Кремний - строение, формула, химческие и физические свойства, применение

Химические и физические свойства

Согласно данным британского Королевского химического общества, кремний является седьмым по распространенности элементом во вселенной и вторым на Земле после кислорода. Кремний (силициум) составляет около 25 процентов земной коры и является очень полезным элементом, жизненно важным для многих отраслей промышленности.

Химические и физические свойства:

• Атомный номер (количество протонов в ядре): 14.
• На внешнем энергетическом уровне вещества находится 4 электрона.
• Атомный символ (в периодической таблице элементов): Si.
• Плотность: 2,33296 грамма на кубический сантиметр.
• Атомный вес (молярная масса атома): 28.09.
• Состояние при комнатной температуре: твердое.
• Точка кипения: 3265 градусов Цельсия (5,909 градуса по Фаренгейту).
• Количество изотопов (атомов одного и того же элемента с разным количеством нейтронов): 24.
• Температура плавления: 1414 градусов по Цельсию (2577 градусов по Фаренгейту).
• Наиболее распространенный изотоп: Si-28 (природное содержание — 92%).
• Электронная формула кремния — 1s ²2s ²2p ⁶3s ²3p².
• Параметр кристаллической решетки кремния равен 0,54307 нм.
• Является 14-м элементом таблицы Менделеева.

В природе кремний не встречается сам по себе. Обычно он связывается с двумя молекулами кислорода, в результате чего обнаруживается в виде диоксида кремния, иначе называемого кремнеземом, из которого состоит кварц.

Качества вещества

Силиций был впервые выделен в 1824 году шведским химиком Йенсом Якобом Берцелиусом, который также обнаружил церий, селен и торий, согласно Фонду химического наследия. Ученый нагревал кремнезем с калием, чтобы очистить кремний. Сегодня процесс получения выглядит иначе — происходит нагревание углерода с кремнеземом в форме песка, чтобы изолировать элемент.

Кремний не является ни металлом, ни неметаллом: это металлоид, элемент, который находится где-то посередине. Эта категория — серая область, нет четкого определения того, каким требованиям она отвечает. Но металлоиды обычно имеют свойства как металлов, так и неметаллов. Кремний является полупроводником, это означает, что он проводит электричество. Однако, в отличие от типичного металла, он лучше проводит ток при повышении температуры (металлы же ухудшают проводимость повышенных температурах).

Кремний находит применение и в производстве низкотехнологичных творений, таких как кирпичи и керамика. При присоединении водорода к оксиду силиция образуется гидроксид. Гидрозоли кремниевых кислот применяют в фототехнике, а также в качестве адсорбентов. Но высокотехнологичные изделия — сфера, где элемент действительно оставляет видимый след. В качестве полупроводника кремний используется для изготовления транзисторов, которые усиливают или переключают электрические токи и являются основой электроники от радиоприемников до смартфонов.

Кремний по-разному используется в солнечных элементах и компьютерных микросхемах, одним из примеров является полевой транзистор с оксидом металла и полупроводника, основной переключатель во многих электронных устройствах. Создавая пространства из чистого силиция, инженеры получают зазор, в котором электроны не могут течь — это как переключатель в положении «выключено».

Для включения металлическая пластина, подключенная к источнику питания, помещается рядом с кристаллом. Когда электричество течет, пластина становится положительно заряженной.

Электроны с отрицательным зарядом притягиваются к положительному заряду, что позволяет им совершать прыжок через сегмент чистого кремния. (Другие полупроводники, кроме кремния, также могут использоваться в транзисторах.)

Кремниевые формы жизни

Группа IV Периодической таблицы элементов содержит углерод C, силициум (кремний) Si и несколько тяжелых металлов. Это значит, что степень окисления кремния равна +4. Углерод, конечно, является строительным материалом жизни, какой мы ее знаем. Но теоретики альтернативной биохимии предполагают, что населенная живыми существами планета может существовать в какой-то другой солнечной системе. У такой формы жизни кремний якобы может заменять углерод.

Многие научно-фантастические произведения рассказывают о кремниевых формах жизни — чувствительные кристаллы, живые золотые песчинки и даже существа, чьими следами являются кирпичи из кремнезема. Это интересно, но неправильно. Кремний может превратиться во множество реалистичных структур, но его химические свойства делают маловероятной возможность стать основой для инопланетных форм жизни.

Действительно, углерод и силиций имеют много общих характеристик. Валентность кремния равна четырем, это означает, что отдельные атомы образуют четыре связи с другими элементами при образовании химических соединений. И силиций, и углерод связываются с кислородом. Оба образуют длинные цепи, называемые полимерами. В простейшем случае углерод дает полимер под названием полиацеталь, пластик, используемый в синтетических волокнах и оборудовании. Кремний дает полимерные силиконы, которые используются для водонепроницаемой ткани или смазки металлических и пластиковых деталей.

Но когда углерод окисляется — или соединяется с кислородом, скажем, во время горения — он становится газообразным углекислым газом; силиций же окисляется до твердого диоксида, называемого кремнеземом. Кремний окисляется до твердого вещества. Это одна из основных причин того, почему он не может поддерживать жизнь.

Кремнезем или песок — это твердое вещество, диоксид кремния образует решетку, в которой один атом силиция окружен четырьмя атомами кислорода. Силикатные соединения, содержащие SiO4−4, также существуют в ряде минералов — полевых шпатах, слюде, цеолитах, тальке. И эти твердые системы создают проблемы в том, что касается утилизации энергии для живой системы.

Жизненная форма нуждается в некотором способе сбора, хранения и использования энергии. Она должна исходить из окружающей среды. После поглощения энергия должна высвобождаться именно там, где это необходимо, и в то время, когда это нужно. В противном случае вся она может высвобождать тепло одновременно, сжигая жизненную форму.

В мире на основе углерода основным элементом накопления являются углеводы, которые окисляются до воды и углекислого газа. Форма жизни на основе углерода «сжигает» энергию контролируемыми шагами, используя регуляторы скорости, называемые ферментами.

Интересные факты о кремнии

Этот элемент чрезвычайно распространен и очень широко используется. Но есть вещи, которые про него знают далеко не все:

• Когда астронавты Аполлона-11 приземлились на Луну в 1969 году, они оставили белый мешочек с кремниевым диском. Микроскопическим шрифтом там написано 73 сообщения на разных языках. Они выражают пожелания мира.
• Кремний может быть опасным. При вдыхании в течение длительных периодов времени это может вызвать заболевание легких, известное как силикоз.
• Переливчатость опала — результат присутствия кремния. Этот драгоценный камень — форма кремнезема, связанная с молекулами воды.
• Карбид кремния (SiC) почти такой же твердый, как алмаз. Он оценивается 9−9,5 по шкале твердости по Моосу, лишь немного меньше, чем самое крепкое вещество, которое имеет 10 баллов твердости.
• Растения используют кремний для укрепления клеточных стенок. Элемент является важным питательным веществом, которое помогает придать устойчивость к болезням. Об этом говорится в статье 1994 года, опубликованной в журнале Proceedings.
• Кремниевая долина получила свое название от вещества, используемого в компьютерных чипах. Название это впервые появилось в 1971 году в газете Electronic news. Своя Кремниевая долина есть не только в США, но и во многих других странах.
• Аморфная форма вещества также используется в радиоэлектронной технике.

У некоторых минералы и полудрагоценных камней строение основывается на диоксиде кремния. Они различаются плотностью и цветом:

• Аметист.
• Морион.
• Цитрин.
• Горный хрусталь.
• Опал.
• Агат.
• Сердолик.
• Яшма.

И другие камни.

Современные исследования

Сегодняшние разработки в области кремниевых технологий выглядят чуть ли не фантастично: в 2006 году исследователи объявили, что создали компьютерный чип, в котором кремниевые компоненты смешаны с клетками мозга. Это было действительно сенсационное открытие. Электрические сигналы от клеток мозга могут передаваться на электронные кремниевые компоненты чипа и наоборот. Есть надежда, что со временем получится создать устройства для лечения неврологических расстройств.

Исследование 2018 года, опубликованное в журнале Nature, было посвящено тестированию нового типа устройства из кремния, квантовых компьютеров, которые могут когда-нибудь стать обычной вещью, превосходя при этом современные компьютерные технологии в возможностях выполнять большое количество вычислений параллельно. Создание этих технологий с использованием тех же методов для изготовления традиционных кремниевых чипов может ускорить разработку этих устройств. Это может привести к новому этапу использования квантовых устройств.

Ученые также обещают создать невероятно маленькие лазеры, называемые наноиглами, которые могут использоваться для передачи данных быстрее и эффективнее, чем традиционные оптические кабели.

Сверхпроводниковые лазеры выделяют тепло гораздо легче, чем стеклянные, кремниевые лазеры могут похвастаться большей мощностью, чем традиционные, так заявляет Джон Баддинг, ученый-химик из Университета Пенсильвании.

Специалисты также работают над созданием оптических волокон следующего поколения, которые объединяют сверхпроводники, а не просто стекловолокно, так написано в журнале Live Science. В радиоэлектронной технике распространено применение силана, который получают при разложении силицида магния при помощи кислоты. Традиционные кремниевые чипы изготавливаются путем нанесения слоев элемента на плоскую поверхность, обычно начиная с газа-прекурсора силан (SiH4), поэтому новые разработки оптических волокон не потребуют нового дорогостоящего оборудования.