Кремний  — элемент четырнадцатой группы, третьего периода периодической системы химических элементов с атомным номером 14. Атомная масса 28,085. Неметалл, второй по распространённости химический элемент в земной коре. Очень важен для современной электроники.История:Существование кремния было предсказано Йёнсом Якобом Берцелиусом в 1810 году. Позже, в 1823 году он выделил аморфный кремний путём восстановления фторида SiF 4  калием, подробно описал его химические свойства.Впервые в чистом виде кремний был выделен в 1811 году французскими учёными Жозефом Луи Гей-Люссаком и Луи Жаком Тенаром.Происхождение названия:В 1823 году шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус действием металлического калия на фтористый кремний SiF 4  получил чистый элементарный кремний. Новому элементу было дано название «силиций». Русское название «кремний» введено в 1834 году российским химиком Германом Ивановичем Гессом. В переводе c  — «утёс, гора».Нахождение в природе:Содержание кремния в земной коре составляет по разным данным по массе. Таким образом, по распространённости в земной коре кремний занимает второе место после кислорода. Концентрация в морской воде 3 мгл.Чаще всего в природе кремний встречается в виде кремнезёма — соединений на основе диоксида кремния SiO 2. Основные минералы и горные породы, образуемые диоксидом кремния, — это песок, кварц и кварциты, кремень, полевые шпаты.Вторую по распространённости в природе группу соединений кремния составляют силикаты и алюмосиликаты.Изотопы и их применение:Кремний состоит из стабильных изотопов 28  Si, 29  Si и 30  Si. Остальные изотопы являются радиоактивными.Ядро 29  Si имеет ядерный спин и все шире используется в спектроскопии ЯМР. 31  Si, образующийся при действии нейтронов на 30  Si, имеет период полураспада равный Его можно определить по характеристическому β-излучению, и он очень удобен для количественного определения кремния методом нейтронно-активационного анализа. Радиоактивный нуклид 32  Si имеет самый большой период полураспада и является мягким β-излучателем.Получение:В промышленности кремний технической чистоты получают, восстанавливая расплав SiO 2  коксом при температуре около в рудотермических печах шахтного типа. Чистота полученного таким образом кремния может достигать.Очистка в лабораторных условиях может быть проведена путём предварительного получения силицида магния Mg 2  Si. Далее из силицида магния с помощью соляной или уксусной кислот получают газообразный моносилан SiH 4. Моносилан очищают ректификацией, сорбционными и др. методами, а затем разлагают на кремний и водород при температуре около.Очистка кремния в промышленных масштабах осуществляется путём непосредственного хлорирования кремния. При этом образуются соединения состава SiCl 4 , SiHCl 3  и SiH 2  Cl 2. Их различными способами очищают от примесей и на заключительном этапе восстанавливают чистым водородом при температурах от 900 до.Разрабатываются более дешёвые, чистые и эффективные промышленные технологии очистки кремния. На 2010 год к таковым можно отнести технологии очистки кремния с использованием фтора ; технологии, предусматривающие дистилляцию монооксида кремния; технологии, основанные на вытравливании примесей, концентрирующихся на межкристаллитных границах.Содержание примесей в доочищенном кремнии может быть снижено до по массе. Более подробно вопросы получения сверхчистого кремния рассмотрены в статье Поликристаллический кремний.В России технический кремний производится «ОК Русал» на заводах в г. Каменск-Уральский и г. Шелехов ; доочищенный по хлоридной технологии кремний производит группа «Nitol Solar» на заводе в г. Усолье-Сибирское.Физические свойства:Кристаллическая структура:Кристаллическая решётка кремния кубическая гранецентрированная типа алмаза, параметр а, Из-за большей длины связи между атомами Si—Si по сравнению с длиной связи С—С твёрдость кремния значительно меньше, чем алмаза. Кремний хрупок, только при нагревании выше он становится пластичным веществом.Оптические свойства:Электрофизические свойства:Элементарный кремний в монокристаллической форме является непрямозонным полупроводником. Ширина запрещённой зоны при комнатной температуре составляет а при Т  —. Концентрация собственных носителей заряда в кремнии при нормальных условиях составляет около 1,5 см −3.На электрофизические свойства кристаллического кремния большое влияние оказывают содержащиеся в нём примеси. Для получения кристаллов кремния с дырочной проводимостью в кремний вводят атомы элементов III группы, таких, как бор, алюминий, галлий, индий. Для получения кристаллов кремния с электронной проводимостью в кремний вводят атомы элементов V группы, таких, как фосфор, мышьяк, сурьма.При создании электронных приборов на основе кремния используется преимущественно приповерхностный слой монокристалла, поэтому качество поверхности кристалла может оказывать существенное влияние на электрофизические свойства кремния и, соответственно, на свойства созданного электронного прибора. При изготовлении некоторых приборов используется технология, модифицирующая поверхность монокристалла, например, обработка поверхности кремния различными химическими реагентами и её облучение.Химические свойства:Гибридизация:Подобно атомам углерода, для атомов кремния является характерным состояние sp 3   -гибридизации орбиталей, поэтому чистый кристаллический кремний образует алмазоподобную кубическую кристаллическую решётку с координационным числом 4 в которой кремний четырёхвалентен и связан с соседними атомами кремния ковалентными связями. В соединениях кремний обычно также проявляет себя как четырёхвалентный элемент со степенями окисления +4 или −4. Известны двухвалентные соединения кремния, например, монооксид кремния — SiO.Химическая инертность кремния:При нормальных условиях кремний химически малоактивен и активно реагирует только с газообразным фтором, при этом образуется летучий тетрафторид кремния SiF4 :Такая химическая инертность кремния связана с пассивацией поверхности слоем диоксида кремния нанометровой толщины, немедленно образующегося в присутствии кислорода, воздуха или воды.Реакция с галогенами:При нагревании до температуры свыше кремний реагирует с хлором, бромом и иодом — с образованием соответствующих легко летучих тетрагалогенидов SiX4 , X   — галоген, и, возможно, галогенидов более сложного состава.Реакция с кислородом:Процесс сопровождается увеличением толщины слоя диоксида на поверхности, скорость процесса окисления лимитируется диффузией атомарного кислорода сквозь плёнку диоксида.Получение монооксида кремния:Этот процесс постоянно происходит при производстве выращивании монокристаллов кремния методами Чохральского, направленной кристаллизации, потому что в них используются тигли из диоксида кремния, как наименее загрязняющего кремний материала.Получение силанов:С водородом кремний непосредственно не реагирует. Cоединения кремния с водородом — силаны с общей формулой Si_\mathit nH_   — получают косвенным путём. Моносилан SiH4  выделяется при взаимодействии силицидов активных металлов с растворами кислот, например:Образующийся в этой реакции силан SiH4  содержит примесь и других силанов, в частности, дисилана Si2H6  и трисилана Si3H8 , в которых имеется цепочка из атомов кремния, связанных между собой одинарными связями.Реакция с азотом и бором:С азотом и бором кремний реагирует при температуре около, образуя соответственно нитрид Si 3  N 4  и термически и химически стойкие бориды разного состава SiB 3 , SiB 6  и SiB 12.Получение карборунда:При температурах свыше можно получить соединение кремния и его ближайшего аналога по таблице Менделеева — углерода — карбид кремния SiC, который характеризуется высокой твёрдостью и низкой химической активностью:Карборунд широко используется как абразивный материал. При этом расплав кремния может длительное время контактировать с углеродом в виде крупных кусков плотноспечённого мелкозернистого графита изостатического прессования, практически не растворяя и никак не взаимодействуя с последним.Растворимость некоторых металлов в кремнии:Силициды:Силициды можно подразделить на две группы: ионно-ковалентные и металлоподобные. Силициды активных металлов разлагаются под действием кислот, силициды переходных металлов химически стойки и под действием кислот не разлагаются.Металлоподобные силициды имеют высокие температуры плавления. Наиболее часто образуются металлоподобные силициды составов MeSi, Me 3  Si 2 , Me 2  Si 3 , Me 5  Si 3  и MeSi 2. Металлоподобные силициды химически инертны, устойчивы к действию кислорода даже при высоких температурах.С железом кремний образует эвтектическую смесь, что позволяет спекать эти материалы для образования ферросилициевой керамики при температурах, заметно меньших, чем температуры плавления железа и кремния.Некоторые кремнийорганические соединения:Для кремния характерно образование кремнийорганических соединений, в которых атомы кремния соединены в длинные цепочки за счёт мостиковых атомов кислорода -O- , а к каждому атому кремния, кроме двух атомов O , присоединены ещё два органических радикала R1  и R2CH3 , C2H5 , C6H5 , CH2CH2CF3  и др.Травление кислотами:Для травления кремния наиболее широко используют смесь плавиковой и азотной кислот. Некоторые специальные травители предусматривают добавку хромового ангидрида и иных веществ. При травлении кислотный травильный раствор быстро разогревается до температуры кипения, при этом скорость травления многократно возрастает.Травление щелочами:Для травления кремния могут использоваться водные растворы щёлочей. Травление кремния в щелочных растворах начинается при температуре раствора более.Применение:мини 1993 года с УФ стиранием памяти 62E40 европейской фирмы STMicroelectronics. За окошечком виден кристалл микросхемы — кремниевая подложка с выполненной на ней схемой.сырьё для производства более чистого поликристаллического кремния и очищенного металлургического кремния ;.иногда кремний технической чистоты и его сплав с железом используется для производства водорода в полевых условиях;.Сверхчистый кремний преимущественно используется для производства различных дискретных электронных приборов и микросхем.Чистый кремний, отходы сверхчистого кремния, очищенный металлургический кремний в виде поликристаллического кремния являются основным сырьевым материалом для солнечной энергетики.Монокристаллический кремний — помимо электроники и солнечной энергетики, используется для изготовления оптических элементов, работающих в инфракрасном диапазоне и зеркал газовых лазеров.Соединения металлов с кремнием — силициды — являются широко употребляемыми в промышленности материалами с сочетанием полезных химических, электрических и ядерных свойств. Силициды ряда химических элементов являются важными термоэлектрическими материалами.Соединения кремния служат основой для производства стекла и цемента. Производством стекла и цемента занимается силикатная промышленность, также производящая другие силикатные материалы — силикатную керамику — кирпич, фарфор, фаянс и изделия из них.Широко известен силикатный клей, применяемый в строительстве как вяжущее средство, а в пиротехнике и в быту для склеивания бумаги и картона.Получили широкое распространение силиконовые масла и силиконы — материалы на основе кремнийорганических соединений.Биологическая роль:Для некоторых организмов кремний является важным биогенным элементом. Он входит в состав опорных образований у растений и скелетных — у животных. В больших количествах кремний концентрируют морские организмы — диатомовые водоросли, радиолярии, губки. Большие количества кремния содержатся в хвощах и злаках, в основном подсемейства Бамбуковые и рода Рис, в том числе в культурном рисе.Он также входит в клеточные стенки некоторых организмов и является активным центром более десятка изученных ферментов, ответственных за связывание диатомового кремнезема y некоторых ракообразных.Кремний встречается во многих растениях, которые необходимы для правильного развития, но не было доказано, что это необходимо для развития всех видов. Обычно его присутствие повышает устойчивость к вредителям, особенно грибам, препятствует их проникновению в ткани растений, насыщенных кремнеземом. Точно так же в случае животных необходимость в кремнии была продемонстрирована для шестилучевых губок, но, хотя это происходит в телах всех животных, это, как правило, не оказывается необходимым для них. У позвоночных накопление кремния происходит в больших количествах в волосах и перьях. Мышечная ткань человека содержит % кремния, костная ткань — %, кровь —. С пищей в организм человека ежедневно поступает до кремния.В организме человека:Доказано, что кремний имеет важное значение для здоровья человека, в частности, для ногтей, волос, костей и кожи. Исследования показывают, что женщины в пременопаузе с более высоким потреблением биодоступного кремния имеют более высокую плотность костной ткани, а также, что добавки кремния может увеличить объём и плотность кости у пациентов с остеопорозом.Потребность организма человека — около кремния в день. Беременным женщинам, людям после хирургических операций на костях и пожилым людям требуется более высокая доза, так как количество этого элемента в органах уменьшается с возрастом. Это происходит главным образом в соединительной ткани, из которой строятся сухожилия, слизистые оболочки, стенки кровеносных сосудов, клапаны сердца, кожа и костно-суставная система.Кремний способствует удалению токсичных веществ из клеток, воздействует на капилляры, повышая прочность и эластичность их стенок, увеличивает прочность костной ткани, усиливает защитные силы организма от инфекций, предотвращает преждевременное старение. Снимает раздражения и воспаления кожи, улучшая её общий вид и предотвращая вялость, уменьшает выпадение волос, ускоряет их рост, укрепляет ногти.Поскольку кремний участвует в формировании костной ткани, обеспечивая эластичность кровеносных сосудов, участвующих в поглощении кальция из рациона и роста волос и ногтей, его дефицит в организме человека может вызвать заболевания костей, общее замедление роста, бесплодие, отсутствие развития и остеопороз.Гигиенические аспекты:Диоксид кремния в нормальных условиях является твёрдым биоинертным, неразлагаемым веществом, склонным к образованию пыли, состоящей из микрочастиц с острыми кромками. Вредное действие диоксида кремния и большинства силицидов и силикатов основано на раздражающем и фиброгенном действии, на накоплении вещества в ткани лёгких, вызывающем тяжёлую болезнь — силикоз.Для защиты органов дыхания от пылевых частиц используются противопылевые респираторы. Тем не менее, даже при использовании средств индивидуальной защиты носоглотка, горло у людей, систематически работающих в условиях запыленности соединениями кремния и особенно монооксидом кремния, имеют признаки воспалительных процессов на слизистых оболочках.Нормы предельно допустимых концентраций по кремнию привязаны к содержанию пыли диоксида кремния в воздухе. Это связано с особенностями химии кремния:Чистый кремний, равно как карбид кремния, в контакте с водой или кислородом воздуха образует на поверхности непроницаемую плёнку диоксида кремния, которая пассивирует поверхность;.Многие кремнийорганические соединения в контакте с кислородом воздуха и водяными парами окисляются или гидролизуются с образованием в конечном итоге диоксида кремния;.Комментарии: