КРЕМНИЙ: ИСТОРИЯ, СВОЙСТВА, СТРУКТУРА, ПОЛУЧЕНИЕ, ПРИМЕНЕНИЕ - ХИМИЯ - 2024

Кремния не является - металлические и металлоида в то же время элемент представлен химический символ Si. Это полупроводник, который является неотъемлемой частью компьютеров, калькуляторов, сотовых телефонов, солнечных элементов, диодов и т.д .; Это практически главный компонент, который позволил установить цифровую эпоху.

Кремний всегда присутствовал в кварце и силикатах, оба минерала составляют около 28% по массе всей земной коры. Таким образом, это второй по численности элемент на поверхности Земли, а просторы пустынь и пляжей дают представление о том, насколько он богат.

Пустыни - богатый природный источник частиц кремнезема или гранитов наряду с другими минералами. Источник: Pxhere.

Кремний относится к 14-й группе периодической таблицы, так же как и углерод, расположенный под ней. Вот почему этот элемент считается четырехвалентным металлоидом; он имеет четыре валентных электрона и теоретически может потерять их все, образуя катион Si ⁴⁺ .

Одно свойство, которое он разделяет с углем, - это его способность соединяться; то есть их атомы ковалентно связаны, образуя молекулярные цепи. Кроме того, кремний может образовывать собственные «углеводороды», называемые силанами.

Преобладающими соединениями кремния в природе являются известные силикаты. В чистом виде он может выглядеть как монокристаллическое, поликристаллическое или аморфное твердое тело. Это относительно инертное твердое вещество, поэтому оно не представляет значительного риска.

История

Кремниевый камень

Кремний, пожалуй, один из элементов, оказавших наибольшее влияние в истории человечества.

Этот элемент является главным героем каменного века, а также цифрового века. Его происхождение восходит к тому времени, когда цивилизации когда-то работали с кварцем и делали свои собственные очки; И сегодня это основная составляющая компьютеров, ноутбуков и смартфонов.

Кремний практически был камнем двух четко определенных эпох в нашей истории.

Изоляция

Поскольку кремнезема так много, это название произошло от кремневой породы, он должен был содержать чрезвычайно богатый элемент в земной коре; это было правильное подозрение Антуана Лавуазье, который в 1787 году потерпел неудачу в своих попытках избавить его от ржавчины.

Некоторое время спустя, в 1808 году, Хэмфри Дэви предпринял собственные попытки и дал элементу его первое название: «кремний», что в переводе означает «кремень». То есть к тому времени кремний считался металлом из-за отсутствия у него характеристик.

Затем, в 1811 году, французским химикам Жозефу Л. Гей-Люссаку и Луи Жаку Тенарду впервые удалось получить аморфный кремний. Для этого они прореагировали тетрафторид кремния с металлическим калием. Однако они не очищали и не характеризовали полученный продукт, поэтому они не сделали вывод, что это был новый элемент кремний.

Только в 1823 году шведский химик Якоб Берцелиус получил аморфный кремний достаточной чистоты, чтобы распознать в нем кремний; Название было дано в 1817 году шотландским химиком Томасом Томсоном, когда он считал его неметаллическим элементом. Берцелиус провел реакцию между фторсиликатом калия и расплавленным калием для получения этого кремния.

Кристаллический кремний

Кристаллический кремний был впервые получен в 1854 году французским химиком Генри Девилем. Чтобы добиться этого, Девиль провел электролиз смеси хлоридов алюминия и натрия, получив таким образом кристаллы кремния, покрытые слоем силицида алюминия, который он удалил (по-видимому), промывая их водой.

Физические и химические свойства

Внешность

Элементарный кремний, который имеет металлический блеск, но на самом деле является металлоидом. Источник: изображения химических элементов в высоком разрешении.

Кремний в его чистой или элементарной форме состоит из сероватого или голубовато-черного твердого вещества (верхнее изображение), которое, хотя и не является металлом, имеет блестящие грани, как если бы он действительно был.

Это твердое, но хрупкое твердое вещество, которое также имеет шелушащуюся поверхность, если состоит из поликристаллов. С другой стороны, аморфный кремний выглядит как порошок темно-коричневого цвета. Благодаря этому легко идентифицировать и отличить один тип кремния (кристаллический или поликристаллический) от другого (аморфного).

Молярная масса

28,085 г / моль

Атомный номер (Z)

14 ( ₁₄ Да)

Температура плавления

1414 ºC

Точка кипения

3265 ºC

плотность

-При комнатной температуре: 2,33 г / мл

-Права при температуре плавления: 2,57 г / мл

Обратите внимание, что жидкий кремний плотнее твердого кремния; это означает, что его кристаллы будут плавать в жидкой фазе того же самого, как это происходит с системой лед-вода. Объяснение связано с тем, что межатомное пространство между атомами Si в его кристалле больше (менее плотно), чем соответствующее пространство в жидкости (более плотное).

Теплота плавления

50,21 кДж / моль

Теплота испарения

383 кДж / моль

Молярная теплоемкость

19,789 Дж / (моль К)

Электроотрицательность

1,90 по шкале Полинга

Энергии ионизации

-Первый: 786,5 кДж / моль

-Второй: 1577,1 кДж / моль

-Третий: 3231,6 кДж / моль

Атомное радио

111 пм (измерено на соответствующих кристаллах алмаза)

Теплопроводность

149 Вт / (м · К)

Удельное электрическое сопротивление

2,3 · 10 ³ Ом · м при 20 ºC

Твердость по Моосу

6,5

Конкатенация

Атомы кремния обладают способностью образовывать простые связи Si-Si, которые в конечном итоге образуют цепочку (Si-Si-Si…).

Это свойство проявляют также углерод и сера; однако sp ^3- гибридизации кремния хуже по сравнению с гибридизацией двух других элементов и, кроме того, их 3p-орбитали более диффузны, поэтому перекрытие результирующих sp ³ -орбиталей слабее.

Средние энергии ковалентных связей Si-Si и CC составляют 226 кДж / моль и 356 кДж / моль соответственно. Следовательно, связи Si-Si более слабые. Из-за этого кремний не является краеугольным камнем жизни (как и сера). Фактически, самая длинная цепь или скелет, который может образовать кремний, обычно четырехчленный (Si ₄ ).

Числа окисления

Кремний может иметь любую из следующих степеней окисления, предполагая, что в каждом из них существуют ионы с соответствующими зарядами: -4 (Si ^4- ), -3 (Si ^3- ), -2 (Si ^2- ), -1 (Si ^- ), +1 (Si ⁺ ), +2 (Si ²⁺ ), +3 (Si ³⁺ ) и +4 (Si ⁴⁺ ). Из всех них наиболее важными являются -4 и +4.

Например, -4 предполагается в силицидах (Mg ₂ Si или Mg ₂ ²⁺ Si ^4- ); в то время как +4 соответствует кремнезему (SiO ₂ или Si ⁴⁺ O ₂ ^2- ).

Реактивность

Кремний полностью не растворим в воде, а также в сильных кислотах или щелочах. Однако он растворяется в концентрированной смеси азотной и плавиковой кислот (HNO ₃ -HF). Точно так же он растворяется в горячем щелочном растворе, происходит следующая химическая реакция:

Si (т) + 2NaOH (водн.) + H ₂ O (ж) => Na ₂ SiO ₃ (водн.) + 2H ₂ (г)

Соль метасиликата натрия, Na ₂ SiO ₃ , также образуется при растворении кремния в расплавленном карбонате натрия:

Si (т.) + Na ₂ CO ₃ (ж) => Na ₂ SiO ₃ (л) + C (т)

При комнатной температуре он вообще не реагирует с кислородом, даже при 900 ºC, когда начинает формироваться защитный стекловидный слой SiO ₂ ; а затем, при 1400 ºC, кремний вступает в реакцию с азотом в воздухе с образованием смеси нитридов SiN и Si ₃ N ₄ .

Кремний также реагирует при высоких температурах с металлами с образованием силицидов металлов:

2Mg (тв) + Si (тв) => Mg ₂ Si (тв)

2Cu (тв) + Si (тв) => Cu ₂ Si (тв)

При комнатной температуре он взрывоопасно и напрямую реагирует с галогенами (нет слоя SiO _2, защищающего от этого). Например, у нас есть реакция образования SiF ₄ :

Si (т) + 2F ₂ (г) => SiF ₄ (г)

И хотя кремний нерастворим в воде, он реагирует раскаленным докрасна с потоком пара:

Si (т) + H ₂ O (г) => SiO ₂ (т) + 2H ₂ (г)

Структура и электронная конфигурация

Кристаллическая структура или элементарная ячейка кремния, представленная моделью сфер и стержней. Источник: Benjah-bmm27

На изображении выше показана гранецентрированная кубическая структура (ГЦК), такая же, как у алмаза, для кристалла кремния. Серые сферы соответствуют атомам Si, которые, как видно, ковалентно связаны друг с другом; кроме того, они, в свою очередь, имеют тетраэдрическое окружение, воспроизводимое вдоль кристалла.

Кристалл кремния является ГЦК, потому что атом Si находится на каждой из граней куба (6 × 1/2). Точно так же есть восемь атомов Si в вершинах куба (8 × 1/8) и четыре, расположенных внутри него (те, которые показывают четко определенный тетраэдр вокруг них, 4 × 1).

При этом каждая элементарная ячейка имеет в общей сложности восемь атомов кремния (3 + 1 + 4, числа указаны в абзаце выше); характеристика, которая помогает объяснить его высокую твердость и жесткость, поскольку чистый кремний представляет собой ковалентный кристалл, подобный алмазу.

Ковалентный характер

Этот ковалентный характер обусловлен тем, что, как и углерод, кремний имеет четыре валентных электрона в соответствии с его электронной конфигурацией:

3с ² 3п ²

Для связывания чистые 3s и 2p орбитали бесполезны. Вот почему атом создает четыре гибридных sp ³ орбитали , с которыми он может образовывать четыре ковалентные связи Si-Si и, таким образом, завершать октет валентности для двух атомов кремния.

Затем кристалл кремния визуализируется как трехмерная ковалентная решетка, состоящая из связанных тетраэдров.

Однако эта сетка не идеальна, поскольку в ней есть дефекты и границы зерен, которые отделяют один кристалл от другого и определяют их; а когда таких кристаллов очень мало и их много, мы говорим о поликристаллическом твердом теле, идентифицируемом по его неоднородному блеску (подобному серебристой мозаике или чешуйчатой ​​поверхности).

Электропроводность

Связи Si-Si с их удачно расположенными электронами в принципе отличаются от того, что ожидается от металла: море электронов «смачивает» его атомы; по крайней мере, это так при комнатной температуре.

Однако при повышении температуры кремний начинает проводить электричество и, таким образом, ведет себя как металл; то есть это полупроводниковый металлоидный элемент.

Аморфный кремний

Тетраэдры кремния не всегда имеют структурную схему, но могут быть расположены беспорядочно; и даже с атомами кремния, гибридизации которых кажутся не sp ^3, а sp ² , что способствует дальнейшему увеличению степени беспорядка. Поэтому мы говорим об аморфном и некристаллическом кремнии.

В аморфном кремнии есть электронные вакансии, где некоторые из его атомов имеют орбиталь с неспаренным электроном. Благодаря этому его твердое вещество может гидрироваться, что приводит к образованию гидрогенизированного аморфного кремния; то есть он имеет связи Si-H, которыми тетраэдры завершаются в неупорядоченных и произвольных положениях.

В заключение этого раздела говорится, что кремний может быть представлен в трех типах твердых тел (без упоминания их степени чистоты): кристаллический, поликристаллический и аморфный.

Каждый из них имеет свой собственный производственный метод или процесс, а также свои приложения и компромиссы при принятии решения, какой из трех использовать, зная его преимущества и недостатки.

Где найти и получить

Кристаллы кварца (кремнезема) - один из основных и самых необычных минералов, в которых встречается кремний. Источник: Джеймс Сент-Джон (https://www.flickr.com/photos/jsjgeology/22437758830)

Кремний является седьмым по распространенности элементом во Вселенной и вторым в земной коре, а также обогащает мантию Земли своим обширным семейством минералов. Этот элемент очень хорошо связывается с кислородом, образуя широкий спектр оксидов; среди них кремнезем, SO ₂ и силикаты (различного химического состава).

Кремнезем можно увидеть невооруженным глазом в пустынях и на пляжах, поскольку песок в основном состоит из SiO ₂ . В свою очередь, этот оксид может проявляться в нескольких полиморфах, наиболее распространенными из которых являются: кварц, аметист, агат, кристобалит, триполи, коэсит, стишовит и тридимит. Кроме того, его можно найти в аморфных твердых телах, таких как опалы и диатомовая земля.

Между тем силикаты еще богаче структурно и химически. Некоторые силикатные минералы включают: асбест (белый, коричневый и голубоватый), полевой шпат, глины, слюды, оливины, алюмосиликаты, цеолиты, амфиболы и пироксены.

Практически все породы состоят из кремния и кислорода с их стабильными связями Si-O, а также их кремнеземов и силикатов, смешанных с оксидами металлов и неорганическими частицами.

-Снижение содержания кремнезема

Проблема получения кремния состоит в разрыве указанной связи Si-O, для чего необходимы специальные печи и хорошая стратегия восстановления. Сырьем для этого процесса является кремнезем в форме кварца, который предварительно измельчают до состояния мелкого порошка.

Из этого измельченного диоксида кремния можно получить аморфный или поликристаллический кремний.

Аморфный кремний

В небольших масштабах, проводимых в лаборатории и с соответствующими мерами, диоксид кремния смешивают с порошком магния в тигле и сжигают в отсутствие воздуха. Затем происходит следующая реакция:

SiO ₂ (тв) + Mg (тв) => 2MgO (тв) + Si (тв)

Магний и его оксид удаляют разбавленным раствором соляной кислоты. Затем оставшееся твердое вещество обрабатывают плавиковой кислотой, чтобы закончить реакцию избытка SiO ₂ ; в противном случае избыток магния способствует образованию соответствующего силицида Mg ₂ Si, нежелательного соединения для процесса.

SiO ₂ превращается в летучий газ SiF ₄ , который восстанавливается для других химических синтезов. Наконец, массу аморфного кремния сушат в потоке газообразного водорода.

Другой аналогичный метод получения аморфного кремния заключается в использовании того же SiF _4, полученного ранее, или SiCl ₄ (приобретенного ранее). Пары этих галогенидов кремния проходят над жидким натрием в инертной атмосфере, так что восстановление газа может происходить без присутствия кислорода:

SiCl ₄ (г) + 4Na (ж) => Si (т) + 4NaCl (ж)

Интересно, что аморфный кремний используется для создания энергоэффективных солнечных панелей.

Кристаллический кремний

Начиная с пылевидного кремнезема или кварца, они попадают в электродуговую печь, где вступают в реакцию с коксом. Таким образом, восстановитель больше не является металлом, а представляет собой углеродсодержащий материал высокой чистоты:

SiO ₂ (тв) + 2C (тв) => Si (тв) + 2CO (г)

В результате реакции также образуется карбид кремния SiC, который нейтрализуется избытком SiO ₂ (опять же, кварц находится в избытке):

2SiC (s) + SiO ₂ (s) => 3Si (s) + 2CO (г)

Другой метод получения кристаллического кремния - использование алюминия в качестве восстановителя:

3SiO ₂ (s) + 4Al (l) => 3Si (s) + 2Al ₂ O ₃ (s)

И, начиная с гексафторсиликатной соли калия, K ₂ , она также реагирует с металлическим алюминием или калием с образованием того же продукта:

K ₂ (l) + 4Al (l) => 3Si (s) + 6KF (l) + 4AlF ₃ (г)

Кремний немедленно растворяется в расплавленном алюминии, и при охлаждении системы первый кристаллизуется и отделяется от второго; то есть образуются кристаллы кремния сероватого цвета.

Поликристаллический кремний

В отличие от других синтезов или производств, получение поликристаллического кремния начинается с газовой фазы силана, SiH ₄ . Этот газ подвергается пиролизу при температуре выше 500 ºC таким образом, что происходит термическое разложение и, таким образом, из его исходных паров поликристаллы кремния осаждаются на поверхности полупроводника.

Следующее химическое уравнение иллюстрирует протекающую реакцию:

SiH ₄ (г) => Si (т) + H ₂ (г)

Очевидно, что в камере не должно быть кислорода, так как он будет реагировать с SiH ₄ :

SiH ₄ (г) + 2O ₂ (г) => SiO ₂ (т) + 2H ₂ O (г)

И реакция горения такова, что она происходит быстро при комнатной температуре с минимальным воздействием воздуха на силан.

Другой синтетический путь для производства этого типа кремния начинается с кристаллического кремния в качестве сырья. Они заставляют его реагировать с хлористым водородом при температуре около 300 ºC, в результате чего образуется трихлорсилан:

Si (т.) + 3HCl (г) => SiCl ₃ H (г) + H ₂ (г)

И SiCl ₃ H реагирует при 1100 ºC, регенерируя кремний, но теперь уже поликристаллический:

4SiCl ₃ H (г) => Si (тв.) + 3SiCl ₄ (г) + 2H ₂ (г)

Просто посмотрите на уравнения, чтобы получить представление о работе и строгих производственных параметрах, которые необходимо учитывать.

Изотопы

Кремний встречается в природе в основном в виде изотопа ²⁸ Si с содержанием 92,23%.

В дополнение к этому, есть два других изотопа, которые стабильны и поэтому не подвергаются радиоактивному распаду: ²⁹ Si с содержанием 4,67%; и ³⁰ Да, с удельным весом 3,10%. ²⁸ Si настолько распространен , что неудивительно, что атомный вес кремния составляет 28,084 ед.

Кремний также можно найти в различных радиоизотопах, среди которых ³¹ Si (t _1/2 = 2,62 часа) и ³² Si (t _1/2 = 153 года). Остальные ( ²² Si - ⁴⁴ Si) имеют очень короткие или короткие t _1/2 (менее сотых долей секунды).

риски

Чистый кремний - относительно инертное вещество, поэтому он обычно не накапливается в каком-либо органе или ткани, пока воздействие на него невелико. В виде порошка он может раздражать глаза, вызывая слезотечение или покраснение, а прикосновение к нему может вызвать дискомфорт на коже, зуд и шелушение.

При очень сильном воздействии кремний может повредить легкие; но без последствий, если количество не является достаточным, чтобы вызвать удушье. Однако это не относится к кварцу, который связан с раком легких и такими заболеваниями, как бронхит и эмфизема.

Точно так же чистый кремний очень редко встречается в природе, и его соединения, которых так много в земной коре, не представляют опасности для окружающей среды.

Что касается кремнийорганического соединения, они могут быть токсичными; Но поскольку их много, это зависит от того, какой из них рассматривается, а также от других факторов (реактивность, pH, механизм действия и т. Д.).

Приложения

Строительная промышленность

Минералы кремния составляют «камень», из которого строятся здания, дома или памятники. Например, цемент, бетон, штукатурка и огнеупорный кирпич состоят из твердых смесей на основе силикатов. Исходя из этого подхода, можно представить себе применение этого элемента в городах и архитектуре.

Стекло и керамика

Кристаллы, используемые в оптических устройствах, могут быть сделаны из диоксида кремния в качестве изоляторов, ячеек для образцов спектрофотометра, пьезоэлектрических кристаллов или простых линз.

Кроме того, когда материал готовится с несколькими добавками, он в конечном итоге превращается в аморфное твердое вещество, известное как стекло; а горы песка обычно являются источником кремнезема или кварца, необходимого для его производства. С другой стороны, из силикатов производятся керамические материалы и фарфор.

Силикон, переплетая идеи, также присутствует в ремеслах и украшениях.

сплавы

Атомы кремния могут сцепляться и смешиваться с металлической матрицей, что делает его добавкой для многих сплавов или металлов; например, сталь для изготовления магнитопроводов; бронзы для изготовления телефонных кабелей; и алюминия при производстве алюминиево-кремниевого сплава, предназначенного для деталей легких автомобилей.

Поэтому его можно найти не только в «камне» зданий, но и в металлах их колонн.

Осушители

Желатиновые шарики из диоксида кремния, используемые в качестве осушителей. Источник: Десиканты.

Кремнезем в гелевой или аморфной форме позволяет производить твердые вещества, которые действуют как осушители, улавливая молекулы воды, которые входят в контейнер, и сохраняя его внутреннюю часть сухой.

Электронная промышленность

Поликристаллический и аморфный кремний используются для изготовления солнечных батарей. Источник: Pxhere.

Слои кремния разной толщины и цвета являются частью компьютерных микросхем, так как их твердые (кристаллические или аморфные) были разработаны интегральные схемы и солнечные элементы.

Будучи полупроводником, он включает атомы с меньшим количеством (Al, B, Ga) или большим количеством электронов (P, As, Sb), чтобы преобразовать его в полупроводники pon-типа соответственно. На стыках двух силиконов, одного n и другого p, сделаны светодиоды.

Силиконовые полимеры

Знаменитый силиконовый клей состоит из органического полимера, поддерживаемого стабильностью цепей Si-O-Si связей … Если эти цепи очень длинные, короткие или сшитые, свойства силиконового полимера изменяются, а также их конечное применение. .

Среди его применений, перечисленных ниже, можно упомянуть следующее:

-Клей или клей, не только для соединения бумаги, но и строительных блоков, резины, стеклянных панелей, камней и т. Д.

-Смазочные материалы в гидравлических тормозных системах

-Укрепляет краски и улучшает яркость и интенсивность их цветов, позволяя им противостоять перепадам температуры, не растрескиваясь и не разъедая

-Они используются в качестве водоотталкивающих спреев, благодаря которым некоторые поверхности или предметы остаются сухими.

-Они придают средствам личной гигиены (зубные пасты, шампуни, гели, кремы для бритья и т. Д.) Ощущение шелковистости

-Его покрытие защищает электронные компоненты чувствительных устройств, таких как микропроцессоры, от тепла и влажности.

-С помощью силиконовых полимеров было сделано несколько резиновых мячей, которые подпрыгивают, как только их бросают на пол.

Ссылки

1. Шивер и Аткинс. (2008). Неорганическая химия . (Четвертое издание). Мак Гроу Хилл.
2. Wikipedia. (2019). Кремний. Получено с: en.wikipedia.org
3. MicroChemicals. (SF). Кристаллография кремния. Получено с: microchemicals.com
4. Lenntech BV (2019). Таблица Менделеева: кремний. Получено с: lenntech.com
5. Маркес Мигель. (SF). Возникновение кремния. Получено с: nautilus.fis.uc.pt
6. Больше Хеманта. (05 ноября 2017 г.). Кремний. Получено с: hemantmore.org.in
7. Пилгаард Майкл. (22 августа 2018 г.). Кремний: появление, выделение и синтез. Получено с: pilgaardelements.com
8. Доктор Дуг Стюарт. (2019). Факты об элементе кремния. Chemicool. Получено с: chemicool.com
9. Кристиана Хонсберг и Стюарт Боуден. (2019). Сборник ресурсов для преподавателей фотоэлектрических систем. PVобразование. Получено с: pveducation.org
10. Американский химический совет, Inc. (2019). Силиконы в повседневной жизни. Получено с: sehsc.americanchemistry.com