Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Кремній



План:


Введення

Кремній - елемент головної підгрупи четвертої групи третього періоду періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва, з атомним номером 14. Позначається символом Si ( лат. Silicium ).


1. Історія

У чистому вигляді кремній був виділений в 1811 французькими вченими Жозефом Луї Гей-Люссаком і Луї Жаком Тенаром.

2. Походження назви

В 1825 шведський хімік Йенс Якоб Берцеліус дією металевого калію на фтористий кремній SiF 4 отримали чистий елементарний кремній. Новому елементу було дано назву "силіцій" (від лат. silex - кремінь). Російська назва "кремній" введено в 1834 російським хіміком Германом Івановичем Гессом. У перекладі c др.-греч. κρημνός - "Скеля, гора".


3. Знаходження в природі

Зміст кремнію в земній корі становить за різними даними 27,6-29,5% за масою. Таким чином за поширеністю в земній корі кремній займає друге місце після кисню. Концентрація в морській воді 3 мг / л [2].

Найчастіше в природі кремній зустрічається у вигляді кремнезему - сполук на основі діоксиду кремнію (IV) SiO 2 (близько 12% маси земної кори). Основні мінерали і гірські породи, утворені діоксидом кремнію - це пісок (річковий і кварцовий), кварц і кварцити, кремінь, польові шпати. Другу за поширеністю в природі групу сполук кремнію становлять силікати і алюмосилікати.

Відзначено поодинокі факти знаходження чистого кремнію в самородному вигляді: Металевий кремній у ійолітах Горячегорского масиву, Петрологія звичайних хондритів.


4. Отримання

"Вільний кремній може бути отриманий прожарюванням з магнієм дрібного білого піску, який за хімічним складом є майже чистим оксидом кремнію.

~ \ Mathrm {SiO_2 +2 Mg \ \ rightarrow \ 2MgO + Si}
Утворений при цьому аморфний кремній має вигляд бурого порошку, щільність якого дорівнює 2,0 г / см "
Н. Л. Глинка "Загальна Хімія", С.467; М-Л: Хімія: 1965р; 688c.

У промисловості кремній технічної чистоти отримують, відновлюючи розплав SiO 2 коксом при температурі близько 1800 C в руднотермічних печах шахтного типу. Чистота отриманого таким чином кремнію може досягати 99,9% (основні домішки - вуглець, метали).

Можлива подальша очистка кремнію від домішок.

  • Очищення в лабораторних умовах може бути проведена шляхом попереднього отримання силіциду магнію Mg 2 Si. Далі з силіциду магнію за допомогою соляної або оцтової кислот отримують газоподібний моносилан SiH 4. Моносилан очищають ректифікацією, сорбційними і ін методами, а потім розкладають на кремній і водень при температурі близько 1000 C.
  • Очищення кремнію в промислових масштабах здійснюється шляхом безпосереднього хлорування кремнію. При цьому утворюються сполуки складу SiCl 4 і SiCl 3 H. Ці хлориди різними способами очищають від домішок (як правило перегонкою і диспропорционирование) і на заключному етапі відновлюють чистим воднем при температурах від 900 до 1100 C.
  • Розробляються дешевші, чисті та ефективні промислові технології очищення кремнію. На 2010 р. до таких можна віднести технології очищення кремнію з використанням фтору (замість хлору); технології передбачають дистиляцію монооксиду кремнію; технології, засновані на витравлювання домішок, що концентруються на міжкристалітної кордонах.

Зміст домішок в доочищеної кремнії може бути знижено до 10 -8 -10 -6% по масі. Детальніше питання отримання надчистого кремнію розглянуті в статті Полікристалічний кремній

Спосіб отримання кремнію в чистому вигляді розроблений Миколою Миколайовичем Бекетовим.

Найбільшим виробником кремнію в Росії є ОК Русал [1] - кремній виробляється на заводах в р. Каменськ-Уральський ( Свердловська область) та м. Шелехов ( Іркутська область).


5. Фізичні властивості

Кристалічна структура кремнію.

Кристалічна решітка кремнію кубічна гранецентрованої типу алмазу, параметр а = 0,54307 нм (при високому тиску отримані й інші поліморфні модифікації кремнію), але через більшу довжини зв'язку між атомами Si-Si в порівнянні з довжиною зв'язку С-С твердість кремнію значно менше, ніж алмазу. Кремній крихкий, тільки при нагріванні вище 800 C він стає пластичним речовиною. Цікаво, що кремній прозорий для інфрачервоного випромінювання починаючи з довжини хвилі 1,1 мкм. Власна концентрація носіїв заряду - 5,81 10 15 м -3 (для температури 300 K).

Схематичне зображення зонної структури кремнію [3]

5.1. Електрофізичні властивості

Елементарний кремній у монокристаллической формі є непрямозонних напівпровідником. Ширина забороненої зони при кімнатній температурі складає 1,12 еВ, а при Т = 0 До складає 1,21 еВ [4]. Концентрація власних носіїв заряду в кремнії при нормальних умовах становить близько 1,5 10 10 см -3 [5].

На електрофізичні властивості кристалічного кремнію великий вплив мають містяться в нім домішки. Для отримання кристалів кремнію з доречнийпровідністю в кремній вводять атоми елементів III-ї групи, таких, як бор, алюміній, галій, індій). Для отримання кристалів кремнію з електронною провідністю в кремній вводять атоми елементів V-ї групи, таких, як фосфор, миш'як, сурма.

При створенні електронних приладів на основі кремнію задіюється переважно приповерхневий шар матеріалу (до десятків мікрон), тому якість поверхні кристала може робити істотний вплив на електрофізичні властивості кремнію і, відповідно, на властивості готового приладу. При створенні деяких приладів використовуються прийоми, пов'язані з модифікацією поверхні, наприклад, обробка поверхні кремнію різними хімічними агентами.

  1. Діелектрична проникність : 12 [1]
  2. Рухливість електронів: 1200-1450 см / (В c).
  3. Рухливість дірок: 500 см / (В c).
  4. Ширина забороненої зони 1,205-2,84 10 -4 T
  5. Тривалість життя електрона: 5 нс - 10 мс
  6. Довжина вільного пробігу електрона: близько 0,1 см
  7. Довжина вільного пробігу дірки: близько 0,02 - 0,06 см

Всі значення наведені для нормальних умов.


6. Хімічні властивості

Подібно атомам вуглецю, для атомів кремнію є характерним стан sp 3-гібридизації орбіталей. У зв'язку з гібридизацією чистий кристалічний кремній утворює алмазоподібних грати, в якій кремній чотиривалентний. У з'єднаннях кремній звичайно також проявляє себе як чотиривалентний елемент зі ступенем окислення +4 або -4. Зустрічаються двовалентні сполуки кремнію, наприклад, оксид кремнію (II) SiO.

При нормальних умовах кремній хімічно малоактивний і активно реагує тільки з газоподібним фтором, при цьому утворюється летючий тетрафторид кремнію SiF 4. Така "неактивність" кремнію пов'язана з пасивацією поверхні нанорозмірних шаром діоксиду кремнію, негайно утворюється в присутності кисню, повітря або води (водяної пари).

При нагріванні до температури понад 400-500 C кремній реагує з киснем з утворенням діоксиду SiO 2, процес супроводжується збільшенням товщини шару діоксиду на поверхні, швидкість процесу окислення лімітується дифузією атомарного кисню крізь плівку діоксиду.

При нагріванні до температури понад 400-500 C кремній реагує з хлором, бромом і йодом - з утворенням відповідних легко летючих тетрагалогенідов SiHalogen 4 і, можливо, галогенідів більш складного складу.

З воднем кремній безпосередньо не реагує, сполуки кремнію з воднем - Силани із загальною формулою Si n H 2n +2 - отримують непрямим шляхом. Моносилан SiH 4 (його часто називають просто сіланом) виділяється при взаємодії силіцидів металів з ​​розчинами кислот, наприклад:

Ca 2 Si + 4HCl → 2CaCl 2 + SiH 4 ↑.

Утворений в цій реакції силан SiH 4 містить домішка та інших сіланом, зокрема, дісілана Si 2 H 6 і трісілана Si 3 H 8, в яких є ланцюжок з атомів кремнію, пов'язаних між собою одинарними зв'язками (-Si-Si-Si-) .

З азотом кремній при температурі близько 1000 C утворює нітрид Si 3 N 4, з бором - термічно і хімічно стійкі бориди SiB 3, SiB 6 і SiB 12.

При температурах понад 1000С C можна отримати з'єднання кремнію та його найближчого аналога за таблицею Менделєєва - вуглецю - карбід кремнію SiC (карборунд), який характеризується високою твердістю і низькою хімічною активністю. Карборунд широко використовується як абразивний матеріал. При цьому, що цікаво, розплав кремнію (1415 C) може тривалий час контактувати з вуглецем у вигляді великих шматків плотноспеченного дрібнозернистого графіту ізостатичного пресування, практично не розчиняючи і ніяк не взаємодіючи з останнім.

Нижележащие елементи 4-ї групи (Ge, Sn, Pb) необмежено розчиняються в кремнії, як і більшість інших металів. При нагріванні кремнію з металами можуть утворюватися силіциди. Силіциди можна поділити на дві групи: іонно-ковалентні (силіциди лужних, лужноземельних металів і магнію типу Ca 2 Si, Mg 2 Si тощо) і металлоподобниє (силіциди перехідних металів). Силіциди активних металів розкладаються під дією кислот, силіциди перехідних металів хімічно стійки і під дією кислот не розкладаються. Металлоподобниє силіциди мають високі температури плавлення (до 2000 C). Найбільш часто утворюються металлоподобниє силіциди складів MeSi, Me 3 Si 2, Me 2 Si 3, Me 5 Si 3 та MeSi 2. Металлоподобниє силіциди хімічно інертні, стійкі до дії кисню навіть при високих температурах.

Особливо слід відзначити, що з залізом кремній утворює евтектичну суміш, що дозволяє спекати (сплавляти) ці матеріали для освіти ферросіліціевой кераміки при температурах помітно менших, ніж температури плавлення заліза і кремнію.

При відновленні SiO 2 кремнієм при температурах понад 1200 C утворюється оксид кремнію (II) - SiO. Цей процес постійно спостерігається при виробництві кристалів кремнію методами Чохральського, спрямованої кристалізації, тому що в них використовуються контейнери з діоксиду кремнію, як найменш забруднюючої кремній матеріалу.

Для кремнію характерне утворення кремнійорганічних сполук, в яких атоми кремнію з'єднані в довгі ланцюжки за рахунок місткових атомів кисню-О-, а до кожного атому кремнію, крім двох атомів О, приєднані ще два органічних радикала R 1 і R 2 = CH 3, C 2 H 5, C 6 H 5, CH 2 CH 2 CF 3 та ін

Для травлення кремнію найбільш широко використовують суміш плавикової та азотної кислот. Деякі спеціальні травители передбачають добавку хромового ангідриду та інших речовин. При травленні кислотний травильний розчин швидко розігрівається до температури кипіння, при цьому швидкість травлення багаторазово зростає.

  1. Si +2 HNO 3 = SiO 2 + NO + NO 2 + H 2 O
  2. SiO 2 +4 HF = SiF 4 +2 H 2 O
  3. 3SiF 4 +3 H 2 O = 2H 2 SiF 6 + ↓ H 2 SiO 3

Для травлення кремнію можуть використовуватися водні розчини лугів. Травлення кремнію в лужних розчинах починається при температурі розчину більше 60 C.

  1. Si +2 KOH + H 2 O = K 2 SiO 3 +2 H 2
  2. K 2 SiO 3 +2 H 2 O ↔ H 2 SiO 3 +2 KOH

7. Застосування

Мікроконтролер 1993 року з УФ стиранням пам'яті 62E40 європейської фірми STMicroelectronics. За віконцем видно кристал мікросхеми - кремнієва підкладка з виконаною на ній схемою.

Технічний кремній знаходить наступні застосування:

  1. сировину для металургійних виробництв: компонент сплаву ( бронзи, силумін); розкислювач (при виплавці чавуну); модифікатор властивостей металів або легуючий елемент (наприклад, добавка певної кількості кремнію при виробництві трансформаторних сталей збільшує коерцитивної силу готового продукту) і т. п.;
  2. сировину для виробництва більш чистого полікристалічного кремнію і очищеного металургійного кремнію (в літературі "umg-Si");
  3. сировину для виробництва кремнійорганічних матеріалів, сіланом;
  4. іноді кремній технічної чистоти і його сплав з залізом ( феросиліцій) використовується для виробництва водню в польових умовах;
  5. для виробництва сонячних батарей.
Монокристал кремнію, вирощений за методом Чохральського

Cверхчістий кремній переважно використовується для виробництва одиночних електронних приладів (нелінійні пасивні елементи електричних схем) і однокрісталльних мікросхем. Чистий кремній, відходи надчистого кремнію, очищений металургійний кремній у вигляді кристалічного кремнію є основним сировинним матеріалом для сонячної енергетики.

Монокристалічний кремній - крім електроніки та сонячної енергетики використовується для виготовлення дзеркал газових лазерів.

Сполуки металів з кремнієм - силіциди - є широковживаними в промисловості (наприклад, електронної та атомної) матеріалами з широким спектром корисних хімічних, електричних і ядерних властивостей (стійкість до окислення, нейтронам та ін.) Силіциди ряду елементів є важливими термоелектричними матеріалами.

Сполуки кремнію служать основою для виробництва скла і цементу. Виробництвом скла і цементу займається силікатна промисловість. Вона також випускає силікатну кераміку - цегла, фарфор, фаянс та вироби з них.

Широко відомий силікатний клей, який застосовується в будівництві як сикатив, а в піротехніці і в побуті для склеювання паперу.

Набули широкого поширення силіконові масла і силікони - матеріали на основі кремнійорганічних сполук.


8. Біологічна роль

Для деяких організмів кремній є важливим біогенним елементом. Він входить до складу опорних утворень у рослин і скелетних - у тварин. У великих кількостях кремній концентрують морські організми - діатомові водорості, радіолярії, губки. Великі кількості кремнію концентрують хвощі і злаки, в першу чергу - підродини Бамбук і Рісовідних, у тому числі - рис посівний. М'язова тканина людини містить (1-2) 10 -2% кремнію, кісткова тканина - 17 10 -4%, кров - 3,9 мг / л. З їжею в організм людини щодня надходить до 1 г кремнію.

Сполуки кремнію щодо нетоксичні. Але дуже небезпечно вдихання високодисперсних частинок як силікатів, так і діоксиду кремнію, що утворюються, наприклад, при вибухових роботах, при довбанні порід в шахтах, при роботі піскоструминних апаратів, при обробці кремнийсодержащими матеріалів кутовий шліфувальною машиною ("болгаркою") і т. д. Мікрочастинки SiO 2, потрапили в легені, кристалізуються в них, а виникаючі кристалики руйнують легеневу тканину і викликають важку хворобу - силікоз. Щоб не допустити потрапляння в легені небезпечного пилу, слід використовувати для захисту органів дихання респіратор.


Примітки

  1. 1 2 Хімічна енциклопедія: у 5-ти тт. / Редкол.: Кнунянц І. Л. (гл. ред.) - Москва: Радянська енциклопедія, 1990. - Т. 2. - С. 508. - 671 с. - 100000 прим .
  2. JP Riley and Skirrow G. Chemical Oceanography V. 1, 1965
  3. Р Сміт., Напівпровідники: Пер. з англ. - М.: Мир, 1982. - 560 с, іл.
  4. Зі С., Фізика напівпровідникових приладів: У 2-х книгах. Кн. 1. Пер. з англ. - М.: Мир, 1984. - 456 с, іл.
  5. Коледов Л. А. Технології та конструкції мікросхем, мікропроцесорів і микросборок: Навчальний посібник / / 2-е изд., Испр. і доп. - СПб.: Видавництво "Лань", 2007. - С. 200-201. - ISBN 978-5-8114-0766-8

Література

  • Самсонов. Г. В. силіциди та їх використання в техніці. Київ, Вид-во АН УРСР, 1959. 204 стор з іл.

Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати

Схожі роботи:
Полікристалічний кремній
Кристалічний кремній
Кристалічний кремній
Пористий кремній
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru