Кремний (химический элемент): свойства, характеристика, формула. История открытия кремния. Кремнезем, его свойства и применение. Природные и промышленные силикаты. Их применение в строительстве

Физические свойства. Кремний хрупок. При нагревании выше 800° C увеличивается его пластичность. Он устойчив к воздействию кислот. В кислой среде покрывается нерастворимой пленкой оксида и пассивируется.

Микроэлемент прозрачен для инфракрасного излучения, начиная с длины волны 1,1 мкм.

Химические свойства. Кремний взаимодействует:

• с галогенами (фтором) с проявлением восстановительных свойств: Si + 2F2 = SiF4. С хлороводородом вступает в реакцию при 300° С, с бромоводородом – при 500° С;
• с хлором при нагревании до 400–600° С: Si + 2Cl2 = SiCl4;
• с кислородом при нагревании до 400–600° С: Si + O2 = SiO2;
• с другими неметаллами. При температуре 2000° С реагирует с углеродом (Si + C = SiC) и бором (Si + 3B = B3Si);
• с азотом при температуре 1000° С: 3Si + 2N2 = Si3N4;
• с металлами с образованием силицидов: 2Ca + Si = Ca2Si;
• с кислотами – только со смесью плавиковой и азотной кислот: 3Si + 4HNO3 + 18HF = 3H2 + 4NO + 8H2O;
• с щелочью. Кремний растворяется и образуется силикат и водород: Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + H2.

С водородом не взаимодействует.

Взаимодействие в организме с витаминами и минералами

Кремний взаимодействует с витаминами , и . Сочетание злаков с цитрусовыми и зелеными овощами считается самым полезным.

Кремний участвует в борьбе со свободными радикалами. Взаимодействуя с тяжелыми металлами (свинцом), микроэлемент образует устойчивые соединения. Они выводятся мочеполовой системой. То же самое происходит со шлаками и токсичными веществами.

Кремний улучшает усвоение железа (Fe) и кальция (Ca) , кобальта (Cb), марганца (Mn), фтора (F).

Снижение концентрации кремния в соединительной ткани приводит к поражению сосудов, атеросклерозу, нарушению прочности костной ткани.

Роль кремния в возникновении и течении различных заболеваний

При недостатке кремния в организме увеличивается концентрация холестерина в крови. Из-за этого образуются холестериновые бляшки, ухудшается отток.

При потреблении кремния менее 20 мг в сутки ослабевает иммунитет. Появляются аллергические высыпания, кожа становится сухой и шелушится, развивается грибок.

Волосы истончаются, кожа головы шелушится и появляется зуд. Ногтевые пластины деформируются.

Работоспособность и психическое состояние ухудшаются из-за нарушения оттока крови и насыщения головного мозга кислородом.

При понижении количества кремния в организме до 1,2-1,6% чревато возникновением инсульта, инфаркта, сахарного диабета, вируса гепатита и онкологии.

Переизбыток кремния приводит к отложению солей в мочевыводящих путях и суставах, фиброзу и патологиям кровеносных сосудов. При наихудшем сценарии увеличивается печень, отекают конечности, синеют кожные покровы, появляется одышка.

Функциональный потенциал кремния

Главная задача кремния в организме – формирование костной, хрящевой ткани и стенок сосудов. 90% минерала содержится в соединительной и костной ткани, лимфатических узлах, щитовидной железе, волосах и коже. Однако этим функциональный потенциал химического элемента не ограничивается. Благодаря кремнию:

• укрепляются кости и связки. Чем больше в первой минералов, тем она крепче. Снижение концентрации кремния в костной ткани чревато остеопорозом и атеросклерозом. Для хрящевой ткани, важен синтез гликозаминогликанов;
• предотвращается дегенерация межпозвоночных дисков. Последние состоят из пластинок хрящевой ткани. Чем меньше кремния, тем быстрее изнашивается пластинка. Если в ней образуется трещинка, начнет вытекать спинномозговая жидкость. Это чревато протрузиями и грыжей;
• восстанавливается костная ткань. Кости, связки и сухожилия срастаются очень трудно и долго;
• улучшается состояние кожных покровов, ногтей и волос. В них содержится наибольшая концентрация химического элемента. Сухая и шелушащаяся кожа, ломкие и тусклые волосы, слоящиеся ногти – признаки дефицита кремния;
• стабилизируется обмен веществ. Благодаря кремнию усваивается три четверти 70% химических элементов. Минерал участвует в белковом и углеводном обмене;
• укрепляется иммунитет. Благодаря кремнию ускоряется фагоцитоз – образование специальных клеток иммунной системы. Их главная функция – расщепление чужеродных белковых структур. Если в организм попадает вирусная инфекция, фагоциты обволакивают неприятеля и уничтожают;
• выводятся тяжелые металлы и токсины. Оксид кремния вступает в реакцию с ними, преобразует в нейтральные для организма соединения, которые выводятся наружу с мочой;
• укрепляются стенки сосудов, сердечные клапаны, оболочка органов желудочно-кишечного тракта. Основа стенки сосудов – эластина, который синтезируется при помощи кремния;
• снижается проницаемость стенок сосудов, уменьшаются признаки варикоза, тромбофлебита и васкулита;
• предотвращаются онкологические заболевания. Антиоксидантные свойства витаминов С, А, Е усиливаются при взаимодействии с кремнием. Бороться со свободными радикалами организму легче;
• предотвращаются заболевания головного мозга. При недостатке кремния стенки сосудов становятся более мягкими, плохо транспортируют кровь к головному мозгу, что приводит к гипоксии – кислородному голоданию, из-за которого мозг не функционирует на полную мощность. Отдавать и получать команды нейроны головного мозга без кремния не могут. В результате нарушается моторика движений, сужаются сосуды, болит и кружится голова, ухудшается самочувствие.

Источники кремния

• бурый рис – 1240;
• овсяная крупа – 1000;
• просо– 754;
• ячмень – 600;
• соя– 177;
• гречневая крупа – 120;
• фасоль – 92;
• Горох – 83;
• Топинамбур – 80;
• Кукуруза – 60;
• Фундук – 51;
• Шпинат – 42;
• Ряженка – 34;
• Петрушка – 31;
• Цветная капуста – 24;
• Салат зеленый листовой – 18;
• Персик – 10;
• Жимолость – 10.

Совет! Хотите быстро восполнить запасы кремния в организме? Забудьте о мясе с гарниром. Само по себе мясо, хоть и содержит достаточное количество кремния (30-50 мг в 100 г), препятствует его усвоению из других продуктов. Раздельное питание – наоборот. Сочетайте нешлифованный рис, ячмень, просо, пшено, гречку с овощами и фруктами. Устраивайте «разгрузочные» дни на абрикосах, грушах и вишне

Сочетание с другими питательными веществами

Избегайте сочетания кремния с алюминием. Действие последнего противоположно действию кремния.

Кремний совместно с другими микроэлементами участвует в химических реакциях синтеза коллагена и эластина, входящих в состав соединительной ткани кожи, волос и ногтей.

Кремний усиливает антиоксидантные свойства витаминов С, А, Е. Последние борются со свободными радикалами, вызывающими онкологические заболевания.

Для профилактики онкологических заболеваний употребляйте совместно такие продукты (описано в таблице)

Оксид кремния взаимодействует в организме с тяжелыми металлами (свинец) и токсинами. В результате химической реакции образуются устойчивые соединения, которые выводятся из организма почками.

Суточная норма

Суточная норма кремния (подано ниже) рассчитана только для взрослых. Верхний допустимый уровень потребления кремния для детей и подростков не установлен.

• Дети до 6 месяцев и после 7-ми – отсутствует.

• От 1 до 13 лет – отсутствует.
• Подростки (мужской и женский пол) – отсутствует.
• Взрослые – 20-50 мг.

При применении кремнийсодержащих препаратов (Атоксил) суточная дозировка у детей старше 7 лет и взрослых составляет 12 г. Максимальная доза препарата– 24 грамма в сутки. Для детей от года до 7 лет – 150-200 мг препарата на килограмм массы тела.

Недостаток и избыток кремния

Недостаток кремния может быть спровоцирован:

Недостаток кремния в организме опасен следующим состоянием:

• высокой концентрацией холестерина в крови. Холестерин засоряет кровеносные сосуды (образуются золестериновые «бляшки»), кровь становится более вязкой и ее отток ухудшается;
• предрасположенностью к грибковым болезням. Чем меньше кремния, тем слабее иммунитет. При попадании в организм вирусной инфекции фагоциты (специальные клетки иммунной системы) вырабатываются в недостаточном количестве;
• перхотью, выпадением и истончением волос. Упругость волос и кожи – заслуга эластина и коллагена, которые синтезируются благодаря кремнию. Недостаток его сказывается на состоянии кожных покровов, волос и ногтей;
• перепадами настроения. От насыщения головного мозга кислородом зависит не только работоспособность, но и психическое состояние человека. Из-за ослабленных стенок сосудов кровь плохо поступает в мозг. Кислорода для выполнения привычных мыслительных операций не хватает. Перепады настроения и ухудшение работоспособности – результат нехватки кремния. То же самое происходит при смене погоды;
• сердечно-сосудистыми заболеваниями. Причина та же – ослабленные стенки сосудов;
• сахарным диабетом. Причина – повышение концентрации глюкозы в крови и неспособность организма снизить ее.

• от 1,2 до 4,7% – инсульт и инфаркт;
• 1,4% и менее – сахарный диабет;
• 1,6% и менее – вирус гепатита;
• 1,3% - онкологические заболевания.

Совет! Кремний участвует во всех видах обмена. Запасенный в стенках сосудов, микроэлемент оберегает их от проникновения жиров в плазму крови и блокирует кровеносное русло

Увеличьте в рационе количество продуктов, содержащих кремний, во время:

• физической и эмоциональной усталости. Порция злаков на завтрак, большая тарелка зеленого салата на обед и стакан ряженки или кефира перед сном гарантируют заряд бодрости;
• беременности и грудного вскармливания Иммунитет малыша и матери зависит от правильного рациона. 20-50 мг кремния в день сделают кости крепкими, а кожу – упругой;
• подготовки к соревнованиям. Чем больше энергозатрат, тем больше кремнийсодержащих продуктов должно быть в рационе. Они предотвратят ломкость костей и растяжение связок и сухожилий;
• пубертатного периода. Болевые ощущения в коленях (болезнь Шлатера) – распространенное явление. Клетки костной ткани делятся быстрее, чем клетки соединительной. Последняя не только поддерживает кость в анатомически правильном положении, но и оберегает от механических повреждений. Клюква, грецкие орехи и груша – отличный перекус для подростка.

Если состояние кожи, волос и ногтей неудовлетворительное, налегайте на каши и соки. Виноградный сок на завтра, клюквенный на обед и грушевый не ужин – первый шаг к эластичной и подтянутой коже.

Чем угрожает избыток кремния

Заболеть из-за избытка кремния в рационе невозможно, но в зоне риска жители местностей с высоким содержанием кремния в почве или воде.

Из-за высокой концентрации кремния в организме:

• откладываются соли в мочевыводящих путях, суставах и других органах;
• развивается фиброз в кровеносных сосудах и во всем организме в целом. Симптомы: учащенное дыхание при легкой нагрузке, уменьшение жизненной емкости легких, пониженное артериальное давление;
• расширяется и гипертрофируется правый желудочек ("легочное сердце");
• увеличивается печень, отекают конечности, синеют кожные покровы;
• усиливается раздражительность, развивается астенический синдром;
• повышается риск заболеваний верхних дыхательных путей. Наиболее распространенное из них – силикоз. Недуг развивается из-за вдыхания пыли, содержащей диоксид кремния, и протекает в хронической форме. По мере прогрессирования заболевания в легких пациента разрастается соединительная ткань. Нормальный газообмен нарушается, а на его фоне развиваются туберкулез, эмфизема или рак легких.

В зоне риска – работники рудников, литейных цехов, производителей огнеупорных материалов и керамических изделий. О заболевании сигнализируют затрудненное дыхание, одышка и кашель. Симптомы усиливаются при физической нагрузке. Фарфоро-фаянсовые, стекольные производства, месторождения руд цветных и драгоценных металлов, пескоструйная очистка литья – потенциально опасные объекты.

О переизбытке кремния свидетельствуют снижение и повышение температуры тела, депрессивное состояние, общая усталость и сонливость.

При подобных признаках включите в рацион морковь, свёклу, картофель, топинамбур, а также абрикосы, вишню, бананы и клубнику.

Препараты, содержащие кремний

Несмотря на то, что в организме взрослого содержится 1-2 г кремния, дополнительная порция не помешает. В сутки, с пищей и водой, взрослый потребляет около 3,5 мг кремния. На основной обмен взрослый тратит в три раза больше - около 9 мг. Причины повышенного употребления кремния – плохая экология, окислительные процессы, провоцирующие образование свободных радикалов, стрессы. Одними кремнийсодержащими продуктами не обойтись – запаситесь препаратами или лекарственными растениями.

Рекордсмены по содержанию кремния можжевельник, хвощ полевой, пижма, полынь, гинкго двулопастный. А также ромашка полевая, тимьян, китайский орех и эвкалипт.

Восполнить дефицит кремния можно при помощи кремниевой воды. Одно из свойства микроэлемента – структуризация молекул воды. Такая вода не пригодна для жизни патогенных микроорганизмов, простейших, грибков, токсинов и чужеродных химических элементов.

Кремниевая вода по вкусу и свежести напоминает талую воду.

Чтоб очистить и обогатить воду кремнием в домашних условиях, необходимо:

• купить кремневые камушки в аптечном магазине – чем мельче, тем лучше (больше площадь соприкосновения кремня с водой);
• положить в воду из расчета 50 г камней на 3 литра воды;
• настаивать воду в стеклянной посуде при комнатной температуре в темном месте 3–4 дня. Чем дольше настаивается вода, тем более выражен лечебный эффект;
• готовую воду перелить в другую емкость, оставив нижний слой глубиной 3–4 см (его использовать нельзя из-за скопления токсинов).
• в герметичной емкости вода хранится до полутора лет.
• пить кремниевую воду можно в любом количестве для профилактики атеросклероза, гипертонической и мочекаменной болезней, патологии кожи и сахарного диабета, инфекционных и онкологических заболеваний, варикозного расширения вен и даже нервно-психических болезней.

Атоксил (Atoxil). Действующее вещество Атоксила – диоксид кремния.

Форма выпуска:

• порошок для приготовления суспензии;
• бутылки по 12 г препарата;
• флаконы по 10 мг препарата;
• пакеты-саше по 2 г, в упаковке 20 пакетиков.

Фармакологическое действие. Действует как энтеросорбент, оказывает ранозаживляющее, противоаллергическое, противомикробное, бактериостатическое и дезинтоксикационное действие.

В органах желудочно-кишечного тракта препарат всасывает экзогенные и эндогенные токсины (бактериальные и пищевые аллергены, эндотоксины микроорганизмов, токсические вещества) и выводит их.

Ускоряет транспортировку токсинов из крови, лимфы и тканей в пищеварительный тракт.

Показания: диарея, сальмонеллез, вирусный гепатит А и В, аллергические заболевания (диатез, атопический дерматит), ожоги, трофические язвы, гнойные раны.

Применяется при заболеваниях почек, энтероколитах, токсическом гепатите, циррозе печени, гепатохолецистите, наркотической и алкогольной интоксикации, заболеваниях кожи (экземе, дерматитах, нейродермитах), интоксикациях при гнойно-септических процессах и ожоговой болезни.

Как применять:

• Флакон. Открыть бутылку (флакон) с порошком, добавить до отметки 250 мл в чистую питьевую воду, взболтать до однородности.
• Пакетик-cаше. 1-2 пакетика-саше растворить в 100-150 мл чистой питьевой воды. Принимать за один час до приема пищи или лекарственных препаратов.

Длительность лечения острых кишечных инфекций – 3-5 суток. Курс терапии – до 15 суток. При лечении вирусных гепатитов – 7-10 суток.

Побочные действия эффекты: запоры.

Противопоказания: обострение язвенной болезни двенадцатиперстной кишки и желудка, эрозии и язвы слизистой оболочки толстого и тонкого отделов кишечника, кишечная непроходимость, повышенная чувствительность к диоксиду кремния.

Препарат не назначают детям до одного года, беременным и кормящим грудью.

Взаимодействие с лекарствами:

• с Ацетилсалициловой кислотой (Аспирин) – усиление дезагрегации тромбоцитов;
• с Симвастатином и Никотиновой кислотой – снижение в крови атерогенных фракций показателей липидного спектра и повышение уровня липопротеидов ВП и холестерина;
• с антисептиками (Трифураном, Фурациллином, Хлоргексидином, Бифураном и т.п.) – повышение эффективности терапии гнойно-воспалительных процессов.

Кремний (лат. silicium), si, химический элемент iv группы периодической системы Менделеева; атомный номер 14, атомная масса 28,086. В природе элемент представлен тремя стабильными изотопами: 28 si (92,27%), 29 si (4,68%) и 30 si (3,05%).

Историческая справка . Соединения К., широко распространённые на земле, были известны человеку с каменного века. Использование каменных орудий для труда и охоты продолжалось несколько тысячелетий. Применение соединений К., связанное с их переработкой, - изготовление стекла - началось около 3000 лет до н. э. (в Древнем Египте). Раньше других известное соединение К. - двуокись sio 2 (кремнезём). В 18 в. кремнезём считали простым телом и относили к «землям» (что и отражено в его названии). Сложность состава кремнезёма установил И. Я. Берцелиус. Он же впервые, в 1825, получил элементарный К. из фтористого кремния sif 4 , восстанавливая последний металлическим калием. Новому элементу было дано название «силиций» (от лат. silex - кремень). Русское название ввёл Г. И. Гесс в 1834.

Распространённость в природе . По распространённости в земной коре К. - второй (после кислорода) элемент, его среднее содержание в литосфере 29,5% (по массе). В земной коре К. играет такую же первостепенную роль, как углерод в животном и растительном мире. Для геохимии К. важна исключительно прочная связь его с кислородом. Около 12% литосферы составляет кремнезём sio 2 в форме минерала кварца и его разновидностей. 75% литосферы слагают различные силикаты и алюмосиликаты (полевые шпаты, слюды, амфиболы и т. д.). Общее число минералов, содержащих кремнезём, превышает 400.

При магматических процессах происходит слабая дифференциация К.: он накапливается как в гранитоидах (32,3%), так и в ультраосновных породах (19%). При высоких температурах и большом давлении растворимость sio 2 повышается. Возможна его миграция и с водяным паром, поэтому для пегматитов гидротермальных жил характерны значительные концентрации кварца, с которым нередко связаны и рудные элементы (золото-кварцевые, кварцево-касситеритовые и др. жилы).

Физические и химические свойства. К. образует тёмно-серые с металлическим блеском кристаллы, имеющие кубическую гранецентрированную решётку типа алмаза с периодом а = 5,431 a , плотностью 2,33 г/см 3 . При очень высоких давлениях получена новая (по-видимому, гексагональная) модификация с плотностью 2,55 г/см 3 . К. плавится при 1417°С, кипит при 2600°С. Удельная теплоёмкость (при 20-100°С) 800 дж/ (кг? К), или 0,191 кал/ (г? град) ; теплопроводность даже для самых чистых образцов не постоянна и находится в пределах (25°С) 84-126 вт/ (м? К), или 0,20-0,30 кал/ (см? сек? град) . Температурный коэффициент линейного расширения 2,33 ? 10 -6 К -1 ; ниже 120k становится отрицательным. К. прозрачен для длинноволновых ИК-лучей; показатель преломления (для l =6 мкм) 3,42; диэлектрическая проницаемость 11,7. К. диамагнитен, атомная магнитная восприимчивость -0,13 ? 10 -6 . Твёрдость К. по Моосу 7,0, по Бринеллю 2,4 Гн/м 2 (240 кгс/мм 2) , модуль упругости 109 Гн/м 2 (10890 кгс/мм 2) , коэффициент сжимаемости 0,325 ? 10 -6 см 2 /кг. К. хрупкий материал; заметная пластическая деформация начинается при температуре выше 800°С.

К. - полупроводник, находящий всё большее применение. Электрические свойства К. очень сильно зависят от примесей. Собственное удельное объёмное электросопротивление К. при комнатной температуре принимается равным 2,3 ? 10 3 ом ? м (2,3 ? 10 5 ом ? см ) .

Полупроводниковый К. с проводимостью р -типа (добавки В, al, in или ga) и n -типа (добавки Р, bi, as или sb) имеет значительно меньшее сопротивление. Ширина запрещенной зоны по электрическим измерениям составляет 1,21 эв при 0 К и снижается до 1,119 эв при 300 К .

В соответствии с положением К. в периодической системе Менделеева 14 электронов атома К. распределены по трём оболочкам: в первой (от ядра) 2 электрона, во второй 8, в третьей (валентной) 4; конфигурация электронной оболочки 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 . Последовательные потенциалы ионизации (эв ): 8,149; 16,34; 33,46 и 45,13. Атомный радиус 1,33 a , ковалентный радиус 1,17 a , ионные радиусы si 4+ 0,39 a , si 4- 1,98 a .

В соединениях К. (аналогично углероду) 4-валентен. Однако, в отличие от углерода, К. наряду с координационым числом 4 проявляет координационное число 6, что объясняется большим объёмом его атома (примером таких соединений являются кремнефториды, содержащие группу 2-).

Химическая связь атома К. с другими атомами осуществляется обычно за счёт гибридных sp 3 -орбиталей, но возможно также вовлечение двух из его пяти (вакантных) 3 d- орбиталей, особенно когда К. является шестикоординационным. Обладая малой величиной электроотрицательности, равной 1,8 (против 2,5 у углерода; 3,0 у азота и т. д.), К. в соединениях с неметаллами электроположителен, и эти соединения носят полярный характер. Большая энергия связи с кислородом si-o, равная 464 кдж/моль (111 ккал/моль ) , обусловливает стойкость его кислородных соединений (sio 2 и силикатов). Энергия связи si-si мала, 176 кдж/моль (42 ккал/моль ) ; в отличие от углерода, для К. не характерно образование длинных цепей и двойной связи между атомами si. На воздухе К. благодаря образованию защитной окисной плёнки устойчив даже при повышенных температурах. В кислороде окисляется начиная с 400°С, образуя кремния двуокись sio 2 . Известна также моноокись sio, устойчивая при высоких температурах в виде газа; в результате резкого охлаждения может быть получен твёрдый продукт, легко разлагающийся на тонкую смесь si и sio 2 . К. устойчив к кислотам и растворяется только в смеси азотной и фтористоводородной кислот; легко растворяется в горячих растворах щелочей с выделением водорода. К. реагирует с фтором при комнатной температуре, с остальными галогенами - при нагревании с образованием соединений общей формулы six 4. Водород непосредственно не реагирует с К., и кремневодороды (силаны) получают разложением силицидов (см. ниже). Известны кремневодороды от sih 4 до si 8 h 18 (по составу аналогичны предельным углеводородам). К. образует 2 группы кислородсодержащих силанов - силоксаны и силоксены. С азотом К. реагирует при температуре выше 1000°С. Важное практическое значение имеет нитрид si 3 n 4 , не окисляющийся на воздухе даже при 1200°С, стойкий по отношению к кислотам (кроме азотной) и щелочам, а также к расплавленным металлам и шлакам, что делает его ценным материалом для химической промышленности, для производства огнеупоров и др. Высокой твёрдостью, а также термической и химической стойкостью отличаются соединения К. с углеродом (кремния карбид sic) и с бором (sib 3 , sib 6 , sib 12). При нагревании К. реагирует (в присутствии металлических катализаторов, например меди) с хлорорганическими соединениями (например, с ch 3 cl) с образованием органогалосиланов [например, si (ch 3) 3 ci], служащих для синтеза многочисленных кремнийорганических соединений.

К. образует соединения почти со всеми металлами - силициды (не обнаружены соединения только с bi, tl, pb, hg). Получено более 250 силицидов, состав которых (mesi, mesi 2 , me 5 si 3 , me 3 si, me 2 si и др.) обычно не отвечает классическим валентностям. Силициды отличаются тугоплавкостью и твёрдостью; наибольшее практическое значение имеют ферросилиций и силицид молибдена mosi 2 (нагреватели электропечей, лопатки газовых турбин и т. д.).

Получение и применение. К. технической чистоты (95-98%) получают в электрической дуге восстановлением кремнезёма sio 2 между графитовыми электродами. В связи с развитием полупроводниковой техники разработаны методы получения чистого и особо чистого К. Это требует предварительного синтеза чистейших исходных соединений К., из которых К. извлекают путём восстановления или термического разложения.

Чистый полупроводниковый К. получают в двух видах: поликристаллический (восстановлением sici 4 или sihcl 3 цинком или водородом, термическим разложением sil 4 и sih 4) и монокристаллический (бестигельной зонной плавкой и «вытягиванием» монокристалла из расплавленного К. - метод Чохральского).

Специально легированный К. широко применяется как материал для изготовления полупроводниковых приборов (транзисторы, термисторы, силовые выпрямители тока, управляемые диоды - тиристоры; солнечные фотоэлементы, используемые в космических кораблях, и т. д.). Поскольку К. прозрачен для лучей с длиной волны от 1 до 9 мкм, его применяют в инфракрасной оптике.

К. имеет разнообразные и всё расширяющиеся области применения. В металлургии К. используется для удаления растворённого в расплавленных металлах кислорода (раскисления). К. является составной частью большого числа сплавов железа и цветных металлов. Обычно К. придаёт сплавам повышенную устойчивость к коррозии, улучшает их литейные свойства и повышает механическую прочность; однако при большем его содержании К. может вызвать хрупкость. Наибольшее значение имеют железные, медные и алюминиевые сплавы, содержащие К. Всё большее количество К. идёт на синтез кремнийорганических соединений и силицидов. Кремнезём и многие силикаты (глины, полевые шпаты, слюды, тальки и т. д.) перерабатываются стекольной, цементной, керамической, электротехнической и др. отраслями промышленности.

В. П. Барзаковский.

Кремний в организме находится в виде различных соединений, участвующих главным образом в образовании твёрдых скелетных частей и тканей. Особенно много К. могут накапливать некоторые морские растения (например, диатомовые водоросли) и животные (например, кремнероговые губки, радиолярии), образующие при отмирании на дне океана мощные отложения двуокиси кремния. В холодных морях и озёрах преобладают биогенные илы, обогащенные К., в тропических морях - известковые илы с низким содержанием К. Среди наземных растений много К. накапливают злаки, осоки, пальмы, хвощи. У позвоночных животных содержание двуокиси кремния в зольных веществах 0,1-0,5%. В наибольших количествах К. обнаружен в плотной соединительной ткани, почках, поджелудочной железе. В суточном рационе человека содержится до 1 г К. При высоком содержании в воздухе пыли двуокиси кремния она попадает в лёгкие человека и вызывает заболевание - силикоз.

В. В. Ковальский.

Лит.: Бережной А. С., Кремний и его бинарные системы. К., 1958; Красюк Б. А., Грибов А. И., Полупроводники - германий и кремний, М., 1961; Реньян В. Р., Технология полупроводникового кремния, пер. с англ., М., 1969; Салли И. В., Фалькевич Э. С., Производство полупроводникового кремния, М., 1970; Кремний и германий. Сб. ст., под ред. Э. С. Фалькевича, Д. И. Левинзона, в. 1-2, М., 1969-70; Гладышевский Е. И., Кристаллохимия силицидов и германидов, М., 1971; wolf Н. f., silicon semiconductor data, oxf. - n. y., 1965.

cкачать реферат

Соединения Кремния, широко распространенные на земле, были известны человеку с каменного века. Использование каменных орудий для труда и охоты продолжалось несколько тысячелетий. Применение соединений Кремния, связанное с их переработкой, - изготовление стекла - началось около 3000 лет до н. э. (в Древнем Египте). Раньше других известное соединение Кремния - оксид SiO 2 (кремнезем). В 18 веке кремнезем считали простым телом и относили к "землям" (что и отражено в его названии). Сложность состава кремнезема установил И. Я. Берцелиус. Он же впервые, в 1825, получил элементарный Кремний из фтористого кремния SiF 4 , восстанавливая последний металлическим калием. Новому элементу было дано название "силиций" (от лат. silex - кремень). Русское название ввел Г. И. Гесс в 1834.

Распространение Кремния в природе. По распространенности в земной коре Кремний - второй (после кислорода) элемент, его среднее содержание в литосфере 29,5% (по массе). В земной коре Кремний играет такую же первостепенную роль, как углерод в животном и растительном мире. Для геохимии Кремния важна исключительно прочная связь его с кислородом. Около 12% литосферы составляет кремнезем SiO 2 в форме минерала кварца и его разновидностей. 75% литосферы слагают различные силикаты и алюмосиликаты (полевые шпаты, слюды, амфиболы и т. д.). Общее число минералов, содержащих кремнезем, превышает 400.

При магматических процессах происходит слабая дифференциация Кремния: он накапливается как в гранитоидах (32,3%), так и в ультраосновных породах (19%). При высоких температуpax и большом давлении растворимость SiO 2 повышается. Возможна его миграция и с водяным паром, поэтому для пегматитов гидротермальных жил характерны значительные концентрации кварца, с которым нередко связаны и рудные элементы (золото-кварцевые, кварцево-касситеритовые и других жилы).

Физические свойства Кремния. Кремний образует темно-серые с металлическим блеском кристаллы, имеющие кубическую гранецентрированную решетку типа алмаза с периодом а = 5.431Å, плотностью 2,33 г/см 3 . При очень высоких давлениях получена новая (по-видимому, гексагональная) модификация с плотностью 2,55 г/см 3 . Кремний плавится при 1417 °С, кипит при 2600 °С. Удельная теплоемкость (при 20-100 °С) 800 Дж/(кг·К), или 0,191 кал/(г·град); теплопроводность даже для самых чистых образцов не постоянна и находится в пределах (25 °С) 84-126 вт/(м·К), или 0,20-0,30 кал/(см·сек·град). Температурный коэффициент линейного расширения 2,33·10 -6 К -1 , ниже 120 К становится отрицательным. Кремний прозрачен для длинноволновых ИК-лучей; показатель преломления (для λ = 6 мкм) 3,42; диэлектрическая проницаемость 11,7. Кремний диамагнитен, атомная магнитная восприимчивость -0,13-10 -6 . Твердость Кремния по Моосу 7,0, по Бринеллю 2,4 Гн/м 2 (240 кгс/мм 2), модуль упругости 109 Гн/м 2 (10 890 кгс/мм 2), коэффициент сжимаемости 0,325·10 -6 см 2 /кг. Кремний хрупкий материал; заметная пластическая деформация начинается при температуре выше 800°С.

Кремний - полупроводник, находящий большое применение. Электрические свойства Кремния очень сильно зависят от примесей. Собственное удельное объемное электросопротивление Кремния при комнатной температуре принимается равным 2,3·10 3 ом·м (2,3·10 5 ом·см).

Полупроводниковый Кремний с проводимостью р-типа (добавки В, Al, In или Ga) и n-типа (добавки Р, Bi, As или Sb) имеет значительно меньшее сопротивление. Ширина запрещенной зоны по электрическим измерениям составляет 1,21 эв при 0 К и снижается до 1,119 эв при 300 К.

Химические свойства Кремния. В соответствии с положением Кремния в периодической системе Менделеева 14 электронов атома Кремния распределены по трем оболочкам: в первой (от ядра) 2 электрона, во второй 8, в третьей (валентной) 4; конфигурация электронной оболочки 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 . Последовательные потенциалы ионизации (эв): 8,149; 16,34; 33,46 и 45,13. Атомный радиус 1,ЗЗÅ, ковалентный радиус 1,17Å, ионные радиусы Si 4+ 0,39Å, Si 4- 1,98Å.

В соединениях Кремний (аналогично углероду) 4-валентен. Однако, в отличие от углерода, Кремний наряду с координационным числом 4 проявляет координационное число 6, что объясняется большим объемом его атома (примером таких соединений являются кремнефториды, содержащие группу 2-).

Химическая связь атома Кремния с другими атомами осуществляется обычно за счет гибридных sр 3 -орбиталей, но возможно также вовлечение двух из его пяти (вакантных) 3d-орбиталей, особенно когда Кремний является шестикоординационным. Обладая малой величиной электроотрицательности, равной 1,8 (против 2,5 у углерода; 3,0 у азота и т. д.), Кремний в соединениях с неметаллами электроположителен, и эти соединения носят полярный характер. Большая энергия связи с кислородом Si - О, равная 464 кДж/молъ (111 ккал/молъ), обусловливает стойкость его кислородных соединений (SiO 2 и силикатов). Энергия связи Si - Si мала, 176 кДж/молъ (42 ккал/моль); в отличие от углерода, для Кремния не характерно образование длинных цепей и двойной связи между атомами Si. На воздухе Кремний благодаря образованию защитной оксидной пленки устойчив даже при повышенных температурах. В кислороде окисляется начиная с 400 °С, образуя оксид кремния (IV) SiO 2 . Известен также оксид кремния (II) SiO, устойчивый при высоких температурах в виде газа; в результате резкого охлаждения может быть получен твердый продукт, легко разлагающийся на тонкую смесь Si и SiO 2 . Кремний устойчив к кислотам и растворяется только в смеси азотной и фтористоводородной кислот; легко растворяется в горячих растворах щелочей с выделением водорода. Кремний реагирует с фтором при комнатной температуре, с остальными галогенами - при нагревании с образованием соединений общей формулы SiX 4 . Водород непосредственно не реагирует с Кремнием, и кремневодороды (силаны) получают разложением силицидов (см. ниже). Известны кремневодороды от SiH 4 до Si 8 H 18 (по составу аналогичны предельным углеводородам). Кремний образует 2 группы кислородсодержащих силанов - силоксаны и силоксены. С азотом Кремний реагирует при температуре выше 1000 °С, Важное практическое значение имеет нитрид Si 3 N 4 , не окисляющийся на воздухе даже при 1200 °С, стойкий по отношению к кислотам (кроме азотной) и щелочам, а также к расплавленным металлам и шлакам, что делает его ценным материалом для химической промышленности, для производства огнеупоров и других. Высокой твердостью, а также термической и химической стойкостью отличаются соединения Кремния с углеродом (карбид кремния SiC) и с бором (SiB 3 , SiB 6 , SiB 12). При нагревании Кремний реагирует (в присутствии металлических катализаторов, например меди) с хлорорганическими соединениями (например, с СН 3 Сl) с образованием органогалосиланов [например, Si(СН 3) 3 Cl], служащих для синтеза многочисленных кремнийорганических соединений.

Кремний образует соединения почти со всеми металлами - силициды (не обнаружены соединения только с Bi, Tl, Pb, Hg). Получено более 250 силицидов, состав которых (MeSi, MeSi 2 , Me 5 Si 3 , Me 3 Si, Me 2 Si и других) обычно не отвечает классическим валентностям. Силициды отличаются тугоплавкостью и твердостью; наибольшее практическое значение имеют ферросилиций (восстановитель при выплавке специальных сплавов, см. Ферросплавы) и силицид молибдена MoSi 2 (нагреватели электропечей, лопатки газовых турбин и т. д.).

Получение Кремния. Кремний технической чистоты (95-98%) получают в электрической дуге восстановлением кремнезема SiO 2 между графитовыми электродами. В связи с развитием полупроводниковой техники разработаны методы получения чистого и особо чистого Кремния Это требует предварительного синтеза чистейших исходных соединений Кремния, из которых Кремний извлекают путем восстановления или термического разложения.

Чистый полупроводниковый Кремний получают в двух видах: поликристаллический (восстановлением SiCl 4 или SiHCl 3 цинком или водородом, термическим разложением SiI 4 и SiH 4) и монокристаллический (бестигельной зонной плавкой и "вытягиванием" монокристалла из расплавленного Кремния - метод Чохральского).

Применение Кремния. Специально легированный Кремний широко применяется как материал для изготовления полупроводниковых приборов (транзисторы, термисторы, силовые выпрямители тока, тиристоры; солнечные фотоэлементы, используемые в космических кораблях, и т. д.). Поскольку Кремний прозрачен для лучей с длиной волны от 1 до 9 мкм, его применяют в инфракрасной оптике,

Кремний имеет разнообразные и все расширяющиеся области применения. В металлургии Кремний используется для удаления растворенного в расплавленных металлах кислорода (раскисления). Кремний является составной частью большого числа сплавов железа и цветных металлов. Обычно Кремний придает сплавам повышенную устойчивость к коррозии, улучшает их литейные свойства и повышает механическую прочность; однако при большем его содержании Кремний может вызвать хрупкость. Наибольшее значение имеют железные, медные и алюминиевые сплавы, содержащие Кремний. Все большее количество Кремния идет на синтез кремнийорганических соединений и силицидов. Кремнезем и многие силикаты (глины, полевые шпаты, слюды, тальки и т. д.) перерабатываются стекольной, цементной, керамической, электротехнической и других отраслями промышленности.

Кремний в организме находится в виде различных соединений, участвующих главным образом в образовании твердых скелетных частей и тканей. Особенно много Кремния могут накапливать некоторые морские растения (например, диатомовые водоросли) и животные (например, кремнероговые губки, радиолярии), образующие при отмирании на дне океана мощные отложения оксида кремния (IV). В холодных морях и озерах преобладают биогенные илы, обогащенные Кремнием, в тропич. морях - известковые илы с низким содержанием Кремния. Среди наземных растений много Кремния накапливают злаки, осоки, пальмы, хвощи. У позвоночных животных содержание оксида кремния (IV) в зольных веществах 0,1-0,5%. В наибольших количествах Кремний обнаружен в плотной соединительной ткани, почках, поджелудочной железе. В суточном рационе человека содержится до 1 г Кремния. При высоком содержании в воздухе пыли оксида кремния (IV) она попадает в легкие человека и вызывает заболевание - силикоз..

Кремний в организме. Кремний в организме находится в виде различных соединений, участвующих главным образом в образовании твердых скелетных частей и тканей. Особенно много Кремния могут накапливать некоторые морские растения (например, диатомовые водоросли) и животные (например, кремнероговые губки, радиолярии), образующие при отмирании на дне океана мощные отложения оксида кремния (IV). В холодных морях и озерах преобладают биогенные илы, обогащенные Кремнием, в тропич. морях - известковые илы с низким содержанием Кремния. Среди наземных растений много Кремния накапливают злаки, осоки, пальмы, хвощи. У позвоночных животных содержание оксида кремния (IV) в зольных веществах 0,1-0,5%. В наибольших количествах Кремний обнаружен в плотной соединительной ткани, почках, поджелудочной железе. В суточном рационе человека содержится до 1 г Кремния. При высоком содержании в воздухе пыли оксида кремния (IV) она попадает в легкие человека и вызывает заболевание - силикоз.

Кремний в свободном виде был выделен в 1811 Ж.Гей-Люссаком и Л.Тенаром при пропускании паров фторида кремния над металлическим калием, однако он не был описан ими как элемент. Шведский химик Й.Берцелиус в 1823 дал описание кремния, полученного им при обработке калиевой соли K 2 SiF 6 металлическим калием при высокой температуре. Новому элементу было дано название "силиций" (от лат. silex - кремень). Русское название "кремний" введено в 1834 году российским химиком Германом Ивановичем Гессом. В переводе c др.-греч. krhmnoz - "утес, гора".

Нахождение в природе, получение:

В природе кремний находится в виде диоксида и силикатов различного состава. Природный диоксид кремния встречается преимущественно в форме кварца, хотя существуют и другие минералы - кристобалит, тридимит, китит, коусит. Аморфный кремнезем встречается в диатомовых отложениях на дне морей и океанов - эти отложения образовались из SiO 2 , входившего в состав диатомовых водорослей и некоторых инфузорий.
Свободный кремний может быть получен прокаливанием с магнием мелкого белого песка, который по химическому составу является почти чистым оксидом кремния, SiO 2 +2Mg=2MgO+Si. В промышленности кремний технической чистоты получают, восстанавливая расплав SiO 2 коксом при температуре около 1800°C в дуговых печах. Чистота полученного таким образом кремния может достигать 99,9% (основные примеси - углерод, металлы).

Физические свойства:

Аморфный кремний имеет вид бурого порошка, плотность которого равна 2.0г/см 3 . Кристаллический кремний - темно-серое, блестящее кристаллическое вещество, хрупкое и очень твердое, кристаллизуется в решетке алмаза. Это типичный полупроводник (проводит электричество лучше, чем изолятор типа каучука, и хуже проводника - меди). Кремний хрупок, только при нагревании выше 800 °C он становится пластичным веществом. Интересно, что кремний прозрачен к инфракрасному излучению, начиная с длины волны 1.1 микрометр.

Химические свойства:

Химически кремний малоактивен. При комнатной температуре реагирует только с газообразным фтором, при этом образуется летучий тетрафторид кремния SiF 4 . При нагревании до температуры 400-500 °C кремний реагирует с кислородом с образованием диоксида, с хлором, бромом и иодом - с образованием соответствующих легко летучих тетрагалогенидов SiHal 4 . При температуре около 1000°C кремний реагирует с азотом образуя нитрид Si 3 N 4 , с бором - термически и химически стойкие бориды SiB 3 , SiB 6 и SiB 12 . С водородом кремний непосредственно не реагирует.
Для травления кремния наиболее широко используют смесь плавиковой и азотной кислот.
Отношение к щелочам...
Для кремния характерны соединения со степенью окисления +4 или -4.

Важнейшие соединения:

Диоксид кремния, SiO 2 - (кремниевый ангидрид) ...
...
Кремниевые кислоты - слабые, нерастворимые, образуются при добавлении кислоты в раствор силиката в виде геля (желатинообразное вещество). H 4 SiO 4 (ортокремниевая) и H 2 SiO 3 (метакремниевая, или кремниевая) существуют только в растворе и необратимо превращаются в SiO 2 при нагревании и высушивании. Получающийся твердый пористый продукт - силикагель , имеет развитую поверхность и используется как адсорбент газов, осушитель, катализатор и носитель катализаторов.
Силикаты - соли кремниевых кислот в большинстве своем (кроме силикатов натрия и калия) нерастворимы в воде. Свойства....
Водородные соединения - аналоги углеводородов, силаны , соединения, в которых атомы кремния соединены одинарной связью, силены , если атомы кремния соединены двойной связью. Подобно углеводородам эти соединения образуют цепи и кольца. Все силаны могут самовозгораться, образуют взрывчатые смеси с воздухом и легко реагируют с водой.

Применение:

Наибольшее применение кремний находит в производстве сплавов для придания прочности алюминию, меди и магнию и для получения ферросилицидов, имеющих важное значение в производстве сталей и полупроводниковой техники. Кристаллы кремния применяют в солнечных батареях и полупроводниковых устройствах - транзисторах и диодах. Кремний служит также сырьем для производства кремнийорганических соединений, или силоксанов, получаемых в виде масел, смазок, пластмасс и синтетических каучуков. Неорганические соединения кремния используют в технологии керамики и стекла, как изоляционный материал и пьезокристаллы

Для некоторых организмов кремний является важным биогенным элементом. Он входит в состав опорных образований у растений и скелетных - у животных. В больших количествах кремний концентрируют морские организмы - диатомовые водоросли, радиолярии, губки. Большие количества кремния концентрируют хвощи и злаки, в первую очередь - подсемейства Бамбуков и Рисовидных, в том числе - рис посевной. Мышечная ткань человека содержит (1-2)·10 -2 % кремния, костная ткань - 17·10 -4 %, кровь - 3,9 мг/л. С пищей в организм человека ежедневно поступает до 1 г кремния.

Антонов С.М., Томилин К.Г.
ХФ ТюмГУ, 571 группа.

Углерод способен образовывать несколько аллотропных модификаций. Это алмаз (наиболее инертная аллотропная модификация), графит, фуллерен и карбин.

Древесный уголь и сажа представляют собой аморфный углерод. Углерод в таком состоянии не имеет упорядоченной структуры и фактически состоит из мельчайших фрагментов слоев графита. Аморфный углерод, обработанный горячим водяным паром, называют активированным углем. 1 грамм активированного угля из-за наличия в нем множества пор имеет общую поверхность более трехсот квадратных метров! Благодаря своей способности поглощать различные вещества активированный уголь находит широкое применение как наполнитель фильтров, а также как энтеросорбент при различных видах отравлений.

С химической точки зрения аморфный углерод является наиболее активной его формой, графит проявляет среднюю активность, а алмаз является крайне инертным веществом. По этой причине, рассматриваемые ниже химические свойства углерода следует прежде всего относить к аморфному углероду.

Восстановительные свойства углерода

Как восстановитель углерод реагирует с такими неметаллами как, например, кислород, галогены, сера.

В зависимости от избытка или недостатка кислорода при горении угля возможно образование угарного газа CO или углекислого газа CO 2:

При взаимодействии углерода со фтором образуется тетрафторид углерода:

При нагревании углерода с серой образуется сероуглерод CS 2:

Углерод способен восстанавливать металлы после алюминия в ряду активности из их оксидов. Например:

Также углерод реагирует и с оксидами активных металлов, однако в этом случае наблюдается, как правило, не восстановление металла, а образование его карбида:

Взаимодействие углерода с оксидами неметаллов

Углерод вступает в реакцию сопропорционирования с углекислым газом CO 2:

Одним из наиболее важных с промышленной точки зрения процессов является так называемая паровая конверсия угля . Процесс проводят, пропуская водяной пар через раскаленный уголь. При этом протекает следующая реакция:

При высокой температуре углерод способен восстанавливать даже такое инертное соединение как диоксид кремния. При этом в зависимости от условия возможно образование кремния или карбида кремния (карборунда ):

Также углерод как восстановитель реагирует с кислотами окислителями, в частности, концентрированными серной и азотной кислотами:

Окислительные свойства углерода

Химический элемент углерод не отличается высокой электроотрицательностью, поэтому образуемые им простые вещества редко проявляют окислительные свойства по отношению к другим неметаллам.

Примером таких реакций является взаимодействие аморфного углерода с водородом при нагревании в присутствии катализатора:

а также с кремнием при температуре 1200-1300 о С:

Окислительные свойства углерод проявляет по отношению к металлам. Углерод способен реагировать с активными металлами и некоторыми металлами средней активности. Реакции протекают при нагревании:

Химические свойства кремния

Кремний может существовать, как и углерод в кристаллическом и аморфном состоянии и, также, как и в случае углерода, аморфный кремний существенно более химически активен, чем кристаллический.

Иногда аморфный и кристаллический кремний, называют его аллотропными модификациями, что, строго говоря, не совсем верно. Аморфный кремний представляет собой по сути конгломерат беспорядочно расположенных друг относительно друга мельчайших частиц кристаллического кремния.

Взаимодействие кремния с простыми веществами

неметаллами

При обычных условиях кремний ввиду своей инертности реагирует только со фтором:

С хлором, бромом и йодом кремний реагирует только при нагревании. При этом характерно, что в зависимости от активности галогена, требуется и соответственно различная температура:

Так с хлором реакция протекает при 340-420 о С:

С бромом – 620-700 о С:

С йодом – 750-810 о С:

Реакция кремния с кислородом протекает, однако требует очень сильного нагревания (1200-1300 о С) ввиду того, что прочная оксидная пленка затрудняет взаимодействие:

При температуре 1200-1500 о С кремний медленно взаимодействует с углеродом в виде графита с образованием карборунда SiC – вещества с атомной кристаллической решеткой подобной алмазу и почти не уступающего ему в прочности:

С водородом кремний не реагирует.

металлами

Ввиду своей низкой электроотрицательности кремний может проявлять окислительные свойства лишь по отношению к металлам. Из металлов кремний реагирует с активными (щелочными и щелочноземельными), а также многими металлами средней активности. В результате такого взаимодействия образуются силициды:

Взаимодействие кремния со сложными веществами

С водой кремний не реагирует даже при кипячении, однако аморфный кремний взаимодействует с перегретым водяным паром при температуре около 400-500 о С. При этом образуется водород и диоксид кремния:

Из всех кислот кремний (в аморфном состоянии) реагирует только с концентрированной плавиковой кислотой:

Кремний растворяется в концентрированных растворах щелочей. Реакция сопровождается выделением водорода.