История открытия кремния сообщение

Обновлено: 30.06.2024

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Феномен кремня.

Автор работы: Пенькова Маргарита Юрьевна , 9 класс

Руководитель: Пенькова Ольг а Анатольевна,

Куймань – 2016

1.История открытия кремния и кремня.

2.Свойства и химический состав кремня.

3.Условия образования кремня.

4.Формы нахождения природных агрегатов.

5. Роль кремня в жизни человека.

6. Кремниевая вода и опыты с ней.

Список использованных интернет-источников.

Не лес, не северный олень,
Не кошка и не конь,
Был первым приручен кремень,
А вслед за ним — огонь.

Я живу в Липецкой области. Липецкая область находится в центральной части европейской России, граничит с Орловской, Рязанской, Тамбовской, Курской, Тульской, Воронежской областями. Западная часть области принадлежит возвышенной равнине, а восточная часть является низменной равниной (до 170 метров). Более трехсот месторождений полезных ископаемых представлено в Липецкой области. Наибольший интерес вызывают залежи бурого железняка. Липецкие руды очень высокого качества, содержат в себе более 40% железа. Многие из разведанных участков железных руд уже практически разработаны. Кроме этого имеются многочисленные залежи глин, формовочные и силикатные пески, с 2002 года на территории Липецкой области ведется поиск алмазных трубок. Край известен своими минеральными источниками и лечебными грязями. Так как г еологическое строение напрямую влияет на распространение полезных ископаемых, то большинство полезных ископаемых принадлежит категории нерудных, так как они содержатся в осадочных отложениях. (Приложение 1)

Особое богатство области составляют известняки девона, их запасы исчисляются миллиардами тонн. Наша область занимает первое место в Российской Федерации по добыче и запасам карбонатного сырья.

Крупнейшие месторождения - в Елецком, Грязинском, Задонском, Липецком районах.

1. История открытия кремния и кремня.

2. Свойства и химический состав кремня.

Элемент кремний, основа кремня, составляет более четверти земной коры - больше всех остальных составляющих элементов периодической таблицы, вместе взятых (кроме кислорода, на долю которого приходится около 50%). Соединения кремния относительно нетоксичны. Но очень опасно вдыхание высокодисперсных частиц силикатов и диоксида кремния, которые образуются при взрывных работах, долблении пород в шахтах, при работе пескоструйных аппаратов и т.д. Эти микрочастицы, попадая в легкие, кристаллизуются там и в последствие разрушают легочную ткань, чем вызывают тяжелую болезнь — силикоз.

Двуокись кремния составляет основу скелетов у таких морских организмов, как радиолярии, диатомеи, некоторые губки, морские звезды. Известно также, что чем жестче стебель растения, тем больше в нем кремния. В человеческом организме этот элемент присутствует практически везде, если рассматривать распределение кремния в организме человека, оно выглядит следующим образом: в мышечной ткани содержится до 10% элемента, в костной ткани — до 17%, в крови — 3,9 мг/л. С пищей в организм человека ежедневно поступает до 1 г кремния (Приложение 4). В свободном состоянии кремний в природе не встречается. Соединения кремния - кремнезем или двуокись кремния (Si02) - - главный неметаллический компонент всех горных пород, содержатся в соленых водах океанов и морей, в водоемах, дождевой воде, атмосферной пыли, глинах, лечебных грязях, песке, нефти, организмах растений, животных, человека. Соединения кремния входят в состав хрусталя, кварца, аметиста, мориона, цитрона, агата, сердолика, халцедона, яшмы, аквамарина, амазонита, берилла, граната, изумруда, лабрадора, лазурита, нефрита, турмалина, топаза, хризолита, а также асбеста, талька, слюды. Общее число минералов, содержащих кремнезем, превышает 400. Помимо кремнезёма в минеральный состав кремня входят более 20 химических элементов, среди которых - Ca, Mg, P, Mn, Cu, Zn и др. Благодаря присутствующим в составе окислам марганца и железа кремень часто имеет весьма разнообразную окраску, в которой могут быть явно различимы оттенки черного, красного и желтого цвета.

Природные микроагрегаты кремнезёма — халцедоны, одной из разновидностей которых является кремень. Существуют опало-халцедоновые и халцедоно-кварцевые разновидности кремня. Химическая формула кремня – SiO2. Блеск — стеклянный. Твердость минерала составляет 7,0 по шкале Мооса, а плотность всего 2,6 г/см3.Степень прозрачности: непрозрачный, в тонких сколах просвечивает. Цвет черты: белый. Излом раковистый. Раскалывается на обломки с острорежущими краями.
В кремне хранится огромное количество биологически активных меток, то есть матриц с генетической памятью микроорганизмов, которые миллионы лет перерабатывали органическую массу в минеральную структуру.

3.Условия образования кремня.

Образование кремнистых конкреций может происходить как хемогенным путем на стадиях раннего диагенеза ( совокупность процессов преобразования рыхлых осадков в осадочные горные породы в верхней зоне земной коры) , так и в катагенезе (совокупность процессов преобразования осадочных горных пород после их возникновения из осадков в результате диагенеза и до превращения в метаморфические горные породы), свидетельством чего является приуроченность некоторых кремней к трещинам и расположение поперек слоистости, с переходом от одного слоя в следующий. Кремни карбонатных осадочных толщ по отношению к вмещающим породам чаще являются эпигенетическими телами метасоматического происхождения, т. е. образовавшимися позднее вмещающих их горных пород. Нередко конкреции кремня тяготеют к определенным литологическим горизонтам, а местами бывают столь многочисленны, что как бы сливаются в одно целое, образуя участки непрерывных кремневых пропластков протяженностью в десятки и сотни метров.

Выпадение кремня в осадок в водоемах планеты продолжается 4,5 млрд. лет. Кремнезем SiO2 малорастворим в воде, частицы минерала не подвергаются электролитической диссоциации. Тончайшими пластинками они повисают в водной толще, образуя коллоидные растворы. Мельчайшие морские организмы используют доступный материал, образуя из него скелеты и микроскопические раковины.

Кремни различного строения повсеместно можно видеть отдельно, как самостоятельные образования, в то время как агатовые и идентичные им кварцевые и халцедоновые жеоды обычно находятся в пределах участков интенсивного окремнения или в непосредственной близости от них, обнаруживая тем самым тесную с ними взаимосвязь. Это наводит на мысль о том, что окремнение известняка и образование в нем агатовых (халцедоновых) жеод может являться результатом некоторого единого процесса перераспределения кремнезёма.

Во-первых, они тяготеют к самым верхам карбонатной толщи. (Приложение 5) Во-вторых, они пространственно всегда ограничены. Это участки в виде линз, блоков, карманов, труб, масштаб которых измеряется, обычно, первыми десятками метров. Известняки или доломиты несут здесь следы интенсивной переработки активными растворами. С растворением карбонатов или замещением их кремнезёмом, образованием пустот, привносом и (или) переотложением кремнезёма, а также с незначительным, но явным ожелезнением. В качестве гипотезы можно допустить, что это результат проникновения агрессивных растворов из юрских глин, местами залегающих на известняках (доломитах) и, опять-таки, местами сильно пиритизированных. Так что “исходной точкой” процесса могло стать разрушение пирита в юрских глинах с образованием под ними химически активной сернокислой среды, вступавшей во взаимовоздействие с подстилающей карбонатной породой.
Немалое количество оксида кремния образуется при извержениях вулканов. Разогретый до температуры белого свечения силициум легко окисляется кислородом атмосферы. Застывая, вулканическая лава образует небольшие кремнеземные озера.

4.Формы нахождения природных агрегатов.

Обычно кремни встречаются в виде конкреций и секреций, сферических стяжений в известняках, доломитах и других осадочных породах. (Приложение 6)

Кремневые конкреции представляют собой желваки с плотным кремневым ядром, имеющие концентрическую текстуру обрастания. Эти желваки как бы постепенно сливаются с вмещающей их породой.

В известняках подобные конкреции нередко имеют форму правильных шаров, но в зависимости от условий роста могут иметь и самые разнообразные очертания. Рост минеральных зёрен происходит во всех направлениях от одного или многочисленных центров. Центрами роста иногда оказываются посторонние тела. Часто кремневые конкреции имеют в центре неизмененную породу, вокруг которой находится сферическая кремневая корка с теми же следами концентрического нарастания.

Секреции образуются в результате заполнения неправильной, но обычно округлой формы пустот и трещин в породах, при выпадении кремнекислоты из циркулирующих растворов, кристаллическим или коллоидным веществом. Характерной особенностью многих секреций является последовательное концентрически послойное отложение минерального вещества по направлению от стенок пустоты к центру. При этом отдельные слои нередко отличаются друг от друга по цвету и часто по составу. Подобные образования называются жеодами. Жеода - очень древний термин. Его применял еще Плиний " к камням, содержащим внутри землю " (очевидно, глину), откуда и само название " жеода " от греч. " геодес " - земляной. Жеода - это полое или частично полое минеральное тело шаровидной или субсферической формы диаметром от 2,5 до 30 см и более, встречающееся в некоторых пластах известняков и иных осадочных пород.

5. Роль кремня в жизни человека.

Кремень - камень, положивший начало человеческой цивилизации. С него практически начался каменный век. Кремень раскалывается на обломки с острыми режущими краями. Древний человек изготовлял из него свои первые орудия для труда и охоты. Кремень привлекал во-первых, твёрдостью, а во-вторых, способностью сравнительно легко расщепляться в определенных направлениях, что позволяет его обрабатывать без наличия каких либо сложных инструментов. К тому же, кремневые пластины, отщепы и сколы всегда имеют острый край, необходимый для разнообразных производственных операций.

Все приёмы работы с камнем делятся на первичные - оббивка кремниевых желваков и скалывание пластин; и вторичные - различные виды ретуши, резцовые сколы, подтеска и т. д. Большое распространение получили скребки, с помощью которых обрабатывали шкуры животных. Края скребков округло-выпуклые, оформленные специальной крутой ретушью, во избежание порезов поверхности шкур. На многих стоянках большинство найденных кремниевых орудий составляют скребки. Так же в находках присутствуют наконечники копий и стрел, каменные топоры, разнообразные костяные иглы и крючки.

Народные целители считают, что лучше всего использовать в лечебных целях кремниевую воду (воду, настоянную на опало-халцедоновом кремне). Знахари утверждают, что такая вода обладает противомикробными свойствами. Ее можно использовать как антисептическое средство.

Считается, что кремень имеет и магические свойства. Кремень — камень с очень сильной энергетикой. Он делает своего владельца мужественным, смелым, сильным и предприимчивым. С древних времен кремень считался помощником путешественников. Считалось, что он охраняет человека от тягот пути, оберегает от возможного насилия, предупреждает о мошенничестве и обмане. Кремень — замечательный хранитель жилища своего владельца. Он аккумулирует в себе всю негативную энергию, которая попадает в дом, и уничтожает ее.
Кремний — талисман военных, юристов, учителей, врачей и политиков. Он способствует улучшению профессиональных навыков, делает их честными, справедливыми и мужественными.

7.Кремниевая вода и опыты с ней.

Вот некоторые результаты работы ученых:

* сотрудники Института радиоэкологических проблем НАНБ обнаружили, что кремневая вода повышает сорбцию радионуклидов. Так, отмечено увеличение сорбции Цезия-137 кремневой водой до 90-98% и Церия-144 около 75%, что оказалось выше по сравнению с широко применяемыми в радиохимии сорбентами: катионитом КУ-2 и торфом осоковым.

* в лаборатории физико-химии биологических мембран Института фотобиологии НАНБ проф. Черницкий получил повышение на 25% от кремневой воды устойчивость эритроцитов к окислительному гемолизу.

* в Институте генетики и цитологии НАНБ обнаружили, что кремневая вода повышает общую приспособленность и устойчивость линии дрозофилы примерно в 20 раз.

* директор Института геохимии и геофизики НАНБ, чл.-корр. Инженерной академии СССР, доктор наук В.Бенсман обнаружил поразительную энергию прорастания, увеличение общей всхожести и урожайности различных семян после обработки их кремневой водой.

* в колхозе "За Родину" Витебской области две группы телят поили обычной и кремневой водой в течение 2,5 мес. Привес у телят, пивших кремневую воду, оказался на 16% выше, чем в контроле.

Чтобы приготовить кремниевую питьевую воду в домашних условиях необходимо взять банку объёмом 2 или 3 литра. На его дно положить кремниевые камушки и добавить воду. (Приложение 7). Эту банку необходимо на 3-е суток поставить в такое место, куда не попадают прямые солнечные лучи. После трёхсуточного настаивания вода кремниевая готова. Приготовление такой воды не требует затрат ни времени, ни сил. Нет ничего проще, чем бросить кремень в воду на несколько дней и получить эликсир здоровья для себя, своих близких, растений, животных. Хотя феномен кремниевой воды еще не до конца изучен, но я думаю,что ее употребление может принести пользу организму (учитывая данные белорусских ученых). Конечно окончательные выводы по этому вопросу остаются за учеными. А пока можно только удивляться свойствам, которые приписываются кремниевой воде :
— увеличивает способность крови к свертыванию;
— способна возобновлять утраченный или ослабленный иммунитет;
— снижает уровень холестерина и увеличивает количество Т- и В-лимфоцитов в крови;
— может использоваться как профилактическое средство, предупреждающее онкологические заболевания;
— препятствует развитию аденомы и импотенции;
— укрепляет волосяные сумки и способствует росту волос;
— ускоряет прорастание и дальнейшее развитие бобовых и злаковых культур;
— оказывает влияние на адсорбционную способность радионуклидов (т. е. обладает радиозащитными свойствами), что позволяет использовать ее для решения различных задач на загрязненных радиацией территориях.

Кремень – горная порода, проявляющая свойство чрезвычайной распространенности. Не менее трети земной коры сложено из кремня! С этим твердым и прочным минералом каждый из нас знакомится еще в детстве. Особого вида камушки, при соударении дающие пучок искр и характерный запах – это и есть кремень! Огромное количество кремня нами даже не замечается: песок есть песок, что о нем думать..Между тем, кремневый песок – ценный материал, востребованный несколькими отраслями индустрии. А кремень природный человеком был распознан, как полезный камень в самом начале нашей истории. В ходе своей работы, я пришла к выводам:

1) Кремень — одна из самых распространенных горных пород на Земле

2) Кремний, как химический элемент был открыт шведским химиком Й.Берцелиусом в 1824 году.

3) Химический состав кремня — SiO2, т. е. он состоит в большей части из кремнезема.

4) Кремень очень твердый, в нем хранится огромное количество биологически активных меток, что говорит о его биогенном происхождении
5) Кроме биогенного кремня, в природе встречается большое количество кремня вулканического происхождения

6) Обычно кремни встречаются в виде конкреций и секреций, сферических стяжений в известняках, доломитах и других осадочных породах.

7) Кремень - самый древний и верный спутник человека. Начиная с каменного века, он всегда был рядом, как камень огня, камень-труженик, воитель и лекарь.

8) Феномен кремниевой воды широко изучался в республике Белорусь, где были получены результаты, которые доказывают ее целебные свойства.

Природный кремний состоит из смеси трех стабильных нуклидов с массовыми числами 28 (преобладает в смеси, его в ней 92, 27% по массе), 29 (4, 68%) и 30 (3, 05%). Конфигурация внешнего электронного слоя нейтрального невозбужденного атома кремния 3s 2 р 2 . В соединениях обычно проявляет степень окисления +4 (валентность IV) и очень редко +3, +2 и +1 (валентности соответственно III, II и I). В периодической системе Менделеева кремний расположен в группе IVA (в группе углерода), в третьем периоде.

Радиус нейтрального атома кремния 0, 133 нм. Энергии последовательной ионизации атома кремния 8, 1517, 16, 342, 33, 46 и 45, 13 эВ, сродство к электрону 1, 22 эВ. Радиус иона Si 4+ при координационном числе 4 (наиболее распространенном в случае кремния) 0, 040 нм, при координационном числе 6 — 0, 054 нм. По шкале Полинга электроотрицательность кремния 1, 9. Хотя кремний принято относить к неметаллам, он по ряду свойств занимает промежуточное положение между металлами и неметаллами.

История открытия

Соединения кремния были известны человеку с незапамятных времен. Но с простым веществом кремнием человек познакомился всего около 200 лет тому назад. Фактически первыми исследователями, получившими кремний, были французы Ж. Л. Гей-Люссак и Л. Ж. Тенар . Они в 1811 обнаружили, что нагревание фторида кремния с металлическим калием приводит к образованию буро-коричневого вещества:

Нахождение в природе

По распространенности в земной коре кремний среди всех элементов занимает второе место (после кислорода). На долю кремния приходится 27, 7% массы земной коры. Кремний входит в состав нескольких сотен различных природных силикатов и алюмосиликатов. Широко распространен и кремнезем, или кремния диоксид SiO₂ (речной песок, кварц, кремень и др.), составляющий около 12% земной коры (по массе). В свободном виде кремний в природе не встречается.

Получение

В промышленности кремний получают, восстанавливая расплав SiO₂ коксом при температуре около 1800°C в дуговых печах. Чистота полученного таким образом кремния составляет около 99, 9%. Так как для практического использования нужен кремний более высокой чистоты, полученный кремний хлорируют. Образуются соединения состава SiCl₄ и SiCl₃H. Эти хлориды далее очищают различными способами от примесей и на заключительном этапе восстанавливают чистым водородом. Возможна также очистка кремния за счет предварительного получения силицида магния Mg₂Si. Далее из силицида магния с помощью соляной или уксусной кислот получают летучий моносилан SiH₄. Моносилан очищают далее ректификацией, сорбционными и др. методами, а затем разлагают на кремний и водород при температуре около 1000°C. Содержание примесей в получаемом этими методами кремнии снижается до 10 -8 -10 -6 % по массе.

Кристаллическая решетка кремния кубическая гранецентрированная типа алмаза, параметр а = 0, 54307 нм (при высоких давлениях получены и другие полиморфные модификации кремния), но из-за большей длины связи между атомами Si—Si по сравнению с длиной связи С—С твердость кремния значительно меньше, чем алмаза.

Плотность кремния 2, 33 кг/дм 3 . Температура плавления 1410°C, температура кипения 2355°C. Кремний хрупок, только при нагревании выше 800°C он становится пластичным веществом. Интересно, что кремний прозрачен к инфракрасному (ИК)-излучению.

Элементарный кремний — типичный полупроводник . Ширина запрещенной зоны при комнатной температуре 1, 09 эВ. Концентрация носителей тока в кремнии с собственной проводимостью при комнатной температуре 1, 5·10 16 м -3 . На электрофизические свойства кристаллического кремния большое влияние оказывают содержащиеся в нем микропримеси. Для получения монокристаллов кремния с дырочной проводимостью в кремний вводят добавки элементов III-й группы — бора, алюминия, галлия и индия, с электронной проводимостью — добавки элементов V-й группы — фосфора, мышьяка или сурьмы. Электрические свойства кремния можно варьировать, изменяя условия обработки монокристаллов, в частности, обрабатывая поверхность кремния различными химическими агентами.

Химически кремний малоактивен. При комнатной температуре реагирует только с газообразным фтором, при этом образуется летучий тетрафторид кремния SiF₄. При нагревании до температуры 400-500°C кремний реагирует с кислородом с образованием диоксида SiO₂, с хлором, бромом и иодом — с образованием соответствующих легко летучих тетрагалогенидов SiHal₄.

С водородом кремний непосредственно не реагирует, соединения кремния с водородом — силаны с общей формулой Si_nH_2n+2 — получают косвенным путем. Моносилан SiH₄ (его часто называют просто силаном) выделяется при взаимодействии силицидов металлов с растворами кислот, например:

Образующийся в этой реакции силан SiH₄ содержит примесь и других силанов, в частности, дисилана Si₂H₆ и трисилана Si₃H₈, в которых имеется цепочка из атомов кремния, связанных между собой одинарными связями (—Si—Si—Si—).

С азотом кремний при температуре около 1000°C образует нитрид Si₃N₄, с бором — термически и химически стойкие бориды SiB₃, SiB₆ и SiB₁₂. Соединение кремния и его ближайшего аналога по таблице Менделеева — углерода — карбид кремния SiС (карборунд) характеризуется высокой твердостью и низкой химической активностью. Карборунд широко используется как абразивный материал.

При нагревании кремния с металлами возникают силициды . Силициды можно подразделить на две группы: ионно-ковалентные (силициды щелочных, щелочноземельных металлов и магния типа Ca₂Si, Mg₂Si и др.) и металлоподобные (силициды переходных металлов). Силициды активных металлов разлагаются под действием кислот, силициды переходных металлов химически стойки и под действием кислот не разлагаются. Металлоподобные силициды имеют высокие температуры плавления (до 2000°C). Наиболее часто образуются металлоподобные силициды составов MSi, M₃Si₂, M₂Si₃, M₅Si₃ и MSi₂. Металлоподобные силициды химически инертны, устойчивы к действию кислорода даже при высоких температурах.

Диоксид кремния SiO₂— кислотный оксид, не реагирующий с водой. Существует в виде нескольких полиморфных модификаций (кварц, тридимит, кристобалит, cтеклообразный SiO₂). Из этих модификаций наибольшее практическое значение имеет кварц. Кварц обладает свойствами пьезоэлектрика, он прозрачен для ультрафиолетового (УФ) излучения. Характеризуется очень низким коэффициентом теплового расширения, поэтому изготовленная из кварца посуда не растрескивается при перепадах температуры до 1000 градусов.

При сплавлении SiO₂ с щелочами и основными оксидами, а также с карбонатами активных металлов образуются силикаты — соли не имеющих постоянного состава очень слабых нерастворимых в воде кремниевых кислот общей формулы xH₂O·ySiO₂ (довольно часто в литературе не очень точно пишут не о кремниевых кислотах, а о кремниевой кислоте, хотя фактически речь при этом идет об одном и том же). Например, может быть получен ортосиликат натрия:

Следует отметить, что большинство силикатов не имеет постоянного состава. Из всех силикатов растворимы в воде только силикаты натрия и калия. Растворы этих силикатов в воде называют растворимым стеклом. Из-за гидролиза эти растворы характеризуются сильно щелочной средой. Для гидролизованных силикатов характерно образование не истинных, а коллоидных растворов. При подкислении растворов силикатов натрия или калия выпадает студенистый белый осадок гидратированных кремниевых кислот.

Главным структурным элементом как твердого диоксида кремния, так и всех силикатов выступает группа [SiO_4/2], в которой атом кремния Si окружен тетраэдром из четырех атомов кислорода О. При этом каждый атом кислорода соединен с двумя атомами кремния. Фрагменты [SiO_4/2] могут быть связаны между собой по-разному. Среди силикатов по характеру связи в них фрагментов [SiO_4/2] выделяют островные, цепочечные, ленточные, слоистые, каркасные и другие.

Для кремния характерно образование кремнийорганических соединений, в которых атомы кремния соединены в длинные цепочки за счет мостиковых атомов кислорода —О—, а к каждому атому кремния, кроме двух атомов О, присоединены еще два органических радикала R₁ и R₂ = CH₃, C₂H₅, C₆H₅, CH₂CH₂CF₃ и др.

Применение

Кремний используют как полупроводниковый материал. Кварц находит применение как пьезоэлектрик, как материал для изготовления жаропрочной химической (кварцевой) посуды, ламп УФ-излучения. Силикаты находят широкое применение как строительные материалы. Оконные стекла представляют собой аморфные силикаты. Кремнийорганические материалы характеризуются высокой износостойкостью и широко используются на практике в качестве силиконовых масел, клеев, каучуков, лаков.

Биологическая роль

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 . 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.

Соединения кремния не ядовиты. Но очень опасно вдыхание высокодисперсных частиц как силикатов, так и диоксида кремния, образующихся, например, при взрывных работах, при долблении пород в шахтах, при работе пескоструйных аппаратов и т. д. Микрочастицы SiO₂, попавшие в легкие, в них кристаллизуются, а возникающие кристаллики разрушают легочную ткань и вызывают тяжелую болезнь — силикоз. Чтобы не допустить попадания в легкие этой опасной пыли, следует использовать для защиты органов дыхания респиратор.

Кремний — элемент главной подгруппы четвёртой группы третьего периода периодической системы химических элементов, с атомным номером 14. Обозначается символом Si (лат. Silicium). В чистом виде кре́мний был выделен в 1811 году французскими учёными Жозефом Луи Гей-Люссаком и Луи Жаком Тенаром.

Происхождение названия

Получение

В промышленности кремний технической чистоты получают, восстанавливая расплав SiO₂ коксом при температуре около 1800 °C в руднотермических печах шахтного типа. Чистота полученного таким образом кремния может достигать 99,9 % (основные примеси — углерод, металлы). Возможна дальнейшая очистка кремния от примесей. 1. Очистка в лабораторных условиях может быть проведена путём предварительного получения силицида магния Mg₂Si. Далее из силицида магния с помощью соляной или уксусной кислот получают газообразный моносилан SiH₄. Моносилан очищают ректификацией, сорбционными и др. методами, а затем разлагают на кремний и водород при температуре около 1000 °C. 2. Очистка кремния в промышленных масштабах осуществляется путём непосредственного хлорирования кремния. При этом образуются соединения состава SiCl₄ и SiCl₃H. Эти хлориды различными способами очищают от примесей (как правило перегонкой и диспропорционированием) и на заключительном этапе восстанавливают чистым водородом при температурах от 900 до 1100 °C. 3. Разрабатываются более дешёвые, чистые и эффективные промышленные технологии очистки кремния. На 2010 г. к таковым можно отнести технологии очистки кремния с использованием фтора (вместо хлора); технологии предусматривающие дистилляцию монооксида кремния; технологии, основанные на вытравливании примесей, концентрирующихся на межкристаллитных границах. Содержание примесей в доочищенном кремнии может быть снижено до 10 -8 —10 -6 % по массе.

Физические свойства

Кристаллическая решётка кремния кубическая гранецентрированная типа алмаза, параметр а = 0,54307 нм (при высоких давлениях получены и другие полиморфные модификации кремния), но из-за большей длины связи между атомами Si—Si по сравнению с длиной связи С—С твёрдость кремния значительно меньше, чем алмаза. Кремний хрупок, только при нагревании выше 800 °C он становится пластичным веществом. Интересно, что кремний прозрачен для инфракрасного излучения начиная с длины волны 1,1 мкм. Собственная концентрация носителей заряда — 5,81×10 15 м -3 (для температуры 300 K)

Нахождение в природе

Содержание кремния в земной коре составляет по разным данным 27,6—29,5 % по массе. Таким образом по распространённости в земной коре кремний занимает второе место после кислорода. Концентрация в морской воде 3 мг/л. Чаще всего в природе кремний встречается в виде кремнезёма — соединений на основе диоксида кремния (IV) SiO₂ (около 12 % массы земной коры). Основные минералы, образуемые диоксидом кремния — это песок (речной и кварцевый), кварц и кварциты, кремень. Вторую по распространённости в природе группу соединений кремния составляют силикаты и алюмосиликаты

К Кремний является химическим элементом таблицы Менделеева с атомным номером 14 и обозначением Si. Кремний представляет собой твердое и хрупкое кристаллическое вещество с сине-серым металлическим блеском.

Как был открыт Кремний

История такого химического элемента как кремний начинается с незапамятных времен. Из-за его обилия в земной коре соединения кремния были известны в очень ранние времена. Некоторые археологи предполагают, что первые сооружения для проживания созданные человеком были созданы с применением раствора именно из кремниевых пород. С уверенностью можно заметить, что силикатные кристаллы были знакомы древним цивилизациям. К таким можно отнести, как минимум, древний Египет и древний Китай. Стекла которые изготавливали древние египтиане датируются 1500 годом до нашей эры.

Есть предположения, что в 1811 году Гей-Люссак и Тернар отделили кремний путем нагрева металлического калия и тетрафторида кремния. При этом они не очистили новый элемент, не дали ему первичную характеристику и не определили его как новый химический элемент. Только спустя 12 лет в 1823 году шведский химик Якоб Берцелиус выделил чистый кремний и оппределил его как новый химический элемент. Чистый кремний был выделен тем же способом, что и Гей-Люссак с Тернаром, но Берцелиус очистил продукт реакций до коричневого порошка и несколько раз промыл его. В результате всего вышеперечисленого открытие присуждено именно Якобу Берцелиусу.

Где и как добывают Кремний

Методы добычи и получения кремния зависят от нужд на которые он будет расходоваться. Сегодня классификация кремния делится на три составляющие в зависимости от его чистоты. Первая составляющая это металлургический сорт кремния. Уровень чистоты его составляет 98 — 99%. Второй составляющей является солнечный сорт кремния, где уровень примесей не более 0.01%. Третьей составляющей является электронный класс кремния, где уровень примесей не более 0.000000001%.

Распространенность Кремния

Подводя итоги стоит отметить, что на сегодняшний день известно около полутора тысячи минералов содержащих кремний. Самым редким и ценным, если смотреть со стороны кремния, из них является муассанит. Содержание в этом минерале кремния составляет до 70%. Для сравнения минеральный кварц имеет содержание кремния всего 46%.

Применение Кремния

Большая часть кремния используется в промышленности практически без очистки, по сравнению с его естественной формой. Более 90% земной коры состоит из силикатных минералов. Многие из них имеют прямое коммерческое использование, такие как глина, кварцевый песок и некоторые виды строительного кварца. Большая часть кремния применяется именно в строительстве, так как кремний является связующей составляющей бетона, без которого не обходится практически ни одно сооружение. Так же кремний используется в разного рода растворах, штукатурке. Этот химический элемент является основой красного огнеупорного кирпича, разного рода керамических изделий, которые встречаются повсеместно.

Так же кремний используется и в металлургической промышленности в качестве добавки. Это позволяет улучшить некоторые физические свойства изготавливаемых материалов. К примеру можно взять металлы, которые изготавливаются для электротехнической промышленности. Добавка кремния к этим металлам позволяет регулировать их удельное сопротивление, что может быть очень важным в часных случаях. Так же стоит отметить автомобильную промышленность. На сегодняшний день подавляющее большинство автомобильных двигателей изготавливается из алюминий-кремниевого сплава, который обеспечивает двигателю заданные характеристики.

Следующим пунктом стоит отметить электронику. В этом сегменте используется кремний именно высокой очистки. На его долю приходится не больше 20% от общего количества. Большая часть кремния в этой сфере используется в качестве полупроводников. Оставшаяся часть идет на изготовление высокоточных и узкоспециализированных приборов или запасных частей к ним. В пример можно поставить фотоэлементы и микропроцессоры. Для этих устройств кремний является неотъемлемой частью.

Интересные факты

Интересных фактов связанных с кремнием, из-за его изобилия в природе, предостаточно. Стоит начать наверное с процесса высокой очистки. Так называемый процесс Сименса, название которого произошло от названия компании Siemens. Они открыли и запатентовали этот метод очистки кремния и являлись одной из первых компаний которые толкнули в перед электронный прогресс. Сейчас как известно отказались от этого метода из-за высокой стоимости и большого количества отходов. Для получения одного килограмма очищеного кремния получалось 19 килограммов отходов, что экономически нецелесообразно.

Так же можно отметить, что очень много драгоценных камней содержат в себе кремний. И это является очень удивительным ведь камень который стоит больших денег и обычный песок под ногами который не стоит ничего имеют один и тот же состав. Что касается воздействия на организм человека, есть предположение с доказательствами того, что кремний очень важен для волос, костей и другого рода тканей. Он также необходим для синтеза эластина и коллагена, которые существенно влияют на организм человека. Оценить влияние недостатка кремния на организм достаточно тяжело, потому что кремний распространен повсеместно. На сегодняшний день точно известно, что кремниевая пыль способны вызывать раздражение слизистой при вдыхании или проглатывании, но существенной опасности не представляет.

Читайте также: