Кремний: қолданылуы, химиялық және физикалық қасиеттері

2024 Автор: Angel Austin | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2023-12-17 05:33

Табиғаттағы ең көп таралған элементтердің бірі - кремний немесе кремний. Мұндай кең таралу бұл заттың маңыздылығы мен маңыздылығы туралы айтады. Мұны кремнийді өз мақсаттары үшін дұрыс пайдалануды үйренген адамдар тез түсінді және қабылдады. Оның қолданбасы арнайы қасиеттерге негізделген, олар туралы кейінірек айтатын боламыз.

Кремний – химиялық элемент

Егер берілген элементті периодтық жүйедегі орны бойынша сипаттайтын болсақ, біз келесі маңызды нүктелерді анықтай аламыз:

1. Реттік сан - 14.
2. Кезең үшінші шағын.
3. Топ - IV.
4. Қосалқы топ - негізгі.
5. Сыртқы электронды қабаттың құрылымы 3s²3p² формуласымен өрнектеледі.
6. Кремний элементі Si химиялық белгісімен белгіленеді, ол "силиций" деп оқылады.
7. Оның көрсететін тотығу күйі: -4; +2; +4.
8. Атомның валенттілігі IV.
9. Кремнийдің атомдық массасы 28,086.
10. Табиғатта бұл элементтің массалық сандары 28, 29 және 30 болатын тұрақты үш изотопы бар.

Сонымен атомХимиялық тұрғыдан алғанда, кремний жақсы зерттелген элемент, оның көптеген әртүрлі қасиеттері сипатталған.

Табу тарихы

Қарап отырған элементтің әртүрлі қосылыстары табиғатта өте танымал және мазмұны жағынан массивті болғандықтан, адамдар ежелден олардың көпшілігінің қасиеттерін қолданып, білген. Таза кремний ұзақ уақыт бойы химияда адам танымайтын болып қала берді.

Ежелгі мәдениет халықтары (мысырлықтар, римдіктер, қытайлар, орыстар, парсылар және т.б.) күнделікті өмірде және өнеркәсіпте қолданатын ең танымал қосылыстар кремний оксиді негізіндегі асыл және сәндік тастар болды. Оларға мыналар жатады:

• opal;
• ринстон;
• топаз;
• хризопраз;
• оникс;
• халцедон және басқалар.

Сонымен қатар кварц пен кварц құмын құрылыста пайдалану ерте заманнан бері қалыптасқан. Дегенмен, элементар кремнийдің өзі 19 ғасырға дейін ашылмаған күйінде қалды, дегенмен көптеген ғалымдар катализаторларды, жоғары температураны және тіпті электр тогын қолданып, оны әртүрлі қосылыстардан оқшаулауға бекер тырысты. Мыналар сияқты жарқын ақылдар:

• Карл Шееле;
• Гей-Люссак;
• Тенар;
• Хамфри Дэви;
• Антуан Лавуазье.

Йенс Джейкобс Берцелиус 1823 жылы таза кремнийді сәтті ала алды. Ол үшін кремний фториді мен металдық калий буларын біріктіру бойынша тәжірибе жүргізді. Нәтижесінде ол қарастырылып отырған элементтің аморфты модификациясын алды. Сол ғалым ашылған атомның латынша атауын ұсынды.

Біраз уақыттан кейін, 1855 жылы тағы бір ғалым - Сент Клэр-Девиль тағы бір аллотропты сортты - кристалды кремнийді синтездей алды. Содан бері бұл элемент және оның қасиеттері туралы білім өте тез өсе бастады. Адамдар оның өз қажеттіліктерін қанағаттандыру үшін өте ақылды түрде пайдалануға болатын бірегей мүмкіндіктері бар екенін түсінді. Сондықтан бүгінгі күні электроника мен технологиядағы ең сұранысқа ие элементтердің бірі кремний болып табылады. Оны пайдалану жыл сайын тек шекарасын кеңейтеді.

Атомның орысша атауын 1831 жылы ғалым Гесс берген. Бұл күні бүгінге дейін сақталып қалды.

Табиғатта бар

Кремний табиғатта оттегінен кейінгі екінші орында. Оның жер қыртысының құрамындағы басқа атомдармен салыстырғандағы пайызы 29,5% құрайды. Сонымен қатар, көміртегі мен кремний - бір-бірімен қосылу арқылы тізбек құра алатын екі ерекше элемент. Сондықтан литосферада, гидросферада және биомассада болатын 400-ден астам әртүрлі табиғи минералдар соңғысы белгілі.

Кремний қай жерде кездеседі?

1. Топырақтың терең қабаттарында.
2. Тау жыныстарында, шөгінділерде және массивтерде.
3. Су қоймаларының, әсіресе теңіздер мен мұхиттардың түбінде.
4. Жануарлар әлемінің өсімдіктері мен теңіз өмірінде.
5. Адамдарда және жердегі жануарларда.

Бірнеше кең таралған минералдар мен тау жыныстарын белгілеуге болады, олардың құрамында көп мөлшердекремний. Олардың химиясы сонша, олардағы таза элементтің массалық мөлшері 75% жетеді. Дегенмен, нақты көрсеткіш материалдың түріне байланысты. Сонымен, кремнийі бар тау жыныстары мен минералдар:

• далалық шпаттар;
• слюда;
• амфиболдар;
• опал;
• халцедон;
• силикаттар;
• құмтастар;
• алюмосиликаттар;
• балшықтар және басқалар.

Теңіз жануарларының қабықтары мен сыртқы қаңқаларында жинақталатын кремний, сайып келгенде, су қоймаларының түбінде күшті кремний диоксиді шөгінділерін түзеді. Бұл осы элементтің табиғи көздерінің бірі.

Сонымен қатар, кремний өзінің таза табиғи түрінде – кристалдар түрінде болуы мүмкін екені анықталды. Бірақ мұндай депозиттер өте сирек кездеседі.

Кремнийдің физикалық қасиеттері

Егер сіз қарастырылып отырған элементті физикалық және химиялық қасиеттер жиынтығымен сипаттайтын болсаңыз, онда ең алдымен физикалық параметрлерді көрсету керек. Міне, бірнеше негізгілері:

1. Екі аллотропты модификация түрінде бар - аморфты және кристалды, олар барлық қасиеттерімен ерекшеленеді.
2. Кристалдық тор алмаз торына өте ұқсас, өйткені көміртегі мен кремний бұл жағынан бірдей дерлік. Дегенмен, атомдар арасындағы қашықтық әртүрлі (кремнийде көбірек), сондықтан алмас әлдеқайда қатты және күшті. Тор түрі - текше бетке бағытталған.
3. Зат өте сынғыш, жоғары температурада пластикке айналады.
4. Балу температурасы 1415˚C.
5. Температурақайнау температурасы - 3250˚С.
6. Заттың тығыздығы - 2,33 г/см³.
7. Байланыстың түсі күміс-сұр, өзіне тән металл жылтыры бар.
8. Жақсы жартылай өткізгіш қасиеттерге ие, ол белгілі бір агенттерді қосқанда өзгеруі мүмкін.
9. Суда, органикалық еріткіштерде және қышқылдарда ерімейді.
10. Сілтілерде ерекше ериді.

Кремнийдің белгіленген физикалық қасиеттері адамдарға оны басқаруға және оны әртүрлі өнімдер жасау үшін пайдалануға мүмкіндік береді. Мысалы, электроникада таза кремнийді пайдалану жартылай өткізгіштік қасиеттеріне негізделген.

Химиялық қасиеттері

Кремнийдің химиялық қасиеттері реакция жағдайларына өте тәуелді. Егер стандартты параметрлерде таза зат туралы айтатын болсақ, онда біз өте төмен белсенділікті белгілеуіміз керек. Кристалды да, аморфты кремний де өте инертті. Күшті тотықтырғыштармен (фтордан басқа) немесе күшті тотықсыздандырғыштармен әрекеттеспеңіз.

Бұл заттың бетінде SiO₂ оксидті қабықшаның бірден түзіліп, әрі қарай әрекеттесуіне жол бермеуіне байланысты. Ол судың, ауаның, булардың әсерінен түзілуі мүмкін.

Егер стандартты шарттарды өзгертіп, кремнийді 400˚С жоғары температураға дейін қыздырсаңыз, онда оның химиялық белсенділігі айтарлықтай артады. Бұл жағдайда ол келесімен әрекет етеді:

• оттегі;
• галогендердің барлық түрлері;
• сутегі.

Температураның одан әрі жоғарылауымен өнімдердің түзілуі мүмкінбормен, азотпен және көміртегімен әрекеттесу. Карборунд - SiC ерекше маңызға ие, өйткені ол жақсы абразивті материал.

Сонымен қатар кремнийдің химиялық қасиеттері металдармен реакцияларда анық көрінеді. Оларға қатысты ол тотықтырғыш болып табылады, сондықтан өнімдер силицидтер деп аталады. Ұқсас қосылыстар мыналар үшін белгілі:

• сілтілі;
• сілтілі жер;
• өтпелі металдар.

Ерекше қасиеттерде темір мен кремнийді балқыту арқылы алынған қосылыс бар. Ол ферросиликон керамика деп аталады және өнеркәсіпте сәтті қолданылды.

Кремний күрделі заттармен әрекеттеспейді, сондықтан олардың барлық түрлерінің ішінде ол тек мынада ери алады:

• корольдік арақ (азот және тұз қышқылдарының қоспасы);
• каустикалық сілтілер.

Бұл жағдайда ерітіндінің температурасы кемінде 60˚С болуы керек. Осының бәрі заттың физикалық негізін – гауһар тәрізді тұрақты кристалдық торды тағы да растайды, ол оған күш пен инерттілікті береді.

Алу әдістері

Таза кремний алу – экономикалық тұрғыдан өте қымбат процесс. Сонымен қатар, өзінің қасиеттеріне байланысты кез келген әдіс тек 90-99% таза өнім береді, ал металдар мен көміртегі түріндегі қоспалар өзгеріссіз қалады. Сондықтан тек затты алу жеткіліксіз. Сондай-ақ ол бөгде элементтерден сапалы түрде тазартылуы керек.

Жалпы алғанда кремний өндірісі екі негізгі жолмен жүзеге асырылады:

1. Ақ құмнанол таза кремний оксиді SiO₂. Оны белсенді металдармен (көбінесе магниймен) күйдіргенде аморфты модификация түрінде бос элемент түзіледі. Бұл әдістің тазалығы жоғары, өнім 99,9 пайыздық өнімділікпен алынады.
2. Өнеркәсіптік ауқымда неғұрлым кең тараған әдіс – арнайы термиялық пештерде балқытылған құмды кокспен агломерациялау. Бұл әдісті орыс ғалымы Бекетов Н. Н.

жасаған.

Одан әрі өңдеу өнімдерді тазалау әдістеріне бағындырудан тұрады. Ол үшін қышқылдар немесе галогендер (хлор, фтор) қолданылады.

Аморфты кремний

Кремнийдің әр аллотроптық модификациясын бөлек қарастырмасақ, оның сипаттамасы толық болмайды. Біріншісі аморфты. Бұл күйде біз қарастырып отырған зат ұсақ дисперсті қоңыр-қоңыр ұнтақ болып табылады. Ол гигроскопиялықтың жоғары дәрежесіне ие, қыздыру кезінде жеткілікті жоғары химиялық белсенділікті көрсетеді. Стандартты жағдайларда ол тек ең күшті тотықтырғыш – фтормен әрекеттесе алады.

Аморфты кремнийді әртүрлі кристалды кремний деп атау мүлде дұрыс емес. Оның торы бұл заттың кристалдар түрінде болатын майда дисперсті кремнийдің бір түрі ғана екенін көрсетеді. Демек, бұл өзгертулер бірдей қосылыс.

Алайда олардың қасиеттері әртүрлі, сондықтан аллотропия туралы айту әдетке айналған. Өздігінен аморфты кремний баржоғары жарық сіңіру қабілеті. Сонымен қатар, белгілі бір жағдайларда бұл көрсеткіш кристалдық пішіннен бірнеше есе жоғары. Сондықтан ол техникалық мақсатта қолданылады. Қарастырылған пішінде (ұнтақ) қосылыс пластик немесе шыны болсын, кез келген бетке оңай жағылады. Сондықтан бұл аморфты кремний, ол қолдануға өте ыңғайлы. Қолданба әртүрлі өлшемдегі күн панельдерін өндіруге негізделген.

Батареялардың бұл түрінің тозуы айтарлықтай жылдам болса да, бұл заттың жұқа қабықшасының тозуына байланысты, дегенмен, пайдалану мен сұраныс тек өсуде. Шынында да, қысқа қызмет ету мерзімінде де аморфты кремний негізіндегі күн батареялары бүкіл кәсіпорындарды энергиямен қамтамасыз ете алады. Сонымен қатар, мұндай затты өндіру қалдықсыз, бұл оны өте үнемді етеді.

Натрий немесе магний сияқты белсенді металдармен қосылыстарды азайту арқылы осы модификацияны алыңыз.

Хрусталь кремний

Қарастырылған элементтің күміс сұр жылтыр модификациясы. Дәл осы форма ең көп таралған және сұранысқа ие. Бұл осы заттың сапалық қасиеттерінің жиынтығына байланысты.

Кристалдық торы бар кремнийдің сипаттамасы оның түрлерінің жіктелуін қамтиды, өйткені олардың бірнеше түрі бар:

1. Электрондық сапа - ең таза және ең жоғары сапа. Дәл осы түрі электроникада аса сезімтал құрылғыларды жасау үшін пайдаланылады.
2. Шуақты сапа. Атаудың өзіқолдану аймағын анықтайды. Бұл сондай-ақ жоғары таза кремний, оны пайдалану жоғары сапалы және ұзақ мерзімді күн батареяларын жасау үшін қажет. Кристаллдық құрылым негізінде жасалған фотоэлектрлік түрлендіргіштер субстраттардың әртүрлі түрлеріне тұндыру арқылы аморфты модификацияны қолдану арқылы жасалғандарға қарағанда жоғары сапалы және берік.
3. Техникалық кремний. Бұл әртүрлілікке таза элементтің шамамен 98% құрайтын заттың үлгілері кіреді. Қалғанының бәрі әртүрлі қоспаларға кетеді:

• бор;
• алюминий;
• хлор;
• көміртек;
• фосфор және басқалар.

Қарастырылып отырған заттың соңғы түрі кремний поликристалдарын алу үшін қолданылады. Ол үшін қайта кристалдану процестері жүргізіледі. Нәтижесінде тазалық жағынан күн және электронды сапа топтарына жатқызуға болатын өнімдер алынады.

Табиғаты бойынша полисилиций аморфты және кристалды модификация арасындағы аралық өнім болып табылады. Бұл опциямен жұмыс істеу оңай, оны қайта өңдеп, фтор мен хлормен тазартқан дұрыс.

Алынған өнімдерді келесідей жіктеуге болады:

• көпциликон;
• монокристалды;
• профильді кристалдар;
• кремний сынықтары;
• техникалық кремний;
• заттың сынықтары мен сынықтары түріндегі өндіріс қалдықтары.

Олардың әрқайсысы өнеркәсіпте қолданбасын тауып, пайдаланыладытолығымен адам. Сондықтан кремнийді қамтитын өндірістік процестер қалдықсыз болып саналады. Бұл сапаға әсер етпестен оның экономикалық құнын айтарлықтай төмендетеді.

Таза кремнийді пайдалану

Өнеркәсіпте кремний өндірісі жақсы жолға қойылған және оның ауқымы айтарлықтай көлемді. Бұл таза және әртүрлі қосылыстар түріндегі бұл элементтің ғылым мен техниканың әртүрлі салаларында кең таралған және сұранысқа ие болуына байланысты.

Таза кристалды және аморфты кремний қайда қолданылады?

1. Металлургияда металдар мен олардың қорытпаларының қасиеттерін өзгертуге қабілетті легірлеуші қоспа ретінде. Демек, ол болат пен шойын балқытуда қолданылады.
2. Тазалау нұсқасын жасау үшін әр түрлі зат түрлері пайдаланылады - полисилиций.
3. Кремнийдің органикалық заттармен қосылыстары - бұл бүгінгі таңда ерекше танымалдыққа ие болған тұтас химия өнеркәсібі. Силиконды материалдар медицинада, ыдыс-аяқ, құрал-саймандар және т.б. жасауда қолданылады.
4. Әртүрлі күн панельдерін өндіру. Энергияны алудың бұл әдісі болашақта ең перспективалылардың бірі болып табылады. Экологиялық таза, үнемді және ұзақ мерзімділік - мұндай электр энергиясын өндірудің негізгі артықшылықтары.
5. Кремний оттықтарда өте ұзақ уақыт бойы қолданылған. Ертеде де адамдар от жағу кезінде ұшқын жасау үшін шақпақ тасты пайдаланған. Бұл принцип әртүрлі түрдегі оттықтарды өндірудің негізі болып табылады. Бүгінгі күні олардың түрлері баршақпақтас белгілі бір құрамдағы қорытпамен ауыстырылады, бұл одан да жылдам нәтиже береді (ұшқын).
6. Электроника және күн энергиясы.
7. Газ лазерлік құрылғыларда айналар жасау.

Осылайша, таза кремнийдің маңызды және қажетті өнімдерді жасау үшін пайдалануға мүмкіндік беретін көптеген пайдалы және ерекше қасиеттері бар.

Кремний қосылыстарын қолдану

Қарапайым заттан басқа кремнийдің әртүрлі қосылыстары да қолданылады және өте кең. Силикат деп аталатын өнеркәсіптің тұтас бір саласы бар. Ол осы таңғажайып элементті қамтитын әртүрлі заттарды қолдануға негізделген. Бұл қосылыстар дегеніміз не және олар не шығарады?

1. Кварц немесе өзен құмы - SiO₂. Ол цемент пен шыны сияқты құрылыс және сәндік материалдарды өндіру үшін қолданылады. Бұл материалдар қайда қолданылатыны бәрі біледі. Бұл компоненттерсіз бірде-бір құрылыс аяқталмайды, бұл кремний қосылыстарының маңыздылығын растайды.
2. Силикат керамика, оның құрамына фаянс, фарфор, кірпіш сияқты материалдар және олардың негізінде жасалған бұйымдар кіреді. Бұл компоненттер медицинада, ыдыс-аяқ, сәндік әшекейлер, тұрмыстық заттар жасауда, құрылыста және адам қызметінің басқа да тұрмыстық салаларында қолданылады.
3. Силикон қосылыстары - силикондар, силикагельдер, силикон майлары.
4. Силикат желім - кеңсе тауарлары ретінде, пиротехникада және құрылыста қолданылады.

Кремний, бағасы әлемдік нарықта өзгереді, бірақ қиылыспайдыжоғарыдан төменге қарай Ресей Федерациясының килограммына 100 рубль белгісі (кристалдық), сұранысқа ие және құнды зат болып табылады. Әрине, бұл элементтің қосылыстары да кең таралған және қолдануға жарамды.

Кремнийдің биологиялық рөлі

Ағза үшін маңызы жағынан кремний маңызды. Оның мазмұны мен тіндік таралуы келесідей:

• 0, 002% - бұлшықет;
• 0, 000017% - сүйек;
• қан - 3,9 мг/л.

Күн сайын ішке шамамен бір грамм кремний түсуі керек, әйтпесе аурулар дами бастайды. Олардың арасында өлімге әкелетіндер жоқ, дегенмен ұзаққа созылған кремний ашығуы мыналарға әкеледі:

• шаш түсу;
• безеу мен безеулердің пайда болуы;
• сүйектердің сынғыштығы және сынғыштығы;
• капиллярлардың жеңіл өткізгіштігі;
• шаршау және бас ауруы;
• көптеген көгерулер мен көгерулердің пайда болуы.

Өсімдіктер үшін кремний қалыпты өсу мен даму үшін қажетті маңызды микроэлемент болып табылады. Жануарларға жүргізілген тәжірибелер кремнийді күнделікті жеткілікті мөлшерде тұтынатын адамдар жақсы өсетінін көрсетті.