Кремний. Мифы и реальность - Иван Неумывакин

Как новый элемент кремний был открыт шведским химиком И. Берцелиусом в 1824 году. В результате своих опытов этот ученый получил тот же аморфный порошок, что и французские химики, но в отличие от них сделал заявление об обнаружении нового элементарного вещества, которое он назвал силицием (от латинского silex — кремень). Кристаллический кремний был получен еще позднее— только в 1854 году французским химиком А. Э. Сент-Клер Девилем.

Кремний, или по-латыни silicium, это химический элемент (Si, читается «силициум», но в настоящее время довольно часто и как «си») с атомным номером 14 и атомной массой 28,0855. Русское название этого элемента появилось спустя 9 лет после объявления о его открытии, в 1834 году, благополучно дожив до наших дней в отличие, например, от такого названия, как «буротвор».

Кремний, как и углерод, образует различные аллотропические модификации — так называют образование молекул с различным числом атомов или кристаллов различных модификаций, как алмаз и графит (кстати, кристаллический кремний так же мало похож на аморфный, как алмаз на графит). В свободном виде это порошок или компактный материал серо-стального цвета с металлическим блеском и гранецентрированной кристаллической решеткой того же типа, что у алмаза.

Кремний принято относить к неметаллам, однако по ряду свойств он занимает промежуточное положение между металлами и неметаллами.

Природным источником кремния служит кремнезем, кварц и множество разнообразных силикатов.

Промышленный способ производства кремния впервые был изобретен во второй половине XIX века известным русским химиком Н. Н. Бекетовым. Сейчас технически чистый кремний (95–98 % Si) получают главным образом посредством восстановления кремнезема в электрической дуге между графитовыми электродами.

Элементарный кремний — типичный полупроводник. Его электрические свойства можно варьировать, изменяя условия обработки монокристаллов, в частности, обрабатывая поверхность кремния различными химическими агентами.

Химически кремний малоактивен. При комнатной температуре реагирует только с газообразным фтором, при этом образуется летучий тетрафторид кремния. При нагревании до температуры 400–500 °C кремний реагирует с кислородом с образованием диоксида, с хлором, бромом и иодом с образованием соответствующих легко летучих тетрагалогенидов. С водородом кремний непосредственно не реагирует, соединения кремния с водородом — силаны — получают косвенным путем.

С азотом кремний образует при температуре около 1000 °C нитрид, с бором — термически и химически стойкие бориды. Соединение кремния и его ближайшего аналога по таблице Менделеева углерода — карбид кремния (карборунд) характеризуется высокой твердостью и низкой химической активностью. Карборунд широко используется как абразивный материал.

При нагревании кремния с металлами возникаю! силициды. Силициды можно подразделить на две группы: ионно-ковалентные (силициды щелочных, щелочноземельных металлов и магния) и металлоподобные (силициды переходных металлов). Силициды активных металлов разлагаются под действием кислот, силициды переходных металлов химически стойки и под действием кислот не разлагаются. Металлоподобные силициды имеют высокие температуры плавления (до 2000 °C). Металлоподобные силициды химически инертны, устойчивы к действию кислорода даже при высоких температурах.

Диоксид кремния — это кислотный оксид, не реагирующий с водой. Он существует в виде нескольких полиморфных модификаций — кварц, тридимит, кристобалит, стеклообразный диоксид). Из этих модификаций наибольшее практическое значение имеет кварц. Кварц обладает свойствами пьезоэлектрика, он прозрачен для ультрафиолетового излучения. Характеризуется очень низким коэффициентом теплового расширения, поэтому изготовленная из кварца посуда не растрескивается при перепадах температуры до тысячи градусов.

При сплавлении диоксида кремния с щелочами и основными оксидами, а также с карбонатами активных металлов образуются силикаты — соли не имеющих постоянного состава очень слабых нерастворимых в воде кремниевых кислот. Из смешанного силиката кальция и натрия изготовляют оконное стекло.

Для кремния характерно образование кремнеорганических соединений. Первое органическое соединение, содержащее кремний, было получено еще в 1845 году, однако не в современном понимании, когда в соединении есть связь углерода и кремния, — такое соединение, тетраэтилсилиций, было получено позднее, в 1863 году, впрочем, об этом достижении и его важности уже рассказывалось выше.

Кремний является одним из важнейших металлов, используемых для производства полупроводников, различных сплавов и полимеров.

Несмотря на то что сегодня никто из ученых не сомневается в важной биогенной роли кремния, сама суть этой роли окончательно так и не выяснена. Исследователи, изучая проблему, продолжают получать все новые данные об этом.

В медицине кремний сегодня применяется в составе силиконов высокомолекулярных инертных соединений, которые используются в качестве покрытий для медицинской техники. В последние годы появились обогащенные кремнием биологически активные добавки и лекарственные препараты, используемые для профилактики и лечения ос геонороза, атеросклероза, заболеваний ногтей, волос и кожи.

О том, что науке известно о взаимосвязи кремния и жизни, речь пойдет в следующей главе. А в завершение, как представляется, будет небезынтересно привести некоторые любопытные факты, о которых рассказывает книга «Популярная библиотека химических элементов».

• На долю кремнезема (во всех его разновидностях) приходится около 12 % массы земной коры. Намного больше доля силикатов и алюмосиликатов: 75 % массы земной коры составлено из этих соединений кремния, кислорода и других элементов, в первую очередь алюминия.

• Единственное соединение, в котором есть связь кремний — углерод и которое, тем не менее, не относят к кремнийорганическим соединениям (очевидно, потому что вообще все карбиды считаются неорганическими соединениями), — это карборунд. Карборунд — соперник алмаза. Как и многие карбиды, это соединение отличается прочностью, твердостью, жаропрочностью и химической стойкостью. По твердости кристаллы карборунда уступают лишь алмазу и боразону, но карбид кремния значительно дешевле их, и потому его широко применяют для обработки твердых материалов. Получают карборунд в реакции кварцевого песка с углем, проходящей в электрической печи при температуре около 2000 °C. Чистый карборунд бесцветен, ему, как и кремнию, свойственны качества полупроводника.

• В черной металлургии и для изготовления кислотоупорных изделий широко используется сплав кремния с железом — ферросилиций. Этот сплав готовят, прокаливая смесь двуокиси кремния, угля и железной руды в доменных или электрических печах. На ферросилиций с 15 % кремния не действует большинство кислот; правда, он подвержен разрушению соляной кислотой. Чтобы ферросилиций был устойчив к действию и этой кислоты, нужно, чтобы в нем было не меньше 50 % кремния.

• На спутниках, луноходах, космических кораблях и станциях установлены солнечные батареи, преобразующие в электричество лучистую энергию солнца. В них работают кристаллы полупроводниковых материалов и в первую очередь кремния. При поглощении кванта света в таком кристалле освобождаются электроны. Если такие кристаллы составят довольно внушительных размеров панели, то нетрудно соединить проводником освещенный и неосвещенный участки. По проводнику потечет ток. Кремниевые преобразователи солнечной энергии в электрическую уже работают не только в космосе, но и на земле. В павильоне «Космос» на ВДНХ в Москве их может увидеть каждый.