Кремний: колдонуу, химиялык жана физикалык касиеттери

2024 Автор: Angel Austin | [email protected]. Акыркы өзгөртүү: 2023-12-17 05:34

Табигаттагы эң кеңири таралган элементтердин бири кремний же кремний. Мындай кеңири таралуу бул заттын маанисин жана маанисин айтып турат. Муну өз максаттары үчүн кремнийди туура колдонууну үйрөнгөн адамдар бат эле түшүнүп, кабыл алышкан. Анын колдонмосу атайын касиеттерге негизделген, алар тууралуу кийинчерээк сүйлөшөбүз.

Кремний – химиялык элемент

Эгерде биз берилген элементти мезгилдик системадагы орду боюнча мүнөздөсөк, төмөнкү маанилүү пункттарды аныктай алабыз:

1. Реталык номер - 14.
2. Мезгил үчүнчү кичинекей.
3. Группа - IV.
4. Подгруппа - негизги.
5. Сырткы электрон кабыкчасынын түзүлүшү 3s²3p² формуласы менен туюнтулган.
6. Кремний элементи Si химиялык белгиси менен белгиленет, ал "силиций" деп айтылат.
7. Киссиденүү абалын көрсөтөт: -4; +2; +4.
8. Атомдун валенттүүлүгү IV.
9. Кремнийдин атомдук массасы 28,086.
10. Жаратылышта бул элементтин 28, 29 жана 30 массалуу үч туруктуу изотопу бар.

Демек атомХимиялык көз караштан алганда, кремний жакшы изилденген элемент, анын көптөгөн ар кандай касиеттери сүрөттөлгөн.

Ачылуулар таржымалы

Каралып жаткан элементтин ар кандай кошулмалары табиятта абдан популярдуу жана мазмуну боюнча массалык болгондуктан, байыркы убактан бери адамдар алардын көбүнүн эле касиеттерин колдонуп, билишкен. Таза кремний узак убакыт бою химия боюнча адам билбегендей болгон.

Байыркы маданияттын элдери (египеттиктер, римдиктер, кытайлар, орустар, перстер жана башкалар) күнүмдүк турмушта жана өнөр жайда колдонулган эң популярдуу кошулмалар кремний кычкылынын негизинде жасалган асыл жана кооздук таштар болгон. Аларга төмөнкүлөр кирет:

• opal;
• rhinestone;
• topaz;
• хризопраз;
• оникс;
• халцедон жана башкалар.

Ошондой эле байыркы замандан бери курулушта кварц жана кварц кумду колдонуу салт болуп калган. Бирок, элементардык кремнийдин өзү 19-кылымга чейин ачыла элек, бирок көптөгөн окумуштуулар аны катализаторлор, жогорку температуралар жана ал тургай электр тогу менен ар кандай кошулмалардан бөлүп алууга аракет кылышкан. Булар төмөнкүдөй жаркын акылдар:

• Карл Шееле;
• Гей-Люссак;
• Тенар;
• Хамфри Дэви;
• Антуан Лавуазье.

Йенс Джейкобс Берцелиус 1823-жылы таза кремнийди ийгиликтүү алууга жетишкен. Бул үчүн ал кремний фториди менен металлдык калийдин бууларын бириктирүү боюнча эксперимент жүргүзгөн. Натыйжада, ал каралып жаткан элементтин аморфтук модификациясын алган. Ошол эле окумуштуу табылган атомдун латынча аталышын сунуштаган.

Бир аздан кийин, 1855-жылы, дагы бир илимпоз - Сент-Клэр-Девиль - дагы бир аллотроптук сортту - кристаллдык кремнийди синтездей алган. Ошондон бери, бул элемент жана анын касиеттери жөнүндө билим абдан тез өсө баштады. Адамдар анын өз муктаждыктарын канааттандыруу үчүн абдан акылдуу колдонула турган уникалдуу өзгөчөлүктөргө ээ экенин түшүнүштү. Ошондуктан, бүгүнкү күндө электроника жана технология абдан талап кылынган элементтердин бири кремний болуп саналат. Аны колдонуу жыл сайын чектерин кеңейтүүдө.

Атомдун орусча аталышын 1831-жылы окумуштуу Гесс койгон. Ушул күнгө чейин сакталып калган нерсе.

Жаратылышта камтылган

Кремний жаратылышта кычкылтектен кийинки экинчи орунда турат. Жер кыртышынын составындагы башка атомдорго салыштырганда анын пайызы 29,5%. Мындан тышкары, көмүртек жана кремний бири-бири менен байланышып чынжырларды түзө турган эки өзгөчө элемент. Ошондуктан литосферада, гидросферада жана биомассада камтылган акыркы 400дөн ашык ар кандай табигый минералдар белгилүү.

Кремний кайдан табылат?

1. Топурактын терең катмарларында.
2. Тоолордо, кендерде жана массивдерде.
3. Суулардын, өзгөчө деңиздердин жана океандардын түбүндө.
4. Жаныбарлар дүйнөсүнүн өсүмдүктөрүндө жана деңиз жашоосунда.
5. Адамдарда жана жер жаныбарларында.

Көбүнчө кеңири таралган бир нече минералдарды жана тоо тектерин белгилесе болот, аларда көп сандагыкремний. Алардын химиясы алардагы таза элементтин массасы 75%ке жете тургандай. Бирок, конкреттүү көрсөткүч материалдын түрүнө жараша болот. Ошентип, кремний камтыган тектер жана минералдар:

• талаа шпаттары;
• слюда;
• амфиболдор;
• opals;
• халцедон;
• силикаттар;
• кумдуктар;
• алюмосиликаттар;
• чопо жана башкалар.

Деңиз жаныбарларынын кабыктарында жана сырткы скелетинде чогулуп, акырында кремний диоксидин суу объектилеринин түбүндө күчтүү кендерди пайда кылат. Бул бул элементтин табигый булактарынын бири.

Мындан тышкары, кремний өзүнүн таза нукура түрүндө – кристалл түрүндө болушу мүмкүн экени аныкталган. Бирок мындай депозиттер өтө сейрек кездешет.

Кремнийдин физикалык касиеттери

Эгерде сиз каралып жаткан элементти физикалык жана химиялык касиеттердин жыйындысы менен мүнөздөсөңүз, анда биринчи кезекте физикалык параметрлер көрсөтүлүшү керек. Бул жерде бир нече негизгилери бар:

1. Эки аллотроптук модификация түрүндө бар - аморфтук жана кристаллдык, алар бардык касиеттери боюнча айырмаланат.
2. Кристалдык тор алмаздыкына абдан окшош, анткени көмүртек менен кремний бул жагынан дээрлик бирдей. Бирок атомдордун ортосундагы аралык ар кандай (кремнийде көбүрөөк), ошондуктан алмаз алда канча катуу жана күчтүү. Тор түрү - кубдун бети борборлоштурулган.
3. Зат өтө морт, жогорку температурада пластикке айланат.
4. Эрүү температурасы 1415˚C.
5. Температуракайноо температурасы - 3250˚С.
6. Заттын тыгыздыгы - 2,33 г/см³.
7. Байланыштын түсү күмүш-боз, мүнөздүү металл жалтылдаган.
8. Жакшы жарым өткөргүч касиеттерге ээ, ал кээ бир агенттердин кошулушуна жараша өзгөрүшү мүмкүн.
9. Сууда, органикалык эриткичтерде жана кислоталарда эрибейт.
10. Шелодо өзгөчө эрийт.

Кремнийдин аныкталган физикалык касиеттери адамдарга аны башкарууга жана ар кандай буюмдарды жасоо үчүн колдонууга мүмкүндүк берет. Мисалы, электроникада таза кремнийди колдонуу жарым өткөргүчтүк касиетине негизделген.

Химиялык касиеттери

Кремнийдин химиялык касиеттери реакция шарттарына абдан көз каранды. Эгерде биз стандарттык параметрлер боюнча таза зат жөнүндө айта турган болсок, анда биз өтө төмөн активдүүлүктү белгилешибиз керек. Кристаллдык жана аморфтук кремний экөө тең өтө инерттүү. Күчтүү кычкылдандыргычтар (фтордон башка) жана күчтүү калыбына келтирүүчү заттар менен өз ара аракеттенбеңиз.

Бул заттын бетинде SiO₂ оксид пленкасы заматта пайда болуп, андан ары өз ара аракеттенүүнүн алдын алуу менен шартталган. Ал суунун, абанын, буулардын таасири астында пайда болушу мүмкүн.

Стандартты шартты өзгөртүп, кремнийди 400˚Сден жогору ысытсаңыз, анда анын химиялык активдүүлүгү абдан жогорулайт. Бул учурда, ал төмөнкүдөй жооп берет:

• кычкылтек;
• галогендердин бардык түрлөрү;
• сутек.

Температуранын андан ары жогорулашы менен продуктылардын пайда болушу мүмкүнбор, азот жана көмүртек менен өз ара аракеттенүүсү. Карборунд - SiC өзгөчө мааниге ээ, анткени ал жакшы абразивдүү материал.

Ошондой эле кремнийдин химиялык касиеттери металлдар менен болгон реакцияларда ачык көрүнүп турат. Аларга карата ал кычкылдандыруучу агент, ошондуктан продуктылар силициддер деп аталат. Окшош кошулмалар төмөнкүлөр үчүн белгилүү:

• щелочтуу;
• щелочтуу жер;
• өткөөл металлдар.

Өзгөчө касиеттери темир менен кремнийди эритүү аркылуу алынган кошулмага ээ. Ал ферросиликон керамика деп аталып, өнөр жайда ийгиликтүү колдонулуп келет.

Кремний татаал заттар менен өз ара аракеттенбейт, андыктан алардын бардык түрлөрүнүн ичинен төмөнкүдө гана эрийт:

• роял арагы (азот жана туз кислоталарынын аралашмасы);
• каустикалык щелочтор.

Мында эритменин температурасы 60˚С кем эмес болушу керек. Мунун баары заттын физикалык негизин дагы бир жолу тастыктайт – алмаз сымал туруктуу кристалл торчо, ал ага күч жана инерттүүлүк берет.

Алуу ыкмалары

Таза кремнийди алуу экономикалык жактан кыйла кымбат процесс. Мындан тышкары, өзүнүн касиеттеринен улам кандай гана ыкма болбосун 90-99% гана таза продуктуларды берет, ал эми металл жана көмүртек түрүндөгү аралашмалар ошол эле бойдон калат. Демек, жөн эле затты алуу жетишсиз. Ал ошондой эле бөтөн элементтерден сапаттуу тазаланышы керек.

Жалпысынан кремнийди өндүрүү эки негизги жол менен ишке ашырылат:

1. Ак кумданбул таза кремний оксиди SiO₂. Аны активдүү металлдар (көбүнчө магний менен) күйгүзгөндө аморфтук модификация түрүндө эркин элемент пайда болот. Бул ыкманын тазалыгы жогору, продукт 99,9 пайыздык түшүм менен алынат.
2. Өнөр жайлык масштабда кеңири таралган ыкма болуп эритилген кумду атайын термикалык мештерде кокс менен агломерациялоо саналат. Бул ыкманы орус окумуштуусу Бекетов Н. Н.

иштеп чыккан.

Кийинки иштетүү продуктуларды тазалоо ыкмаларына баш ийдирүүдөн турат. Бул үчүн кислоталар же галогендер (хлор, фтор) колдонулат.

Аморфтук кремний

Кремнийдин мүнөздөмөсү анын ар бир аллотроптук модификациясын өзүнчө карабасак, толук эмес болуп калат. Биринчиси аморфтук. Бул абалда биз карап жаткан зат майда дисперстүү күрөң-күрөң порошок болуп саналат. Ал гигроскопиялык жогорку даражага ээ, ысытылганда жетиштүү жогорку химиялык активдүүлүгүн көрсөтөт. Стандарттык шарттарда ал эң күчтүү кычкылдандыруучу агент - фтор менен гана аракеттене алат.

Аморфтук кремнийди кристаллдык кремнийдин түрү деп айтуу таптакыр туура эмес. Анын торчосу бул зат кристаллдар түрүндө бар майда дисперстүү кремнийдин бир түрү гана экенин көрсөтүп турат. Демек, бул өзгөртүүлөр бир эле кошулма.

Бирок алардын касиеттери ар башка, ошондуктан аллотропия жөнүндө сөз кылуу адатка айланган. Өз алдынча, аморфтук кремний баржогорку жарык жутуу жөндөмдүүлүгү. Мындан тышкары, белгилүү бир шарттарда, бул көрсөткүч кристаллдык түрдө караганда бир нече эсе жогору. Ошондуктан, ал техникалык максаттар үчүн колдонулат. Каралып жаткан формада (порошок) кошулма пластик же айнек болобу, каалаган бетине оңой колдонулат. Ошондуктан, бул колдонуу үчүн абдан ыңгайлуу болгон аморфтук кремний. Колдонмо ар кандай өлчөмдөгү күн панелдерин өндүрүүгө негизделген.

Батарейкалардын бул түрүнүн эскириши кыйла тез болсо да, бул заттын жука пленкасынын сүрүлүп кетиши менен байланыштуу, бирок колдонуу жана суроо-талап өсүүдө. Чынында эле, кыска мөөнөттө да аморфтук кремнийге негизделген күн батареялары бүт ишканаларды энергия менен камсыз кыла алат. Мындан тышкары, мындай затты өндүрүү калдыксыз, бул аны абдан үнөмдүү кылат.

Натрий же магний сыяктуу активдүү металлдар менен кошулмаларды азайтуу аркылуу бул модификацияны алыңыз.

Кристалл кремний

Каралып жаткан элементтин күмүш боз жалтырак модификациясы. Дал ушул форма эң кеңири таралган жана эң көп суроо-талапка ээ. Бул бул зат ээ болгон сапаттык касиеттердин жыйындысы менен шартталган.

Кремнийдин кристалл торчосу менен мүнөздөмөсү анын түрлөрүнүн классификациясын камтыйт, анткени алардын бир нечеси бар:

1. Электрондук сапат - эң таза жана эң жогорку сапат. Дал ушул түрү электроникада өзгөчө сезимтал түзмөктөрдү жасоо үчүн колдонулат.
2. Күнөстүү сапат. Аты өзүколдонуу аймагын аныктайт. Бул ошондой эле жогорку тазалыктагы кремний, аны колдонуу жогорку сапаттагы жана узак мөөнөттүү күн батареяларын түзүү үчүн зарыл. Кристаллдык түзүлүштүн негизинде түзүлгөн фотоэлектрдик конвертерлер субстраттардын ар кандай түрлөрүнө чөктүрүүдө аморфтук модификацияны колдонуу менен түзүлгөнгө караганда сапаттуу жана бышык.
3. Техникалык кремний. Бул сорт таза элементтин болжол менен 98% камтыган заттын үлгүлөрүн камтыйт. Калганынын баары ар кандай ыпластарга кетет:

• бор;
• алюминий;
• хлор;
• көмүртек;
• фосфор жана башкалар.

Каралып жаткан заттын акыркы сорту кремний поликристалдарын алуу үчүн колдонулат. Бул үчүн кайра кристаллдашуу процесстери жүргүзүлөт. Натыйжада, тазалыгы боюнча күн жана электроникалык сапат топторуна таандык буюмдар алынат.

Табиятынан полиссиликон аморфтук жана кристаллдык модификациянын ортосундагы аралык продукт. Бул опция менен иштөө оңой, аны кайра иштетип, фтор жана хлор менен тазалоо жакшы.

Натыйжадагы өнүмдөрдү төмөнкүдөй классификациялоого болот:

• multicilicon;
• монокристалды;
• профилдүү кристаллдар;
• силикон сыныктары;
• техникалык кремний;
• заттын сыныктары жана сыныктары түрүндөгү өндүрүш калдыктары.

Алардын ар бири өнөр жайда колдонууну таап, колдонулаттолугу менен адам. Ошондуктан, кремнийди камтыган өндүрүш процесстери калдыксыз деп эсептелет. Бул сапатка таасирин тийгизбестен анын экономикалык наркын бир топ төмөндөтөт.

Таза кремнийди колдонуу

Кремний өндүрүшү өнөр жайда жакшы жолго коюлган жана анын масштабы бир топ көлөмдүү. Бул таза жана ар кандай кошулмалар түрүндөгү бул элемент илим менен техниканын ар кандай тармактарында кеңири таралып, суроо-талапка ээ болгондугуна байланыштуу.

Таза кристаллдык жана аморфтук кремний кайда колдонулат?

1. Металлургияда металлдардын жана алардын эритмелеринин касиеттерин өзгөртүүгө жөндөмдүү легирлөөчү кошумча катары. Ошентип, болот жана темир эритүү үчүн колдонулат.
2. Тазараак версиясын жасоо үчүн заттын ар кандай түрлөрү колдонулат - полисиликон.
3. Кремнийдин органикалык заттар менен бирикмелери - бул бүгүнкү күндө өзгөчө популярдуулукка ээ болгон бүтүндөй химиялык өнөр жай. Силикондук материалдар медицинада, идиш-аяктарды, шаймандарды жана башка көптөгөн нерселерди жасоодо колдонулат.
4. Ар түрдүү күн панелдерин чыгаруу. Энергияны алуунун бул ыкмасы келечектеги эң келечектүү ыкмалардын бири болуп саналат. Экологиялык жактан таза, үнөмдүү жана бышык - мындай электр энергиясын өндүрүүнүн негизги артыкчылыктары.
5. Кремний зажигалкаларда көптөн бери колдонулуп келет. Байыркы убакта да адамдар от жагуу учурунда учкун жаратыш үчүн оттук таш колдонушкан. Бул принцип ар кандай түрдөгү зажигалкаларды өндүрүү үчүн негиз болуп саналат. Бүгүнкү күндө алардын түрлөрү бароттук таш белгилүү бир курамдагы эритме менен алмаштырылат, ал андан да тезирээк натыйжа берет (учкун чыгарат).
6. Электроника жана күн энергиясы.
7. Газ лазердик түзүлүштөрдө күзгүлөрдү өндүрүү.

Ошентип, таза кремний бир топ пайдалуу жана өзгөчө касиеттерге ээ, алар аны маанилүү жана керектүү буюмдарды жасоо үчүн колдонууга мүмкүндүк берет.

Кремний кошулмаларын колдонуу

Жөнөкөй заттан тышкары, ар кандай кремний кошулмалары да колдонулат жана абдан кеңири колдонулат. Силикат деп аталган өнөр жайдын бүтүндөй тармагы бар. Бул укмуштуудай элементти камтыган ар кандай заттарды колдонууга негизделген ал. Бул кошулмалар эмне жана алар эмнени өндүрөт?

1. Кварц, же дарыя куму - SiO₂. Ал цемент жана айнек сыяктуу курулуш жана жасалгалоочу материалдарды өндүрүү үчүн колдонулат. Бул материалдар кайда колдонулат, бардыгы билет. Бул компоненттерсиз бир дагы курулуш бүтпөйт, бул кремний кошулмаларынын маанилүүлүгүн тастыктайт.
2. Силикат керамика, анын ичинде фаянс, фарфор, кыш жана алардын негизинде жасалган буюмдар. Бул компоненттер медицинада, идиш-аяктарды жасоодо, декоративдик жасалгаларды, турмуш-тиричилик буюмдарын жасоодо, курулушта жана адамдын турмуш-тиричилигинин башка тармактарында колдонулат.
3. Силикон кошулмалар - силикондор, силикагельдер, силикон майлары.
4. Силикат клей - кеңсе буюмдары катары пиротехникада жана курулушта колдонулат.

Кремний, баасы дүйнөлүк рынокто өзгөрүп турат, бирок аны кесип өтпөйтжогорудан ылдыйга карай Россия Федерациясынын килограммына 100 рубль белгиси (кристаллдык), изделип жаткан жана баалуу зат болуп саналат. Албетте, бул элементтин кошулмалары да кеңири таралган жана колдонулушу мүмкүн.

Кремнийдин биологиялык ролу

Организм үчүн мааниси жагынан кремний маанилүү. Анын мазмуну жана ткандардын таралышы төмөнкүчө:

• 0, 002% - булчуңдуу;
• 0, 000017% - сөөк;
• кан - 3,9 мг/л.

Күн сайын бир грамм кремний ичине кирип турушу керек, антпесе оорулар өнүгө баштайт. Алардын арасында өлүмгө дуушар болгон эч ким жок, бирок узакка созулган кремний ачкалыгы төмөнкүлөргө алып келет:

• чач түшүү;
• безетки жана безеткилердин пайда болушу;
• сөөктөрдүн морттугу жана морттугу;
• жеңил капилляр өткөрүмдүүлүк;
• чарчоо жана баш оору;
• көптөгөн көгала жана көгала пайда болушу.

Өсүмдүктөр үчүн кремний нормалдуу өсүү жана өнүгүү үчүн зарыл болгон маанилүү микроэлемент болуп саналат. Жаныбарларга жасалган эксперименттер күн сайын жетиштүү кремний керектеген адамдар эң жакшы өсөөрүн көрсөттү.