Si химические свойства. Химия кремния и его соединения

Кремний - второй по распространенности на Земле (после кислорода). Он редко встречается в чистом виде - кристаллами, намного чаще его можно видеть в составе различных соединений и минералов - шпат, кремень, кварцевый песок.

Для выделения чистого кремния химики проводят реакцию кварцевого песка с магнием. Также кремний выплавляют при высоких температурах и даже «выращивают». Метод Чохральского позволяет использовать давление, температуру и соединения кремния для получения кристаллов чистого вещества.

Быт

Соединения кремния активно используются в быту и хозяйстве человека, в промышленности. Кварцевый песок используется при получении стекла и цемента. Силикатная промышленность названа так в честь кремния, «второе имя» которого «силициум». Силикаты используются в сельском хозяйстве, при удобрении почвы. Также на основе кремниевых соединений получают силикатный клей.

Радиоэлектроника

Кремний имеет уникальные радиоэлектронные свойства. Чистый кремний является полупроводником. Это значит, что он может проводить ток при определенных условиях, когда зона проводимости мала. Если область проводимости велика, кремний-полупроводник превращается в кремний-изолятор.

Полупроводниковые свойства неметалла кремния привели к созданию транзистора. Транзистор - устройство, позволяющее контролировать напряжение и силу тока. В отличие от линейных проводников, транзисторы из кремния имеют три основных элемента - коллектор, «собирающий» ток, базу и эмиттер, ток усиливающие. Появление транзистора вызвало «электронный бум», привело к созданию первых компьютеров и бытовой техники.

Компьютеры

Успехи кремния в электронике не остались незамеченными в компьютерной технике. Поначалу процессоры хотели делать из «дорогих» типичных полупроводников, например . Однако его высокая цена не позволила поставить производство германиевых плат на поток. Тогда смельчаки из IBM решили рискнуть и попробовать в качестве материала для «сердца» компьютерной системы кремний. Результаты не заставили себя ждать.

Кремниевые платы оказались достаточно дешевыми, что было особенно важно в самом начале зарождения компьютерной отрасли, когда было много брака и мало потенциальных покупателей.

Сегодня кремниевые микросхемы доминируют в компьютерной отрасли. Кристаллы чистого кремния для процессоров и контроллеров научились выращивать в фабричных условиях, материал прост в эксплуатации. И главное - кремний позволил удваивать количество элементов на процессоре каждые два года (закон Мура). Таким образом, на кремниевой схеме одного и того же размера становится все больше и больше транзисторов и других логических элементов. Кремний позволил сделать информационные технологии максимально эффективными.

Министерство образования науки России

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"МАТИ - Российский государственный технический университет имени К.Э. Циолковского" (МАТИ)

Кафедра "Испытания летательных аппаратов"

Реферат

По курсу "Химия"

Тема: "Кремний"

Студент: Акбаев Дауыт Ринатович

Группа: 2ИЛА-1ДС-298

Преподаватель: Евдокимов Сергей Васильевич

Москва 2014

Кремний в живых организмах

История открытия и использование

Распространение в природе

Строение атома и основные химические и физические свойства

Получение

Применение

Соединения

Приложение

1. Кремний в живых организмах

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%)

Кремний в организме находится в виде различных соединений, участвующих главным образом в образовании твёрдых 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 двуокиси кремния.

В холодных морях и озёрах преобладают биогенные илы, обогащенные кремнием, в тропических морях - известковые илы с низким содержанием кремния. Среди наземных растений много кремния накапливают злаки, осоки, пальмы, хвощи. У позвоночных животных содержание двуокиси кремния 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 двуокиси кремния она попадает в лёгкие человека и вызывает заболевание - силикоз (от лат. silex - кремень), заболевание человека, вызываемое длительным вдыханием пыли, содержащей свободную двуокись кремния, относится к профессиональным болезням. Встречается у рабочих горнорудной, фарфорофаянсовой, металлургической, машиностроительной промышленности. Силикоз - наиболее неблагоприятно протекающее заболевание из группы пневмокониозов; чаще, чем при других заболеваниях, отмечаются присоединение туберкулёзного процесса (т. н. силикотуберкулёз) и другие осложнения.

2. История открытия и использование

Историческая справка. Соединения кремния, широко распространённые 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 - двуокись SiO2 (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.

В свободном состоянии кремний впервые был получен в 1811 году французским учёным Ж. Гей-Люссаком и О. Тенаром.

В 1825 году шведский минералог и химик Иенс Якоб Берцелиус получил аморфный кремний. Бурый порошок аморфного кремния был получен восстановлением металлическим калием газообразного тетрафторида кремния:

4 + 4K = Si + 4KF

Позже была получена кристаллическая форма кремния. Перекристаллизацией кремния из расплавленных металлов были получены серого цвета твёрдые, но хрупкие кристаллы с металлическим блеском. Русские названия элемента кремния ввёл в обиход Г.И. Гесс в 1834 году.

. Распространение в природе

Кремний после кислорода - самый распространённый элемент (27,6%) на земле. Это элемент, который входит в большинство минералов и горных пород, составляющих твёрдую оболочку земной коры. В земной коре кремний играет такую же первостепенную роль, как углерод в животном и растительном мире. Для геохимии К. важна исключительно прочная связь его с кислородом. Наиболее широко распространённые соединения кремния - оксид кремния SiO2 и производные кремниевых кислот, называемые силикатами. Оксид кремния (IV) встречается в виде минерала кварца (кремнезем, кремень). В природе из этого соединения сложены целые горы. Попадаются очень крупные, массой до 40 тонн, кристаллы кварца. Обычный песок состоит из мелкого кварца, загрязнённого различными примесями. Ежегодное мировое потребление песка достигает 300 млн. тонн.

Из силикатов наиболее широко в природе распространены алюмосиликаты (каолин Al2O3*2SiO2*2H2O, асбест CaO*3MgO*4SiO2, ортоклаз K2O*Al2O3*6SiO2 и др.). Если в состав минерала кроме оксидов кремния и алюминия входят оксиды натрия, калия или кальция, то минерал носит название полевого шпата (белая слюда и др.). На долю полевых шпатов приходится около половины известных в природе силикатов. Горные породы гранит и гнейс включают кварц, слюду, полевой шпат.

В состав растительного и животного мира кремний входит в незначительных количествах. Его содержат стебли некоторых видов овощей и хлебных злаков. Этим объясняется повышенная прочность стеблей этих растений. Панцири инфузорий, тела губок, яйца и перья птиц, шерсть животных, волосы, стекловидное тело глаза также содержат кремний.

Анализ образцов лунного грунта, доставленного кораблями показали присутствие оксида кремния в количестве более 40 процентов. В составе каменных метеоритов содержание кремния достигает 20 процентов.

. Строение атома и основные химические и физические свойства

Кремний образует тёмно-серые с металлическим блеском кристаллы, имеющие кубическую гранецентрированную решётку типа алмаза с периодом а = 5,431Å, плотностью 2,33 г/см³. При очень высоких давлениях получена новая (по-видимому, гексагональная) модификация с плотностью 2,55 г/см³. 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. Кремний прозрачен для длинноволновых ИК-лучей; показатель преломления (для l=6 мкм) 3,42; диэлектрическая проницаемость 11,7. Кремний диамагнитен, атомная магнитная восприимчивость -0,13×10-6 . Твёрдость кремния по Моосу 7,0, по Бринеллю 2,4 Гн/м² (240 кгс/мм²), модуль упругости 109 Гн/м² (10890 кгс/мм²), коэффициент сжимаемости 0,325×10-6 см² /кг. Кремний хрупкий материал; заметная пластическая деформация начинается при температуре выше 800°С.

Кремний - полупроводник, находящий всё большее применение. Электрические свойства К. очень сильно зависят от примесей. Собственное удельное объёмное электросопротивление кремния при комнатной температуре принимается равным 2,3×103 ом×м (2,3×105 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.

В соответствии с положением кремния в периодической системе Менделеева 14 электронов атома кремния распределены по трём оболочкам: в первой (от ядра) 2 электрона, во второй 8, в третьей (валентной) 4; конфигурация электронной оболочки 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 . Последовательные потенциалы ионизации (эв): 8,149; 16,34; 33,46 и 45,13. Атомный радиус 1,33Å, ковалентный радиус 1,17Å, ионные радиусы Si4+ 0,39Å, Si4- 1,98Å.

В соединениях кремния (аналогично углероду) 4-валентен. Однако, в отличие от углерода, кремний 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 кремния с другими атомами осуществляется обычно за счёт гибридных sp3-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-O, равная 464 кдж/моль (111 ккал/моль), обусловливает стойкость его кислородных соединений (SiO2 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 кремний благодаря образованию защитной окисной плёнки устойчив даже при повышенных температурах. В кислороде окисляется начиная с 400°С, образуя кремния двуокись SiO2. 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 SiO2. 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 SiX4 (см. Кремния галогениды). Водород непосредственно не реагирует с кремнием, и кремневодороды (силаны) получают разложением силицидов. Известны кремневодороды от SiH4 до Si8H18 (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 Si3N4, 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 кремния с углеродом (кремния карбид SiC) и с бором (SiB3, SiB6, SiB12). При нагревании кремний реагирует (в присутствии металлических катализаторов, например меди) с хлорорганическими соединениями (например, с CH3Cl) с образованием органогалосиланов [например, Si(CH3)3CI], служащих для синтеза многочисленных кремнийорганических соединений.

5. Получение

Наиболее простым и удобным лабораторным способом получения кремния является восстановление оксида кремния SiO2 при высоких температурах металлами-востановителями. Вследствие устойчивости оксида кремния для восстановления применяют такие активные восстановители, как магний и алюминий:

SiO2 + 4Al = 3Si + 2Al2O3

При восстановлении металлическим алюминием получают кристаллический кремний. Способ восстановления металлов из их оксидов металлическим алюминием открыл русский физикохимик Н.Н. Бекетов в 1865 году. При восстановлении оксида кремния алюминием выделяющейся теплоты не хватает для расплавления продуктов реакции - кремния и оксида алюминия, который плавится при 205°С. Для снижения температуры плавления продуктов реакции в реакционную смесь добавляют серу и избыто алюминия. При реакции образуется легкоплавкий сульфид алюминия:

2Al + 3S = Al2S3

Капли расплавленного кремния опускаются на дно тигля.

Кремний технической чистоты (95-98%) получают в электрической дуге восстановлением кремнезёма SiO2 между графитовыми электродами.

2+2C=Si+2CO

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 путём восстановления или термического разложения.

Чистый полупроводниковый кремний получают в двух видах: поликристаллический (восстановлением SiCl4 или SiHCl3 цинком или водородом, термическим разложением SiСl4 и SiH4) и монокристаллический (бестигельной зонной плавкой и "вытягиванием" монокристалла из расплавленного кремния - метод Чохральского).

Путём хлорирования технического кремния получают тетрахлорид кремния. Старейшим методом разложения тетрахлорида кремния является метод выдающегося русского химика академика Н.Н. Бекетова. Метод этот можно представить уравнением:

4+Zn=Si+2ZnCl2.

Здесь пары тетрахлорида кремния, кипящего при температуре 57,6°C, взаимодействуют с парами цинка.

В настоящее время тетрахлорид кремния восстанавливают водородом. Реакция протекает по уравнению:

SiCl4+2Н2=Si+4НCl.

Кремний получается в порошкообразном виде. Применяют и йодидный способ получения кремния, аналогичный описанному ранее йодидному методу получения чистого титана.

Чтобы получить чистыми кремний, его очищают от примесей зонной плавкой аналогично тому, как получают чистый титан.

Для целого ряда полупроводниковых приборов предпочтительны полупроводниковые материалы, получаемые в виде монокристаллов, так как в поликристаллическом материале имеют место неконтролируемые изменения электрических свойств.

При вращении монокристаллов пользуются методом Чохральского, заключающимся в следующем: в расплавленный материал опускают стержень, на конце которого имеется кристалл данного материала; он служит зародышем будущего монокристалла. Стержень вытягивают из расплава с небольшой скоростью до 1-2 мм/мин. В результате постепенно выращивают монокристалл нужного размера. Из него вырезают пластинки, используемые в полупроводниковых приборах.

. Применение

Специально легированный кремний 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 кремний прозрачен для лучей с длиной волны от 1 до 9 мкм, его применяют в инфракрасной оптике.

Кремний имеет разнообразные и всё расширяющиеся области применения. В металлургии кремний используется для удаления растворённого в расплавленных металлах кислорода (раскисления). Кремний является составной частью большого числа сплавов железа и цветных металлов. Обычно кремний придаёт 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. Всё большее количество кремния 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.

Силицирование, поверхностное или объёмное насыщение материала кремнием. Производится обработкой материала в парах кремния, образующихся при высокой температуре над кремниевой засыпкой, или в газовой среде, содержащей хлорсиланы, восстанавливающиеся водородом, например, по реакции

l4 + 2H2 = Si + 4HC1.

Применяется преимущественно как средство защиты тугоплавких металлов (W, Mo, Ta, Ti и др.) от окисления. Стойкость к окислению обусловливается образованием при С. плотных диффузионных "самозалечивающихся" силицидных покрытий (WSi2, MoSi2 и др.). Широкое применение находит силицированный графит.

. Соединения

Силициды

Силициды (от лат. Silicium - кремний), химические соединения кремния с металлами и некоторыми неметаллами. Силициды по типу химической связи могут быть подразделены на три основные группы: ионно-ковалентные, ковалентные и металлоподобные. Ионно-ковалентные силициды образуются щелочными (за исключением натрия и калия) и щёлочноземельными металлами, а также металлами подгрупп меди и цинка; ковалентные - бором, углеродом, азотом, кислородом, фосфором, серой, их называют также боридами, карбидами, нитридами кремния) и т. д.; металлоподобные - переходными металлами.

Получают силициды сплавлением или спеканием порошкообразной смеси Si и соответствующего металла: нагреванием окислов металлов с Si, SiC, SiO2 и силикатами природными или синтетическими (иногда в смеси с углеродом); взаимодействием металла со смесью SiCl4 и H2; электролизом расплавов, состоящих из K2SiF6 и окисла соответствующего металла. Ковалентные и металлоподобные силициды тугоплавки, стойки к окислению, действию минеральных кислот и различных агрессивных газов. Силициды используются в составе жаропрочных металлокерамических композиционных материалов для авиационной и ракетной техники. MoSi2 служит для производства нагревателей печей сопротивления, работающих на воздухе при температуре до 1600 °С. FeSi2, Fe3Si2, Fe2Si входят в состав ферросилиция, применяемого для раскисления и легирования сталей. Карбид кремния - один из полупроводниковых материалов.

Силицированный графит

Силицированный графит, графит, насыщенный кремнием. Производится обработкой пористого графита в кремниевой засыпке при 1800-2200 °С (при этом пары кремния осаждаются в порах). Состоит из графитовой основы, карбида кремния и свободного кремния. Сочетает свойственную графиту высокую термостойкость и прочность при повышенных температурах с плотностью, газонепроницаемостью, высокой стойкостью к окислению при температурах до 1750°С и эрозионной стойкостью. Применяется для футеровки высокотемпературных печей, в устройствах для разливки металла, в нагревательных элементах, для изготовления деталей авиационной и космической техники, работающих в условиях высоких температур и эрозии

Силал

Силал (от лат. Silicium - кремний и англ. alloy - сплав), жаростойкий чугун с повышенным содержанием кремния (5-6%). Из силала изготовляют относительно дешёвые литые детали, работающие в условиях высоких температур (800-900 °С), например дверки мартеновских печей, колосники, детали паровых котлов.

Силумин

Силумин (от лат. Silicium - кремний и Aluminium - алюминий), общее название группы литейных сплавов на основе алюминия, содержащих кремний (4-13%, в некоторых марках до 23%). В зависимости от желательного сочетания технологических и эксплуатационных свойств силумин легируют Cu, Mn, Mg, иногда Zn, Ti, Be и другими металлами. Силумины обладают высокими литейными и достаточно высокими механическими свойствами, уступая, однако, по механическим свойствам литейным сплавам на основе системы Al - Cu. К достоинствам силуминов относится их повышенная коррозионная стойкость во влажной и морской атмосферах. Силумины применяются при изготовлении деталей сложной конфигурации, главным образом в авто- и авиастроении.

Силикомарганец

Силикомарганец ферросплав основные компоненты которого - кремний имарганец; выплавляется в рудно-термических печах углевосстановительным процессом. Силикомарганец с 10-26% Si (остальное Mn, Fe и примеси), получаемый из марганцевой руды, марганцевого шлака и кварцита, используется при выплавке стали как раскислитель и легирующая присадка, а также для выплавки ферромарганца с пониженным содержанием углерода силикотермическим процессом. Силикомарганец с 28-30% Si (сырьём для которого служит специально получаемый высокомарганцевый низкофосфористый шлак) применяется в производстве металлического марганца.

Силикохром

Силикохром, ферросиликохром, ферросплав, основные компоненты которого - кремний и хром; выплавляется в рудно-термической печи углевосстановительным процессом из кварцита и гранулированного передельного феррохрома или хромовой руды. Силикохром с 10-46% Si (остальное Cr, Fe и примеси) используется при выплавке низколегированной стали, а также для получения феррохрома с пониженным содержанием углерода силикотермическим процессом. Силикохром с 43-55% Si применяется в производстве безуглеродистого феррохрома и при выплавке нержавеющей стали.

Сильхром (от лат. Silicium - кремний и Chromium - хром), общее название группы жаростойких и жаропрочных сталей, легированных Cr (5-14%) и Si (1-3%). В зависимости от требуемого уровня эксплуатационных свойств сильхром дополнительно легируют Mo (до 0,9%) или Al (до 1,8%). Сильхромы устойчивы против окисления на воздухе и в содержащих серу средах до 850-950 °С; применяются главным образом для изготовления клапанов двигателей внутреннего сгорания, а также деталей котельных установок, колосников и др. При повышенных механических нагрузках детали из сильхрома надёжно работают в течение длительного срока при температурах до 600-800 °С.

Кремния галогениды

Кремния галогениды, соединения кремния с галогенами. Известны кремния галогениды следующих типов (Х-галоген): SiX4, SiHnX4-n (галогенсиланы), SinX2n+2 и смешанные галогениды, например SiClBr3 . При обычных условиях SiF4 - газ, SiCl4 и SiBr4 - жидкости (tпл - 68,8 и 5°С), SiI4 - твёрдое тело (tnл 124°С). Соединения SiX4 легко подвергаются гидролизу:

SiX4 +2H2O=SiO2 +4HX;

на воздухе дымят вследствие образования очень мелких частиц SiO2; тетрафторид кремния реагирует иначе:

SiF4 +2H2O=SiO2 +2H2SiF6

Хлорсиланы (SiHnX4-n), например SiHCl3 (получается действием газообразного HCl на Si), при действии воды образуют полимерные соединения с прочной силоксановой цепью Si-O-Si. Отличаясь большой реакционной способностью, хлорсиланы служат исходными веществами для получения кремнийорганических соединений. Соединения типа SinX2n+2, содержащие цепи атомов Si, при Х - хлор, дают ряд, включая Si6Cl14 (tnл 320°С); остальные галогены образуют только Si2X6. Получены соединения типов (SiX2)n и (SiX)n . Молекулы SiX2 и SiX существуют при высокой температуре в виде газа и при резком охлаждении (жидким азотом) образуют твёрдые полимерные вещества, нерастворимые в обычных органических растворителях.

Тетрахлорид кремния SiCl4 используется при производстве смазочных масел, электроизоляций, теплоносителей, гидрофобизирующих жидкостей и т. д. кремний силикат кварц кристалл

Карбид кремния

Кремния карбид, карборунд, SiC, соединение кремния с углеродом; один из важнейших карбидов, применяемых в технике. В чистом виде кремния карбид - бесцветный кристалл с алмазным блеском; технический продукт зелёного или сине-чёрного цвета. Карбид кремния существует в двух основных кристаллических модификациях - гексагональной (a-SiC) и кубической (b-SiC), причём гексагональная является "гигантской молекулой", построенной по принципу своеобразной структурно-направленной полимеризации простых молекул. Слои из атомов углерода и кремния в a-SiC размещены относительно друг друга по-разному, образуя много структурных типов. Переход b-SiC в a-SiC происходит при температуре 2100-2300°С (обратный переход обычно не наблюдается). Карбид кремния тугоплавок (плавится с разложением при 2830°С), имеет исключительно высокую твёрдость (микротвёрдость 33400 Мн/м² или 3,34 тс/мм²), уступая только алмазу и бора карбиду B4 C; хрупок; плотность 3,2 г/см³. Карбид кремния устойчив в различных химических средах, в том числе при высоких температурах.

Карбид кремния получают в электропечах при 2000-2200°С из смеси кварцевого песка (51-55%), кокса (35-40%) с добавкой NaCI (I-5%) и древесных опилок (5-10%). Благодаря высокой твёрдости, химической устойчивости и износостойкости карбид кремния широко применяется как абразивный материал (при шлифовании), для резания твёрдых материалов, точки инструментов, а также для изготовления различных деталей химической и металлургической аппаратуры, работающей в сложных условиях высоких температур. Карбид кремния, легированный различными примесями, используется в технике полупроводников, особенно при повышенных температурах. Интересно использование карбида кремния в электротехнике - для изготовления нагревателей высокотемпературных электропечей сопротивления (силитовые стержни), грозоразрядников для линий передачи электрического тока, нелинейных сопротивлений, в составе электроизолирующих устройств и т. д.

Кремния диоксид

Кремния диоксид (кремнезем), SiO2, кристаллы. Наиболее распространенный минерал - кварц; обычный песок - также кремния диоксид. Используют в производстве стекла, фарфора, фаянса, бетона, кирпича, керамики, как наполнитель резины, адсорбент в хроматографии, в электронике, акустооптике и др. Кремнезёма минералы, ряд минеральных видов, представляющих собой полиморфные модификации двуокиси кремния; устойчивы при определённых интервалах температуры в зависимости от давления.

Основу кристаллической структуры кремнезема составляет трёхмерный каркас, построенный из соединяющихся через общие кислороды тетраэдров (5104). Однако симметрия их расположения, плотность упаковки и взаимная ориентировка различны, что отражается на симметрии кристаллов отдельных минералов и их физических свойствах. Исключение представляет стишовит, основу структуры которого составляют октаэдры (SiO6), образующие структуру, подобную рутилу. Все кремнеземы (за исключением некоторых разновидностей кварца) обычно бесцветны. Твердость по минералогической шкале различна: от 5,5 (a-тридимит) до 8-8,5 (стишовит).

Кремнезем обычно встречаются в виде очень мелких зёрен, скрытокристаллических волокнистых (a-кристобалит, т. н. люссатит) и иногда сфероидальных образований. Реже - в виде кристалликов таблитчатого или пластинчатого облика (тридимит), октаэдрического, дипирамидального (a- и b-кристобалит), тонкоигольчатого (коэсит, стишовит). Большинство Кремнезем (кроме кварца) очень редки и в условиях поверхностных зон земной коры неустойчивы. Высокотемпературные модификации SiO2 - b-тридимит, b-кристобалит - образуются в мелких пустотах молодых эффузивных пород (дациты, базальты, липариты и др.). Низкотемпературный a-кристобалит, наряду с a-тридимитом, является одной из составных частей агатов, халцедонов, опалов; отлагается из горячих водных растворов, иногда из коллоидного SiO2. Стишовит и коэсит встречены в песчаниках метеорного кратера Каньон Дьявола в Аризоне (США), где они образовались за счёт кварца при мгновенном сверхвысоком давлении и при повышении температуры во время падения метеорита. В природе также встречаются: кварцевое стекло (т. н. лешательерит), образующееся в результате плавления кварцевого песка от удара молний, и меланофлогит - в виде мелких кубических кристалликов и корочек (псевдоморфозы, состоящие из опаловидного и халцедоновидного кварца), наросших на самородную серу в месторождениях Сицилии (Италия). Китит в природе не встречен.

Кварц (нем. Quarz), минерал; под названием кварца известны две кристаллической модификации двуокиси кремния SiO2: гексагональный кварц (или a-кварц), устойчивый при давлении в 1 атм (или 100 кн/м²) в интервале температур 870-573 °С, и тригональный (b-кварц), устойчивый при температуре ниже 573 °С. b-кварц наиболее широко встречается в природе. Он кристаллизуется в классе тригонального трапецоэдра тригональной системы. Кристаллическая структура каркасного типа построена из кремне-кислородных тетраэдров, расположенных винтообразно (с правым или левым ходом винта) по отношению к главной оси кристалла. В зависимости от этого различают правые и левые структурно-морфологические формы кристаллов, различающиеся внешне по симметрии расположения некоторых граней (например, трапецоэдра и др.). Отсутствие плоскостей и центра симметрии у кристаллов кварца обусловливает наличие пьезоэлектрических и пироэлектрических свойств.

Наиболее часто кристаллы кварца имеют удлиненно-призматический облик с преимущественным развитием граней гексагональной призмы и двух ромбоэдров (головка кристалла). Реже кристаллы принимают облик псевдогексагональной дипирамиды. Внешне правильные кристаллы кварца обычно сложно сдвойникованы, образуя наиболее часто двойниковые участки по т.н. бразильскому или дофинейскому законам. Последние возникают не только при росте кристаллов, но и в результате внутренней структурной перестройки при термических a - b переходах, сопровождаемых сжатием, а также при механических деформациях. Цвет кристаллов, зёрен, агрегатов кварца самый разнообразный: наиболее обычны бесцветные, молочно-белые или серые кварцы. Прозрачные или полупрозрачные красивоокрашенные кристаллы, называются особо: бесцветные, прозрачные - горный хрусталь; фиолетовые - аметист; дымчатые - раухтопаз; чёрные - морион; золотисто-жёлтые - цитрин. Различные окраски обычно обусловлены структурными дефектами при замене Si4+ на Fe3+ или Al3+ с одновременным вхождением в решётку Na1+, Li1+ или (ОН)1-. Встречаются также сложно окрашенные кварцы за счёт микровключений посторонних минералов: зелёный празем - включения микрокристалликов актинолита или хлорита; золотистый мерцающий авантюрин - включения слюды или гематита, и др. Скрытокристаллические разновидности кварца - агат и халцедон - состоят из тончайших волокнистых образований. Кварц оптически одноосный, положительный. Показатели преломления (для дневного света l=589,3): ne=1,553; no=1,544. Прозрачен для ультрафиолетовых и частично инфракрасных лучей. При пропускании светового плоскополяризованного луча по направлению оптической оси левые кристаллы кварца вращают плоскость поляризации влево, а правые - вправо. В видимой части спектра значение угла вращения (на толщину пластинки кварца в 1 мм) меняется от 32,7 (для l 486 нм) до 13,9° (728 нм). Значение диэлектрической проницаемости (eij), пьезоэлектрического модуля (djj) и упругих коэффицентов (Sij) следующие (при комнатной температуре): e11 = 4,58; e33 = 4,70; d11 = -6,76*10-8 ; d14 = 2,56*10-8 ; S11 = 1,279; S12 = - 0,159; S13 = -0,110; S14 = -0,446; S33 = 0,956; S44 = 1,978. Коэффиценты линейного расширения составляют: перпендикулярно оси 3-го порядка 13,4*10-6 и параллельно оси 8*10-6. Теплота превращения b - a К. равна 2,5 ккал/моль (10,45 кдж/моль). Твёрдость по минералогической шкале 7; плотность 2650 кг/м³ . Плавится при температуре 1710 °С и застывает при охлаждении в т. н. кварцевое стекло. Плавленный кварц - хороший изолятор; сопротивление кубика с ребром в 1 см при 18 °С равно 5*1018 ом/см, коэффицент линейного расширения 0,57*10-6 см/ °С. Разработана экономически выгодная технология выращивания монокристаллов синтетический К., который получают из водных растворов SiO2 при повышенных давлениях и температурах (гидротермальный синтез). Кристаллы синтетического К. обладают стабильными пьезоэлектрическими свойствами, радиационной устойчивостью, высокой оптической однородностью и др. ценными техническими свойствами.

Природный кварц- очень широко распространённый минерал, является существенной составной частью многих горных пород, а также месторождений полезных ископаемых самого разнообразного генезиса. Наиболее важные для промышленности кварцевые материалы - кварцевые пески, кварциты и кристаллический монокристальный кварц. Последний встречается редко и очень высоко ценится. Главнейшие месторождения кристаллов кварца - на Урале, на Памире, в бассейне р. Алдан; за рубежом - месторождения в Бразилии и Малагасийской Республике. Кварцевые пески - важное сырьё для керамической и стекольной промышленности. Монокристаллы кварца находят применение в радиотехнике (пьезоэлектрические стабилизаторы частоты, фильтры, резонаторы, пьезопластинки в ультразвуковых установках и т.д.); в оптическом приборостроении (призмы для спектрографов, монохроматоров, линзы для ультрафиолетовой оптики и т.д.). Плавленый кварц применяют для изготовления специальной химической посуды. К. также используется для получения химически чистого кремния. Прозрачные, красивоокрашенные разновидности кварца являются полудрагоценными камнями и широко применяются в ювелирном деле.

Кварцевое стекло, однокомпонентное силикатное стекло, получаемое плавлением природных разновидностей кремнезёма - горного хрусталя, жильного кварца и кварцевого песка, а также синтетической двуокиси кремния. Различают два вида промышленного кварцевого стекла: прозрачное (оптическое и техническое) и непрозрачное. Непрозрачность кварцевому стеклу придает большое количество распределенных в нем мелких газовых пузырьков (диаметром от 0,03 до 0,3 мкм), рассеивающих свет. Оптическое прозрачное кварцевое стекло, получаемое плавлением горного хрусталя, совершенно однородно, не содержит видимых газовых пузырьков; обладает наименьшим среди силикатных стекол показателем преломления (nD = 1,4584) и наибольшим свето-пропусканием, особенно для ультрафиолетовых лучей. Для кварцевого стекла характерна высокая термическая и химическая стойкость; температура размягчения К. с. 1400 °С. Кварцевое стекло хороший диэлектрик, удельная электрическая проводимость при 20 °С-10-14 - 10-16 ом-1 м-1, тангенс угла диэлектрических потерь при температуре 20 °С и частоте 106 гц - 0,0025-0,0006. Кварцевое стекло применяют для изготовления лабораторной посуды, тиглей, оптических приборов, изоляторов (особенно для высоких температур), изделий, стойких к температурным колебаниям.

Силаны

Силаны (от лат. Silicium - кремний), соединения кремния с водородом общей формулы SinH2n+2. Получены силаны вплоть до октасилана Si8H18. При комнатной температуре первые два соединения кремния - моносилан SiH4 и дисилан Si2H6 - газообразны, остальные - летучие жидкости. Все соединения кремния имеют неприятный запах, ядовиты. Силаны гораздо менее устойчивы, чем алканы, на воздухе самовоспламеняются, например

Si2H6 +7O2 =4SiO2 +6H2O.

Водой разлагаются:

3H8 +6H2O=3SiO2 +10H2

В природе силаны не встречаются. В лаборатории действием разбавленных кислот на силицид магния получают смесь различных К., её сильно охлаждают и разделяют (путём дробной перегонки при полном отсутствии воздуха).

Кремниевые кислоты

Кремниевые кислоты, производные кремниевого ангидрида SiO2; очень слабые кислоты, малорастворимые в воде. В чистом виде были получены метакремниевая кислота H2SiO3 (точнее её полимерная форма H8Si4O12) и H2Si2O5. Аморфная двуокись кремния (аморфный кремнезём) в водном растворе (растворимость около 100 мг в 1 л) образует преимущественно ортокремниевую кислоту H4SiO4. В полученных разными способами пересыщенных растворах кремниевые кислоты изменяются с формированием коллоидных частиц (молярная масса до 1500), на поверхности которых находятся группы OH. Образованный т. о. золь в зависимости от водородного показателя pH может быть устойчивым (pH около 2) или может агрегировать, переходя в гель (pH 5-6). Устойчивые высококонцентрированные золи кремниевые кислоты, содержащие специальные вещества - стабилизаторы, применяют при производстве бумаги, в текстильной промышленности, для очистки воды. Кремнефтористоводородная кислота, H2SiF6, сильная неорганическая кислота. Существует лишь в водном растворе; в свободном виде распадается на тетрафторид кремния SiF4 и фтористый водород HF. Применяется как сильно дезинфицирующее средство, но главным образом - для получения солей кремниевых кислот - кремнефторидов.

Силикаты

Силикаты, соли кислот кремния. Наиболее широко распространены в земной коре (80% по массе); известно более 500 минералов, среди них - драгоценные камни, например изумруд, берилл, аквамарин. Силикаты - основа цементов, керамики, эмалей, силикатного стекла; сырье в производстве многих металлов, клеев, красок и др.; материалы радиоэлектроники и т.д. Кремнефториды, фторсиликаты, соли кремнефтористоводородной кислоты H2SiF6 . При нагревании распадаются, например

6 = CaF2 + SiF4

Соли Na, К, Rb, Cs и Ba трудно растворимы в воде и образуют характерные кристаллы, что используется в количественном и микрохимическом анализе. Наибольшее практическое значение имеет кремнефторид натрия Na2SiF6 (в частности, в производстве кислотоупорных цементов, эмалей и т.д.). Значительную долю Na2SiF6 перерабатывают на NaF. Получают Na2SiF6 из содержащих SiF4 отходов суперфосфатных заводов. Хорошо растворимые в воде кремнефториды Mg, Zn и Al (техническое название флюаты) применяют для придания водонепроницаемости строительному камню. Все силикаты (а также H2SiF6) ядовиты.

Приложение

Рис.1 Правый и левый кварц.

Рис.2 Кремнезёма минералы.

Рис.3 Кварц (структура)

Репетиторство

Нужна помощь по изучению какой-либы темы?

Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.

Кремний - очень редкий минеральный вид из класса самородных элементов. На самом деле это удивительно, как редко химический элемент кремний, составляющий в связанном виде не менее 27,6% массы земной коры, встречается в природе в чистом виде. Но кремний прочно связывается с кислородом и почти всегда находится в виде кремнезёма — диоксида кремния, SiO 2 (семейство кварца) или в составе силикатов (SiO 4 4-). Самородный кремний как минерал был найден в продуктах вулканических испарений и как мельчайшие включения в самородном золоте.

Смотрите так же:

СТРУКТУРА

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. Имеет объемную структуру. Ядра атомов вместе с электронами на внутренних оболочках обладают положительным зарядом 4, который уравновешивается отрицательными зарядами четырех электронов на внешней оболочке. Вместе с электронами соседних атомов они образуют ковалентные связи на кристаллической решетке. Таким образом, на внешней оболочке находятся четыре своих электрона и четыре электрона, заимствованные у четырех соседних атомов. При температуре абсолютного нуля все электроны внешних оболочек участвуют в ковалентных связях. При этом кремний является идеальными изолятором, так как не имеет свободных электронов, создающих проводимость.

СВОЙСТВА

Кремний хрупок, только при нагревании выше 800 °C он становится пластичным веществом. Он 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).Температура плавления 1415 °C, температура кипения 2680 °C, плотность 2,33 г/см 3 . Обладает полупроводниковыми свойствами, его сопротивление понижается при повышении температуры.

Аморфный кремний – порошок бурого цвета на основе сильно разупорядоченной алмазоподобной структуры. Обладает большей реакционной способностью, чем кристаллический кремний.

МОРФОЛОГИЯ

Чаще всего в природе кремний встречается в виде кремнезёма - соединений на основе диоксида кремния (IV) SiO 2 (около 12 % массы земной коры). Основные минералы и горные породы, образуемые диоксидом кремния, - это песок (речной и кварцевый), кварц и кварциты, кремень, полевые шпаты. Вторую по распространённости в природе группу соединений кремния составляют силикаты и алюмосиликаты.

Отмечены единичные факты нахождения чистого кремния в самородном виде.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

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. Отмечены единичные факты нахождения чистого кремния в самородном виде — мельчайшие включения (наноиндивиды) в ийолитах Горячегорского щелочно-габброидного массива (Кузнецкий Алатау, Красноярский край); в Карелии и на Кольском п-ове (по мат. изучения Кольской сверхглубокой скважины); микроскопические кристаллы в фумаролах вулканов Толбачик и Кудрявый (Камчатка).

ПРИМЕНЕНИЕ

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.

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 кремний органических материалов, силанов;
• иногда кремний технической чистоты и его сплав с железом (ферросилиций) используется для производства водорода в полевых условиях;
• для производства солнечных батарей;
• антиблок (антиадгезивная добавка) в промышленности пластмасс.

Кремний (англ. Silicon) — Si

КЛАССИФИКАЦИЯ

Strunz (8-ое издание)	1/B.05-10
Nickel-Strunz (10-ое издание)	1.CB.15
Dana (7-ое издание)	1.3.6.1
Dana (8-ое издание)	1.3.7.1
Hey’s CIM Ref.	1.28

Одним из самых востребованных в технике и промышленности элементов является кремний. Этому он обязан своими необычными свойствами. Сегодня существует масса различных соединений данного элемента, которые играют важную роль в синтезе и создании технических продуктов, посуды, стекла, оборудования, строительных и отделочных материалов, ювелирных украшений и в прочих отраслях промышленности.

Общая характеристика кремния

Если рассматривать положение кремния в периодической системе, то можно сказать так:

1. Располагается в IV группе главной подгруппы.
2. Порядковый номер 14.
3. Атомная масса 28,086.
4. Химический символ Si.
5. Название - кремний, или на латыни - silicium.
6. Электронная конфигурация внешнего слоя 4е:2е:8е.

Кристаллическая решетка кремния подобна решетке алмаза. В узлах расположены атомы, тип ее - кубическая гранецентрированная. Однако вследствие большей длины связи физические свойства кремния сильно отличаются от свойств аллотропной модификации углерода.

Физические и химические свойства

Еще несколько вариаций диоксида кремния:

• кварц;
• речной и ;
• кремень;
• полевые шпаты.

Применение кремния в таких видах реализуется в строительных работах, технике, радиоэлектронике, химической отрасли, металлургии. Все вместе перечисленные оксиды относятся к единому веществу - кремнезему.

Карбид кремния и его применение

Кремний и его соединения - это и настоящего. Одним из таких материалов является карборунд или карбид данного элемента. Химическая формула SiC. Встречается в природе в виде минерала муассанита.

В чистом виде соединение углерода и кремния - это красивые прозрачные кристаллы, напоминающие алмазные структуры. Однако в технических целях используются окрашенные в зеленый и черный цвета вещества.

Основные характеристики данного вещества, позволяющие использовать его в металлургии, технике, химической промышленности, следующие:

• полупроводник широкозонный;
• очень высокая степень прочности (7 по шкале Мооса);
• устойчив к действию высоких температур;
• отличная электроустойчивость и теплопроводность.

Все это позволяет использовать карборунд в качестве абразивного материала в металлургии и химических синтезах. А также на его основе изготавливать светодиоды широкого спектра действия, детали для стекловарочных печей, сопла, факелы, ювелирные украшения (муассанит ценится выше фианита).

Силан и его значение

Водородное соединение кремния имеет название силан и не может быть получено прямым синтезом из исходных веществ. Для его получения используют силициды различных металлов, которые подвергаются обработке кислотами. В результате выделяется газообразный силан и формируется соль металла.

Интересно то, что рассматриваемое соединение никогда не образуется в одиночестве. Всегда в результате реакции получается смесь моно-, ди- и трисилана, в которых атомы кремния соединены между собой в цепочки.

По своим свойствам эти соединения - сильные восстановители. Сами при этом легко окисляются кислородом, иногда со взрывом. С галогенами реакции бурные всегда, с большим выбросом энергии.

Области применения силанов следующие:

1. Реакции органических синтезов, в результате которых образуются важные кремнийорганические соединения - силиконы, резины, герметики, смазки, эмульсии и прочие.
2. Микроэлектроника (жидкокристаллические мониторы, интегральные технические схемы и прочее).
3. Получение сверхчистого поликремния.
4. Стоматология при протезировании.

Таким образом, значение силанов в современном мире высоко.

Кремниевая кислота и силикаты

Гидроксид рассматриваемого элемента - это разные кремниевые кислоты. Выделяют:

• мета;
• орто;
• поликремниевые и другие кислоты.

Все их объединяют общие свойства - крайняя неустойчивость в свободном состоянии. Они легко разлагаются под действием температуры. При обычных условиях существуют недолго, превращаясь сначала в золь, а потом в гель. После высыхания такие структуры называют силикагелями. Они используются в качестве адсорбентов в фильтрах.

Важными, с точки зрения промышленности, являются соли кремниевых кислот - силикаты. Они лежат в основе получения таких веществ, как:

• стекло;
• бетон;
• цемент;
• цеолит;
• каолин;
• фарфор;
• фаянс;
• хрусталь;
• керамика.

Силикаты щелочных металлов - растворимы, всех остальных - нет. Поэтому силикат натрия и калия называют жидким стеклом. Обычный канцелярский клей - это и есть натриевая соль кремниевой кислоты.

Но самыми интересными соединениями являются все же стекла. Каких только вариантов этого вещества ни придумали! Сегодня получают цветные, оптические, матовые варианты. Стеклянная посуда поражает своим великолепием и разнообразием. При добавлении определенных оксидов металлов и неметаллов в смесь можно получать самые разные типы стекла. Иногда даже одинаковый состав, но различное процентное содержание компонентов приводит к различию в свойствах вещества. Примером могут служить фарфор и фаянс, формула которых SiO 2 *AL 2 O 3 *K 2 O.

Это форма особо чистого продукта, состав которого описывается как диоксид кремния.

Открытия в области соединений кремния

За последние несколько лет исследований было доказано, что кремний и его соединения - важнейшие участники нормального состояния живых организмов. С недостатком или избытком данного элемента связаны такие заболевания, как:

• туберкулез;
• артриты;
• катаракта;
• проказа;
• дизентерия;
• ревматизм;
• гепатит и другие.

Сами процессы старения организма также связаны с количественным содержанием кремния. Многочисленные опыты на млекопитающих животных доказали, что при недостатке элемента возникают инфаркты, инсульты, рак и активизируется вирус гепатита.

Кремний и его соединения подобно углероду и его соединениям широко применяются в разных областях. Кремний используется для изготовления микроэлектронных устройств. Кремнезем используется в производстве стекла и цемента. Разнообразны применения силикатов (табл. 15.8). Во всех этих примерах используются силикаты натрия. Наконец, силиконы используются для получения синтетических каучуков, политур и материалов для изготовления защитных покрытий. Теперь мы несколько подробнее остановимся на трех из этих применений.

Таблица 15.8. Некоторые применения силикатов

Революция в микроэлектронике

В последние два-три десятилетия кремний приобрел исключительно важное значение как полупроводниковый материал, используемый для изготовления микроэлектронных устройств, получивших название «микросхемы».

Полупроводник - это вещество, электрическое сопротивление которого имеет промежуточное значение между теми, которые свойственны электрическим изоляторам (диэлектрикам) и проводникам (табл. 15.9).

В полупроводники нередко умышленно вводят примеси, легируя их контролируемыми количествами примесных веществ. Легирование как бы уменьшает зазор между зоной проводимости и валентной зоной полупроводника (см. разд. 2.1), а следовательно, уменьшает его сопротивление. Полупроводник -типа (отрицательного типа) получается при легировании чистого кремния или германия каким-либо элементом

Таблица 15.9. Полупроводниковые свойства кремния

Рис. 15.9. Легированный кремний, а - схематическое изображение атомов Al, Si с их внешними электронами; б - полупроводник: каждая пара электронов образует ковалентную связь; в - примесный полупроводник -типа: наличие в кристаллической решетке кремния примесного атома элемента V группы, например фосфора, привносит в нее избыточный электрон, и это уменьшает электросопротивление кремния; г - примесный полупроводник p-типа: наличие в кристаллической решетке кремния примесного атома элемента III группы, например алюминия, приводит к появлению в решетке электронной «дырки».

V группы, например фосфором. Поскольку атом фосфора имеет во внешней оболочке пять электронов, присутствие атомов фосфора в кристаллической решетке кремния приводит к появлению избыточных электронов, а следовательно, к возникновению эффективного отрицательного заряда (рис. 15.9).

Полупроводник p-типа (положительного типа) имеет эффективный положительный заряд, обусловленный наличием в его кристаллической решетке примесных атомов, принадлежащих какому-либо элементу III группы, например алюминию. Каждый атом алюминия создает в решетке кремния электронную дырку, т. е. положительный заряд.

Полупроводниковый диод получается на стыке двух полупроводниковых электродов, один из которых принадлежит к n-типу, а другой - p-типу (рис. 15.10). Электроны, текущие через электрод p-типа, останавливаются на стыке (переходе) между двумя электродами, который называется -переходом. Электроны, текущие в обратном

Рис. 15.10. Полупроводниковый диод: избыточные электроны из полупроводникового электрода -типа перетекают через -переход, чтобы заполнить «дырки» в полупроводниковом электроде -типа.

Рис. 15.11. Транзисторы, а - транзистор -типа; б - транзистор -типа.

направлении, проходят через этот переход, поскольку они поступают из решетки с избыточными электронами в решетку с дефицитом электронов. Тот же самый поток электрического заряда может рассматриваться как противоположно направленное движение электронных дырок, или положительного заряда, из электрода -типа в электрод -типа.

Полупроводниковые диоды из кремния используются в качестве выпрямителей переменного тока, которые преобразуют его в постоянный ток. Управляемый кремниевый выпрямитель состоит из электродов -типа и -типа, а также третьего электрода, который играет роль диодного клапана. Такой выпрямитель преобразует переменный ток в постоянный только при условии, что к диодному клапану приложено небольшое напряжение.

Транзистор - это трехэлектродное полупроводниковое устройство, в котором между двумя полупроводниковыми электродами -типа (или -типа) находится тонкий слой полупроводника -типа (или -типа) (рис. 15.11). Такое устройство позволяет контролировать протекание электрического тока большой силы, прикладывая к нему небольшое напряжение. Транзистор -типа обладает дырочной проводимостью, а транзистор -типа - электронной проводимостью.

До начала все транзисторы помещались в индивидуальную металлическую либо пластмассовую оболочку. Впоследствии их заменили интегральные схемы. В настоящее время один крохотный кремниевый элемент в программном карманном калькуляторе может содержать свыше 30 000 транзисторов, соединенных в единую интегральную схему.

Стекло

Силикатное стекло образуется при застывании расплавленных силикатов. Натриевое стекло состоит из смеси силиката кальция и силиката натрия О его изготовлении упоминалось в предыдущей главе. Натриевое стекло используется для изготовления оконного стекла и различных сортов листового стекла.

Боросиликатное стекло содержит приблизительно оксида бора а также небольшие количества оксидов натрия и алюминия. Боросиликатное стекло выдерживает температуры до и обладает большой устойчивостью к воздействию химических веществ, например щелочей. Наиболее распространенным сортом боросиликатного стекла является пирекс. Боросиликатное стекло используется для изготовления кухонной утвари и лабораторной посуды.

Свинцовое стекло имеет высокий показатель преломления и используется для изготовления изделий из хрустального стекла. Типичное свинцовое стекло содержит около 8% оксида хорошее хрустальное стекло содержит больше свинца.

Стекловолокно получают разными способами, например капая расплавленным стеклом на вращающийся диск из огнеупорного материала. Стекло разлетается от диска, образуя тонкие нити. Стекловолокно используется для изготовления теплоизоляционных панелей в автомобилестроении, а также деталей корпусов приборов в авиастроении.

Для придания окраски стеклу в него в процессе изготовления вводят оксиды различных d-металлов. Кобальт придает стеклу синюю либо розовую окраску в зависимости от количества присутствующих в стекле основных оксидов, таких как . Коричневая или зеленая окраска недорогих сортов стекла, используемых для изготовления винных и пивных бутылок, обусловлена соединениями железа, которые присутствуют в песке, используемом для изготовления такого стекла.

Оптические волокна изготовляют из кварцевого стекла. Кварцевое стекло получают, расплавляя кварц. Кварцевое стекло обладает прекрасной оптической прозрачностью. Однако кварцевое стекло, используемое для получения оптического волокна, должно быть чрезвычайно чистым. Количество примесей в нем, например железа и меди, должно быть снижено до такого уровня, чтобы оно не превышало одной части на 10°. По этой причине кварцевое стекло, используемое для изготовления оптического волокна, получают непосредственно по реакции кислорода с хлоридом проводимой в газовой фазе. Хлорид может быть получен с чрезвычайно высокой чистотой, характеризуемой как «электронная степень чистоты».

Оптическое волокно имеет сердцевину, которая служит для пропускания света, и оболочку с меньшим показателем преломления, которая препятствует потерям света через боковые стороны. Волокно, имеющее толщину человеческого волоса, окружается защитной оболочкой кремния либо органического полимерного материала.

Оптические волокна используются для передачи телевизионных программ, телефонных разговоров, выходных данных компьютеров и других приборов. Согласно некоторым предсказаниям, оптические волокна постепенно вытеснят медные проволочные кабели, которые обычно используются для этих целей.

Жидкое стекло представляет собой водный раствор силиката натрия Его получают, сплавляя кремнезем с какой-нибудь щелочью, например гидроксидом натрия, либо с карбонатом натрия. Силикат натрия является сильным основанием. При его подкислении образуется гель. Он представляет собой полимерную кислоту, которой приписывается следующая структура:

При нагревании этого материала происходит его дегидратация, и он образует силикагель. Силикагель имеет очень развитую поверхность. Он используется в качестве осушителя, а также как инертный носитель для некоторых тонкоизмельченных катализаторов.

Силиконы

Так называются кремнийорганические полимерные соединения, скелет которых образуют чередующиеся атомы кремния и кислорода, связанные между собой. К атомам кремния присоединены алкильные или арильные группы (см. гл. 17). В качестве примера приведем такую структуру:

Силиконы представляют собой маслянистые, жирные, смолистые либо каучуковидные вещества. Их получают гидролизом хлоросиланов, например диметилхлоросилана Алкил- или арилхлоросиланы получают с помощью реактивов Гриньяра (см. разд. 19.1) либо пропусканием паров алкил- или арилгалогенидов над гранулами кремния в присутствии медного катализатора при температуре порядка 300 °С:

Силиконы термически устойчивы и взаимодействуют с большинством химических веществ. Они обладают хорошими водоотталкивающими свойствами и используются как влагозащитные материалы. Кроме того, их используют в качестве технических масел, смазочных веществ и изоляторов, а также масляных лаков, красок и политур.