Силициум: свойства, применение и значение¶
Силициум (лат. Silicium, обозначается символом Si) — химический элемент 14-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы четвёртой группы) третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 14. Относится к группе полуметаллов (металлоидов). В чистом виде представляет собой твёрдое вещество тёмно-серого цвета с металлическим блеском, обладающее полупроводниковыми свойствами. Является вторым по распространённости элементом в земной коре после кислорода (около 27–29 % по массе), в свободном виде в природе не встречается, входит в состав более чем 400 минералов, преимущественно силикатов и диоксида кремния (кремнезёма).
¶История открытия и происхождение названия
Соединения кремния (главным образом, кремнезём и силикаты) были известны человеку с глубокой древности. Изготовление стекла, керамики и цемента основано на использовании природных силикатов. Однако сам элемент долгое время не удавалось выделить в чистом виде.
В 1808 году французский химик Жозеф Луи Гей-Люссак и немецкий химик Луи Жак Тенар получили аморфный кремний, но не смогли его идентифицировать. В 1811 году французский учёный Жозеф Луи Пруст высказал предположение о существовании элемента, названного им «силициум». В 1823 году шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус впервые получил чистый аморфный кремний, восстановив фторосиликат калия металлическим калием. Берцелиус также дал элементу название «силициум» (от лат. silex — кремень). В 1854 году французский химик Анри Этьен Сент-Клер Девиль получил первую кристаллическую модификацию кремния.
В русском языке название «кремний» было введено в 1831 году академиком Германом Ивановичем Гессом, который образовал его от слова «кремень» (один из природных минералов диоксида кремния). В современной научной и технической литературе на русском языке используются оба названия: «кремний» (преимущественно в химии и материаловедении) и «силициум» (чаще в контексте электроники, полупроводниковых технологий и международной терминологии).
¶Физические и химические свойства
¶Физические свойства
Кремний — твёрдое, хрупкое вещество. Имеет две основные аллотропные модификации:
- Аморфный кремний — коричневый порошок, менее плотный и химически более активный.
- Кристаллический кремний — серое вещество с металлическим блеском, обладает кубической гранецентрированной решёткой типа алмаза.
Основные физические характеристики кристаллического кремния:
- Атомная масса: 28,0855 а. е. м.
- Плотность: 2,329 г/см³ (при 20 °C).
- Температура плавления: 1414 °C.
- Температура кипения: 3265 °C.
- Твёрдость по шкале Мооса: 7.
- Кристаллическая решётка: кубическая, период решётки 0,5431 нм.
Кремний является типичным полупроводником с шириной запрещённой зоны 1,12 эВ при комнатной температуре. Его электропроводность сильно зависит от температуры, освещения и наличия примесей. При низких температурах кремний ведёт себя как изолятор, при повышении температуры его проводимость возрастает.
¶Химические свойства
При комнатной температуре кремний химически малоактивен. На воздухе он покрывается тонкой плёнкой диоксида кремния (SiO₂), которая защищает его от дальнейшего окисления. При нагревании (выше 400–500 °C) реагирует с кислородом, образуя SiO₂. Взаимодействует с галогенами (фтором — при комнатной температуре, с хлором, бромом и йодом — при нагревании), образуя тетрагалогениды.
С водородом кремний непосредственно не реагирует, кремневодороды (силаны) получают косвенными методами. С азотом при высоких температурах образует нитрид кремния (Si₃N₄). С углеродом — карбид кремния (SiC). С большинством металлов образует силициды.
Кремний устойчив к действию кислот (кроме смеси плавиковой и азотной кислот). Растворяется в горячих водных растворах щелочей с выделением водорода и образованием силикатов.
¶Нахождение в природе и добыча
Кремний — второй по распространённости элемент в земной коре (после кислорода). Его содержание в литосфере составляет около 27,6 % по массе. В свободном виде в природе не встречается из-за высокой химической активности. Основные природные формы:
- Диоксид кремния (кремнезём, SiO₂) — в виде кварца, песка, горного хрусталя, агата, яшмы, опала.
- Силикаты — соли кремниевых кислот, составляющие основу большинства горных пород: полевые шпаты, слюды, глины, асбест, тальк.
- Алюмосиликаты — силикаты, содержащие алюминий (граниты, базальты).
Промышленное получение кремния осуществляется двумя основными способами:
- Металлургический способ — восстановление диоксида кремния (кварцевого песка) углеродом (коксом) в электродуговых печах при температуре 1800–2000 °C. Получаемый технический кремний имеет чистоту 96–99 %.
- Химический способ — получение высокочистого кремния (99,9999 % и выше) путём восстановления трихлорсилана (SiHCl₃) водородом или термическим разложением моносилана (SiH₄). Для дальнейшей очистки используется метод зонной плавки.
Крупнейшими производителями металлургического кремния являются Китай, Россия, Норвегия, Бразилия, США. В России основные месторождения кварцевого сырья расположены в Карелии, Мурманской области, на Урале и в Сибири.
¶Применение
¶Электроника и микроэлектроника
Основное применение кремния — в полупроводниковой промышленности. Кремний является базовым материалом для производства:
- Микропроцессоров и микроконтроллеров.
- Микросхем памяти (DRAM, Flash, SRAM).
- Солнечных батарей (фотоэлектрических преобразователей).
- Диодов, транзисторов, тиристоров.
- Датчиков и сенсоров (например, MEMS-датчики).
Более 95 % всех полупроводниковых приборов изготавливаются на основе кремния. Это обусловлено его доступностью, хорошо изученными свойствами, возможностью создания высококачественных кристаллов большого диаметра (до 450 мм) и развитой технологией литографии.
¶Металлургия
Кремний широко используется как легирующая добавка в производстве стали и цветных металлов. Добавка кремния (0,15–3,5 %) повышает прочность, упругость, жаростойкость и коррозионную стойкость стали. Кремнистые стали (трансформаторные, динамные) применяются в электротехнике благодаря низкой коэрцитивной силе и высокому удельному электрическому сопротивлению. Ферросилиций (сплав железа с кремнием) используется в качестве раскислителя при выплавке стали.
¶Производство силиконов и кремнийорганических соединений
Кремний является сырьём для получения кремнийорганических полимеров — силиконов. Силиконовые масла, каучуки, герметики и эластомеры обладают уникальными свойствами: термостойкостью (от –60 до +300 °C), гидрофобностью, химической инертностью, электроизоляционными характеристиками. Они применяются в медицине (имплантаты, протезы), строительстве (герметики, уплотнители), автомобильной промышленности (смазки, прокладки), косметологии и бытовой химии.
¶Строительство и производство материалов
Диоксид кремния (кварцевый песок) — основной компонент для производства стекла, керамики, цемента, бетона, абразивных материалов. Карбид кремния (карборунд) используется как абразивный материал, огнеупор, полупроводник для высокотемпературных и силовых электронных приборов. Нитрид кремния применяется для изготовления высокотемпературных конструкционных материалов (лопатки турбин, подшипники, режущий инструмент).
¶Солнечная энергетика
Кремний является основным материалом для производства фотоэлектрических преобразователей (солнечных батарей). Различают три основных типа кремниевых солнечных элементов:
- Монокристаллический кремний (КПД до 24–26 %).
- Поликристаллический кремний (КПД до 18–22 %).
- Аморфный кремний (КПД до 10–12 %, используется в тонкоплёночных технологиях).
Более 90 % всех производимых в мире солнечных панелей основаны на кремнии.
¶Биологическая роль и безопасность
Кремний не является жизненно необходимым элементом для человека, однако его соединения играют важную роль в биологических процессах некоторых организмов. Кремний входит в состав скелетов некоторых морских организмов (диатомовые водоросли, радиолярии, губки). В организме человека кремний содержится в небольших количествах (около 1–2 г), преимущественно в соединительной ткани, костях, волосах, ногтях. Существуют данные о его роли в синтезе коллагена и эластина, однако точные механизмы биологического действия до конца не изучены.
Металлический кремний и его неорганические соединения (диоксид кремния, силикаты) считаются малотоксичными. Пыль диоксида кремния (кварцевая пыль) при длительном вдыхании может вызывать профессиональное заболевание — силикоз (фиброз лёгких). Органические соединения кремния (силаны, хлорсиланы) токсичны и требуют осторожного обращения.
¶Интересные факты
- Кремний является основой «кремниевой долины» (Силиконовой долины) — региона в Калифорнии (США), где сосредоточены ведущие компании по производству полупроводников и компьютерных технологий.
- В 1954 году американский физик Джеральд Пирсон создал первый кремниевый солнечный элемент с КПД около 6 %.
- Кремний — один из немногих элементов, который может образовывать длинные цепочки атомов (катенация), подобно углероду, что используется в химии кремнийорганических соединений.
- В 2023 году учёные из Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН (Новосибирск) разработали технологию получения сверхчистого кремния для квантовых компьютеров.
- Кремний является основным материалом для производства микроэлектромеханических систем (MEMS), используемых в акселерометрах, гироскопах, микрофонах и датчиках давления.