно разлагается. Очень мало растворим в воде. Над осадком в растворе существует мономерная слабая ортокремниевая кислота H 4 SiO 4 (тетраэдрическое строение, sр 3 -гибридизация), растворимость 0,00673 г/100 г Н 2 O при 20 °C. При стоянии раствора идет поликонденсация и медленно образуются вначале кремниевые кислоты H 6 Si 2 O 7 , H 2 Si 2 O 5 , H 10 Si 2 O 9 , затем гидрозоль n (золь метакремниевой кислоты) и, наконец, гидрогель SiO 2 nН 2 O (n < 2). При высушивании гидрогель переходит в силикагель SiO 2 nН 2 O (n < 1). Скорость гелеобразования максимальна в слабокислотной среде.

Переводится в раствор действием концентрированных щелочей. По остальным химическим свойствам подобен SiO 2 . В природе – минералы опал и халцедон (агат, яшма). Мономерная метакремниевая кислота H 2 SiO 3 не получена.

Уравнения важнейших реакций:

Получение : вытеснение сильной кислотой из раствора силиката, например:

K 2 SiO 3 + 2НCl + (n – 1) Н 2 O = 2КCl + SiO 2 nН 2 O ↓

Метасиликат натрияNa 2 SiO 3 – Оксосоль. Белый, при нагревании плавится без разложения. Растворяется в холодной воде (сильный гидролиз по аниону). Концентрированный раствор – коллоидный («жидкое стекло», содержит гидрозоль SiO 2 nН 2 O). Разлагается в горячей воде, реагирует с кислотами, щелочами, углекислым газом.

Применяется как компонент шихты в производстве стекла, специальных цементов и бетонов, входит в состав силикатных красок и клея, холодных глазурей, алюмосиликатных катализаторов, при изготовлении бумаги и картона, силикагеля, синтетических цеолитов. Уравнения важнейших реакций:

Получение : сплавление соды с песком

Na 2 SiO 3 + SiO 2 = СO 2 + Na 2 SiO 3 (1150 °C)

Силикаты. Кремний в степени окисления +IV находится, помимо SiO 2 , в весьма многочисленных и часто очень сложных по составу и строению силикат-ионах (так, кроме жетасиликат-иона SiO 3 2- иортосиликат-иона SiO 4 4- известны ионы Si 2 O 7 6- , Si 3 O 9 6- , Si 2 O 10 4- и др.). Для простоты записи все силикаты изображают как содержащие ион SiO 3 2- .

Насыщенный раствор силикатов натрия и калия (вязкое «жидкое стекло») используется как силикатный клей.

Силикаты натрия и кальция входят в состав стекла; его получают сплавлением кварца SiO 2 , известняка СаСO 3 и соды Na 2 CO 3:

Часто состав стекла выражают через оксиды, например, обычное стекло Na 2 O СаО 6SiO 2 .

Среди силикатных минералов отметим глины (алюмосиликаты ), очень чистая глина - каолин Al 2 O 3 2SiO 2 2Н 2 O используется для изготовления фарфора.

Силикаты и алюмосиликаты применяют в промышленности при производстве керамики, цемента, бетона и других строительных материалов.

Тетрахлорид кремнияSiCl 4 . Бинарное соединение. Бесцветная жидкость, обладает широким интервалом жидкого состояния. Молекула имеет тетраэдрическое строение (sр 3 -гибридизация). Термически устойчив. «Дымит» во влажном воздухе. Полностью гидролизуется водой. Разлагается щелочами. Восстанавливается водородом, натрием, цинком. Хлорирует оксид алюминия.

Применяется в производстве особо чистого кремния для полупроводниковой техники.

Уравнения важнейших реакций:

Получение в промышленности – хлорирование кремния или кварцевого песка SiO 2 .

Кристаллический кремний - это основная форма, в которой используется кремний при производстве фотоэлектрических преобразователей и твердотельных электронных приборов методами планарной технологии. Активно развивается использование кремния в виде тонких плёнок (эпитаксиальных слоёв) кристаллической и аморфной структуры на различных подложках.

Как самостоятельный химический элемент кремний стал известен человечеству всего лишь в 1825 году. Что, конечно, не мешало применять соединения кремния в таком количестве сфер, что проще перечислить те, где элемент не используется. Данная статья прольет свет на физические, механические и полезные химические свойства кремния и его соединений, области применения, также мы расскажем о том, как влияет кремний на свойства стали и иных металлов.

Для начала давайте остановимся на общей характеристике кремния. От 27,6 до 29,5% массы земной коры составляет кремний. В морской воде концентрация элемента тоже изрядная – до 3 мг/л.

По распространенности в литосфере кремний занимает второе почетное место после кислорода. Однако наиболее известная его форма – кремнезем, является диоксидом, и именно его свойства и стали основой для столь широкого применения.

О том, что такое кремний, расскажет этот видеосюжет:

Понятие и особенности

Кремний – неметалл, однако при разных условиях может проявлять и кислотные, и основные свойства. Является типичным полупроводником и чрезвычайно широко используется в электротехнике. Физические и химические его свойства во многом определяются аллотропным состоянием. Чаще всего дело имеют с кристаллической формой, поскольку ее качества более востребованы в народном хозяйстве.

• Кремний – один из базовых макроэлементов в человеческом теле. Его нехватка губительно сказывается на состоянии костной ткани, волос, кожи, ногтей. Кроме того, кремний оказывает влияние на работоспособность иммунной системы.
• В медицине элемент, вернее говоря, его соединения нашли свое первое применение именно в этом качестве. Вода из колодцев, выложенных кремнием, отличались не только чистотой, но и положительно сказывалась на стойкости к инфекционным болезням. Сегодня соединение с кремнием служат основой для препаратов против туберкулеза, атеросклероза, артрита.
• В целом неметалл малоактивен, однако и в чистом виде встретить его сложно. Связано это с тем, что на воздухе он быстро пассивируется слоем диоксида и перестает реагировать. При нагревании химическая активность увеличивается. В результате человечество гораздо ближе знакомо с соединениями вещества, а не с ним самим.

Так, кремний образует сплавы практически со всеми металлами – силициды. Все они отличаются тугоплавкостью и твердостью и применяются на соответствующих участках: газовые турбины, нагреватели печей.

Размещается неметалл в таблице Д. И. Менделеева в 6 группе вместе с углеродом, германием, что указывает на определенную общность с этими веществами. Так, с углеродом его «роднит» способность к образованию соединений по типу органических. При этом кремний, как и германий может проявить свойства металла в некоторых химических реакциях, что используется в синтезе.

Плюсы и минусы

Как и всякое другое вещество с точки зрения применения в народном хозяйстве, кремний обладает определенными полезными или не слишком качествами. Важны они именно для определения области использования.

• Немалым достоинством вещества является его доступность . В природе он, правда, находится не в свободном виде, но все же, технология получения кремния не так уж и сложна, хотя и энергозатратна.
• Второе важнейшее достоинство – образование множества соединений с необыкновенно полезными свойствами. Это и силаны, и силициды, и диоксид, и, конечно, разнообразнейшие силикаты. Способность кремния и его соединений образовывать сложные твердые растворы практически бесконечна, что позволяет бесконечно же получать самые разные вариации стекла, камня и керамики.
• Полупроводниковые свойства неметалла обеспечивает ему место базового материала в электро- и радиотехнике.
• Неметалл является нетоксичным , что допускает применение в любой отрасли промышленности, и при этом не превращает технологический процесс в потенциально опасный.

К недостаткам материала можно отнести лишь относительную хрупкость при хорошей твердости. Кремний не используется для несущих конструкций, но зато это сочетание позволяет обрабатывать должным образом поверхность кристаллов, что важно для приборостроения.

Давайте теперь поговорим про основные свойства кремния.

Свойства и характеристики

Поскольку в промышленности чаще всего эксплуатируется кристаллический кремний, то именно его свойства и являются более важными, и именно они и приводятся в технических характеристиках. Физические свойства вещества таковы:

• температура плавления – 1417 С;
• температура кипения – 2600 С;
• плотность составляет 2,33 г/куб. см, что свидетельствует о хрупкости;
• теплоемкость, как и теплопроводность не постоянны даже на самых чистых пробах: 800 Дж/(кг·К), или 0,191 кал/(г·град) и 84-126 вт/(м·К), или 0,20-0,30 кал/(см·сек·град) соответственно;
• прозрачен для длинноволнового ИК-излучения, что используется в инфракрасной оптике;
• диэлектрическая проницаемость – 1,17;
• твердость по шкале Мооса – 7.

Электрические свойства неметалла сильно зависят от примесей. В промышленности эту особенность используют, модулируя нужный тип полупроводника. При нормальной температуре кремний хрупок, но при нагревании выше 800 С возможна пластическая деформация.

Свойства аморфного кремния разительно отличаются: он сильно гигроскопичен, намного активнее вступает в реакцию даже при нормальной температуре.

Структура и химический состав, а также свойства кремния рассмотрены в видеоролике ниже:

Состав и структура

Кремний существует в двух аллотропных формах, одинаково устойчивых при нормальной температуре.

• Кристаллический имеет вид темно-серого порошка. Вещество, хотя и имеет алмазоподобную кристаллическую решетку, является хрупким – из-за чересчур длинной связи между атомами. Интерес представляют его свойства полупроводника.
• При очень высоких давлениях можно получить гексагональную модификацию с плотностью 2,55 г/куб. см. Однако эта фаза практического значения пока не нашла.
• Аморфный – буро-коричневый порошок. В отличие от кристаллической формы намного активнее вступает в реакцию. Связано это не столько с инертностью первой формы, сколько с тем, что на воздухе вещество покрывается слоем диоксида.

Кроме того, необходимо учитывать и еще один тип классификации, связанный с величиной кристалла кремния, которые в совокупности образуют вещество. Кристаллическая решетка, как известно, предполагают упорядоченность не только атомов, но и структур, которые эти атомы образуют – так называемый дальний порядок. Чем он больше, тем более однородным по свойствам будет вещество.

• Монокристаллический – образец представляет собой один кристалл. Структура его максимально упорядочена, свойства однородны и хорошо предсказуемы. Именно такой материал наиболее востребован в электротехнике. Однако он же относится к самому дорогому виду, поскольку процесс его получения сложен, а скорость роста низка.
• Мультикристаллический – образец составляет некоторое количество крупных кристаллических зерен. Границы между ними формируют дополнительные дефектные уровни, что снижает производительность образца, как полупроводника и приводит к более быстрому износу. Технология выращивания мультикристалла проще, потому и материал дешевле.
• Поликристаллический – состоит из большого количества зерен, расположенных хаотически относительно друг друга. Это наиболее чистая разновидность промышленного кремния, применяется в микроэлектронике и солнечной энергетике. Довольно часто используется в качестве сырья для выращивания мульти- и монокристаллов.
• Аморфный кремний и в этой классификации занимает отдельную позицию. Здесь порядок расположения атомов удерживается только на самых коротких дистанциях. Однако в электротехнике он все же используется в виде тонких пленок.

Производство неметалла

Получить чистый кремний не так уж и просто, учитывая инертность его соединений и высокую температуру плавления большинства из них. В промышленности чаще всего прибегают к восстановлению углеродом из диоксида. Проводят реакцию в дуговых печах при температуре 1800 С. Таким образом получают неметалл чистотой в 99,9%, что для его применения недостаточно.

Полученный материал хлорируют с тем, чтобы получить хлориды и гидрохлориды. Затем соединения очищают всеми возможными методами от примесей и восстанавливают водородом.

Очистить вещество можно и за счет получения силицида магния. Силицид подвергают действию соляной или уксусной кислоты. Получают силан, а последний очищают различными способами – сорбционным, ректификацией и так далее. Затем силан разлагают на водород и кремний при температуре в 1000 С. В этом случае получают вещество с долей примеси 10 -8 –10 -6 %.

Применение вещества

Для промышленности наибольший интерес представляют электрофизические характеристики неметалла. Его монокристаллическая форма является непрямозонным полупроводником. Свойства его определяются примесями, что позволяет получать кристаллы кремния с заданными свойствами. Так, добавка бора, индия дает возможность вырастить кристалл с дырочной проводимостью, а введение фосфора или мышьяка – кристалл с электронной проводимостью.

• Кремний в буквальном смысле слова служит основой современной электротехники. Из него изготавливают транзисторы, фотоэлементы, интегральные схемы, диоды и так далее. Причем функциональность прибора определяет практически всегда только приповерхностный слой кристалла, что обуславливает весьма специфические требования именно к обработке поверхности.
• В металлургии технический кремний применяют и как модификатор сплавов – придает большую прочность, и как компонент – в , например, и как раскислитель – при производстве чугуна.
• Сверхчистый и очищенный металлургический составляют основу солнечной энергетики.
• Диоксид неметалла встречается в природе в очень разных формах. Его кристаллические разновидности – опал, агат, сердолик, аметист, горный хрусталь, нашли свое место в ювелирном деле. Не столь привлекательные внешне модификации – кремень, кварц, используются и в металлургии, и в строительстве, и в радиоэлектротехнике.
• Соединение неметалла с углеродом – карбид, применяется и в металлургии, и в приборостроении, и в химической промышленности. Он является широкозональным полупроводником, отличается высокой твердостью – 7 по шкале Мооса, и прочностью, что и позволяет применять его в качестве абразивного материала.
• Силикаты – то есть, соли кремниевой кислоты. Неустойчивы, легко разлагаются под действием температуры. Примечательность их в том, что они образуют многочисленные и разнообразные соли. А вот последние являются основой при производстве стекла, керамики, фаянса, хрусталя, и . Можно смело сказать, что современное строительство зиждется на разнообразных силикатах.
• Стекло представляет здесь наиболее интересный случай. Основой его служат алюмосиликаты, но ничтожные примеси других веществ – обычно оксидов, придают материалу массу разных свойств, в том числе и цвет. – , фаянс, фарфор, по сути, имеет ту же формулу, хотя и с другим соотношением компонентов, и ее разнообразие тоже поразительно.
• Неметалл обладает еще одной способностью: образует соединения по типу углеродных, в виде длинной цепочки из атомов кремния. Такие соединения носят название кремнийорганических. Сфера их применения не менее известна – это силиконы, герметики, смазки и так далее.

Кремний – очень распространенный элемент и имеет необыкновенно большое значение в очень многих сферах народного хозяйства. Причем активно используется не только само вещество, но все его разнообразные и многочисленные соединения.

Данное видео расскажет о свойствах и применении кремния:

Процессор? Песок? А какие у вас с этим словом ассоциации? А может Кремниевая долина?
Как бы там ни было, с кремнием мы сталкиваемся каждый день и если вам интересно узнать что такое Si и с чем его едят, прошу под кат.

Введение

Silicium

Историческая справка

Кремний очень распространен в природе в составе обыкновенного песка

Распространение Кремния в природе

Физические свойства Кремния

Химические свойства Кремния

Получение Кремния

Кремний технической чистоты (95-98%) получают в электрической дуге восстановлением кремнезема SiO2 между графитовыми электродами. В связи с развитием полупроводниковой техники разработаны методы получения чистого и особо чистого кремния. Это требует предварительного синтеза чистейших исходных соединений кремния, из которых кремний извлекают путем восстановления или термического разложения.
Поликристаллический кремний («поликремний») - наиболее чистая форма промышленно производимого кремния - полуфабрикат, получаемый очисткой технического кремния хлоридными и фторидными методами и используемый для производства моно- и мультикристаллического кремния.
Традиционно поликристаллический кремний получают из технического кремния путём перевода его в летучие силаны (моносилан, хлорсиланы, фторсиланы) с последующими разделением образующихся силанов, ректификационной очисткой выбранного силана и восстановлением силана до металлического кремния.
Чистый полупроводниковый кремний получают в двух видах: поликристаллический (восстановлением SiCl4 или SiHCl3 цинком или водородом, термическим разложением SiI4 и SiH4) и монокристаллический (бестигельной зонной плавкой и «вытягиванием» монокристалла из расплавленного кремния - метод Чохральского).

Тут можно увидеть процесс выращивания кремния, методом Чохральского.

Метод Чохральского - метод выращивания кристаллов путём вытягивания их вверх от свободной поверхности большого объёма расплава с инициацией начала кристаллизации путём приведения затравочного кристалла (или нескольких кристаллов) заданной структуры и кристаллографической ориентации в контакт со свободной поверхностью расплава.

Применение Кремния

Сверхчистый кремний и продукт его производства

Кремний в организме

Заключение

Физические свойства. Кремний хрупок. При нагревании выше 800° C увеличивается его пластичность. Он устойчив к воздействию кислот. В кислой среде покрывается нерастворимой пленкой оксида и пассивируется.

Микроэлемент прозрачен для инфракрасного излучения, начиная с длины волны 1,1 мкм.

Химические свойства. Кремний взаимодействует:

• с галогенами (фтором) с проявлением восстановительных свойств: Si + 2F2 = SiF4. С хлороводородом вступает в реакцию при 300° С, с бромоводородом – при 500° С;
• с хлором при нагревании до 400–600° С: Si + 2Cl2 = SiCl4;
• с кислородом при нагревании до 400–600° С: Si + O2 = SiO2;
• с другими неметаллами. При температуре 2000° С реагирует с углеродом (Si + C = SiC) и бором (Si + 3B = B3Si);
• с азотом при температуре 1000° С: 3Si + 2N2 = Si3N4;
• с металлами с образованием силицидов: 2Ca + Si = Ca2Si;
• с кислотами – только со смесью плавиковой и азотной кислот: 3Si + 4HNO3 + 18HF = 3H2 + 4NO + 8H2O;
• с щелочью. Кремний растворяется и образуется силикат и водород: Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + H2.

С водородом не взаимодействует.

Взаимодействие в организме с витаминами и минералами

Кремний взаимодействует с витаминами , и . Сочетание злаков с цитрусовыми и зелеными овощами считается самым полезным.

Кремний участвует в борьбе со свободными радикалами. Взаимодействуя с тяжелыми металлами (свинцом), микроэлемент образует устойчивые соединения. Они выводятся мочеполовой системой. То же самое происходит со шлаками и токсичными веществами.

Кремний улучшает усвоение железа (Fe) и кальция (Ca) , кобальта (Cb), марганца (Mn), фтора (F).

Снижение концентрации кремния в соединительной ткани приводит к поражению сосудов, атеросклерозу, нарушению прочности костной ткани.

Роль кремния в возникновении и течении различных заболеваний

При недостатке кремния в организме увеличивается концентрация холестерина в крови. Из-за этого образуются холестериновые бляшки, ухудшается отток.

При потреблении кремния менее 20 мг в сутки ослабевает иммунитет. Появляются аллергические высыпания, кожа становится сухой и шелушится, развивается грибок.

Волосы истончаются, кожа головы шелушится и появляется зуд. Ногтевые пластины деформируются.

Работоспособность и психическое состояние ухудшаются из-за нарушения оттока крови и насыщения головного мозга кислородом.

При понижении количества кремния в организме до 1,2-1,6% чревато возникновением инсульта, инфаркта, сахарного диабета, вируса гепатита и онкологии.

Переизбыток кремния приводит к отложению солей в мочевыводящих путях и суставах, фиброзу и патологиям кровеносных сосудов. При наихудшем сценарии увеличивается печень, отекают конечности, синеют кожные покровы, появляется одышка.

Функциональный потенциал кремния

Главная задача кремния в организме – формирование костной, хрящевой ткани и стенок сосудов. 90% минерала содержится в соединительной и костной ткани, лимфатических узлах, щитовидной железе, волосах и коже. Однако этим функциональный потенциал химического элемента не ограничивается. Благодаря кремнию:

• укрепляются кости и связки. Чем больше в первой минералов, тем она крепче. Снижение концентрации кремния в костной ткани чревато остеопорозом и атеросклерозом. Для хрящевой ткани, важен синтез гликозаминогликанов;
• предотвращается дегенерация межпозвоночных дисков. Последние состоят из пластинок хрящевой ткани. Чем меньше кремния, тем быстрее изнашивается пластинка. Если в ней образуется трещинка, начнет вытекать спинномозговая жидкость. Это чревато протрузиями и грыжей;
• восстанавливается костная ткань. Кости, связки и сухожилия срастаются очень трудно и долго;
• улучшается состояние кожных покровов, ногтей и волос. В них содержится наибольшая концентрация химического элемента. Сухая и шелушащаяся кожа, ломкие и тусклые волосы, слоящиеся ногти – признаки дефицита кремния;
• стабилизируется обмен веществ. Благодаря кремнию усваивается три четверти 70% химических элементов. Минерал участвует в белковом и углеводном обмене;
• укрепляется иммунитет. Благодаря кремнию ускоряется фагоцитоз – образование специальных клеток иммунной системы. Их главная функция – расщепление чужеродных белковых структур. Если в организм попадает вирусная инфекция, фагоциты обволакивают неприятеля и уничтожают;
• выводятся тяжелые металлы и токсины. Оксид кремния вступает в реакцию с ними, преобразует в нейтральные для организма соединения, которые выводятся наружу с мочой;
• укрепляются стенки сосудов, сердечные клапаны, оболочка органов желудочно-кишечного тракта. Основа стенки сосудов – эластина, который синтезируется при помощи кремния;
• снижается проницаемость стенок сосудов, уменьшаются признаки варикоза, тромбофлебита и васкулита;
• предотвращаются онкологические заболевания. Антиоксидантные свойства витаминов С, А, Е усиливаются при взаимодействии с кремнием. Бороться со свободными радикалами организму легче;
• предотвращаются заболевания головного мозга. При недостатке кремния стенки сосудов становятся более мягкими, плохо транспортируют кровь к головному мозгу, что приводит к гипоксии – кислородному голоданию, из-за которого мозг не функционирует на полную мощность. Отдавать и получать команды нейроны головного мозга без кремния не могут. В результате нарушается моторика движений, сужаются сосуды, болит и кружится голова, ухудшается самочувствие.

Источники кремния

• бурый рис – 1240;
• овсяная крупа – 1000;
• просо– 754;
• ячмень – 600;
• соя– 177;
• гречневая крупа – 120;
• фасоль – 92;
• Горох – 83;
• Топинамбур – 80;
• Кукуруза – 60;
• Фундук – 51;
• Шпинат – 42;
• Ряженка – 34;
• Петрушка – 31;
• Цветная капуста – 24;
• Салат зеленый листовой – 18;
• Персик – 10;
• Жимолость – 10.

Совет! Хотите быстро восполнить запасы кремния в организме? Забудьте о мясе с гарниром. Само по себе мясо, хоть и содержит достаточное количество кремния (30-50 мг в 100 г), препятствует его усвоению из других продуктов. Раздельное питание – наоборот. Сочетайте нешлифованный рис, ячмень, просо, пшено, гречку с овощами и фруктами. Устраивайте «разгрузочные» дни на абрикосах, грушах и вишне

Сочетание с другими питательными веществами

Избегайте сочетания кремния с алюминием. Действие последнего противоположно действию кремния.

Кремний совместно с другими микроэлементами участвует в химических реакциях синтеза коллагена и эластина, входящих в состав соединительной ткани кожи, волос и ногтей.

Кремний усиливает антиоксидантные свойства витаминов С, А, Е. Последние борются со свободными радикалами, вызывающими онкологические заболевания.

Для профилактики онкологических заболеваний употребляйте совместно такие продукты (описано в таблице)

Оксид кремния взаимодействует в организме с тяжелыми металлами (свинец) и токсинами. В результате химической реакции образуются устойчивые соединения, которые выводятся из организма почками.

Суточная норма

Суточная норма кремния (подано ниже) рассчитана только для взрослых. Верхний допустимый уровень потребления кремния для детей и подростков не установлен.

• Дети до 6 месяцев и после 7-ми – отсутствует.

• От 1 до 13 лет – отсутствует.
• Подростки (мужской и женский пол) – отсутствует.
• Взрослые – 20-50 мг.

При применении кремнийсодержащих препаратов (Атоксил) суточная дозировка у детей старше 7 лет и взрослых составляет 12 г. Максимальная доза препарата– 24 грамма в сутки. Для детей от года до 7 лет – 150-200 мг препарата на килограмм массы тела.

Недостаток и избыток кремния

Недостаток кремния может быть спровоцирован:

Недостаток кремния в организме опасен следующим состоянием:

• высокой концентрацией холестерина в крови. Холестерин засоряет кровеносные сосуды (образуются золестериновые «бляшки»), кровь становится более вязкой и ее отток ухудшается;
• предрасположенностью к грибковым болезням. Чем меньше кремния, тем слабее иммунитет. При попадании в организм вирусной инфекции фагоциты (специальные клетки иммунной системы) вырабатываются в недостаточном количестве;
• перхотью, выпадением и истончением волос. Упругость волос и кожи – заслуга эластина и коллагена, которые синтезируются благодаря кремнию. Недостаток его сказывается на состоянии кожных покровов, волос и ногтей;
• перепадами настроения. От насыщения головного мозга кислородом зависит не только работоспособность, но и психическое состояние человека. Из-за ослабленных стенок сосудов кровь плохо поступает в мозг. Кислорода для выполнения привычных мыслительных операций не хватает. Перепады настроения и ухудшение работоспособности – результат нехватки кремния. То же самое происходит при смене погоды;
• сердечно-сосудистыми заболеваниями. Причина та же – ослабленные стенки сосудов;
• сахарным диабетом. Причина – повышение концентрации глюкозы в крови и неспособность организма снизить ее.

• от 1,2 до 4,7% – инсульт и инфаркт;
• 1,4% и менее – сахарный диабет;
• 1,6% и менее – вирус гепатита;
• 1,3% - онкологические заболевания.

Совет! Кремний участвует во всех видах обмена. Запасенный в стенках сосудов, микроэлемент оберегает их от проникновения жиров в плазму крови и блокирует кровеносное русло

Увеличьте в рационе количество продуктов, содержащих кремний, во время:

• физической и эмоциональной усталости. Порция злаков на завтрак, большая тарелка зеленого салата на обед и стакан ряженки или кефира перед сном гарантируют заряд бодрости;
• беременности и грудного вскармливания Иммунитет малыша и матери зависит от правильного рациона. 20-50 мг кремния в день сделают кости крепкими, а кожу – упругой;
• подготовки к соревнованиям. Чем больше энергозатрат, тем больше кремнийсодержащих продуктов должно быть в рационе. Они предотвратят ломкость костей и растяжение связок и сухожилий;
• пубертатного периода. Болевые ощущения в коленях (болезнь Шлатера) – распространенное явление. Клетки костной ткани делятся быстрее, чем клетки соединительной. Последняя не только поддерживает кость в анатомически правильном положении, но и оберегает от механических повреждений. Клюква, грецкие орехи и груша – отличный перекус для подростка.

Если состояние кожи, волос и ногтей неудовлетворительное, налегайте на каши и соки. Виноградный сок на завтра, клюквенный на обед и грушевый не ужин – первый шаг к эластичной и подтянутой коже.

Чем угрожает избыток кремния

Заболеть из-за избытка кремния в рационе невозможно, но в зоне риска жители местностей с высоким содержанием кремния в почве или воде.

Из-за высокой концентрации кремния в организме:

• откладываются соли в мочевыводящих путях, суставах и других органах;
• развивается фиброз в кровеносных сосудах и во всем организме в целом. Симптомы: учащенное дыхание при легкой нагрузке, уменьшение жизненной емкости легких, пониженное артериальное давление;
• расширяется и гипертрофируется правый желудочек ("легочное сердце");
• увеличивается печень, отекают конечности, синеют кожные покровы;
• усиливается раздражительность, развивается астенический синдром;
• повышается риск заболеваний верхних дыхательных путей. Наиболее распространенное из них – силикоз. Недуг развивается из-за вдыхания пыли, содержащей диоксид кремния, и протекает в хронической форме. По мере прогрессирования заболевания в легких пациента разрастается соединительная ткань. Нормальный газообмен нарушается, а на его фоне развиваются туберкулез, эмфизема или рак легких.

В зоне риска – работники рудников, литейных цехов, производителей огнеупорных материалов и керамических изделий. О заболевании сигнализируют затрудненное дыхание, одышка и кашель. Симптомы усиливаются при физической нагрузке. Фарфоро-фаянсовые, стекольные производства, месторождения руд цветных и драгоценных металлов, пескоструйная очистка литья – потенциально опасные объекты.

О переизбытке кремния свидетельствуют снижение и повышение температуры тела, депрессивное состояние, общая усталость и сонливость.

При подобных признаках включите в рацион морковь, свёклу, картофель, топинамбур, а также абрикосы, вишню, бананы и клубнику.

Препараты, содержащие кремний

Несмотря на то, что в организме взрослого содержится 1-2 г кремния, дополнительная порция не помешает. В сутки, с пищей и водой, взрослый потребляет около 3,5 мг кремния. На основной обмен взрослый тратит в три раза больше - около 9 мг. Причины повышенного употребления кремния – плохая экология, окислительные процессы, провоцирующие образование свободных радикалов, стрессы. Одними кремнийсодержащими продуктами не обойтись – запаситесь препаратами или лекарственными растениями.

Рекордсмены по содержанию кремния можжевельник, хвощ полевой, пижма, полынь, гинкго двулопастный. А также ромашка полевая, тимьян, китайский орех и эвкалипт.

Восполнить дефицит кремния можно при помощи кремниевой воды. Одно из свойства микроэлемента – структуризация молекул воды. Такая вода не пригодна для жизни патогенных микроорганизмов, простейших, грибков, токсинов и чужеродных химических элементов.

Кремниевая вода по вкусу и свежести напоминает талую воду.

Чтоб очистить и обогатить воду кремнием в домашних условиях, необходимо:

• купить кремневые камушки в аптечном магазине – чем мельче, тем лучше (больше площадь соприкосновения кремня с водой);
• положить в воду из расчета 50 г камней на 3 литра воды;
• настаивать воду в стеклянной посуде при комнатной температуре в темном месте 3–4 дня. Чем дольше настаивается вода, тем более выражен лечебный эффект;
• готовую воду перелить в другую емкость, оставив нижний слой глубиной 3–4 см (его использовать нельзя из-за скопления токсинов).
• в герметичной емкости вода хранится до полутора лет.
• пить кремниевую воду можно в любом количестве для профилактики атеросклероза, гипертонической и мочекаменной болезней, патологии кожи и сахарного диабета, инфекционных и онкологических заболеваний, варикозного расширения вен и даже нервно-психических болезней.

Атоксил (Atoxil). Действующее вещество Атоксила – диоксид кремния.

Форма выпуска:

• порошок для приготовления суспензии;
• бутылки по 12 г препарата;
• флаконы по 10 мг препарата;
• пакеты-саше по 2 г, в упаковке 20 пакетиков.

Фармакологическое действие. Действует как энтеросорбент, оказывает ранозаживляющее, противоаллергическое, противомикробное, бактериостатическое и дезинтоксикационное действие.

В органах желудочно-кишечного тракта препарат всасывает экзогенные и эндогенные токсины (бактериальные и пищевые аллергены, эндотоксины микроорганизмов, токсические вещества) и выводит их.

Ускоряет транспортировку токсинов из крови, лимфы и тканей в пищеварительный тракт.

Показания: диарея, сальмонеллез, вирусный гепатит А и В, аллергические заболевания (диатез, атопический дерматит), ожоги, трофические язвы, гнойные раны.

Применяется при заболеваниях почек, энтероколитах, токсическом гепатите, циррозе печени, гепатохолецистите, наркотической и алкогольной интоксикации, заболеваниях кожи (экземе, дерматитах, нейродермитах), интоксикациях при гнойно-септических процессах и ожоговой болезни.

Как применять:

• Флакон. Открыть бутылку (флакон) с порошком, добавить до отметки 250 мл в чистую питьевую воду, взболтать до однородности.
• Пакетик-cаше. 1-2 пакетика-саше растворить в 100-150 мл чистой питьевой воды. Принимать за один час до приема пищи или лекарственных препаратов.

Длительность лечения острых кишечных инфекций – 3-5 суток. Курс терапии – до 15 суток. При лечении вирусных гепатитов – 7-10 суток.

Побочные действия эффекты: запоры.

Противопоказания: обострение язвенной болезни двенадцатиперстной кишки и желудка, эрозии и язвы слизистой оболочки толстого и тонкого отделов кишечника, кишечная непроходимость, повышенная чувствительность к диоксиду кремния.

Препарат не назначают детям до одного года, беременным и кормящим грудью.

Взаимодействие с лекарствами:

• с Ацетилсалициловой кислотой (Аспирин) – усиление дезагрегации тромбоцитов;
• с Симвастатином и Никотиновой кислотой – снижение в крови атерогенных фракций показателей липидного спектра и повышение уровня липопротеидов ВП и холестерина;
• с антисептиками (Трифураном, Фурациллином, Хлоргексидином, Бифураном и т.п.) – повышение эффективности терапии гнойно-воспалительных процессов.