Табиғатта кездесетін заттардың бірегей қасиеттерінің арқасында көптеген заманауи технологиялық құрылғылар мен құрылғылар жасалды. Адамзат тәжірибе жасап, айналамыздағы элементтерді мұқият зерттей отырып, өз өнертабыстарын үнемі жаңартып отырады – бұл процесс техникалық прогресс деп аталады. Ол күнделікті өмірде бізді қоршап тұрған қарапайым, барлығына қолжетімді заттарға негізделген. Мысалы, құм: онда таңқаларлық және әдеттен тыс не болуы мүмкін? Ғалымдар одан кремнийді – химиялық элементті бөліп ала алды, онсыз компьютерлік технология болмайды. Оның қолдану аясы алуан түрлі және үнемі кеңеюде. Бұған кремний атомының бірегей қасиеттері, оның құрылымы және басқа қарапайым заттармен қосылу мүмкіндігі арқасында қол жеткізілді.
Сипаттамасы
Д. И. Менделеев жасаған периодтық жүйеде кремний (химиялық элемент) белгіленген.символы Si. Ол бейметалдарға жатады, үшінші периодтың негізгі төртінші тобында орналасқан, атомдық нөмірі 14. Оның көміртегіге жақындығы кездейсоқ емес: олардың қасиеттері көп жағынан салыстырмалы. Ол таза түрінде табиғатта кездеспейді, өйткені ол белсенді элемент және оттегімен жеткілікті күшті байланысы бар. Негізгі зат - оксид болып табылатын кремний диоксиді және силикаттар (құм). Сонымен бірге кремний (оның табиғи қосылыстары) жер бетіндегі ең көп таралған химиялық элементтердің бірі болып табылады. Құрамының массалық үлесі бойынша ол оттегіден кейін екінші орында (28% -дан астам). Жер қыртысының үстіңгі қабатында кремний диоксиді (бұл кварц), саздың әртүрлі түрлері мен құм бар. Екінші кең таралған топ - оның силикаттары. Жер бетінен шамамен 35 км тереңдікте кремнийлі қосындыларды қамтитын гранит және базальт шөгінділерінің қабаттары бар. Жердің ядросындағы мазмұнның пайызы әлі есептелмеген, бірақ мантияның жер бетіне ең жақын қабаттарында (900 км-ге дейін) силикаттар бар. Теңіз суының құрамында кремнийдің концентрациясы 3 мг/л, ай топырағы 40% оның қосындыларынан тұрады. Адамзат осы уақытқа дейін зерттеген ғарыш кеңістігінде бұл химиялық элемент көп мөлшерде болады. Мысалы, зерттеушілерге қолжетімді қашықтықта Жерге жақындаған метеориттердің спектрлік талдауы олардың 20% кремнийден тұратынын көрсетті. Біздің галактикада осы элемент негізінде тіршіліктің пайда болу мүмкіндігі бар.
Зерттеу процесі
Кремний химиялық элементінің ашылу тарихы бірнеше кезеңнен тұрады. Менделеев жүйелеген көптеген заттарды адамзат ғасырлар бойы пайдаланып келеді. Сонымен қатар элементтер өздерінің табиғи түрінде болды, яғни. химиялық өңдеуге ұшырамаған қосылыстарда және олардың барлық қасиеттері адамдарға белгісіз. Заттың барлық ерекшеліктерін зерттеу барысында оны қолданудың жаңа бағыттары пайда болды. Кремнийдің қасиеттері бүгінгі күнге дейін толық зерттелмеген - бұл элемент қолдану аясы айтарлықтай кең және әртүрлі, ғалымдардың болашақ ұрпағы үшін жаңа ашылулар үшін орын қалдырады. Заманауи технологиялар бұл процесті айтарлықтай жылдамдатады. 19 ғасырда көптеген атақты химиктер таза кремний алуға тырысты. Алғаш рет мұны 1811 жылы Л. Тенард пен Дж. Гей-Люссак жасай алды, бірақ элементтің ашылуы затты бөліп алып қана қоймай, оны сипаттай алған Дж. Берцелиусқа тиесілі. Швед химигі 1823 жылы калий металы мен калий тұзын пайдаланып кремний алды. Реакция катализатормен жоғары температура түрінде өтті. Алынған қарапайым сұр-қоңыр зат аморфты кремний болды. Кристалды таза элементті 1855 жылы Сент-Клэр Девилл алған. Оқшауланудың күрделілігі атомдық байланыстың жоғары беріктігіне тікелей байланысты. Екі жағдайда да химиялық реакция қоспалардан тазарту процесіне бағытталған, ал аморфты және кристалды модельдер әртүрлі қасиеттерге ие.
Химиялық элементтің кремний айтылуы
Атыалынған ұнтақ – кисель – Берцелиус ұсынған. Ұлыбританияда және АҚШ-та кремнийді әлі күнге дейін кремний (силиций) немесе силикон (Кремний) деп атайды. Термин латынның «шақпақтас» (немесе «тас») сөзінен шыққан және табиғатта кең таралуына байланысты көп жағдайда «жер» ұғымымен байланысты. Бұл химиялық заттың орысша айтылуы басқаша, бәрі көзге байланысты. Ол кремний диоксиді (1810 жылы Захаров бұл терминді қолданған), сицилия (1824, Двигубский, Соловьев), кремний диоксиді (1825, Страхов) деп аталды, тек 1834 жылы орыс химигі Герман Иванович Гесс бүгінгі күнге дейін қолданылып жүрген атауды енгізді. көздердің көпшілігі – кремний. Менделеевтің периодтық жүйесінде оны Si таңбасымен белгілейді. Кремнийдің химиялық элементі қалай оқылады? Ағылшын тілінде сөйлейтін елдердің көптеген ғалымдары оның атын «си» деп атайды немесе «силикон» сөзін қолданады. Осы жерден компьютерлік технологияның ғылыми-өндірістік алаңы болып табылатын алқаптың әлемге әйгілі атауы шығады. Орыс тілді халық бұл элементті кремний деп атайды («тас, тау» деген ежелгі грек сөзінен шыққан).
Табиғатта табу: депозиттер
Бүкіл тау жүйелері кремний қосылыстарынан тұрады, олар таза күйінде кездеспейді, өйткені барлық белгілі минералдар диоксидтер немесе силикаттар (алюмосиликаттар) болып табылады. Таңғажайып сұлулық тастарын адамдар сәндік материал ретінде пайдаланады - бұл опал, аметист, кварцтың әртүрлі түрлері, яшма, халцедон, агат, рок кристалы, карнелиан және басқалар. Олар кремнийдің құрамына олардың тығыздығын, құрылымын, түсін және қолдану бағытын анықтайтын әртүрлі заттардың қосылуы есебінен пайда болды. Бүкіл бейорганикалық дүниені табиғи ортада металдармен және бейметалдармен (мырыш, магний, кальций, марганец, титан және т.б.) берік байланыстар түзетін осы химиялық элементпен байланыстыруға болады. Басқа заттармен салыстырғанда кремний өнеркәсіптік ауқымда өндіруге оңай қол жетімді: ол рудалар мен минералдардың көпшілігінде кездеседі. Сондықтан белсенді түрде игерілетін кен орындары материяның аумақтық жинақталуына емес, қолда бар энергия көздеріне байланысты. Кварциттер мен кварц құмдары дүние жүзінің барлық елдерінде кездеседі. Кремнийдің ірі өндірушілері мен жеткізушілері: Қытай, Норвегия, Франция, АҚШ (Батыс Вирджиния, Огайо, Алабама, Нью-Йорк), Австралия, Оңтүстік Африка, Канада, Бразилия. Барлық өндірушілер әртүрлі әдістерді қолданады, олар өндірілетін өнімнің түріне байланысты (техникалық, жартылай өткізгіш, жоғары жиілікті кремний). Қосымша байытылған немесе, керісінше, қоспалардың барлық түрінен тазартылған химиялық элемент оның одан әрі қолданылуы байланысты болатын жеке қасиеттерге ие. Бұл осы затқа да қатысты. Кремнийдің құрылымы оның қолдану аясын анықтайды.
Қолдану тарихы
Көбінесе атаулардың ұқсастығына байланысты адамдар кремний мен шақпақ тасты шатастырады, бірақ бұл ұғымдар бірдей емес. Түсіндірейік. Жоғарыда айтылғандай, кремний таза түрінде табиғатта кездеспейді, бұл туралы айту мүмкін емесқосылыстар (бірдей кремний диоксиді). Біз қарастырып отырған заттың диоксидінен түзілетін негізгі минералдар мен тау жыныстары құм (өзен және кварц), кварц пен кварциттер, дала шпаттары мен шақпақтастар. Соңғысы туралы бәрі естіген болуы керек, өйткені оған адамзаттың даму тарихында үлкен мән берілген. Тас дәуірінде адамдар жасаған алғашқы еңбек құралдары осы таспен байланысты. Оның негізгі жартастан үзілген кезде пайда болған өткір жиектері ежелгі үй шаруасындағы әйелдердің жұмысын, ал қайрау мүмкіндігін - аңшылар мен балықшылардың жұмысын айтарлықтай жеңілдетті. Флинтте металл бұйымдарының беріктігі болмады, бірақ істен шыққан құралдарды жаңасымен ауыстыру оңай болды. Оны от жағу құралы ретінде пайдалану көптеген ғасырлар бойы - балама көздер ойлап табылғанға дейін жалғасты.
Заманауи шындыққа келетін болсақ, кремнийдің қасиеттері субстанцияны интерьерді безендіру немесе керамикалық ыдыстарды жасау үшін пайдалануға мүмкіндік береді, сонымен бірге ол әдемі эстетикалық көріністен басқа, көптеген тамаша функционалдық қасиеттерге ие. Оны қолданудың жеке бағыты шамамен 3000 жыл бұрын әйнектің өнертабысымен байланысты. Бұл оқиға кремнийі бар қосылыстардан айналар, ыдыс-аяқ, мозаикалық витраждар жасауға мүмкіндік берді. Бастапқы заттың формуласы қажетті компоненттермен толықтырылды, бұл өнімге қажетті түсті беруге мүмкіндік берді және әйнектің беріктігіне әсер етті. Керемет сұлулық пен алуан түрлі өнер туындыларын адам құрамында кремнийі бар минералдар мен тастар жасаған. Бұл элементтің емдік қасиеттерін ежелгі ғалымдар сипаттаған және олар бүкіл әлемде қолданылғанадамзат тарихы. Олар күнделікті өмірде де, медицинада да қолданылатын ауыз су құдықтарын, азық-түлік сақтайтын қоймаларды төседі. Ұнтақтау нәтижесінде алынған ұнтақ жараларға жағылды. Құрамында кремний бар қосылыстардан жасалған ыдыстарға тұндырылған суға ерекше назар аударылды. Химиялық элемент оның құрамымен өзара әрекеттесті, бұл бірқатар патогендік бактериялар мен микроорганизмдерді жоюға мүмкіндік берді. Бұл біз қарастыратын зат өте сұранысқа ие барлық салалардан алыс. Кремнийдің құрылымы оның әмбебаптығын анықтайды.
Сипаттар
Заттың сипаттамаларымен толығырақ танысу үшін оны барлық мүмкін болатын қасиеттерді ескере отырып қарастыру керек. Кремнийдің химиялық элементін сипаттау жоспары физикалық қасиеттерді, электрофизикалық көрсеткіштерді, қосылыстарды, реакцияларды және олардың өту жағдайларын зерттеуді және т.б. қамтиды. Кристалл түріндегі кремний металдық жылтыры бар қара сұр түсті болады. Беттің центрленген текше торы көміртекті торға (алмас) ұқсайды, бірақ ұзағырақ байланыстардың арқасында ол соншалықты күшті емес. 800 оС дейін қыздыру оны пластик етеді, басқа жағдайларда ол сынғыш болып қалады. Кремнийдің физикалық қасиеттері бұл затты шынымен бірегей етеді: ол инфрақызыл сәулеленуге мөлдір. Балқу температурасы - 1410 0С, қайнау температурасы - 2600 0С, қалыпты жағдайда тығыздығы - 2330 кг/м3. Жылу өткізгіштік тұрақты емес, әртүрлі үлгілер үшін ол алынадышамамен 25 0S. Кремний атомының қасиеттері оны жартылай өткізгіш ретінде пайдалануға мүмкіндік береді. Қолданудың бұл бағыты қазіргі әлемде ең сұранысқа ие. Электр өткізгіштіктің шамасына кремнийдің құрамы және онымен қосылатын элементтер әсер етеді. Сонымен, электронды өткізгіштікті арттыру үшін сурьма, мышьяк, фосфор, перфорацияланған үшін - алюминий, галлий, бор, индий қолданылады. Өткізгіш ретінде кремнийі бар құрылғыларды жасау кезінде құрылғының жұмысына әсер ететін белгілі бір агентпен бетті өңдеу қолданылады.
Кремнийдің тамаша өткізгіш ретіндегі қасиеттері қазіргі заманғы аспаптарда кеңінен қолданылады. Әсіресе, оны күрделі жабдықты (мысалы, заманауи есептеуіш құрылғылар, компьютерлер) өндіруде қолдану өзекті болып табылады.
Кремний: химиялық элементтің сипаттамасы
Көп жағдайда кремний төрт валентті, оның +2 мәні болуы мүмкін байланыстар да бар. Қалыпты жағдайда ол белсенді емес, күшті қосылыстарға ие және бөлме температурасында агрегацияның газ тәрізді күйінде болатын фтормен ғана әрекеттесе алады. Бұл қоршаған ортадағы оттегімен немесе сумен әрекеттесу кезінде байқалатын диоксидті пленкамен бетті бітеу әсеріне байланысты. Реакцияларды ынталандыру үшін катализаторды пайдалану керек: температураны көтеру кремний сияқты зат үшін өте қолайлы. Химиялық элемент оттегімен 400-500 0С әрекеттеседі, нәтижесінде диоксидті қабық көбейеді, процесстотығу. Температура 50 0С дейін көтерілгенде бром, хлор, йодпен реакция байқалады, нәтижесінде ұшқыш тетрагалидтер түзіледі. Кремний фторлы және азот қышқылдарының қоспасын қоспағанда қышқылдармен әрекеттеспейді, ал қыздырылған күйдегі кез келген сілті еріткіш болып табылады. Кремний сутегілері тек силицидтердің ыдырауы арқылы түзіледі, ол сутегімен әрекеттеспейді. Бор және көміртегі бар қосылыстар ең үлкен беріктігімен және химиялық пассивтілігімен ерекшеленеді. Сілтілер мен қышқылдарға жоғары төзімділік азотпен байланысы бар, ол 1000 0С жоғары температурада болады. Силицидтер металдармен әрекеттесу арқылы алынады және бұл жағдайда кремний көрсететін валенттілік қосымша элементке байланысты. Өтпелі металдың қатысуымен түзілетін заттың формуласы қышқылдарға төзімді. Кремний атомының құрылымы оның қасиеттеріне және басқа элементтермен әрекеттесу қабілетіне тікелей әсер етеді. Табиғатта және заттың әсерінен (зертханалық, өндірістік жағдайларда) байланыстың түзілу процесі айтарлықтай ерекшеленеді. Кремнийдің құрылымы оның химиялық белсенділігін көрсетеді.
Ғимарат
Кремний атомының құрылымының өзіндік ерекшеліктері бар. Ядро заряды +14, ол периодтық жүйедегі реттік нөмірге сәйкес келеді. Зарядталған бөлшектердің саны: протондар - 14; электрондар - 14; нейтрондар – 14. Кремний атомының құрылысының сұлбасы келесі түрде болады: Si +14) 2) 8) 4. Соңғы (сыртқы) деңгейде 4.«+» немесе «-» белгісімен тотығу дәрежесін анықтайтын электрон. Кремний оксидінің формуласы SiO2 (валенттілік 4+), ұшпа сутегі қосылысы SiH4 (валенттілік -4). Кремний атомының үлкен көлемі кейбір қосылыстардың координациялық санының 6-ға тең болуына мүмкіндік береді, мысалы, фтормен біріктірілгенде. Молярлық масса - 28, атом радиусы - 132 pm, электронды қабық конфигурациясы: 1S22S22P6 3S23P2.
Қолданба
Жартылай өткізгіш ретінде көптеген, соның ішінде жоғары дәлдіктегі құрылғыларды (мысалы, күн фотоэлементтері, транзисторлар, түзеткіштер және т.б.) жасауда беткі немесе толық қоспаланған кремний қолданылады. Ультра таза кремний күн батареяларын (энергия) жасау үшін қолданылады. Монокристалды түрі айналар мен газ лазерін жасау үшін қолданылады. Кремний қосылыстарынан шыны, керамикалық плиткалар, ыдыстар, фарфор, фаянс алынады. Алынған тауар түрлерінің әртүрлілігін сипаттау қиын, олардың жұмыс істеуі тұрмыстық деңгейде, өнер мен ғылымда, өндірісте орын алады. Алынған цемент құрылыс қоспалары мен кірпіштерді, әрлеу материалдарын жасау үшін шикізат ретінде қызмет етеді. Майлардың, кремнийорганикалық қосылыстар негізіндегі майлардың таралуы көптеген механизмдердің қозғалатын бөліктеріндегі үйкеліс күшін айтарлықтай төмендетуі мүмкін. Силицидтер агрессивті орталарға (қышқылдар, температуралар) төзімділік саласындағы бірегей қасиеттеріне байланысты өнеркәсіпте кеңінен қолданылады. Олардың электрлік, ядролық және химиялық сипаттамаларын күрделі өнеркәсіп салаларының мамандары,кремний атомының құрылымы соңғы рөл атқармайды.
Біз бүгінгі күнге дейін ең жоғары технологиялық және жетілдірілген қолданбаларды тізімдедік. Ең көп таралған, жоғары көлемді техникалық кремний әртүрлі қолданбаларда қолданылады:
- Таза зат алу үшін шикізат ретінде.
- Металлургия өнеркәсібіндегі легірленген қорытпалар үшін: кремнийдің болуы отқа төзімділікті жоғарылатады, коррозияға төзімділігін және механикалық беріктігін арттырады (бұл элементтің артық болуы қорытпаны тым сынғыш болуы мүмкін).
- Металдан артық оттегін кетіру үшін тотықсыздандырғыш ретінде.
- Силандарды өндіруге арналған шикізат (органикалық заттармен кремний қосылыстары).
- Кремний мен темір қорытпасынан сутегін алу үшін.
- Күн батареяларын өндіру.
Бұл заттың адам ағзасының қалыпты жұмыс істеуі үшін де маңызы зор. Бұл жағдайда кремнийдің құрылымы, оның қасиеттері шешуші болып табылады. Сонымен бірге оның артық болуы немесе болмауы ауыр ауруларға әкеледі.
Адам ағзасында
Медицина ұзақ уақыт бойы кремнийді бактерицидтік және антисептикалық агент ретінде қолданды. Бірақ сыртқы қолданудың барлық артықшылықтарымен бұл элемент адам ағзасында үнемі жаңартылып отыруы керек. Оның мазмұнының қалыпты деңгейі жалпы өмірді жақсартады. Оның жетіспеушілігі кезінде 70-тен астам микроэлементтер мен витаминдер ағзаға сіңбейді, бұл айтарлықтай төмендейді.бірқатар ауруларға төзімділік. Кремнийдің ең жоғары пайызы сүйектерде, теріде, сіңірлерде байқалады. Ол беріктікті сақтайтын және серпімділік беретін құрылымдық элемент рөлін атқарады. Қаңқаның барлық қатты тіндері оның қосылыстарынан түзіледі. Жақында жүргізілген зерттеулер нәтижесінде кремний құрамы бүйректе, ұйқы безінде және дәнекер тіндерінде табылды. Бұл органдардың ағзаның жұмысындағы рөлі айтарлықтай үлкен, сондықтан оның мазмұнының төмендеуі өмірді қамтамасыз етудің көптеген негізгі көрсеткіштеріне зиянды әсер етеді. Дене күніне 1 грамм кремнийді тамақ пен сумен бірге алуы керек - бұл терінің қабынуы, сүйектердің жұмсаруы, бауырда, бүйректе тастардың пайда болуы, көру қабілетінің нашарлауы, шаш және тырнақтар, атеросклероз. Бұл элементтің жеткілікті деңгейімен иммунитет артады, метаболикалық процестер қалыпқа келеді және адам денсаулығына қажетті көптеген элементтерді ассимиляциялау жақсарады. Кремнийдің ең көп мөлшері дәнді дақылдарда, шалғамда, қарақұмықта. Кремний суы айтарлықтай пайда әкеледі. Оны қолдану мөлшері мен жиілігін анықтау үшін маманмен кеңескен дұрыс.
