Кремний (химический элемент): свойства, характеристика, формула. История открытия кремния

Многие современные технологические устройства и аппараты были созданы за счет уникальных свойств веществ, находящихся в природе. Человечество экспериментальным путем и тщательным изучением окружающих нас элементов постоянно модернизирует собственные изобретения - данный процесс называется техническим прогрессом. Он основан на элементарных, доступных каждому вещах, которые окружают нас в повседневной жизни. Например, песок: что может быть в нем удивительного и необычного? Ученые смогли выделить из него кремний – химический элемент, без которого не существовало бы компьютерной техники. Область его применения отличается разнообразием и постоянно расширяется. Это достигается за счет уникального свойства атома кремния, его структуры и возможности соединений с другими простыми веществами.

Характеристика

В периодической системе, разработанной Д. И. Менделеевым, кремний (химический элемент) обозначен символом Si. Относится к неметаллам, располагается в главной четвертой группе третьего периода, имеет атомный номер 14. Его соседство с углеродом не является случайным: во многом их свойства сопоставимы. В природе не встречается в чистом виде, так как является активным элементом и имеет достаточно прочные связи с кислородом. Основное вещество - кремнезем, который является оксидом, и силикаты (песок). При этом кремний (его природные соединения) является одним из наиболее распространенных химических элементов на Земле. По массовой доле содержания он занимает второе место после кислорода (более 28 %). Верхний слой земной коры содержит кремний в виде диоксида (это кварц), различные типы глин и песка. Вторую по распространенности группу составляют его силикаты. На глубине около 35 км от поверхности расположены слои гранита и базальтовые отложения, в состав которых входят кремневые соединения. Процент содержания в земном ядре пока не просчитан, но ближайшие к поверхности слои мантии (до 900 км) содержат силикаты. В составе морской воды концентрация кремния составляет 3 мг/л, лунный грунт на 40 % состоит из его соединений. Просторы космоса, которые человечество на сегодняшний день изучило, содержат этот химический элемент в больших количествах. Например, спектральный анализ метеоритов, которые приближались к Земле на расстояние, доступное исследователям, показал, что они состоят на 20 % из кремния. Существует вероятность формирования жизни на основе этого элемента в нашей галактике.

Исследовательский процесс

История открытия химического элемента кремния имеет несколько этапов. Многие вещества, систематизированные Менделеевым, использовались человечеством на протяжении веков. При этом элементы находились в природном виде, т .е. в соединениях, которые не подвергались химической обработке, и все их свойства не были известны людям. В процессе изучения всех особенностей вещества у него появлялись новые направления использования. Свойства кремния на сегодняшний день не изучены до конца - этот элемент при достаточно широком и разнообразном спектре применения оставляет простор для новых открытий будущим поколениям ученых. Современные технологии значительно ускорят данный процесс. В XIX веке многие знаменитые химики пытались получить кремний в чистом виде. Впервые это удалось сделать Л. Тенару и Ж. Гей-Люссаку в 1811 году, но открытие элемента принадлежит Й. Берцелиусу, который смог не только выделить вещество, но и описать его. Химик из Швеции получил кремний в 1823 году, для этого он использовал металлический калий и калиевую соль. Реакция происходила при катализаторе в виде высокой температуры. Полученное простое вещество серо-бурого цвета являло собой аморфный кремний. Кристаллический чистый элемент был получен в 1855 году Сент-Клер Девилем. Сложность выделения напрямую связана с высокой прочностью атомных связей. В обоих случаях химическая реакция направлена на процесс очищения от примесей, при этом аморфная и кристаллическая модели имеют разные свойства.

Кремний: произношение химического элемента

Первое название полученного порошка - кизель - было предложено Берцелиусом. В Великобритании и США кремний и по сей день называют не иначе, как силиций (Silicium) или силикон (Silicon). Термин происходит от латинского «кремень» (или «камень»), и в большинстве случаев его привязывают к понятию «земля» за счет широкого распространения в природе. Русское произношение данного химического вещества бывает разное, все зависит от источника. Его называли кремнеземом (Захаров применял такой термин в 1810 г.), сицилием (1824 год, Двигубский, Соловьев), кремнеземнием (1825 год, Страхов), и только в 1834 году российский химик Герман Иванович Гесс вводит наименование, которое до сегодняшнего момента используется в большинстве источников - кремний. В периодической системе Менделеева он обозначен символом Si. Как читается химический элемент кремний? Многие ученые англоязычных стран произносят его наименование как «си» или употребляют слово «силикон». Отсюда происходит известное на весь мир название долины, которая является научно-исследовательской и производственной площадкой компьютерной техники. Русскоязычное население называет элемент кремнием (от древнегреческого слова «утес, гора»).

Нахождение в природе: месторождения

Целые горные системы сложены из соединений кремния, который в чистом виде не встречается, ведь все известные минералы являются диоксидами или силикатами (алюмосиликатами). Удивительные по красоте камни используются людьми в качестве поделочного материала - это опалы, аметисты, кварцы различных типов, яшма, халцедон, агат, горный хрусталь, сердолик и многие другие. Образовались они благодаря вхождению в состав кремния различных веществ, которые определили их плотность, структуру, цвет и направление использования. Весь неорганический мир можно связать с этим химическим элементом, который в природной среде образует прочные связи с металлами и не металлами (цинк, магний, кальций, марганец, титан и т. д.). По сравнению с другими веществами, кремний достаточно легкодоступен для добычи в производственных масштабах: он содержится в большинстве видов руды и минералов. Поэтому активно разрабатываемые месторождения привязываются скорее к доступным источникам энергии, чем к территориальным скоплениям вещества. Кварциты и кварцевые пески есть во всех странах мира. Наиболее крупными производителями и поставщиками кремния являются: Китай, Норвегия, Франция, США (Западная Вирджиния, Огайо, Алабама, Нью-Йорк), Австралия, ЮАР, Канада, Бразилия. Все изготовители используют различные способы, которые зависят от вида выпускаемой продукции (технический, полупроводниковый, высокочастотный кремний). Химический элемент, дополнительно обогащенный или, наоборот, очищенный от всех видов примесей, имеет индивидуальные свойства, от которых зависит его дальнейшее использование. Это относится и к данному веществу. Строение кремния определяет сферу его применения.

История использования

Очень часто из-за схожести наименований люди путают кремний и кремень, однако понятия эти не тождественны. Внесем ясность. Как уже упоминалось, в природе кремний в чистом виде не встречается, чего нельзя сказать о его соединениях (тот же кремнезем). Основные минералы и горные породы, образуемые диоксидом рассматриваемого нами вещества — это песок (речной и кварцевый), кварц и кварциты, полевые шпаты и кремень. О последнем слышали, должно быть, все, ведь ему придается большое значение в истории развития человечества. С данным камнем связывают первые орудия труда, созданные людьми в период каменного века. Его острые грани, образующиеся при откалывании от основной породы, значительно облегчали труд древних домохозяек, а возможность заострения – охотников и рыболовов. Кремень не обладал прочностью металлических изделий, но вышедшие из строя инструменты было легко заменить новыми. Его использование в качестве огнива продолжалось многие века - вплоть до изобретения альтернативных источников.

Что касается современных реалий, свойства кремния позволяют эксплуатировать вещество для отделки помещений или создания керамической посуды, при этом, помимо прекрасного эстетичного вида, он имеет множество отличных функциональных качеств. Отдельное направление его применения связано с изобретением стекла около 3000 лет назад. Это событие дало возможность создавать зеркала, посуду, мозаичные витражи из соединений, содержащих кремний. Формула начального вещества дополнялась необходимыми составляющими, что позволяло придавать изделию требуемый цвет и влияло на прочность стекла. Удивительные по красоте и разнообразию произведения искусства были сделаны человеком из минералов и камней, содержащих кремний. Целебные свойства этого элемента были описаны учеными древности и применялись на протяжении всей истории человечества. Им выкладывали колодцы для питьевой воды, кладовые для хранения продуктов, использовали как в быту, так и в медицине. Порошок, полученный в результате измельчения, прикладывали к ранам. Особое внимание уделялось воде, которая настаивалась в посуде, сделанной из соединений, содержащих кремний. Химический элемент взаимодействовал с ее составом, что позволяло уничтожать ряд болезнетворных бактерий и микроорганизмов. И это еще далеко не все отрасли, где рассматриваемое нами вещество весьма и весьма востребовано. Строение кремния обуславливает его многофункциональность.

Свойства

Для более подробного ознакомления с особенностями вещества его необходимо рассмотреть с учетом всех возможных свойств. План характеристики химического элемента кремния включает в себя физические свойства, электрофизические показатели, изучение соединений, реакции и условия их прохождения и т. д. Кремний в кристаллической форме имеет темно-серый с металлическим отливом цвет. Решетка гранецентрированная кубическая имеет сходство с углеродной (алмаз), но за счет большей длины связей не настолько прочная. Пластичным её делает нагревание до 800 ^оС, в остальных случаях она остается хрупкой. Физические свойства кремния делают это вещество поистине уникальным: он является прозрачным для инфракрасного излучения. Температура плавления - 1410 ⁰С, кипения - 2600 ⁰С, плотность при нормальных условиях - 2330 кг/м³. Теплопроводность непостоянна, для различных образцов она принимается в приблизительном значении 25 ⁰С. Свойства атома кремния позволяют использовать его в качестве полупроводника. Это направление применения наиболее востребовано в современном мире. На величину электропроводности оказывает влияние состав кремния и элементы, находящиеся в соединении с ним. Так, для повышенной электронной проводимости используются сурьма, мышьяк, фосфор, для дырчатой – алюминий, галлий, бор, индий. При создании приборов с кремнием в качестве проводника применяется поверхностная обработка определенным агентом, который и оказывает влияние на работу аппарата.

Свойства кремния как отличного проводника используются достаточно широко в современном приборостроении. Особенно актуально его применение при производстве сложной техники (например, современные вычислительные устройства, компьютеры).

Кремний: характеристика химического элемента

В большинстве случаев кремний четырехвалентен, также встречаются связи, в которых он может иметь значение +2. При нормальных условиях он малоактивен, имеет прочные соединения, при комнатной температуре может вступить в реакцию только со фтором, находящимся в газообразном агрегатном состоянии. Это объясняется эффектом блокирования поверхности диоксидной пленкой, который наблюдается при взаимодействии с окружающим кислородом или водой. Для стимуляции реакций необходимо применять катализатор: повышение температуры идеально подходит для такого вещества, как кремний. Химический элемент взаимодействует с кислородом при 400-500 ⁰С, в результате диоксидная пленка увеличивается, идет процесс окисления. При повышении температуры до 50 ⁰С наблюдается реакция с бромом, хлором, йодом, в результате чего образуются летучие тетрагалогениды. С кислотами кремний не взаимодействует, исключение составляет смесь фтористоводородной и азотной, при этом любая щелочь в нагретом состоянии является растворителем. Кремневодороды образуются только путем разложения силицидов, в реакцию с водородом он не вступает. Наибольшей прочностью и химической пассивностью отличаются соединения с бором и углеродом. Высокую стойкость по отношению к щелочам и кислотам имеет соединение с азотом, которое происходит при температуре свыше 1000 ⁰С. Силициды получаются при реакции с металлами, и в этом случае от дополнительного элемента зависит валентность, которую показывает кремний. Формула вещества, образованного при участии переходного металла, является стойкой к воздействию кислот. Строение атома кремния напрямую влияет на его свойства и способность взаимодействовать с другими элементами. Процесс образования связей в природе и при воздействиях на вещество (в лабораторных, промышленных условиях) различается значительно. Строение кремния предполагает его химическую активность.

Строение

Схема строения атома кремния имеет свои особенности. Заряд ядра +14, что соответствует порядковому номеру в периодической системе. Количество заряженных частиц: протонов – 14; электронов – 14; нейтронов – 14. Схема строения атома кремния имеет следующий вид: Si +14) 2) 8) 4. На последнем (внешнем) уровне расположено 4 электрона, что определяет степень окисления со знаком «+» или «-». Оксид кремния имеет формулу SiO₂ (валентность 4+), летучее водородное соединение - SiH₄ (валентность -4). Большой объем атома кремния позволяет в некоторых соединениях иметь координационное число 6, например, при соединении со фтором. Молярная масса - 28, радиус атома - 132 пм, конфигурация электронной оболочки: 1S²2S²2P⁶3S²3P².

Применение

Поверхностно или полностью легированный кремний используется в качестве полупроводника при создании многих, в том числе высокоточных, приборов (например, солнечные фотоэлементы, транзисторы, выпрямители тока и т. д.). Сверхчистый кремний применяется для создания солнечных батарей (энергетика). Монокристаллический вид используется для изготовления зеркал и газового лазера. Из соединений кремния получают стекло, керамическую плитку, посуду, фарфор, фаянс. Многообразие получаемых видов товаров описать сложно, их эксплуатация происходит на бытовом уровне, в искусстве и науке, на производстве. Получаемый цемент служит сырьем для создания строительных смесей и кирпича, отделочных материалов. Распространение масел, смазки на основе кремнийорганических соединений позволяет значительно уменьшить силу трения в подвижных частях многих механизмов. Силициды за счет уникальных свойств в области противодействия агрессивным средам (кислотам, температурам) широко применяются в промышленности. Их электрические, ядерные и химические показатели принимают во внимание специалисты на сложных производствах, не последнюю роль играет и строение атома кремния.

Мы перечислили самые наукоемкие и передовые на сегодняшний день сферы применения. Наиболее распространенный, изготавливаемый в больших объемах технический кремний используется по целому ряду направлений:

1. В качестве сырья для производства более чистого вещества.
2. Для легирования сплавов в металлургической промышленности: наличие кремния увеличивает тугоплавкость, повышает устойчивость к коррозии и механическую прочность (при избытке данного элемента сплав может оказаться слишком хрупким).
3. В качестве раскислителя для удаления лишнего кислорода из металла.
4. Сырье для производства силанов (соединений кремния с органическими веществами).
5. Для производства водорода из сплава кремния с железом.
6. Изготовление солнечных батарей.

Велико значение данного вещества и для нормального функционирования организма человека. Строение кремния, его свойства являются в данном случае определяющими. При этом переизбыток или недостаток его ведет к серьезным заболеваниям.

В организме человека

Медицина достаточно давно использует кремний в качестве бактерицидного и антисептического средства. Но при всей пользе наружного применения данный элемент должен постоянно возобновляться в организме человека. Нормальный уровень его содержания позволит улучшить жизнедеятельность в целом. В случае его недостатка более 70 микроэлементов и витаминов не будут усвоены организмом, что значительно понизит сопротивляемость к целому ряду заболеваний. Наибольшее процентное соотношение кремния наблюдается в костях, коже, сухожилиях. Он играет роль структурного элемента, который поддерживает прочность и придает упругость. Все скелетные твердые ткани формируются за счет его соединений. В результате последних исследований обнаружено содержание кремния в почках, поджелудочной железе и соединительных тканях. Роль данных органов в функционировании организма достаточно велика, поэтому снижение его содержания губительно отразится на многих основных показателях жизнеобеспечения. В сутки с пищей и водой организм должен получать 1 грамм кремния - это поможет избежать возможных болезней, таких как воспалительные процессы кожного покрова, размягчение костей, образование камней в печени, почках, ухудшение зрения, состояния волос и ногтей, атеросклероз. При достаточном уровне содержания данного элемента повышается иммунитет, нормализуются обменные процессы, улучшается усвоение многих элементов, необходимых для здоровья человека. Наибольшее количество кремния - в злаковых культурах, редисе, гречневой крупе. Значительную пользу принесет кремниевая вода. Для определения количества и частоты ее использования лучше проконсультироваться со специалистом.