Книга: Общая химия

КРЕМНИЙ (SILICIUM) 178. Кремний в природе. Получение и свойства кремния.

КРЕМНИЙ (SILICIUM)

178. Кремний в природе. Получение и свойства кремния.

Кремний — один из самых распространенных в земной коре элементов. Он составляет 27% (масс.) доступной нашему исследованию части земной коры, занимая по распространенности второе место после кислорода. В природе кремний встречается только в соединениях: в виде диоксида (двуокиси) кремния SiO₂, называемого также кремниевым ангидридом или кремнеземом, и в виде солей кремниевых кислот (силикатов), Наиболее широко распространены в природе алюмосиликаты, т. е. силикаты, в состав которых входиф, алюминий, К ним относятся полевые шпаты, слюды, каолин и др.

- 492 -

Как углерод, входя в состав всех органических веществ, является важнейшим элементом растительного и животного царства, Так кремний — главный элемент в царстве минералов и горных пород.

В большинстве организмов содержание кремния очень невелико. Однако некоторые морские организмы накапливают большие количества кремния. К богатым им морским растениям относятся диатомовые водоросли, из животных много кремния содержат радиолярии, кремниевые губки.

Свободный кремний можно получить прокаливанием с магнием мелкого белого песка, который представляет собой диоксид кремния:

SiO₂ + 2Mg = 2MgO +Si

При этом образуется бурый порошок аморфного кремния.

Кремний растворим в расплавленных металлах. При медленном охлаждении раствора кремния в цинке или в алюминии кремний выделяется в виде хорошо образованных кристаллов октаэдрической формы. Кристаллический кремний обладает стальным блеском.

Кристаллы кремния высокой чистоты, имеющие минимальное число дефектов структуры, характеризуются очень низкой электрической проводимостью. Примеси и нарушения правильности строения резко увеличивают их проводимость.

Кремний применяется главным образом в металлургии и в полупроводниковой технике. В металлургии он используется для удаления кислорода из расплавленных металлов и служит составной частью многих сплавов. Важнейшие из них — это сплавы на основе железа, меди и алюминия. В полупроводниковой технике кремний используют для изготовления фотоэлементов, усилителей, выпрямителей. Полупроводниковые приборы на основе кремния выдерживают нагрев до 250°C, что расширяет область их применения.

В промышленности кремний получают восстановлением диоксида кремния коксом в электрических печах:

Полученный по этому способу кремний содержит 2-5% примесей. Необходимый для изготовления полупроводниковых приборов кремний высокой чистоты получают более сложным путем. Природный кремнезем переводят в такое соединение кремния, которое поддается глубокой очистке. Затем кремний выделяют из полученного чистого вещества термическим разложением или действием восстановителя. Один из таких методов состоит в превращении кремнезема в хлорид кремния SiCl₄, очистке этого продукта и восстановлении из него кремния высокочистым цинком, Весьма чистый кремний можно получить также термическим разложением иодида кремния SiI₄ или силана SiH₄.

- 493 -

Получающийся кремний содержит весьма мало примесей и пригоден для изготовления некоторых полупроводниковых приборов. Для получения еще более чистого продукта его подвергают дополнительной очистке, например зонной плавке (см. § 193).

В химическом отношении кремний, особенно кристаллический, малоактивен; при комнатной температуре он непосредственно соединяется только с фтором. При нагревании аморфный кремний легко соединяется с кислородом, галогенами и серой.

Кислоты, кроме смеси фтороводорода и азотной кислоты, не действуют на кремний, но щелочи энергично реагируют с ним, выделяя водород и образуя соли кремниевой кислоты H₂SiO₃:

В присутствии следов щелочи, играющей роль катализатора, кремний вытесняет водород также из воды.

Если накаливать в электрической печи смесь песка и кокса, взятых в определенном соотношении, то получается соединение кремния с углеродом — карбид кремния SiC , называемый карборундом:

Чистый карборунд — бесцветные очень твердые кристаллы (плотность 3,2 г/см₃). Технический продукт обычно окрашен примесями в темно-серый цвет.

По внутреннему строению карборунд представляет собой как бы алмаз, в котором половина атомов углерода равномерно заменена атомами кремния. Каждый атом углерода находится в центре тетраэдра, в вершинах которого расположены атомы кремния; в свою очередь каждый атом кремния окружен подобным же образом четырьмя атомами углерода. Ковалентные связи, соединяющие все атомы в этой структуре, как и в алмазе, очень прочны. Этим объясняется большая твердость карборунда.

Карборунд получают в больших количествах; применение его разнообразно и связано с его высокой твердостью и огнеупорностью. Из порошка карборунда изготовляют шлифовальные круги, бруски, шлифовальную бумагу. На его основе производят плиты для сооружения полов, платформ и переходов в метро и на вокзалах. Из него готовят муфели и футеровку для различных печей. Смесь порошков карборунда и кремния служит материалом для изготовления силитовых стержней для электрических печей.

При высокой температуре кремний вступает в соединение со многими металлами, образуя силициды. Например, при нагревании диоксида кремния с избытком металлического магния восстанавливающийся кремний соединяется с магнием, образуя силицид магния Mg₂Si:

- 494 -