Кремний в природе и продуктах¶
Кремний (Si, лат. Silicium) — химический элемент 14 группы периодической таблицы, атомный номер 14, атомная масса 28,0855. В природе кремний — второй по распространённости элемент после кислорода, составляя около 27,7 % массы земной коры. В свободном виде в природе не встречается, только в соединениях — прежде всего в виде диоксида кремния (SiO₂) и силикатов.
¶Где содержится кремний в природе
¶Горные породы и минералы
Основная масса кремния заключена в земной коре. Кремний входит в состав практически всех распространённых горных пород:
- Гранит — кислая магматическая порода, содержащая полевые шпаты и кварц; общее содержание SiO₂ в граните достигает 70 %.
- Базальт — основная магматическая порода, SiO₂ составляет около 50 %.
- Песчаник — осадочная порода, сложенная в основном зернами кварца (SiO₂).
- Глина — продукт выветривания силикатных пород, содержит алюмосиликаты кремния.
Кремний образует свыше 1000 минералов, среди которых:
| Минерал | Формула | Примечание |
|---|---|---|
| Кварц | SiO₂ | Один из самых распространённых минералов |
| Полевые шпаты | KAlSi₃O₈ — NaAlSi₃O₈ | Группа алюмосиликатов |
| Оливин | (Mg,Fe)₂SiO₄ | Силикат верхней мантии |
| Тальк | Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂ | Мягкий минерал |
| Асбест (хризотил) | Mg₃Si₂O₅(OH)₄ | Волокнистый силикат |
| Гранат | (Fe,Mg,Ca,Al)₃(Al,Fe)₂(SiO₄)₃ | Группа минералов |
| Циркон | ZrSiO₄ | Источник циркония |
¶Месторождения
Крупнейшие разрабатываемые месторождения кремниевых руд и пиролитического кварца в России связаны с Кольским полуостровом, Уралом и Сибирью. Особое значение имеют кварциты — метаморфизованные песчаники, состоящие почти из чистого кварца.
¶Природные воды
Кремний в растворённой форме (в виде ортокремниевой кислоты H₄SiO₄) присутствует в природных водах. В морской воде концентрация кремния составляет около 3 мг/л. В пресных водах содержание кремния колеблется от 0,5 до 30 мг/л в зависимости от типа пород, через которые проходит вода. Минеральные источники, протекающие через силикатные породы, обогащены кремнием сильнее.
¶Кремний в живых организмах
Кремний — биогенный элемент. В живых организмах он содержится в виде кремнезёма и кремниевых кислот. Особенно значима его роль у растений: кремний укрепляет клеточные стенки, повышает устойчивость к полеганию и засухе. Злаки (рис, тростник, бамбук) накапливают кремний в виде аморфного SiO₂ в листьях и стеблях, иногда до 4 % сухой массы.
В организме человека кремний содержится в следовых количествах — около 0,001 % массы тела. Он присутствует в костной ткани, соединительной ткани, коже, волосах и ногтях. Кремний участвует в синтезе коллагена и эластина. Пищевые источники кремния — крупы, овощи (особенно свёкла, огурцы), морепродукты, пиво. Суточная потребность взрослого человека оценивается в 5–10 мг.
¶Кремний в промышленности
¶Металлургия и химия
Кремний в виде ферросилиция (сплава железа с кремнием, 15–90 % Si) применяется при производстве стали для раскисления и легирования. Чистый технический кремний (96–99 %) используется для производства силиконов — кремнийорганических полимеров, применяемых в промышленности, медицине и косметике.
¶Электроника
Высокочистый монокристаллический кремний (99,9999–99,9999999 %, «электронный кремний») — основной полупроводниковый материал современной электроники. Из него изготавливают подложки для микросхем, солнечные элементы, транзисторы и диоды. Россия производит электронный кремний на заводах в Зеленограде и Новосибирске.
¶Строительство
Кремнезёмные материалы широко используются в строительстве: кирпич, цемент (содержащий силикаты кальция), стекло, керамика, минеральная вата. Стекло — аморфный диоксид кремния с добавками.
¶Кремний в продуктах питания
Содержание кремния в продуктах (мг на 100 г):
| Продукт | Содержание |
|---|---|
| Отруби пшеничные | 100–150 |
| Гречневая крупа | 20–30 |
| Рис | 10–20 |
| Овсянка | 8–12 |
| Огурцы | 5–7 |
| Бананы | 4–5 |
| Пиво (натуральное) | 2–10 |
Наиболее богаты кремнием пищевые добавки на основе диатомита (горного порошка из кремнистых водорослей) и хвоща полевого.
¶Интересные факты
- Кремний — основа «кремниевой долины»: термин «кремний» (silicon) в названии появился в 1971 году от названия компании Silicon Valley.
- Кремниевые чипы производятся из цилиндрических слитков (инготов) диаметром до 300 мм, выращенных методом Чохральского.
- Космос: кремний — третий по распространённости элемент во Вселенной после водорода и гелия.
¶Источники
- Периодическая таблица химических элементов Д. И. Менделеева
- Г. П. Баторов, В. Н. Дурнов. «Кремний в биосфере»
- Ф. Лейпрандт. «Кремний: от камня до чипа»
- Справочник «Химическая энциклопедия», т. 2