Кремній (хімічний елемент): властивості, характеристика, формула. Історія відкриття кремнію

Багато сучасні технологічні пристрої і апарати були створені за рахунок унікальних властивостей речовин, що знаходяться в природі. Людство експериментальним шляхом і ретельним вивченням оточуючих нас елементів постійно модернізує власні винаходи - даний процес називається технічним прогресом. Він заснований на елементарних, доступних кожному речах, які оточують нас у повсякденному житті. Наприклад, пісок: що може бути в ньому дивного і незвичайного? Вчені змогли виділити з нього кремній - хімічний елемент, без якого не існувало б комп'ютерної техніки. Область його застосування відрізняється різноманітністю і постійно розширюється. Це досягається за рахунок унікальної властивості атома кремнію, його структури і можливості з'єднань з іншими простими речовинами.

властивості кремнію

Характеристика

У періодичній системі, розробленої Д. І. Менделєєвим, кремній (хімічний елемент) позначений символом Si. Відноситься до неметалів, розташовується в головній четвертої групи третього періоду, має атомний номер 14. Його сусідство з вуглецем не є випадковим: в чому їх властивості порівнянні. У природі не зустрічається в чистому вигляді, так як є активним елементом і має достатньо міцні зв'язки з киснем. Основна речовина - кремнезем, який є оксидом, і силікати (пісок). При цьому кремній (його природні сполуки) є одним з найбільш поширених хімічних елементів на Землі. По масовій частці змісту він займає друге місце після кисню (більше 28%). Верхній шар земної кори містить кремній у вигляді діоксиду (Це кварц), різні типи глин і піску. Другу за поширеністю групу складають його силікати. На глибині близько 35 км від поверхні розташовані шари граніту і базальтові відкладення, до складу яких входять крем'яні з'єднання. Відсоток вмісту в земному ядрі поки не прорахований, але найближчі до поверхні шари мантії (до 900 км) містять силікати. У складі морської води концентрація кремнію становить 3 мг / л, місячний грунт на 40% складається з його сполук. Простори космосу, які людство на сьогоднішній день вивчило, містять цей хімічний елемент у великих кількостях. Наприклад, спектральний аналіз метеоритів, які наближалися до Землі на відстань, доступне дослідникам, показав, що вони складаються на 20% з кремнію. Існує ймовірність формування життя на основі цього елемента в нашій галактиці.

кремній хімічний елемент

Дослідницький процес

Історія відкриття хімічного елемента кремнію має кілька етапів. Багато речовин, систематизовані Менделєєвим, використовувалися людством протягом століть. При цьому елементи знаходилися в природному вигляді, т. Е. у з'єднаннях, які не піддавалися хімічній обробці, і всі їх властивості не були відомі людям. У процесі вивчення всіх особливостей речовини у нього з'являлися нові напрямки використання. Властивості кремнію на сьогоднішній день не вивчені до кінця - цей елемент при досить широкому і різноманітному спектрі застосування залишає простір для нових відкриттів майбутнім поколінням учених. Сучасні технології значно прискорять цей процес. У XIX столітті багато знаменитих хіміки намагалися отримати кремній у чистому вигляді. Вперше це вдалося зробити Л. Тенар і Ж. Гей-Люссаку в 1811 році, але відкриття елемента належить Й. Берцелиусу, який зміг не тільки виділити речовину, а й описати його. Хімік зі Швеції отримав кремній в 1823 році, для цього він використовував металевий калій і калієву сіль. Реакція відбувалася при каталізаторі у вигляді високої температури. Отримане проста речовина сіро-бурого кольору являло собою аморфний кремній. Кристалічний чистий елемент був отриманий в 1855 році Сент-Клер Девіль. Складність виділення безпосередньо пов'язана з високою міцністю атомних зв'язків. В обох випадках хімічна реакція спрямована на процес очищення від домішок, при цьому аморфна і кристалічна моделі мають різні властивості.

кремній формула

Кремній: вимова хімічного елемента

Перша назва отриманого порошку - Кізел - було запропоновано Берцелиусом. У Великобританії і США кремній і донині називають не інакше, як силіцій (Silicium) або силікон (Silicon). Термін походить від латинського «кремінь» (або «камінь»), і в більшості випадків його прив'язують до поняття «земля» за рахунок широкого поширення в природі. Російська вимова даного хімічної речовини буває різне, все залежить від джерела. Його називали кремнеземом (Захаров застосовував такий термін в 1810 р), Сицилії (1824 рік, Двигубский, Соловйов), кремнеземні (1825 рік, Страхов), і тільки в 1834 році російський хімік Герман Іванович Гесс вводить найменування, яке до сьогоднішнього моменту використовується в більшості джерел - кремній. У періодичній системі Менделєєва він позначений символом Si. Як читається хімічний елемент кремній? Багато вчених англомовних країн вимовляють його найменування як «сі» або вживають слово «силікон». Звідси походить відоме на весь світ назву долини, яка є науково-дослідної та виробничою площадкою комп'ютерної техніки. Російськомовне населення називає елемент кремнієм (від давньогрецького слова «скеля, гора»).

Знаходження в природі: родовища

Цілі гірські системи складені з сполук кремнію, який в чистому вигляді не зустрічається, адже всі відомі мінерали є диоксидами або силикатами (алюмосиликатами). Дивовижні по красі камені використовуються людьми в якості виробного матеріалу - це опали, аметисти, кварци різних типів, яшма, халцедон, агат, гірський кришталь, сердолік і багато інших. Утворилися вони завдяки входженню до складу кремнію різних речовин, які визначили їх щільність, структуру, колір і напрям використання. Весь неорганічний світ можна пов'язати з цим хімічним елементом, який у природному середовищі утворює міцні зв'язки з металами і не металами (цинк, магній, кальцій, марганець, титан і т. Д.). У порівнянні з іншими речовинами, кремній досить легкодоступний для видобутку у виробничих масштабах: він міститься в більшості видів руди і мінералів. Тому активно розробляються родовища прив'язуються швидше до доступним джерелам енергії, ніж до територіальних скупчень речовини. Кварцити і кварцові піски є в усіх країнах світу. Найбільш великими виробниками і постачальниками кремнію є: Китай, Норвегія, Франція, США (Західна Вірджинія, Огайо, Алабама, Нью-Йорк), Австралія, ПАР, Канада, Бразилія. Всі виробники використовують різні способи, які залежать від виду продукції, що випускається (технічний, напівпровідниковий, високочастотний кремній). Хімічний елемент, додатково збагачений або, навпаки, очищений від усіх видів домішок, має індивідуальні властивості, від яких залежить його подальше використання. Це відноситься і до даної речовини. Будова кремнію визначає сферу його застосування.

склад кремнію

Історія використання

Дуже часто через схожість найменувань люди плутають кремній і кремінь, однак поняття ці не тотожні. Внесемо ясність. Як уже згадувалося, в природі кремній у чистому вигляді не зустрічається, чого не можна сказати про його з'єднаннях (той же кремнезем). Основні мінерали та гірські породи, утворені діоксидом розглянутого нами речовини - це пісок (річковий і кварцовий), кварц і кварцити, польові шпати і кремінь. Про останній чули, мабуть, усі, адже йому надається велике значення в історії розвитку людства. З даним каменем пов'язують перші знаряддя праці, створені людьми в період кам'яного віку. Його гострі грані, що утворюються при відколюванні від основної породи, значно полегшували працю стародавніх домогосподарок, а можливість загострення - мисливців і рибалок. Кремень не володів міцністю металевих виробів, але вийшли з ладу інструменти було легко замінити новими. Його використання в якості кресала тривало багато століть - аж до винаходу альтернативних джерел.

Що стосується сучасних реалій, властивості кремнію дозволяють експлуатувати речовина для обробки приміщень або створення керамічного посуду, при цьому, крім прекрасного естетичного вигляду, він має безліч відмінних функціональних якостей. Окремий напрямок його застосування пов'язане з винаходом скла близько 3000 років тому. Ця подія дала можливість створювати дзеркала, посуд, мозаїчні вітражі з сполук, що містять кремній. Формула початкового речовини доповнювалася необхідними складовими, що дозволяло надавати виробу необхідний колір і впливало на міцність скла. Дивовижні по красі і різноманітності твори мистецтва були зроблені людиною з мінералів і каменів, що містять кремній. Цілющі властивості цього елемента були описані вченими давнину і застосовувалися протягом всієї історії людства. Їм викладали колодязі для питної води, комори для зберігання продуктів, використовували як у побуті, так і в медицині. Порошок, отриманий в результаті подрібнення, прикладали до ран. Особлива увага приділялася воді, яка настоювалась в посуді, зробленої з сполук, що містять кремній. Хімічний елемент взаємодіяв з її складом, що дозволяло знищувати ряд хвороботворних бактерій і мікроорганізмів. І це ще далеко не всі галузі, де розглядається нами речовина вельми і вельми затребуване. Будова кремнію обумовлює його багатофункціональність.

Будова кремнію

Властивості

Для більш детального ознайомлення з особливостями речовини його необхідно розглянути з урахуванням всіх можливих властивостей. План характеристики хімічного елемента кремнію включає в себе фізичні властивості, електрофізичні показники, вивчення сполук, реакції і умови їх проходження і т. Д. Кремній в кристалічній формі має темно-сірий з металевим відливом колір. Решітка гранецентрированная кубічна має схожість з вуглецевої (алмаз), але за рахунок більшої довжини зв'язків не настільки міцна. Пластичним її робить нагрівання до 800 ^проС, в інших випадках вона залишається крихкою. Фізичні властивості кремнію роблять це речовина справді унікальним: він є прозорим для інфрачервоного випромінювання. Температура плавлення - 1410 ⁰С, кипіння - 2600 ⁰С, щільність при нормальних умовах - 2330 кг / м³. Теплопровідність непостійна, для різних зразків вона приймається в приблизному значенні 25 ⁰С. Властивості атома кремнію дозволяють використовувати його в якості напівпровідника. Цей напрямок застосування найбільш затребуване в сучасному світі. На величину електропровідності впливає склад кремнію і елементи, що знаходяться в з'єднанні з ним. Так, для підвищеної електронної провідності використовуються сурма, миш'як, фосфор, для дірчастій - алюміній, галій, бор, індій. При створенні приладів з кремнієм в якості провідника застосовується поверхнева обробка певним агентом, який і робить вплив на роботу апарату.

Властивості кремнію як відмінного провідника використовуються досить широко в сучасному приладобудуванні. Особливо актуально його застосування при виробництві складної техніки (наприклад, сучасні обчислювальні пристрої, комп'ютери).

Кремній: характеристика хімічного елемента

У більшості випадків кремній чотиривалентний, також зустрічаються зв'язку, в яких він може мати значення +2. При нормальних умовах він малоактивний, має міцні з'єднання, при кімнатній температурі може вступити в реакцію тільки з фтором, що знаходяться в газоподібному агрегатному стані. Це пояснюється ефектом блокування поверхні диоксидно плівкою, який спостерігається при взаємодії з навколишнім киснем або водою. Для стимуляції реакцій необхідно застосовувати каталізатор: підвищення температури ідеально підходить для такої речовини, як кремній. Хімічний елемент взаємодіє з киснем при 400-500 ⁰С, в результаті диоксидно плівка збільшується, йде процес окислення. При підвищенні температури до 50 ⁰З спостерігається реакція з бромом, хлором, йодом, в результаті чого утворюються летючі тетрагалогеніди. З кислотами кремній не взаємодіє, виняток становить суміш фтористоводородной та азотної, при цьому будь-яка луг в нагрітому стані є розчинником. Кремневодороди утворюються тільки шляхом розкладання силіцидів, в реакцію з воднем він не вступає. Найбільшою міцністю та хімічної пасивністю відрізняються з'єднання з бором та вуглецем. Високу стійкість по відношенню до лугів і кислот має сполучення з азотом, яке відбувається при температурі понад 1000 ⁰С. Силіциди виходять при реакції з металами, і в цьому випадку від додаткового елемента залежить валентність, яку показує кремній. Формула речовини, утвореного за участю перехідного металу, є стійкою до впливу кислот. Будова атома кремнію безпосередньо впливає на його властивості та здатність взаємодіяти з іншими елементами. Процес утворення зв'язків у природі і при впливах на речовину (в лабораторних, промислових умовах) відрізняється значно. Будова кремнію передбачає його хімічну активність.

схема будови атома кремнію

Будова

Схема будови атома кремнію має свої особливості. Заряд ядра +14, що відповідає порядковому номеру в періодичній системі. Кількість заряджених частинок: протонів - 14- електронів - 14- нейтронів - 14. Схема будови атома кремнію має наступний вигляд: Si +14) 2) 8) 4. На останньому (зовнішньому) рівні розташовано 4 електрона, що визначає ступінь окислення зі знаком «+» або «-». Оксид кремнію має формулу SiO₂ (Валентність 4+), летюча водневе з'єднання - SiH₄ (Валентність -4). Великий обсяг атома кремнію дозволяє в деяких з'єднаннях мати координаційне число 6, наприклад, при з'єднанні з фтором. Молярна маса - 28, радіус атома - 132 пм, конфігурація електронної оболонки: 1S²2S²2P⁶3S²3P².

Застосування

Поверхнево або повністю легований кремній використовується як напівпровідника при створенні багатьох, в тому числі високоточних, приладів (наприклад, сонячні фотоелементи, транзистори, випрямлячі струму і т. Д.). Надчистий кремній застосовується для створення сонячних батарей (енергетика). Монокристалічний вид використовується для виготовлення дзеркал і газового лазера. З сполук кремнію отримують скло, керамічну плитку, посуд, фарфор, фаянс. Різноманіття одержуваних видів товарів описати складно, їх експлуатація відбувається на побутовому рівні, в мистецтві та науці, на виробництві. Одержуваний цемент служить сировиною для створення будівельних сумішей та цегли, оздоблювальних матеріалів. Поширення масел, мастила на основі кремнійорганічних сполук дозволяє значно зменшити силу тертя в рухомих частинах багатьох механізмів. Силіциди за рахунок унікальних властивостей в області протидії агресивних середовищ (кислот, температурам) широко застосовуються в промисловості. Їх електричні, ядерні та хімічні показники беруть до уваги фахівці на складних виробництвах, не останню роль відіграє і будова атома кремнію.

Ми перерахували самі наукомісткі і передові на сьогоднішній день сфери застосування. Найбільш поширений, що виготовляється у великих обсягах технічний кремній використовується по цілому ряду напрямків:

1. В якості сировини для виробництва більш чистого речовини.
2. Для легування сплавів в металургійній промисловості: наявність кремнію збільшує тугоплавкість, підвищує стійкість до корозії і механічну міцність (при надлишку даного елемента сплав може виявитися занадто тендітним).
3. В якості розкислювача для видалення зайвого кисню з металу.
4. Сировина для виробництва силанов (сполук кремнію з органічними речовинами).
5. Для виробництва водню із сплаву кремнію з залізом.
6. Виготовлення сонячних батарей.

властивості атома кремнію

Велике значення даної речовини і для нормального функціонування організму людини. Будова кремнію, його властивості є в даному випадку визначальними. При цьому надлишок або нестачу його веде до серйозних захворювань.

В організмі людини

Медицина досить давно використовує кремній як бактерицидний і антисептичний засіб. Але при всій користь зовнішнього застосування даний елемент повинен постійно відновлюватись в організмі людини. Нормальний рівень його змісту дозволить поліпшити життєдіяльність в цілому. У разі його нестачі понад 70 мікроелементів і вітамінів не будуть засвоєні організмом, що значно знизить опірність до цілого ряду захворювань. Найбільше процентне співвідношення кремнію спостерігається в кістках, шкірі, сухожиллях. Він грає роль структурного елементу, який підтримує міцність і додає пружність. Всі скелетні тверді тканини формуються за рахунок його сполук. В результаті останніх досліджень виявлено вміст кремнію в нирках, підшлунковій залозі і сполучних тканинах. Роль даних органів у функціонуванні організму досить велика, тому зниження його змісту згубно відіб'ється на багатьох основних показниках життєзабезпечення. В добу з їжею і водою організм повинен отримувати 1 грам кремнію - це допоможе уникнути можливих хвороб, таких як запальні процеси шкірного покриву, розм'якшення кісток, утворення каменів у печінці, нирках, погіршення зору, стану волосся і нігтів, атеросклероз. При достатньому рівні змісту даного елемента підвищується імунітет, нормалізуються обмінні процеси, поліпшується засвоєння багатьох елементів, необхідних для здоров'я людини. Найбільша кількість кремнію - в злакових культурах, редисці, гречаній крупі. Значну користь принесе кремнієва вода. Для визначення кількості та частоти її використання краще проконсультуватися з фахівцем.