Что такое кремний? - коротко
Кремний — химический элемент (Si) с атомным номером 14, полуметалл, который широко используется в электронике, солнечных элементах и строительных материалах.
Что такое кремний? - развернуто
Кремний — химический элемент с атомным номером 14, принадлежащий к группе четырёхвалентных неметаллов. Его атомная масса составляет около 28,09 у, а электронная конфигурация [Ne] 3s² 3p², что определяет его способность образовывать как ковалентные, так и ионные связи. При стандартных условиях кремний представляет собой твёрдый кристаллический материал, имеющий блёклый металлический блеск и полупроводниковые свойства.
Элемент широко распространён в земной коре: более 28 % её массы составляют соединения кремния, главным образом в виде силикатных минералов (кварца, польового шпата, мусковита) и оксидов (кремнезём, известный как диоксид кремния). В природе он встречается почти исключительно в соединённом виде, а свободный элемент добывается из кварцевого песка путём восстановления углеродом при высоких температурах.
Ключевые физические и химические характеристики включают:
- температура плавления ≈ 1414 °C и кипения ≈ 3265 °C;
- полупроводниковый характер, позволяющий контролировать электрический ток при небольших изменениях температуры или при легировании;
- высокая твёрдость и хрупкость кристаллической решётки, что делает материал устойчивым к механическому износу;
- химическая инертность в сухом воздухе, но реакция с водой при высокой температуре, образующая гидроксид кремния.
Применения кремния охватывают множество отраслей:
- электроника — производство микросхем, транзисторов и диодов, где полупроводниковые свойства позволяют создавать интегральные схемы;
- энергетика — изготовление солнечных элементов (фотоэлектрических панелей) благодаря высокой эффективности преобразования фотонов в электрический ток;
- стекольная и керамическая промышленность — диоксид кремния служит основой для стекла, керамики, оптических волокон и абразивных материалов;
- химическая индустрия — силиконовые полимеры (силупрет, силоксан) и силиконовые смолы, применяемые в уплотнителях, герметиках, медицинских имплантатах и косметике;
- металлургия — добавка кремния в сталь улучшает её прочность и коррозионную стойкость.
Изотопный состав кремния включает три стабильных изотопа: ^28Si (≈ 92,2 %), ^29Si (≈ 4,7 %) и ^30Si (≈ 3,1 %). Благодаря своей стабильности кремний часто используется в научных исследованиях, связанных с изотопным спектрометрическим анализом и ядерными реакциями.
Производство чистого кремния начинается с добычи кварцевого песка, его последующей очистки от примесей и последующего восстановления в электрическом печи с применением углеродного восстановления или методом химического парового осаждения. Полученный материал проходит многократную полировку и кристаллизацию, в результате чего формируются монокристаллические пластины, используемые в полупроводниковой промышленности.
Таким образом, кремний представляет собой фундаментальный материал, соединяющий в себе уникальные физические свойства, широкое распространение в природе и разнообразные технологические применения, что делает его незаменимым в современной науке и промышленности.