Кремний

Кремний – пищевой минерал, широко используется в твердотельной электронике. Название “silicium” от латинского silex (кремень), а окончание “-ium” добавили из-за ошибочного предположения, что это металл. Кремний во многих отношениях похож на углерод. Играет столь же важную роль, как и углерод в живой природе. По распространенности в земной коре кремний занимает второе место вслед за кислородом. Во всех природных соединениях связан с кислородом. 12% массы земной коры составляет кремнезем и 75%- силикаты, к которым относятся глины, полевые шпаты, слюды, оливины и т.д. Кремний необходим для роста растений. Кремний типичный полупроводник, при нагревании которого проводимость возрастает. Проводимость кремния увеличивается при замене некоторых атомов кремния атомами химических элементов соседних групп периодической системы. При замещении кремния элементами пятой группы (Р, Вi) усиливается электронная проводимость, при замещении элементами третьей группы(Аl, В) – дырочная.

История

Соединения кремния

Именно кремень – невзрачный и не очень прочный камень – в свое время человеку помог стать Человеком. Век кремневых орудий труда это каменный век. Распространенный и доступный кремний способен при сколе образовывать острые режущие кромки. Кристаллический аналог кремния представляет собой “красиво ограненные груды горного хрусталя”, “чистый песок на берегу моря”. Разница между ними по существу лишь в размерах и примесях. Чистый песок – чистая кристаллическая двуокись кремния. Чистой воды горный хрусталь – то же самое. Оба эти вещества – полимеры, неорганические полимеры.

Дмитрий Иванович Менделеев одним из первых высказал предположение о полимерном строении двуокиси кремния. Именно этим обстоятельством объяснял он нелетучесть и тугоплавкость веществ состава SiO2 или, правильнее, (SiO2)n. Правильность этой догадки подтвердили рентгеноструктурные исследования. Установлено, что кристаллический кремнезем представляет собой трехмерный сетчатый полимер. Прочна цепочка кремнекислородных тетраэдров, связь кремния с кислородом намного прочнее связи между атомами углерода в цепях органических полимеров. Кремнекислородным цепям хватает и гибкости, но в мире минералов они образуют жесткие сплетения в виде пространственных решеток и сеток хрупких и неподатливых при механической обработке. Чтобы кремнекислородные цепочки сохранили гибкость, эластичность, их необходимо изолировать одну от другой, окружить другими атомами или группами атомов. Это получили химики, синтезировав многочисленные ныне кремнийорганические полимеры. Асбест природный великолепный образец волокнистого по структуре полимерного соединения кислорода и кремния.

Какая из разновидностей кристаллической двуокиси кремния важнее для современного человека – песок или горный хрусталь. Природный горный хрусталь практически исчерпал свои запасы, то важнее однозначно, конечно, песок. Из кварцевого песка производят кварцевое стекло, из которого делают превосходную лабораторную посуду, баллоны ламп специального назначения и другое. Горный же хрусталь как поделочный материал, так и пьезоэлектрик. Требуется радиотехнике во все возрастающих количествах, и не возможно представить быстрое развитие этой отрасли без выращенного крупнокристаллического искусственного кварца в виде монокристаллов. Кварцевые заводы появились раньше, чем предсказал ученый. Они выпускают кристаллы кварца, совершенно не уступающие природному горному хрусталю, в количествах, достаточных для радиоэлектронной промышленности, для оптики и для украшений.

Кремний

В 1787 году Антуан Лавуазье привлек внимание к окиси кремния. После попытки изолировать чистый элемент в 1808 году сэр Хэмфри Дэви присвоил ему имя “silicium” от латинского silex (кремень), а окончание “-ium” добавили из-за ошибочного предположения, что это металл. В 1811 году французскими учеными Жозефом Луи Гей-Люссаком и Луи Жаком Тенаром был впервые выделен в чистом виде. В 1825 году шведский химик Йенс Якоб Берцелиус получил чистый элементарный кремний действием металлического калия на фтористый кремний SiF4. Новому элементу дали название «силиций» (от лат. Silex — кремень). В 1834 году русским химиком Германом Ивановичем Гессом введено русское название «кремний». В переводе c древне-греческого Κρημνός — «утес, гора».

Хотя распространен в природе, этот элемент открыли сравнительно поздно. Выдающийся шведский химик и минералог Йенс Якоб Берцелиус в 1825 году сумел в двух реакциях выделить не очень чистый аморфный кремний в виде коричневого порошка. Он восстановил металлическим калием газообразное вещество, известное ныне как тетрафторид кремния SiF4, и провел такую реакцию: K2SiF6 + 4К 6KF + Si. Русское название этого элемента появилось в 1834 году, и благополучно дожило, в отличие от “буротвора”, до наших дней. Кремний образует различные аллотропические модификации. Кристаллический кремний так же мало похож на аморфный, как алмаз на графит. Это твердое вещество серо-стального цвета с металлическим блеском и гранецентрированной кристаллической решеткой как у алмаза. Впрочем, аморфный кремний, тоже не аморфный, а мелкокристаллический.

Первое органическое соединение, содержащее кремний, получили еще в 1845 году в реакции этилового спирта с четыреххлористым кремнием: SiCl4 + 4С2Н5OН Si(OC2Н5)4 + 4HCl. Это не был первый синтез кремнийорганического соединения. Кремнийорганическими признают лишь те соединения, в которых есть связь углерод – кремний. Первое кремнийорганическое соединение – тетраэтил-силиций Si (C2H5)4 – получили лишь в 1863 году. Спустя столетие кремнийорганика развилась в самостоятельную и важную ветвь химической науки. Кремнийорганические соединения, особенно полимерные, стали первостепенно важны для многих видов промышленности, для быта, для транспорта и строительства.

Получение

Первый промышленный способ производства кремния изобрел во второй половине XIX века известный русский химик Н.Н. Бекетов. Способ основан на восстановлении четыреххлористого кремния SiCl4 парообразным цинком. Технически чистый кремний (95-98% Si) сейчас получают восстановлением кремнезема в электрической дуге между графитовыми электродами. Изобретенный еще в прошлом веке способ восстановления кремнезема коксом в электрических печах используется до сих пор. Этот способ дает технический кремний, необходимый металлургии как раскислитель, связывающий и удаляющий из металла кислород, и как легирующая добавка для повышения прочности и коррозионной стойкости сталей и многих сплавов на основе цветных металлов. Впрочем, здесь важно, не переборщить: избыток кремния может привести к хрупкости.

Не забыли и бекетовский способ получения кремния (в реакции между парами цинка и тетрахлоридом кремния – летучей бесцветной жидкостью с температурой кипения всего 57,6oC). Это один из способов получения высокочистого полупроводникового кремния. Предполагают, что при абсолютном нуле идеально чистый и идеально правильный монокристаллический кремний должен быть идеальным электроизолятором. Однако идеальная чистота так же недостижима, как и абсолютный нуль. Не идеальный, а просто высокочистый и сверхчистый кремний стал важнейшим полупроводниковым материалом. При температуре, отличной от абсолютного нуля, в нем возникает собственная проводимость, причем носителями электрического тока являются не только свободные электроны, но и так называемые дырки – места, покинутые электронами.

Вводя в сверхчистый кремний с помощью ионно-лучевых установок те или иные легирующие добавки в микроколичествах, в нем создают проводимость того или иного типа. К созданию дырочной проводимости ведут добавки элементов третьей группы менделеевской таблицы, а пятой к электронной. Расскажем о способах получения полупроводникового кремния. Выше упомянут один из этих способов. Реакция высокочистых паров цинка с очень чистым четыреххлористым кремнием проходит при температуре 950oC в трубчатом реакторе, который изготовлен из плавленого кварца. Образуется элементарный кремний в виде игольчатых кристаллов, которые измельчают, а затем промывают соляной кислотой, тоже весьма чистой. Однако следует еще одна ступень очистки – зонная плавка, и только после этого поликристаллическая кремниевая масса превращается в монокристаллы.

Существуют другие реакции, в результате которых получается высокочистый полупроводниковый кремний. Такие как восстановление водородом трихлорсилана SiHCl или четыреххлористого кремния SiCl4 и термическое разложение моносилана, гидрида кремния SiH4 или тетраиодида SiJ4. В последнем случае разложение соединения происходит на танталовой ленте, разогретой до 1000oC. После каждой из этих реакций проводят дополнительную очистку зонной плавкой. Полупроводниковый кремний содержит примесей крайне мало от 10-5 до 10-6% и даже меньше.

В организме

Любящая себя хозяйка перед стиркой мажет руки силиконовым кремом, предохраняющим их от воды, от разъедающего действия соды или стирального порошка. Сдавая в химчистку платье или костюм, мы доплачиваем за несминаемую складку и за пропитку, благодаря которой одежда будет меньше пачкаться. В обоих случаях вещи на фабрике химической чистки подвергнут обработке кремнийорганическими жидкостями.

Основу скелетов составляет кремний или его двуокись у некоторых морских организмов — диатомей, радиолярий, морских звезд, некоторых губок. Он необходим разным растениям от пальм и бамбука до злаков и осоки. Жесткость стебля растения влияет на количество кремния в золе, прослеживается закономерность чем жестче, тем больше. Берут кремний из воды как растения, так и морские животные. Как в пресной, так и в соленой воде содержится около 3 мг/л кремния (в виде кремниевых кислот и их солей). В жизни высших животных и человека роль кремния долгое время оставалась неясной. Ходило мнение о биологической инертности и бесполезности соединений кремния. Издавна известно серьезное заболевание – силикоз, которое вызывается длительным вдыханием пыли, в составе которой присутствует свободная двуокись кремния. Арилсилатроны это кремнийорганические соединения, оказывающие токсичные действия на всех теплокровных животных.

Известно хорошо, что человеческий организм содержит кремний практически повсеместно, однако больше всего – в костях, соединительных тканях, коже, а также в некоторых железах. Содержание кремния в месте травмы возрастает почти в 50 раз при переломах костей. Оказывают благотворное влияние на здоровье людей, особенно пожилого возраста, прием минеральной воды с высоким содержанием кремния (например, всем знакомая кавказская вода “Джермук”). Роль кремния в жизни выяснена не окончательно, появление новой информации осложняет картину. Синтезом и исследованием биологически активных соединений кремния занимаются многие лаборатории мира.

Многочисленные наблюдения позволили сделать заключение о необходимости тщательных исследований, в том числе на молекулярном уровне, роли кремния в живых организмах. Изыскать возможность использования соединений этого элемента для лечения и профилактики заболеваний и травм, а также в борьбе со старением. Поясним последний тезис. Установленные возрастные особенности кремниевого обмена в организме показали, что с возрастом содержание элемента кремния в костной ткани, коже , артериях существенно уменьшается.

Раздел знаний о элементе кремнии пока не стал сводом общепринятых и устоявшихся истин. Очевидно где-то здесь проходит передний край в борьбе за познания кремния, как отмечено выше в статье, ближайший аналог углерода, жизненно важный элемент. Силикон важен для здоровья:

  1. Кожи.
  2. Ногтей.
  3. Волос.

Увеличение количества кремния в питании приводит к повышению плотности костей, при остеопорозе наблюдаются положительные изменения . Элемент принимает участие в синтезе и эластина и коллагена, из которых состоит аорта.

В природе

Элемент кремний является вторым после кислорода по распространенности на Земле. Более четверти массы земной коры точнее 27,6% состоит из кремния. Кремний связан с кислородом во всех природных соединениях. На долю кремнезема SiO2 (со всеми его разновидностями) приходится 12% массы земной коры. Доля силикатов и алюмосиликатов значительно больше, составляет 75% массы земной коры.

Содержание кремния в массе земной коры составляет по разным данным от 27,6 до 29,5 %. В морской воде концентрация 3 мг/л. В природе кремний чаще всего встречается в виде кремнезема — соединений на основе диоксида кремния (IV) SiO2. Основные минералы и горные породы, образуемые диоксидом кремния, — это песок (речной и кварцевый), кварц и кварциты, кремень, полевые шпаты. Основной минерал — кварц — главный компонент песка. Яшма, халцедон, агат — разновидности кварца с различными примесями. Наиболее чистый кварц — горный хрусталь — бесцветен и прозрачен. Вторая по распространенности группа соединений кремния в природе состоит из силикатов и алюмосиликатов. Отмечен единичный факт нахождения в самородном виде чистого кремния.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *