Физические, химические свойства и способы получения кремния

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Целебные свойства кремния были известны задолго до наших дней: в древней Индии и Китае издавна использовали целебные свойства молодого бамбука, содержащего кремний, а на Руси употребляли белую глину для лечения анемичных детей и немощных стариков, от отравлений и изжоги, от болезней кожи. Еще в фармацевтической практике древних Индии и Китая, а позднее и народной медицине многих стран использовались отвары, настои и экстракты из таких кремнийсодержащих растений, как хвощ, крапива, горец, бамбук и знаменитый женьшень. Более 200 лет кремний используется в классической гомеопатии, очень популярен он в современной косметологии и широко используется в мезотерапии для ревитализации (омоложения) кожи.

Цель: изучить свойства кремния и природных его соединений, совершенствовать знания о строении атомов.

Задачи:

· Определить строении кремния, значении кремния и его соединений и их практическом применении.

· Выделить значение кремния как биогенного элемента

· Определить основные области силикатной промышленности

История открытия кремния:

Кремний -- главной подгруппы четвертой группы третьего периода периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, с атомным номером 14. Обозначается символом Si (Silicium).

В чистом виде кремний был выделен в 1811 году французскими учеными Жозефом Луи Гей-Люссаком и Луи Жаком Тенаром.

В 1825 году шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус действием калия на фтористый кремний SiF4 получил чистый элементарный кремний. Новому элементу было дано название «силиций» (от silex). Русское название «кремний» введено в 1834 году российским химиком Германом Ивановичем Гессом. В переводе c ксзмньт -- «утес, гора».

(от лат. silicis - кремень; русское название от греческого - kremnos - утёс) Si - открыт Й. Берцелиусом (Стокгольм, Швеция) в 1824 г. А вот кремний (Silicium - лат.) химический элемент, атомный номер 14, IV группа периодической системы.

В 1825 году шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус действием металлического калия на фторид кремния SiF4получил чистый элементарный кремний. Новому элементу было дано название “силиций” (от лат. silex - кремень). Русское название “кремний” введено в 1834 году российским химиком Германом Ивановичем Гессом. В переводе с греческого kremnos - “утес, гора ”.

1. Положение периодической системы и строение атома

Во внешнем слое атомов кремния содержится 4 электрона - столько, сколько не хватает до завершения этого слоя. Углерод и кремний относятся к неметаллам. Но в периодической системе они занимают промежуточное положение между неметаллами, атомы которых в реакциях легче присоединяют, чем отдают, электроны, и металлами, легко отдающими валентные электроны. Нужно поэтому ожидать, что атомы углерода и кремния не будут полностью отдавать или захватывать валентные электроны при химических реакциях, а будут образовывать ковалентные связи. Действительно, четыре валентных электрона атомов этих элементов обычно образуют четыре ковалентные связи с другими атомами. В огромном большинстве своих соединений углерод и кремний четырехвалентны.

2. Физические свойства

Кристаллическая решетка кремния кубическая гранецентрированная типа, параметр а = 0,54307 (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. 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. Собственная концентрация носителей заряда -- 13,1Ч1028м?3.

Электрофизические свойства.

Элементарный кремний в монокристаллической форме является непрямозонным. Ширина запрещенной зоны при комнатной температуре составляет 1,12 эВ, а при Т = 0 К составляет 1,21 эВ. Концентрация собственных носителей заряда в кремнии при нормальных условиях составляет порядка 1,5Ч1010 см.

На электрофизические свойства кристаллического кремния большое влияние оказывают содержащиеся в нем примеси. Для получения кристаллов кремния с дырочной проводимостью в кремний вводят атомы элементов III-й группы. Для получения кристаллов кремния с электронной проводимостью в кремний вводят атомы элементов V-й группы.

При создании электронных приборов на основе кремния задействуется преимущественно приповерхностный слой материала (до десятков микрон), поэтому качество поверхности кристалла может оказывать существенное влияние на электрофизические свойства кремния и, соответственно свойства готового прибора. При создании некоторых приборов используются приёмы связанные с модификацией поверхности, например, обрабатывая поверхность кремния различными химическими агентами.

1. Диэлектрическая проницаемость: 12.

2. Подвижность электронов: 1300--1450 смІ/(в·c).

3. Подвижность дырок: 500 смІ/(в·c).

4. Ширина запрещенной зоны 1,205-2,84Ч10-4·T.

5. Продолжительность жизни электрона: 5 нс -- 10 мс.

6. Длина свободного пробега электрона: порядка 0,1 см.

7. Длина свободного пробега дырки: порядка 0,02 -- 0,06 см.

3. Химические свойства

В соединениях кремний склонен проявлять степень окисления +4 или ?4, так как для атома кремния более характерно состояние sp3-гибридизации орбиталей. Поэтому во всех соединениях, кроме оксида кремния (II) SiO, кремний четырёхвалентен.

Химически кремний малоактивен. При комнатной температуре реагирует только с газообразным, при этом образуется летучий тетра фторид кремния SiF4. При нагревании до температуры 400--500 °C кремний реагирует с с образованием диоксида SiO2, с, и -- с образованием соответствующих легко летучих тетра галогенидов SiHalogen4.

С кремний непосредственно не реагирует, соединения кремния с водородом -- с общей формулой SinH2n+2 -- получают косвенным путем. Моносилан SiH4 (его часто называют просто) выделяется при взаимодействии силицидов металлов с растворами, например:

Ca2Si + 4HCl > 2CaCl2 + SiH4^.

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

С кремний при температуре около 1000 °C образует нитрид Si3N4, с -- термически и химически стойкие SiB3, SiB6и SiB12. Соединение кремния и его ближайшего аналога по таблице Менделеева -- -- карбид кремния SiC (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 , металлов и 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 MeSi, Me3Si2, Me2Si3, Me5Si3 и MeSi2. Металлоподобные силициды химически инертны, устойчивы к действию кислорода даже при высоких температурах.

При восстановлении SiO2 кремнием при высоких температурах образуется оксид кремния (II) SiO.

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.

Для травления кремния наиболее широко используют смесь плавиковой и азотной кислот. Некоторые специальные травители предусматривают добавку хромового ангидрида и иных веществ. При травлении кислотный травильный раствор быстро разогревается до температуры кипения, при этом скорость травления многократно возрастает.

1. Si+2HNO3=SiO2+NO+NO2+H2O

2. SiO2+4HF=SiF4+2H2O

3. 3SiF4+3H2O=2H2SiF6+vH2SiO3

Для кремния могут использоваться водные растворы щелочей. Травление кремния в щелочных растворах начинается при температуре раствора более 60°С.

1. Si+2KOH+H2O=K2SiO3+2H2^

2. K2SiO3+2H2O-H2SiO3+2KOH

4. Способы получения

Свободный кремний может быть получен прокаливанием с магнием мелкого белого песка, который по химическому составу является почти чистым окислом кремния:

SiO2+2Mg=2MgO+Si,

образующийся при этом аморфный кремний имеет вид бурого порошка, плотность которого равна 2,0 г/смі.

В промышленности кремний технической чистоты получают, восстанавливая расплав SiO2 при температуре около 1800 °C в дуговых печах. Чистота полученного таким образом кремния может достигать 99,9 % (основные примеси -- углерод, металлы).

Возможна дальнейшая очистка кремния от примесей.

· Очистка в лабораторных условиях может быть проведена путём предварительного получения силицида магния Mg2Si. Далее из силицида магния с помощью или кислот получают газообразный моносилан SiH4. Моносилан очищают , сорбционными и др. методами, а затем разлагают на кремний и при температуре около 1000 °C.

· 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 при температурах от 900 до 1100 °C.

· 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 моно оксида кремния; технологии, основанные на вытравливании примесей, концентрирующихся на межкристаллитных границах.

Содержание примесей в дочищенном кремнии может быть снижено до 10?8--10?6% по массе. Более подробно вопросы получения сверхчистого кремния рассмотрены в статье Поликристаллический кремний

Способ получения кремния в чистом виде разработан Николаем Николаевичем Бекетовым.

Крупнейшим производителем кремния в России является ОКРусал -- кремний производится на заводах в г.(Свердловская область) и г. (Иркутская область).

5. Применение

кремнийорганический химический силикон

Технический кремний находит следующие применения:

· сырьё для металлургических производств: компонент сплава (бронзы, силумин); раскислитель (при выплавке чугуна и сталей); модификатор свойств металлов или легирующий элемент (например, добавка определённого количества кремния при производстве трансформаторных сталей уменьшает коэрцитивную силу готового продукта) и т. п.;

· сырьё для производства более чистого поликристаллического кремния и очищенного металлургического кремния (в литературе «umg-Si»);

· сырьё для производства кремнийорганических материалов, силанов;

· иногда кремний технической чистоты и его сплав с железом (ферросилиций) используется для производства водорода в полевых условиях;

· для производства солнечных батарей;

· анти блок (анти адгезивная добавка) в промышленности пластмасс.

Сверхчистый кремний преимущественно используется для производства одиночных электронных приборов (нелинейные пассивные элементы электрических схем) и однокристальных микросхем. Чистый кремний, отходы сверхчистого кремния, очищенный металлургический кремний в виде кристаллического кремния являются основным сырьевым материалом для солнечной энергетики.

Монокристаллический кремний -- помимо электроники и солнечной энергетики, используется для изготовления зеркал газовых лазеров.

Соединения металлов с кремнием -- силициды -- являются широко употребляемыми в промышленности (например, электронной и атомной) материалами с широким спектром полезных химических, электрических и ядерных свойств (устойчивость к окислению, нейтронам и др.). Силициды ряда элементов являются важными термоэлектрическими материалами.

Соединения кремния служат основой для производства стекла и цемента. Производством стекла и цемента занимается силикатная промышленность. Она также выпускает силикатную керамику -- кирпич, фарфор, фаянс и изделия из них.

Широко известен силикатный клей, применяемый в строительстве как сиккатив, а в пиротехнике и в быту для склеивания бумаги.

Получили широкое распространение силиконовые масла и силиконы -- материалы на основе кремнийорганических соединений.

Размещено на Allbest.ru