Опубликовано Оставить комментарий

Кремний как химический элемент таблицы Менделеева

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

Якоб Берцелиус — человек открывший 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.

Что же касается самого открытия кремния, то тут следует заметить, что французский химик Антуан Лавуазье еще в 1787 году предполагал, что в силикатном минерале на основе диоксида кремния находится новый химический элемент. Проблема заключалась в том, что химическая связь между кислородом и кремнием была очень сильна. У Лавуазье не было нужных средств для того, чтобы отделить кремний из оксида. В 1808 году сэр Хэмфри Дэви попытался отделить кремний из оксида, но у него так же это не вышло. Он и дал современное название «кремний» для нового химического элемента.

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

Кремнеевый силикат

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%.

Изначально производят металлургический сорт кремния со степенью чистоты 98-99%. Исходным материалом для получения этого сорта кремния является кварцевый песок или гравий. Кремний получают восстановлением диоксида кремния углеродом в плавильной печи при температуре около 2000°C.

После этого, если необходимо получить солнечный или электронный класс кремния пользуются «процессом Сименса». Он заключается в измельчении металлургического кремния и подвержению химической реакции с газообразным хлористым водородом. Эту смесь нагревают до 300 — 350°C в реакторе пока не получится трихлорсилан. После этого с помощью химических реакций из трихлорсилана отделяют кремний при температуре около 1100°C.  Этот пример получения кремния является одним из множества. Сегодня, коммерческими компаниями используется около 10 разных способов получения кремния высокой очистки. Этот пример является наиболее подходящим для понимания процесса.

Распространенность Кремния

Горный хрусталь, который содержит в своем составе ионы кремния

Кремний является довольно распространенным элементом. Во Вселенной он занимает почетное седьмое место по распространенности после водорода, азота, гелия, углерода, неона и кислорода. На Земле кремний занимает второе место по весу после кислорода и его доля составляет 27,2%. На нашей планете кремний почти всегда находится в виде оксида. К слову, такой большой вес приходится на кремний так как мантия Земли состоит на 60% из разного рода силикатов. В том числе песок по большей своей части является диоксидом кремния. Широко известный «кварц» так же по своей структуре является диоксидом кремния. Еще можно отметить, что кремний образует силикаты со многими металлами. Примерами пород содержащими силикаты являются слюда, асбест, глина, сланец, полевой шпат и песчаник. Как вы догадываетесь все эти породы встречаются повсеместно. Так же стоить отметить и океаны, которые представляют собой огромные резервуары кремния. В форме мономерного кремнозема, он растворяется в океанической воде.

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

Микропроцессор в основе которых лежит кремний

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

Карбид кремния

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.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *