Крэмній: прымяненне, хімічныя і фізічныя ўласцівасці

Адзін з самых распаўсюджаных у прыродзе элементаў - гэта silicium, або крэмній. Такое шырокае рассяленне кажа пра важнасць і значнасці дадзенага рэчыва. Гэта хутка зразумелі і засвоілі людзі, якія навучыліся правільна выкарыстоўваць у сваіх мэтах крэмній. Прымяненне яго заснавана на асаблівых уласцівасцях, аб якіх і пагаворым далей.

Крэмній - хімічны элемент

Калі даваць характарыстыку дадзенага элемента па становішчы ў перыядычнай сістэме, то можна пазначыць наступныя важныя пункты:

1. Парадкавы нумар - 14.
2. Перыяд - трэці малы.
3. Група - IV.
4. Падгрупа - галоўная.
5. Будова знешняй электроннай абалонкі выяўляецца формулай 3s ² 3p ^2.
6. Элемент крэмній пазначаецца хімічным сімвалам Si, які вымаўляецца як "силициум".
7. Ступені акіслення, якія ён праяўляе: -4; +2; 4.
8. Валентнасць атама роўная IV.
9. Атамная маса крэмнія роўная 28,086.
10. У прыродзе існуе тры ўстойлівых ізатопа дадзенага элемента з масавымі лікамі 28, 29 і 30.

Такім чынам, атам крэмнія з хімічнага пункта гледжання - дастаткова вывучаны элемент, апісана мноства розных яго уласцівасцяў.

Гісторыя адкрыцця

Так як у прыродзе вельмі папулярныя і масавыя па змесце менавіта розныя злучэння разгляданага элемента, спрадвеку людзі выкарыстоўвалі і ведалі пра ўласцівасці менавіта многіх з іх. Чысты жа крэмній доўгі час заставаўся за гранню спазнанняў чалавека ў хіміі.

Найбольш папулярнымі злучэннямі, якімі карысталіся ў побыце і прамысловасці народы старажытных культур (егіпцяне, рымляне, кітайцы, русічы, персы і іншыя), былі каштоўныя і вырабныя камяні на аснове аксіду крэмнію. Да іх адносяцца:

• апаў;
• горны крышталь;
• тапаз;
• хрызапраз;
• анікс;
• халцэдон і іншыя.

Таксама спрадвеку прынята выкарыстоўваць кварц і кварцавы пясок у будаўнічай справе. Аднак сам элементарны крэмній заставаўся нераскрытым аж да XIX стагоддзя, хоць шматлікія навукоўцы дарэмна спрабавалі вылучыць яго з розных злучэнняў, выкарыстоўваючы для гэтага і каталізатары, і высокія тэмпературы, і нават электрычны ток. Гэта такія светлыя розумы, як:

• Карл Шэель;
• Гей-Люссак;
• Тенар;
• Гемфри Дэйві;
• Антуан Лавуазье.

Ажыццявіць ўдала атрыманне крэмнія ў чыстым выглядзе атрымалася Енс Якабс Берцелиусу ў 1823 годзе. Для гэтага ён праводзіў вопыт па сплавленных пароў фторыстага крэмнію і металічнага калію. У выніку атрымаў аморфную мадыфікацыю разгляданага элемента. Гэтым жа навукоўцам было прапанавана лацінскі назоў адкрытага атаму.

Яшчэ некалькі пазней, у 1855 году, іншы навуковец - Сэнт Клер-Девилль - здолеў сінтэзаваць іншую алатропныя разнавіднасць - крышталічны крэмній. З тых часоў веды аб дадзеным элеменце і яго ўласцівасці сталі вельмі хутка папаўняцца. Людзі зразумелі, што ён валодае унікальнымі асаблівасцямі, якія можна вельмі пісьменна выкарыстоўваць для задавальнення ўласных патрэб. Таму сёння адзін з самых запатрабаваных элементаў у электроніцы і тэхніцы - гэта крэмній. Ужыванне яго толькі пашырае свае межы з кожным годам.

Беларуская назва атаму даў навуковец Гесс ў 1831 годзе. Менавіта яно і замацавалася да сённяшняга дня.

Утрыманне ў прыродзе

Па распаўсюджанасці ў прыродзе крэмній займае другое месца пасля кіслароду. Яго адсоткавыя суадносіны ў параўнанні з іншымі атамамі ў складзе зямной кары - 29,5%. Акрамя таго, вуглярод і крэмній - гэта два адмысловых элемента, здольных фармаваць ланцуга, злучаючыся адзін з адным. Менавіта таму для апошняга вядома больш за 400 розных прыродных мінералаў, у складзе якіх ён і ўтрымліваецца ў літасферы, гідрасферы і біямасе.

Дзе канкрэтна змяшчаецца крэмній?

1. У глыбокіх пластах глебы.
2. У горных пародах, пакладах і масівах.
3. На дне вадаёмаў, асабліва мораў і акіянаў.
4. У раслінах і марскіх насельнікаў царства жывёл.
5. У арганізме чалавека і наземных жывёл.

Можна пазначыць некалькі самых распаўсюджаных мінералаў і горных парод, у складзе якіх у вялікай колькасці прысутнічае крэмній. Хімія іх такая, што масавае ўтрыманне чыстага элемента ў іх дасягае 75%. Аднак канкрэтная лічба залежыць ад разнавіднасці матэрыялу. Такім чынам, горныя пароды і мінералы з утрыманнем крэмнія:

• палявыя шпаты;
• лушчака;
• амфиболы;
• апалы;
• халцэдоны;
• сілікаты;
• пяшчанікамі;
• алюмасілікаты;
• гліны і іншыя.

Назапашваючыся ў панцырах і вонкавых шкілетах марскіх жывёл, крэмній з часам фармуе магутныя паклады кремнезема на дне вадаёмаў. Гэта адзін з прыродных крыніц дадзенага элемента.

Акрамя таго, было ўстаноўлена, што силициум можа існаваць у чыстым самароднае выглядзе - у выглядзе крышталяў. Але падобныя радовішча вельмі рэдкія.

Фізічныя ўласцівасці крэмнія

Калі даваць характарыстыку разгляданага элемента па наборы фізіка-хімічных уласцівасцяў, то ў першую чаргу варта пазначыць менавіта фізічныя параметры. Вось некалькі асноўных:

1. Існуе ў выглядзе двух алатропныя мадыфікацый - аморфны і крышталічны, якія адрозніваюцца па ўсіх уласцівасцях.
2. Крышталічная рашотка вельмі падобная з такой у алмаза, бо вуглярод і крэмній ў гэтых адносінах практычна аднолькавыя. Аднак адлегласць паміж атамамі розны (у крэмнію больш), таму алмаз значна цвярдзей i цвярдзей. Тып кратаў - кубічных гранецентрированная.
3. Рэчыва вельмі крохкае, пры высокіх тэмпературах становіцца пластычным.
4. Тэмпература плаўлення роўная 1415˚С.
5. Тэмпература кіпення - 3250˚С.
6. Шчыльнасць рэчывы - 2,33 г / см ^3.
7. Колер злучэння - серабрыста-шэры, выяўлены характэрны металічны бляск.
8. Валодае добрымі паўправадніковымі ўласцівасцямі, якія здольныя вар'іраваць пры даданні тых ці іншых агентаў.
9. Не раствараецца ў вадзе, арганічных растваральніках і кіслотах.
10. Спецыфічна раствараецца ў шчолачах.

Пазначаныя фізічныя ўласцівасці крэмнія дазваляюць людзям кіраваць ім і ўжываць для стварэння розных вырабаў. Так, напрыклад, на ўласцівасцях полупроводимости заснавана выкарыстанне чыстага крэмнію ў электроніцы.

хімічныя ўласцівасці

Хімічныя ўласцівасці крэмнія вельмі моцна залежаць ад умоў правядзення рэакцыі. Калі казаць аб чыстым рэчыве пры стандартных параметрах, то трэба пазначыць вельмі нізкую актыўнасць. Як крышталічны, так і аморфны крэмній вельмі інэртныя. Не ўзаемадзейнічаюць ні з моцнымі акісляльнікамі (акрамя фтору), ні з моцнымі адраджэнцам.

Гэта звязана з тым, што на паверхні рэчывы імгненна фармуецца аксіднай плёнкай SiO _2, якая перашкаджае далейшым узаемадзеянням. Яна здольная ўтварыцца пад уплывам вады, паветра, пар.

Калі ж змяніць стандартныя ўмовы і вырабіць награванне крэмнія да тэмпературы звыш 400˚С, то яго хімічная актыўнасць моцна ўзрасце. У гэтым выпадку ён будзе ўступаць у рэакцыі з:

• кіслародам;
• усімі відамі галагенаў;
• вадародам.

Пры далейшым павышэнні тэмпературы магчыма адукацыю прадуктаў пры ўзаемадзеянні з борам, азотам і вугляродам. Асаблівае значэнне мае карборунд - SiC, так як ён з'яўляецца добрым абразіўным матэрыялам.

Таксама хімічныя ўласцівасці крэмнія выразна прасочваюцца пры рэакцыях з металамі. У адносінах да іх ён акісляльнік, таму прадукты носяць назву силицидов. Вядомыя падобныя злучэння для:

• шчолачных;
• шчолачназямельныя;
• пераходных металаў.

Незвычайнымі ўласцівасцямі валодае злучэнне, якое атрымліваецца пры сплаўленне жалеза і крэмнію. Яно носіць назву ферросилициевой керамікі і паспяхова ўжываецца ў прамысловасці.

Са складанымі рэчывамі крэмній ва ўзаемадзеянне не ўступае, таму з усіх іх разнавіднасцяў здольны растварацца толькі ў:

• царскай гарэлцы (сумесь азотнай і салянай кіслот);
• з'едлівых шчолачах.

Пры гэтым тэмпература раствора павінна быць не менш 60˚С. Усё гэта яшчэ раз пацвярджае фізічную аснову рэчывы - алмазападобным ўстойлівую крышталічную рашотку, якая надае яму трываласць і інертнасць.

спосабы атрымання

Атрыманне крэмнія ў чыстым выглядзе - працэс досыць затратны эканамічна. Акрамя таго, у сілу яго уласцівасцяў любы спосаб дае толькі на 90-99% чысты прадукт, у той час як прымешкі ў выглядзе металаў і вугляроду застаюцца ўсё роўна. Таму проста атрымаць рэчыва недастаткова. Яго варта яшчэ і якасна ачысціць ад старонніх элементаў.

У цэлым жа вытворчасць крэмнія ажыццяўляецца двума асноўнымі шляхамі:

1. З белага пяску, які ўяўляе сабой чысты аксід крэмнію SiO _2. Пры гартаванні яго з актыўнымі металамі (часцей за ўсё з магніем) адбываецца адукацыя вольнага элемента ў выглядзе аморфнай мадыфікацыі. Чысціня такога спосабу высокая, прадукт атрымліваецца з 99,9-працэнтным выхадам.
2. Больш шырока распаўсюджаны спосаб у прамысловых маштабах - гэта спяканне расплаву пяску з коксам ў спецыялізаваных тэрмічных печах для абпалу. Дадзены спосаб быў распрацаваны рускім навукоўцам Бекетава Н. Н.

Далейшая апрацоўка заключаецца ў подвергании прадуктаў метадам ачысткі. Для гэтага выкарыстоўваюцца кіслаты або галагены (хлор, фтор).

аморфны крэмній

Характарыстыка крэмнія будзе няпоўнай, калі не разгледзець асобна кожную яго алатропныя мадыфікацыі. Першая з іх - гэта аморфная. У такім стане разгляданая намі рэчыва ўяўляе сабой парашок бура-карычневага колеру, мелкодісперсного. Валодае высокай ступенню гіграскапічнасці, праяўляе досыць высокую хімічную актыўнасць пры награванні. У стандартных умовах здольны ўзаемадзейнічаць толькі з мацнейшым акісляльнікам - фторам.

Называць аморфны крэмній менавіта разнавіднасцю крышталічнага не зусім правільна. Яго рашотка паказвае, што дадзенае рэчыва - гэта толькі форма мелкодісперсного крэмнія, які існуе ў выглядзе крышталяў. Таму як такія гэтыя мадыфікацыі - адно і тое ж злучэнне.

Аднак ўласцівасці іх адрозніваюцца, таму і прынята казаць аб аллотропии. Сам па сабе аморфны крэмній валодае высокай светопоглотительной здольнасцю. Акрамя таго, пры пэўных умовах гэты паказчык у разы перавышае падобны ў крышталічнай формы. Таму яго выкарыстоўваюць ў тэхнічных мэтах. У разгляданым выглядзе (парашок) злучэнне лёгка наносіцца на любую паверхню, будзь то пластык або шкло. Таму так зручны для выкарыстання менавіта аморфны крэмній. Прымяненне заснавана на вырабе сонечных батарэй розных памераў.

Хоць знос батарэй падобнага тыпу даволі хуткі, што звязана з ізаляцыі тонкай плёнкі рэчывы, аднак прымяненне і запатрабаванасць толькі расце. Бо нават за кароткі тэрмін службы сонечныя батарэі на аснове аморфнага крэмнія здольныя забяспечыць энергіяй цэлыя прадпрыемствы. Да таго ж вытворчасць падобнага рэчывы безадыходная, што робіць яго вельмі эканомным.

Атрымліваюць такую мадыфікацыю шляхам аднаўлення злучэнняў актыўнымі металамі, напрыклад, натрыем або магніем.

крышталічны крэмній

Серабрыста-шэрая бліскучая мадыфікацыя разгляданага элемента. Менавіта такая форма з'яўляецца самай распаўсюджанай і найбольш запатрабаванай. Гэта тлумачыцца наборам якасных уласцівасцяў, якімі валодае дадзенае рэчыва.

Характарыстыка крэмнія з крышталічнай кратамі ўключае ў сябе класіфікацыю яго відаў, так як іх некалькі:

1. Электроннага якасці - самы чысты і максімальна высакаякасны. Менавіта такі выгляд выкарыстоўваецца ў электроніцы для стварэння асабліва адчувальных прыбораў.
2. Сонечнага якасці. Сама назва вызначае вобласць выкарыстання. Гэта таксама дастаткова высокі па чысціні крэмній, ужыванне якога неабходна для стварэння якасных і доўга працуюць сонечных батарэй. Фотаэлектрычныя пераўтваральнікі, створаныя на аснове менавіта крышталічнай структуры, больш якасныя і зносаўстойлівасць, чым тыя, што створаны з выкарыстаннем аморфнай мадыфікацыі шляхам напылення на рознага тыпу падкладкі.
3. Тэхнічны крэмній. У дадзеную разнавіднасць ўключаюцца тыя ўзоры рэчывы, у якіх змяшчаецца каля 98% чыстага элемента. Усё астатняе сыходзіць на рознага роду прымешкі:

• бор;
• алюміній;
• хлор;
• вуглярод;
• фосфар і іншыя.

Апошняя разнавіднасць разгляданага рэчывы выкарыстоўваецца з мэтай атрымання поликристаллов крэмнію. Для гэтага праводзяцца працэсы перакрышталізацыі. З прычыны гэтага па чысціні атрымліваюцца такія прадукты, якія можна адносіць да груп сонечнага і электроннага якасці.

Па сваёй прыродзе поликремний - гэта прамежкавы прадукт паміж аморфнай мадыфікацыяй і крышталічнай. З такім варыянтам лягчэй працаваць, ён лепш падвяргаецца перапрацоўцы і ачыстцы фторам і хлорам.

Прадукты, якія атрымліваюцца ў выніку, можна класіфікаваць так:

• мультикремний;
• монакрышталічнага;
• прафіляваныя крышталі;
• крамянёвы скрап;
• тэхнічны крэмній;
• адходы вытворчасці ў выглядзе аскепкаў і абрэзкаў рэчывы.

Кожны з іх знаходзіць прымяненне ў прамысловасці і выкарыстоўваецца чалавекам цалкам. Таму вытворчыя працэсы, якія тычацца крэмнія, лічацца безадходны. Гэта значна зніжае яго эканамічную кошт, пры гэтым не ўплываючы на якасць.

Выкарыстанне чыстага крэмнію

Вытворчасць крэмнію ў прамысловасці наладжана дастаткова добра, а яго маштабы даволі аб'ёмныя. Гэта звязана з тым, што дадзены элемент, як чысты, так і ў выглядзе розных злучэнняў, шырока распаўсюджаны і запатрабаваны ў розных галінах навукі і тэхнікі.

Дзе ж выкарыстоўваецца крышталічны і аморфны крэмній ў чыстым выглядзе?

1. У металургіі як легіравальных дабаўка, здольная змяняць ўласцівасці металаў і іх сплаваў. Так, ён выкарыстоўваецца пры выплаўленні сталі і чыгуну.
2. Розныя віды рэчывы сыходзяць на выраб больш чыстага варыянту - поликремния.
3. Злучэння крэмнія з арганічнымі рэчывамі - гэта цэлая хімічная галіна, якая атрымала асаблівую папулярнасць сёння. Кремнийорганические матэрыялы выкарыстоўваюцца ў медыцыне, пры вырабе посуду, інструментаў і шмат чаго іншага.
4. Выраб розных сонечных батарэй. Гэты спосаб атрымання энергіі з'яўляецца адным з самых перспектыўных ў будучыні. Экалагічна чыста, эканамічна выгадна і зносаўстойлівасць - асноўныя вартасці такога атрымання электрычнасці.
5. Крэмній для запальніц выкарыстоўваецца ўжо вельмі даўно. Яшчэ ў старажытнасці людзі выкарыстоўвалі крэмень для атрымання іскры пры распальванні агню. Гэты прынцып закладзены ў аснову вытворчасці запальніц рознага роду. Сёння сустракаюцца віды, у якіх крэмень заменены на сплаў пэўнага складу, які дае яшчэ больш хуткі вынік (іскрэнне).
6. Электроніка і сонечная энергетыка.
7. Выраб зеркалец ў газавых лазерных прыладах.

Такім чынам, чысты крэмній мае масу пераважных і асаблівых уласцівасцяў, якія дазваляюць выкарыстоўваць яго для стварэння важных і патрэбных прадуктаў.

Прымяненне злучэнняў крэмнія

Акрамя простага рэчывы, выкарыстоўваюцца і розныя злучэння крэмнія, прычым вельмі шырока. Існуе цэлая галіна прамысловасці, якая называецца сілікатнай. Менавіта яна заснавана на выкарыстанні розных рэчываў, у склад якіх уваходзіць гэты дзіўны элемент. Якія гэта злучэння і што з іх вырабляюць?

1. Кварц, або рачны пясок - SiO _2. Выкарыстоўваецца для вырабу такіх будаўнічых і дэкаратыўных матэрыялаў, як цэмент і шкло. Дзе выкарыстоўваюцца гэтыя матэрыялы, усім вядома. Ніводнае будаўніцтва не абыходзіцца без дадзеных кампанентаў, што пацвярджае значнасць злучэнняў крэмнію.
2. Сылікатная кераміка, у якую ўваходзяць такія матэрыялы, як фаянс, фарфор, цэгла і прадукты на іх аснове. Дадзеныя кампаненты выкарыстоўваюцца ў медыцыне, пры вырабе посуду, дэкаратыўных упрыгожванняў, прадметаў побыту, у будаўніцтве і іншых бытавых галінах дзейнасці чалавека.
3. Кремнийорганические злучэння - сіліконы, силикагели, сіліконавыя алею.
4. Сілікатны клей - выкарыстоўваецца як канцылярская, у піратэхніцы і будаўніцтве.

Крэмній, цана на які вар'іруе на сусветным рынку, але не перасякае зверху ўніз адзнаку ў 100 рублёў РФ за кілаграм (за крышталічны), з'яўляецца запатрабаваным і каштоўным рэчывам. Натуральна, што і злучэнні гэтага элемента гэтак жа шырока распаўсюджаныя і дастасавальныя.

Біялагічная ролю крэмнія

З пункту гледжання значнасці для арганізма крэмній немалаважны. Яго змест і размеркаванне па тканінах такое:

• 0,002% - цягліцавая;
• 0,000017% - касцяная;
• кроў - 3,9 мг / л.

Кожны дзень ўнутр павінна трапляць каля аднаго грама крэмнія, інакш пачнуць развівацца захворванні. Смяротна небяспечных сярод іх няма, аднак доўгі крамянёвая галаданне прыводзіць да:

• выпадзення валасоў;
• з'яўленню угревой сыпы і вугроў;
• далікатнасці і ломкасці костак;
• лёгкай пранікальнасці капіляраў;
• стомленасці і галаўнога болю;
• з'яўленню шматлікіх сінякоў і сінякоў.

Для раслін крэмній - важны мікраэлемент, неабходны для нармальнага росту і развіцця. Досведы на жывёл паказалі, што лепш растуць тыя асобіны, якія штодня спажываюць дастатковую колькасць крэмнію.