Периодическая таблица Д. И. Менделеева содержит более ста различных по своим свойствам элементов. Из всех них около десятка являются наиболее распространенными на планете Земля. Характеристика элемента кремния и физико-химические свойства его соединений играют важную роль в развитии современных технологий.
Атомная структура
Для тех, кто знает хотя бы немного химию, не является секретом тот факт, что химические свойства рассматриваемого элемента зависят полностью от его расположения в периодической системе. Эта особенность таблицы Д. И. Менделеева объясняется связью между положением в ней элемента и его атомным строением.
Кремний находится в третьем периоде и занимает 14-ю клетку между алюминием (Al) и фосфором (P). Поскольку первый из них является металлом, а второй — это неметалл, то о Si часто говорят, что он яркий представитель полуметаллов или металлоидов. Это означает, что кремний может реагировать как с металлическими соединениями, проявляя свойства окислителя, так и с неметаллическими, реализуя свойства восстановителя в соответствующих химических реакциях.
Возможные изотопы
Так как химический элемент Si является 14-м, то в его атомном ядре содержится 14 протонов. Количество нейтронов может слегка варьироваться, однако, в 92,23% случаев оно также составляет 14. В 4,67% их 15, и в 3,1% атомных ядер Si содержится 16 нейтронов. Таким образом, существует 3 стабильных изотопа кремния. Относительная атомная масса для самого легкого стабильного изотопа составляет 28 а. е. м.
Существуют также нестабильные изотопы, содержащие в своих ядрах большее количество нейтронов. Например, Si-32 имеет период полураспада 132 года. Распад его ядра осуществляется с испусканием бета-лучей (электронов) и с образованием нестабильного атома фосфора P-32.
Электронные уровни и валентность
В химии принято электронные формулы элементов выражать кратко с использованием уже заполненных орбиталей благородных газов. В случае элемента Si применяют следующее обозначение строения его электронных уровней:
Si = [Ne] 3s2 3p2.
То есть на третьем уровне, который состоит из двух s- орбиталей, шести p-орбиталей и десяти d-орбиталей находится всего 4 электрона. Упрощенно формула показывает, что из всех них заполненными полностью оказываются четыре (две s и две p). Это говорит о двух возможных вариантах проявления валентности кремния в его соединениях:
- Два (II).
- Четыре (IV).
Поскольку энергетически не существует барьера между переходами электронов по p-орбиталям, то они могут легко распариться. Появляется два свободных электрона, которые могут участвовать в образовании химических связей.
Электроны на 3s орбиталях лежат ненамного ниже по энергии, чем 3p, поэтому любое незначительное возбуждение извне (небольшой приток энергии) приводит к их распариванию и переходу на свободную 3p-орбиталь. Кремний с его 4-мя свободными электронами начинает проявлять валентность IV. Она является наиболее частой в соединениях Si, что делает его похожим на углерод, который находится в той же группе в периодической системе.
Физические характеристики
В сообщении о характеристиках кремния в первую очередь следует сказать, что он может существовать в нескольких формах. Если перечислять основные возможные варианты, то они будут следующими:
- монокристаллический;
- поликристаллический;
- аморфный.
В общем описании для первых двух вариантов следует сказать о кристаллической структуре элемента. Поскольку он имеет четыре электрона, способных участвовать в образовании ковалентной связи, то их он использует для создания кристаллической молекулярной структуры. В ней каждый атом соединяется с четырьмя атомами Si. В пространстве такая структура выглядит в виде периодически повторяющихся октаэдров.
Если с помощью трех конкретных векторов можно попасть из произвольного атома решетки путем его трансляции в любой другой ее узел, то говорят о монокристаллическом строении. В противном случае речь ведут о поликристаллах, в которых имеются межзеренные границы с нарушенным порядком в расположении атомов. Кристаллы кремния имеют серо-синий цвет с характерным металлическим блеском.
Кристаллический Si является достаточно твердым. Его 7 по шкале твердости Мооса позволяет ему царапать стекло, которое имеет 5−7 единиц в зависимости от сорта. Кристаллы плавятся при температуре 1411 С, расплав кипит при 2355 С. Со своими 2,33 г/см3 Si не является слишком плотным веществом, он даже легче одного из самых легких металлов — алюминия (2,7 г/см3). Его полупроводниковые свойства активно используются в настоящее время в электронной индустрии.
Если говорит о том, какой еще может быть кремний, то следует упомянуть аморф. По определению аморф — это структура, в которой пространственный порядок в расположении атомов наблюдается лишь в ближайшем окружении. Применительно к кремнию можно упрощенно сказать, что его аморфная структура представляет собой октаэдры, которые произвольным образом ориентированы друг относительно друга. Аморфный Si имеет коричневато-желтый цвет.
Химические свойства
Рассматриваемый полуметалл в природе в чистом виде практически не существует. Большая его часть сосредоточена в земной коре. Он является основой для следующих веществ и минералов:
- песок (оксид кремния) и глины (силикаты магния, кальция и алюминия);
- кварц и различные его разновидности, например, яшма;
- полудрагоценные камни топаз, турмалин и гранат.
Получают чистый Si в промышленных масштабах путем его восстановления из оксида SiO2 в результате нагрева в восстановительной среде углерода или магния.
Кремний устойчив ко многим кислотам, однако, при высоких температурах охотно вступает в реакцию с кислородом с образованием оксида и с галогенами. Так, реагируя с плавиковой кислотой (HF), он образует газообразное соединение SiF4. При высоких температурах элемент вступает в реакцию с хлором и азотом, окисляясь в обоих случаях.
При взаимодействии с сильными щелочами кремний проявляет неметаллические свойства. Так, при растворении в гидроксиде натрия, он образует силикаты с выделением газообразного водорода.
Удивительной особенностью кремния является его возможность участвовать в образовании живых организмов. Этот факт до настоящего времени является лишь теоретическим. Дело в том, что рассматриваемый элемент в периодической таблице находится строго под углеродом, то есть он имеет равные ему свойства и обладает возможностью образовывать длинные цепочки соединений с ковалентной связью.
Использование кремния
Поскольку рассматриваемый элемент обладает свойствами металлов и неметаллов, то его применение в различных сферах производства весьма разнообразное. Основное использование кремния следующее:
- В качестве огнеупорного материала его применяют при производстве эмалей, стекол и керамики. Используют элемент при производстве цемента. Одним из важных соединений является Ca2Si — белит (полное название — силикат кальция), который обладает низкой скоростью гидратации.
- В агрокультуре в качестве удобрения.
- При производстве различных марок сталей для их легирования с целью придания необходимых свойств.
- В производстве стекол различного назначения.
- Карбид кремния является одним из часто применяемых абразивных камней.
- Полупроводниковая природа элемента позволяет ему излучать электромагнитные волны в инфракрасном диапазоне, поэтому его используют при производстве лазеров этого типа излучения.
- В медицине в качестве имплантатов для груди и при изготовлении глазных линз.
Производство сталей
Поскольку сталь является основным конструкционным и инструментальным материалом, то использование кремния для производства некоторых марок является важным для получения специальных свойств. Как правило, сталь содержит до 0,3% Si. Если в расплав Fe-C добавить чистый кремний, то после цикла термической обработки получаются марки, содержащие до 4% Si. Они используются для изготовления обмотки электрических трансформаторов, так как характеризуются низким гистерезисом, что снижает электрические потери и увеличивает КПД преобразования энергии.
Еще одна сталь, имеющая специфические характеристики, называется дурирон. Она содержит 15% Si, является твердой, хрупкой и чрезвычайно устойчивой практически к любому типу коррозии. Используют ее в качестве конструктивного материала, который контактирует с агрессивными химическими веществами.
Полупроводниковая индустрия
Поскольку кремний является полупроводником, то его проводимость лежит между металлической и диэлектрической (изоляторы). Однако, самое интересное заключается в том, что это физическое свойство кремния можно изменять в значительных пределах с помощью небольших добавок к нему трехвалентных или пятивалентных химических элементов — доноров.
Элемент Si широко используется для производства монокристаллических подложек для электронных микросхем. Его применяют при изготовлении транзисторов, диодов и других элементов микроэлектроники. Широкое использование кремний находит при производстве солнечных батарей. Хотя в последние десятилетия начинают развиваться направления бескремниевых солнечных батарей на основе галлия, германия и других элементов, использование Si все же остается на высоком уровне из-за его распространенности на Земле и низкой стоимости.
Таким образом, химический элемент Si благодаря своим металлическим и неметаллическим характеристикам используется в широком спектре производства. Человечество имеет большие планы на его применение, о чем говорит создание крупной научной зоны в США Кремниевая (Силиконовая) долина.
