Кремний (лат. silicium), si, химический элемент iv группы периодической системы Менделеева; атомный номер 14, атомная масса 28,086. В природе элемент представлен тремя стабильными изотопами: 28 si (92,27%), 29 si (4,68%) и 30 si (3,05%).
Историческая справка . Соединения К., широко распространённые на земле, были известны человеку с каменного века. Использование каменных орудий для труда и охоты продолжалось несколько тысячелетий. Применение соединений К., связанное с их переработкой, - изготовление стекла - началось около 3000 лет до н. э. (в Древнем Египте). Раньше других известное соединение К. - двуокись sio 2 (кремнезём). В 18 в. кремнезём считали простым телом и относили к «землям» (что и отражено в его названии). Сложность состава кремнезёма установил И. Я. Берцелиус. Он же впервые, в 1825, получил элементарный К. из фтористого кремния sif 4 , восстанавливая последний металлическим калием. Новому элементу было дано название «силиций» (от лат. silex - кремень). Русское название ввёл Г. И. Гесс в 1834.
Распространённость в природе . По распространённости в земной коре К. - второй (после кислорода) элемент, его среднее содержание в литосфере 29,5% (по массе). В земной коре К. играет такую же первостепенную роль, как углерод в животном и растительном мире. Для геохимии К. важна исключительно прочная связь его с кислородом. Около 12% литосферы составляет кремнезём sio 2 в форме минерала кварца и его разновидностей. 75% литосферы слагают различные силикаты и алюмосиликаты (полевые шпаты, слюды, амфиболы и т. д.). Общее число минералов, содержащих кремнезём, превышает 400.
При магматических процессах происходит слабая дифференциация К.: он накапливается как в гранитоидах (32,3%), так и в ультраосновных породах (19%). При высоких температурах и большом давлении растворимость sio 2 повышается. Возможна его миграция и с водяным паром, поэтому для пегматитов гидротермальных жил характерны значительные концентрации кварца, с которым нередко связаны и рудные элементы (золото-кварцевые, кварцево-касситеритовые и др. жилы).
Физические и химические свойства. К. образует тёмно-серые с металлическим блеском кристаллы, имеющие кубическую гранецентрированную решётку типа алмаза с периодом а = 5,431 a , плотностью 2,33 г/см 3 . При очень высоких давлениях получена новая (по-видимому, гексагональная) модификация с плотностью 2,55 г/см 3 . К. плавится при 1417°С, кипит при 2600°С. Удельная теплоёмкость (при 20-100°С) 800 дж/ (кг? К), или 0,191 кал/ (г? град) ; теплопроводность даже для самых чистых образцов не постоянна и находится в пределах (25°С) 84-126 вт/ (м? К), или 0,20-0,30 кал/ (см? сек? град) . Температурный коэффициент линейного расширения 2,33 ? 10 -6 К -1 ; ниже 120k становится отрицательным. К. прозрачен для длинноволновых ИК-лучей; показатель преломления (для l =6 мкм) 3,42; диэлектрическая проницаемость 11,7. К. диамагнитен, атомная магнитная восприимчивость -0,13 ? 10 -6 . Твёрдость К. по Моосу 7,0, по Бринеллю 2,4 Гн/м 2 (240 кгс/мм 2) , модуль упругости 109 Гн/м 2 (10890 кгс/мм 2) , коэффициент сжимаемости 0,325 ? 10 -6 см 2 /кг. К. хрупкий материал; заметная пластическая деформация начинается при температуре выше 800°С.
К. - полупроводник, находящий всё большее применение. Электрические свойства К. очень сильно зависят от примесей. Собственное удельное объёмное электросопротивление К. при комнатной температуре принимается равным 2,3 ? 10 3 ом ? м (2,3 ? 10 5 ом ? см ) .
Полупроводниковый К. с проводимостью р -типа (добавки В, al, in или ga) и n -типа (добавки Р, bi, as или sb) имеет значительно меньшее сопротивление. Ширина запрещенной зоны по электрическим измерениям составляет 1,21 эв при 0 К и снижается до 1,119 эв при 300 К .
В соответствии с положением К. в периодической системе Менделеева 14 электронов атома К. распределены по трём оболочкам: в первой (от ядра) 2 электрона, во второй 8, в третьей (валентной) 4; конфигурация электронной оболочки 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 . Последовательные потенциалы ионизации (эв ): 8,149; 16,34; 33,46 и 45,13. Атомный радиус 1,33 a , ковалентный радиус 1,17 a , ионные радиусы si 4+ 0,39 a , si 4- 1,98 a .
В соединениях К. (аналогично углероду) 4-валентен. Однако, в отличие от углерода, К. наряду с координационым числом 4 проявляет координационное число 6, что объясняется большим объёмом его атома (примером таких соединений являются кремнефториды, содержащие группу 2-).
Химическая связь атома К. с другими атомами осуществляется обычно за счёт гибридных sp 3 -орбиталей, но возможно также вовлечение двух из его пяти (вакантных) 3 d- орбиталей, особенно когда К. является шестикоординационным. Обладая малой величиной электроотрицательности, равной 1,8 (против 2,5 у углерода; 3,0 у азота и т. д.), К. в соединениях с неметаллами электроположителен, и эти соединения носят полярный характер. Большая энергия связи с кислородом si-o, равная 464 кдж/моль (111 ккал/моль ) , обусловливает стойкость его кислородных соединений (sio 2 и силикатов). Энергия связи si-si мала, 176 кдж/моль (42 ккал/моль ) ; в отличие от углерода, для К. не характерно образование длинных цепей и двойной связи между атомами si. На воздухе К. благодаря образованию защитной окисной плёнки устойчив даже при повышенных температурах. В кислороде окисляется начиная с 400°С, образуя кремния двуокись sio 2 . Известна также моноокись sio, устойчивая при высоких температурах в виде газа; в результате резкого охлаждения может быть получен твёрдый продукт, легко разлагающийся на тонкую смесь si и sio 2 . К. устойчив к кислотам и растворяется только в смеси азотной и фтористоводородной кислот; легко растворяется в горячих растворах щелочей с выделением водорода. К. реагирует с фтором при комнатной температуре, с остальными галогенами - при нагревании с образованием соединений общей формулы six 4. Водород непосредственно не реагирует с К., и кремневодороды (силаны) получают разложением силицидов (см. ниже). Известны кремневодороды от sih 4 до si 8 h 18 (по составу аналогичны предельным углеводородам). К. образует 2 группы кислородсодержащих силанов - силоксаны и силоксены. С азотом К. реагирует при температуре выше 1000°С. Важное практическое значение имеет нитрид si 3 n 4 , не окисляющийся на воздухе даже при 1200°С, стойкий по отношению к кислотам (кроме азотной) и щелочам, а также к расплавленным металлам и шлакам, что делает его ценным материалом для химической промышленности, для производства огнеупоров и др. Высокой твёрдостью, а также термической и химической стойкостью отличаются соединения К. с углеродом (кремния карбид sic) и с бором (sib 3 , sib 6 , sib 12). При нагревании К. реагирует (в присутствии металлических катализаторов, например меди) с хлорорганическими соединениями (например, с ch 3 cl) с образованием органогалосиланов [например, si (ch 3) 3 ci], служащих для синтеза многочисленных кремнийорганических соединений.
К. образует соединения почти со всеми металлами - силициды (не обнаружены соединения только с bi, tl, pb, hg). Получено более 250 силицидов, состав которых (mesi, mesi 2 , me 5 si 3 , me 3 si, me 2 si и др.) обычно не отвечает классическим валентностям. Силициды отличаются тугоплавкостью и твёрдостью; наибольшее практическое значение имеют ферросилиций и силицид молибдена mosi 2 (нагреватели электропечей, лопатки газовых турбин и т. д.).
Получение и применение. К. технической чистоты (95-98%) получают в электрической дуге восстановлением кремнезёма sio 2 между графитовыми электродами. В связи с развитием полупроводниковой техники разработаны методы получения чистого и особо чистого К. Это требует предварительного синтеза чистейших исходных соединений К., из которых К. извлекают путём восстановления или термического разложения.
Чистый полупроводниковый К. получают в двух видах: поликристаллический (восстановлением sici 4 или sihcl 3 цинком или водородом, термическим разложением sil 4 и sih 4) и монокристаллический (бестигельной зонной плавкой и «вытягиванием» монокристалла из расплавленного К. - метод Чохральского).
Специально легированный К. широко применяется как материал для изготовления полупроводниковых приборов (транзисторы, термисторы, силовые выпрямители тока, управляемые диоды - тиристоры; солнечные фотоэлементы, используемые в космических кораблях, и т. д.). Поскольку К. прозрачен для лучей с длиной волны от 1 до 9 мкм, его применяют в инфракрасной оптике.
К. имеет разнообразные и всё расширяющиеся области применения. В металлургии К. используется для удаления растворённого в расплавленных металлах кислорода (раскисления). К. является составной частью большого числа сплавов железа и цветных металлов. Обычно К. придаёт сплавам повышенную устойчивость к коррозии, улучшает их литейные свойства и повышает механическую прочность; однако при большем его содержании К. может вызвать хрупкость. Наибольшее значение имеют железные, медные и алюминиевые сплавы, содержащие К. Всё большее количество К. идёт на синтез кремнийорганических соединений и силицидов. Кремнезём и многие силикаты (глины, полевые шпаты, слюды, тальки и т. д.) перерабатываются стекольной, цементной, керамической, электротехнической и др. отраслями промышленности.
В. П. Барзаковский.
Кремний в организме находится в виде различных соединений, участвующих главным образом в образовании твёрдых скелетных частей и тканей. Особенно много К. могут накапливать некоторые морские растения (например, диатомовые водоросли) и животные (например, кремнероговые губки, радиолярии), образующие при отмирании на дне океана мощные отложения двуокиси кремния. В холодных морях и озёрах преобладают биогенные илы, обогащенные К., в тропических морях - известковые илы с низким содержанием К. Среди наземных растений много К. накапливают злаки, осоки, пальмы, хвощи. У позвоночных животных содержание двуокиси кремния в зольных веществах 0,1-0,5%. В наибольших количествах К. обнаружен в плотной соединительной ткани, почках, поджелудочной железе. В суточном рационе человека содержится до 1 г К. При высоком содержании в воздухе пыли двуокиси кремния она попадает в лёгкие человека и вызывает заболевание - силикоз.
В. В. Ковальский.
Лит.: Бережной А. С., Кремний и его бинарные системы. К., 1958; Красюк Б. А., Грибов А. И., Полупроводники - германий и кремний, М., 1961; Реньян В. Р., Технология полупроводникового кремния, пер. с англ., М., 1969; Салли И. В., Фалькевич Э. С., Производство полупроводникового кремния, М., 1970; Кремний и германий. Сб. ст., под ред. Э. С. Фалькевича, Д. И. Левинзона, в. 1-2, М., 1969-70; Гладышевский Е. И., Кристаллохимия силицидов и германидов, М., 1971; wolf Н. f., silicon semiconductor data, oxf. - n. y., 1965.
cкачать реферат
Силиконовый минерал кремний
разновидность кремнезёма - черный, темно-серый или светлый - довольно часто встречается в природе, и человек хорошо знаком с ним. Но о целебных свойствах кремния стало известно совсем недавно: в конце 70-х годов XX века. Хотя человечество познакомилось с кремнием очень давно.
Кремень - камень, положивший начало человеческой цивилизации. На всём протяжении каменного века кремень служил материалом для изготовления орудий труда и охоты, с его помощью добывали огонь. О целебных свойствах кремня упоминается в трактатах древних философов. Его использовали для срезания бородавок, для отделки стен в помещениях, где хранилось мясо, для присыпки ран в виде порошка, что предотвращало гангрену, кремниевые жернова на мельницах позволяли получать муку с отменными хлебопекарными и вкусовыми качествами. Издавна кремнием выкладывали дно и внутреннюю поверхность колодцев, так как было замечено, что люди, употреблявшие воду из таких колодцев, меньше болеют, и такая вода необыкновенно прозрачная, вкусная и целебная.
В природе кремний встречается в виде широко распространенных минералов - кварца, халцедона, опала и др. В группу этих минералов входят и сердолик , и яшмы , горный хрусталь , агат , опал , аметист и многие другие камни. Основа этих минералов - диоксид кремния или кремнезём, а вот плотность, цвет, некоторые другие свойства - разные. В состав кремней, кроме кремнезёма, входят около 20 химических элементов, основные из которых - Mg, Ca, P, Sr, Mn, Cu, Zn и др. Отсюда и столько названий. Но самый известный среди представителей этого семейства, бесспорно, кремень. Большая часть земной коры состоит из неорганических соединений кремния (28 об.%).
Кремний (Silicium - лат.) химический элемент, атомный номер 14, IV группа периодической системы. Атомы кремния составляют основу глины, песка и скал. Можно сказать, что весь неорганический мир связан с кремнием. В природных условиях кремниевые минералы находятся в кальцитах и меле.
Кремний является вторым после кислорода по объему запасов в земной коре элементом и составляет около трети всего ее веса. Каждый 6 атом в коре земной оболочки - атом кремния. В морской воде кремния содержится даже больше чем фосфора, столь необходимого для жизни на Земле.
В нашем организме кремний содержится в щитовидной железе, надпочечниках, гипофизе. Самая высокая концентрация его обнаружена в волосах и ногтях.
Кремний также входит в состав коллагена - основного белка соединительной ткани. Основная его роль - участие в химической реакции, скрепляющие отдельные волокна коллагена и эластина, придавая соединительной ткани прочность и упругость. Кремний также входит в состав коллагена волос и ногтей, играет важную роль в срастании костей при переломах.
Особая роль у кремния в жизни и здоровье людей, а также растительного и животного мира. Кремний поглощается растениями в виде растворенных кремниевых кислот, силикатов и коллоидного кремнезема. Отсутствие кремния неблагоприятно влияет на всхожесть, рост и урожайность зерновых, в основном, риса, а также сахарного тростника, подсолнечника, таких культур, как картофель, свекла, морковь, огурцы и томаты. С овощами, фруктами, молоком, мясом и другими продуктами человек ежедневно должен потреблять 10-20 мг кремния. Это количество необходимо для нормальной жизнедеятельности, роста и развития организма.
Научные исследования о роли кремния для здоровья людей освещены в монографиях В. Кривенко и др. "Литотерапия", М., 1994, Э. Михеевой "Целительские свойства кремния", С-П, 2002, трудах М. Воронкова и И. Кузнецова (АН СССР, Сиб. отд., 1984), А. Паничева, Л. Зардашвили, Н. Семеновой и др. Показано, что кремний участвует в обмене фтора, магния, алюминия, и других минеральных соединений, но особенно тесно взаимодействует со стронцием и кальцием. Один из механизмов воздействия кремния состоит в том, что благодаря своим химическим свойствам он создает электрические заряженные коллоидные системы, которые обладают свойством адсорбировать вирусы и болезнетворные микроорганизмы, несвойственные человеку.
Некоторые растения способны концентрировать кремний. Это топинамбур
, редис
, олив
а, смородина
, полевой хвощ
и др. Много кремния накапливается в зерновых культурах, особенно в семенной оболочке (отрубях): рисе, овсе, просе, ячмене, сое. При размоле зерен на мельнице их освобождают от оболочки, чем лишают кремния и этим обесценивают.
Богаты кремнием и минеральные воды. А вот рафинированный сахар практически лишен кремния. Только неочищенный желтый сахар имеет кремний и поэтому представляет большую ценность.
Высоким содержанием кремния отличаются хвощи - широко распространенные растения отечественной флоры, применяемые все чаще в последнее время в народной медицине. В этом отношении хорошо зарекомендовали себя масляный экстракт лопуха, экстракт хвоща, органические соединения кремния (керамиды), входящие в состав лекарства под названием масло репейное с экстрактом хвоща (с керамидами). Специальные исследования показали, что это лекарство:
Рекомендации по применению : при нарушении структуры волос, обусловленном внешними или внутренними факторами, а также при истончении и тусклом внешнем виде волос.
Способ применения : теплое масло нанести на волосы и кожу головы, мягко и тщательно втирать не менее 15 минут (при этом избегать резких и интенсивных движений, так как при этом ломаются и выдергиваются волосы), затем равномерно распределить масло по всей длине волос. Аппликацию проводить в течение 1 часа, после чего смыть мягким шампунем.
Также кремний отвечает за обеспечение защитных функций, процессов обмена веществ и дезинтоксикации. Он работает как биологический «сшивающий» агент, участвующий в образовании молекулярной «архитектуры» полисахаридов и их комплексов с белками, придает эластичность соединительным тканям, входит в состав эластина кровеносных сосудов, придает прочность, эластичность и непроницаемость их стенкам и препятствует проникновению липидов в плазму крови.
Исследования показали, что в воде кремний подавляет бактерии, вызывающие брожение и гниение, осаждает тяжелые металлы, нейтрализует хлор, сорбирует радионуклиды. В живом организме биологически активные вещества кремния вместе с белковыми структурами способствуют образованию ферментов, аминокислот, гормонов. Кремний особенно необходим в соединительной ткани, он содержится в щитовидной железе, надпочечниках, гипофизе. Много кремния в волосах. Самая высокая концентрация его обнаружена в волосах и ногтях.
Кремний:
Нехватка кремния в организме приводит к:
Обнаружена зависимость между концентрацией кремния в питьевой воде и сердечнососудистыми заболеваниями. Туберкулез, диабет, проказа, гепатит, гипертония, катаракта, артриты, рак сопровождаются понижением концентрации кремния в тканях и органах, либо нарушениями его обмена.
Между тем наш организм ежедневно теряет кремний - в среднем в сутки с пищей и водой мы потребляем 3,5 мг кремния, а теряем около 9 мг!
Причины дефицита кремния в организме:
Обычно снижение содержания кремния происходит на фоне общей минеральной недостаточности и сопровождается дефицитом магния и кальция.
Признаки дефицита кремния :
Известно, что биологический возраст человека определяется скоростью протекания обменных процессов, т.е. скоростью обновления как отдельных клеток. И если проблему увлажнения и защиты в той или иной степени способны решать многие косметические препараты, то проблема ускорения обмена веществ требует более интенсивной смены внешнего слоя кожи.
Замедление процессов регенерации кожи начинается приблизительно с 30 лет. К этому времени организм уже начинает ощущать недостаток кремния. Самостоятельно восстановить дефицит кремния наш организм не может, поскольку окружающие нас природные соединения кремния в большинстве своём биологически неактивны и не способны участвовать в биохимических реакциях внутри клетки.
Кремний - прекрасное косметическое средство. Оно очищает кожу от гнойничковых образований. Особенно полезно умываться кремниевой водой, а также принимать ее внутрь при юношеских прыщах. В процессе исследований учёными был создан новый класс органических соединений кремния, способных ускорять обменные процессы в коже и, участвуя в синтезе белков соединительной ткани эластина и коллагена, повышать упругость кожи и ликвидировать образовавшиеся морщины.
Запатентованные компанией WGN кремнийсодержащие соединения ускоряют обменные процессы в клетках, регенерируют эластиновые и коллагеновые волокна. Результаты создания активных соединений нанокремния легли в основу разработки линии так называемых «нанокремниевых» косметических препаратов NewAge.
Биоактивный нанокремний проникает в глубокие слои кожи, очищает их и обеспечивает защиту, сохраняющую естественную проницаемость и дыхательную способность кожи. Нонокремний, стимулируя процессы пролиферации и регенерации, ускоряет обновление эпидермиса и восстанавливает функции клеток дермы - фибробластов.
Достоинствами кремниевой косметики являются дерматологическая совместимость компонентов; возможность использования для любого типа кожи, включая чувствительную; высокая эффективность действия, мягкая стимуляция естественных биохимических механизмов функционального состояния кожи.
При взаимодействии с водой кремень изменяет её свойства. Активированная кремнем вода действует губительно на микроорганизмы, подавляет бактерии, вызывающие гниение и брожение, в ней происходит активное осаждение соединений тяжёлых металлов, вода становится чистой на вид и приятной на вкус, она долгое время не портится и приобретает многие другие целебные качества.
Кремень относится к минералам семейства кварцев или халцедонов. В группу этих минералов входят и сердолик, и яшмы, горный хрусталь, агат, опал, аметист и многие другие камни. Основа этих минералов - диоксид кремния SiO2 или кремнезём, а вот плотность, цвет, некоторые другие свойства - разные. В состав кремней, кроме кремнезёма, входят около 20 химических элементов, основные из которых - Mg, Ca, P, Sr, Mn, Cu, Zn и др. Отсюда и столько названий. Но самый известный среди представителей этого семейства, бесспорно, кремень.
Причины и механизм взаимодействия кремня с водой не выяснен окончательно. Возможно, целительное действие кремния объясняется способностью его образовывать с водой особые ассоциаты - коллоиды, поглощающие из среды грязь и постороннюю микрофлору.
Говоря о полезных для организма свойствах кремния мы в первую очередь вспоминаем воду. В человеческом организме около 70% воды, и поэтому трудно представить жизнь без неё. А если учесть, что все виды обмена веществ осуществляются через водную среду, что именно вода является проводником преобладающего большинства физиологических жизненные процессы, что без неё невозможна ни одна форма жизни - углеродная, кремниевая или любая другая, то становится ясно, что активированная кремнем вода приобретает особенное значение.
«...в системе кремень - водные растворы неорганических солей происходит интенсивное оседание ряда металлов: алюминия, железа, кадмия, цезия, цинка, свинца, стронция.» - П. Аладовский, руководитель лаборатории Центрального НИИ использования водных ресурсов, д.х.н. Другими словами, кремень вытесняет из воды вредные металлы, очищая её. Они остаются на дне, а сверху оказывается чистая вода.
«Вода, обработанная кремнем оказывает влияние на адсорбционную способность радионуклидов. Это, возможно, позволит использовать её для решения некоторых радиохимических задач на загрязнённой радионуклидами территории Беларусии.» - д.х.н. Ю. Давыдов - руководитель лаборатории Института радиологических проблем Национальной академии наук Республики Беларусь.
«Кремниевая вода, начиная с пятого дня хранения, обладает способностью укреплять гемостатические возможности крови, увеличивает её способность к свёртыванию». Е. Иванов - директор Института гематологии и переливания крови Министерства здравоохранения Республики Беларусь, д.м.н. На память сразу приходит гемофилия - болезнь, при которой кровь сворачивается плохо. А это значит, что человек, получивший даже маленькую царапину, может умереть от потери крови.
«На протяжении нескольких лет мной не наблюдалось раковых заболеваний у множества больных, которые употребляли активированную кремнем воду (АКБ). Нами установлено, что на 5-6 день приёма АКБ (6-8 раз в сутки) у больных с многочисленными трофическими язвами нижних конечностей увеличивается количество Т- и В-лимфоцитов. А это свидетельствует о способности возобновлять утраченный и ослабленный иммунитет. Кроме того, АКБ снижает количество холестерина в крови, особенно при ожирении. Таким образом, АКБ служит для профилактики атеросклероза» - М. Синявский профессор кафедры медицинской подготовки Могилёвского государственного университета им. А.А. Кулешова.
Что же это такое - кремниевая вода ? Кремниевая вода - это настойка на тёмно-коричневом кремне, которую применяют внутрь и наружно. Методика приготовления кремневой воды достаточно простая. В 2-3 литровую емкость, желательно, стеклянную, вносят 40-50 г мелких камешков кремня желательно интенсивно-ярко-коричневого (но не чёрного) цвета, вливают воду из водопроводной сети, но лучше после обычного фильтрования, и ставят её в защищенное от прямых солнечных лучей место и вне земных патогенных излучений.
Такая вода для питья будет готова через 2-3 суток. При соблюдении этой же технологии, но если завязать горловину 2-3 слоями марли и поставить воду на светлое место при температуре выше 5оС на 5-7 дней, то эта вода по своим свойствам может использоваться не только в качестве питьевой, но и для лечебно-профилактических целей. Её полезно употреблять для приготовления пищи - чая, супов и т.п. Пить кремениевую воду можно без ограничений (в норме 1,5-2 л в день). Если нет возможности, то хотя бы 3-5 раз в день по полстакана и всегда маленькими глотками и желательно в прохладном виде.
Применять кремень, как уже упоминалось, только ярко-коричневого (не черного) цвета.
Использовать нужно только природные минералы. Дело в том, что в кремне содержатся остатки микроорганизмов, которые в свое время из ила мелового и более древних эпох сформировался кремень.
После одно- двукратного использования камень нужно промыть прохладной водой и 2 часа проветривать на свежем воздухе. При появлении на поверхности камешков наслоений или налетов необходимо их погрузить в 2% раствор уксусной кислоты или подсоленную воду на 2 часа; затем сполоснуть 2-3 раза обычной водой и опустить на 2 часа в раствор питьевой соды и снова сполоснуть.
Специфические свойства кремниевой воды позволяют заниматься профилактикой многих заболеваний. Кремниевая вода положительно влияет на общее состояние организма в целом.
Если вы пьёте активированную кремнем воду или готовите на ней пищу происходит:
- укрепление иммунной системы, увеличивается количество Т- и В- лимфоцитов крови;
Улучшается состояние людей, страдающих заболеваниями печени, т.к. вода помогает оттоку желчи;
Быстрое заживление ожогов, порезов, ушибов, трофических язв;
Помогает при расстройстве желудка, снимает воспалительные процессы в ЖКТ и при гастрите;
Снижение уровня сахара в крови, а также веса, предрасположенных к полноте диабетиков;
Снижение уровня холестерина в крови, особенно при ожирении, профилактика - атеросклероза и улучшение работы почек;
Нормализует состояние больных, страдающих гипертонией;
Нормализует обмен веществ;
Повышается общий тонус.
При наружном применении кремниевая вода стимулирует процессы восстановления организма при:
- лечении ангины, насморка, воспаления дёсен (полоскания горла и рта после еды);
При вирусных заболеваниях полости рта, стоматитах и гингивитах;
Лечении аллергии, фурункулов, диатеза, дерматита, различных кожных раздражений (примочки и умывание);
При конъюктивите снимает зуд и воспаление;
Умывание такой водой способствует улучшению состояния кожи, уменьшению количества морщин и предотвращение появления новых, способствует устранению неровностей, угрей, прыщей;
Ополаскивание головы и волос, втирание в кожу головы способствует укреплению и росту волос;
При некоторых заболеваниях кожи (простой пузырьковый, опоясывающий и розовый лишай).
- При выпадающих и "секущихся" волосах промывать голову "кремневой" водой;
Для снятия раздражения после бритья, ополаскивать лицо такой же водой;
При "юношеских прыщах" умываться и применять внутрь "воду";
Кусочками льда протирать кожу лица, замороженной "кремневой" водой;
Для профилактики парадантоза ополаскивать дёсны "водой" при чистке зубов.
Применение в лечебно-профилактических целях "кременевой" воды способствует быстрому заживлению ран, предотвращению образования опухолей при регулярном приеме воды, улучшению состава крови, восстановлению функции надпочечников, снятию воспалительных процессов в желудочно-кишечном тракте и при гастритах, нормализации содержания сахара в крови, снижению веса, излечиванию при переломах (кости срастаются быстрее и без осложнений), улучшению работы почек и обмену веществ, отделению и выводу желчи. Кремниевая вода убивает вирусы; для профилактики в период респираторных эпидемий рекомендуется "воду" закапывать в нос. Это помогает при бессоннице.
В домашнем хозяйстве рекомендуется поливать цветы, что удлиняет срок цветения; ускоряет срок плодоношения фруктовых деревьев и овощных культур; повышает урожайность на 10%. Убивает плесень, серую гниль, в частности на клубнике, и другие грибки. Замачивание семян в такой воде повышает всхожесть. Цветы лучше хранить в ёмкости, где находятся кремниевые камешки, срок их хранения резко возрастает. В аквариуме кремень предотвращает цветение воды. Помогает кремний и очищать воду в походе, что важно знать туристам.
Кремниевую воду также полезно пить при атеросклерозе (сосуды очищаются от склеротических отложений), различного рода нарушения обмена веществ, ангине, гриппе, фарингите (полоскание кремниевой водой заметно снижает длительность этих заболеваний - ведь кремний здесь действует как антибиотик), ревматизм, болезнь Боткина (кремний убивает патогенные вирусы), болезни зубов и суставов (ибо кремний восстанавливает целостность костных тканей).
И теперь самый важный момент - противопоказания. Кремниевая вода имеет противопоказания, и обращаться с ней нужно очень осторожно. Врачи заметили, что тем, кто имеет предрасположенность к онкологическим заболеваниям, лучше совсем от нее отказаться.
(первый электрон)
(по Полингу)
| Si | 14 |
| 28,0855 | |
| 3s 2 3p 2 | |
| Кремний | |
История
В чистом виде кре́мний был выделен в 1811 г. французскими учеными Жозефом Луи Гей-Люссаком и Луи Жаком Тенаром.
Происхождение названия
В 1825 году шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус действием металлического калия на фтористый кремний SiF 4 получил чистый элементарный кремний. Новому элементу было дано название «силиций» (от лат. silex — кремень). Русское название «кремний» введено в 1834 году российский химиком Германом Ивановичем Гессом. В переводе c греческого kremnos — «утес, гора».
Нахождение в природе
По распространённости в земной коре кремний среди всеххимических элементов занимает второе место (после кислорода). Масса земной коры на 27,6—29,5 % состоит из кремния. Кремний входит в состав нескольких сотен различных природных силикатов и алюмосиликатов. Больше всего распространен кремнезём — многочисленные формы диоксида кремния (IV) SiO2 (речной песок, кварц, кремень и др.), составляющий около 12 % земной коры (по массе). В свободном виде кремний в природе не встречается, хотя одна четвертая земли состоит из кремния.
Получение
В промышленности кремний получают, восстанавливая расплав SiO 2 коксом при температуре около 1800 °C в дуговых печах . Чистота полученного таким образом кремния составляет около 99,9 %. Так как для практического использования нужен кремний более высокой чистоты, полученный кремний хлорируют. Образуются соединения состава SiCl 4 и SiCl 3 H. Эти хлориды далее очищают различными способами от примесей и на заключительном этапе восстанавливают чистым водородом . Возможна также очистка кремния за счет предварительного получения силицида магния Mg 2 Si. Далее из силицида магния с помощью соляной или уксусной кислот получают летучий моносилан SiH 4 . Моносилан очищают далее ректификацией , сорбционными и др. методами, а затем разлагают на кремний и водород при температуре около 1000 °C. Содержание примесей в получаемом этими методами кремнии снижается до 10 −8 -10 −6 % по массе.
Способ получения кремния в чистом виде разработан Николаем Николаевичем Бекетовым. Крупнейшим производителем кремния в России является ОК Русал — кремний производится на заводах в г. Каменск-Уральский (Свердловская область) и г. Шелехов (Иркутская область).
Физические свойства
Кристаллическая структура кремния.
Кристаллическая решетка кремния кубическая гранецентрированная типа алмаза , параметр а = 0,54307 нм (при высоких давлениях получены и другие полиморфные модификации кремния), но из-за большей длины связи между атомами Si—Si по сравнению с длиной связи С—С твердость кремния значительно меньше, чем алмаза. Кремний хрупок, только при нагревании выше 800 °C он становится пластичным веществом. Интересно, что кремний прозрачен к инфракрасному излучению , начиная с длины волны 1.1 микрометр.
Электрофизические свойства
Элементарный кремний — типичный непрямозонный полупроводник . Ширина запрещенной зоны при комнатной температуре 1,12 эВ, а при Т = 0 К составляет 1,21 эВ. Концентрация носителей заряда в кремнии с собственной проводимостью при комнатной температуре 1,5·10 16 м −3 . На электрофизические свойства кристаллического кремния большое влияние оказывают содержащиеся в нем микропримеси. Для получения монокристаллов кремния с дырочной проводимостью в кремний вводят добавки элементов III-й группы — бора , алюминия , галлия и индия , с электронной проводимостью — добавки элементов V-й группы — фосфора , мышьяка или сурьмы . Электрические свойства кремния можно варьировать, изменяя условия обработки монокристаллов, в частности, обрабатывая поверхность кремния различными химическими агентами.
- Подвижность электронов: 1300-1400 см²/(в*c).
- Подвижность дырок: 500 см²/(в*c).
- Ширина запрещенной зоны 1,205-2,84*10(^-4)*T
- Продолжительность жизни электрона: 50 — 500 мксек
- Длина свободного пробега электрона: 0,1 см
- Длина свободного пробега дырки: 0,02 — 0,06 см
Химические свойства
В соединениях кремний склонен проявлять степень окисления +4 или −4, так как для атома кремния более характерно состояние sp³-гибридизации орбиталей. Поэтому во всех соединениях, кроме оксида кремния (II) SiO, кремний четырёхвалентен.
Химически кремний малоактивен. При комнатной температуре реагирует только с газообразным фтором , при этом образуется летучий тетрафторид кремния SiF 4 . При нагревании до температуры 400—500 °C кремний реагирует с кислородом с образованием диоксида SiO 2 , с хлором , бромом и иодом — с образованием соответствующих легко летучих тетрагалогенидов SiHal 4 .
С водородом кремний непосредственно не реагирует, соединения кремния с водородом — силаны с общей формулой Si n H 2n+2 — получают косвенным путем. Моносилан SiH 4 (его часто называют просто силаном) выделяется при взаимодействии силицидов металлов с растворами кислот , например:
Ca 2 Si + 4HCl → 2CaCl 2 + SiH 4 .
Образующийся в этой реакции силан SiH 4 содержит примесь и других силанов, в частности, дисилана Si 2 H 6 и трисилана Si 3 H 8 , в которых имеется цепочка из атомов кремния, связанных между собой одинарными связями (—Si—Si—Si—).
С азотом кремний при температуре около 1000 °C образует нитрид Si 3 N 4 , с бором — термически и химически стойкие бориды SiB 3 , SiB 6 и SiB 12 . Соединение кремния и его ближайшего аналога по таблице Менделеева — углерода — карбид кремния SiC (карборунд) характеризуется высокой твердостью и низкой химической активностью. Карборунд широко используется как абразивный материал.
Взгляните на полуметаллический кремний!
Кремний металл — серый и блестящий полупроводящий металл, который используется для производства стали, солнечных батарей и микрочипов.
Кремний — второй по численности элемент земной коры (позади только кислорода) и восьмой наиболее распространенный элемент во Вселенной. Фактически, почти 30 процентов веса земной коры можно отнести к кремнию.
Элемент с атомным номером 14, естественно, встречается в силикатных минералах, включая кремнезем, полевой шпат и слюду, которые являются основными компонентами обычных пород, таких как кварц и песчаник.
Полуметаллический (или металлоид) кремний обладает некоторыми свойствами как металлов, так и неметаллов.
Подобно воде, но в отличие от большинства металлов, кремний заключает в жидком состоянии и расширяется по мере его затвердевания. Он имеет относительно высокие температуры плавления и кипения, а при кристаллизации образуется кристаллическая кристаллическая структура алмаза.
Критически важным для роли кремния в качестве полупроводника и его использования в электронике является атомная структура элемента, которая включает в себя четыре валентных электрона, которые позволяют кремнию легко связываться с другими элементами.
Шведскому химику Джонсу Якову Берзерлиусу приписывают первый изолирующий кремний в 1823 году. Берцерлий выполнил это путем нагревания металлического калия (который был изолирован только десять лет назад) в тигле вместе с фторосиликатом калия.
Результатом был аморфный кремний.
Однако для получения кристаллического кремния потребовалось больше времени. Электролитический образец кристаллического кремния не будет производиться еще три десятилетия.
Первое коммерческое использование кремния было в форме ферросилиция.
После модернизации Henry Bessemer сталелитейной промышленности в середине 19 века, был большой интерес к металлургической металлургии и исследованиям в области сталелитейной техники.
К моменту первого промышленного производства ферросилиция в 1880-х годах значение кремния в улучшении пластичности в чугуне и раскисляющей стали было достаточно хорошо понято.
Раннее производство ферросилиция производилось в доменных печах путем восстановления кремнийсодержащих руд с древесным углем, что привело к серебристому чугуну, ферросилиция с содержанием кремния до 20 процентов.
Развитие электродуговых печей в начале 20-го века позволило не только увеличить производство стали, но и увеличить производство ферросилиция.
В 1903 году группа, специализирующаяся на создании ферросплавов (Compagnie Generate d’Electrochimie), начала свою деятельность в Германии, Франции и Австрии, а в 1907 году был основан первый коммерческий кремниевый завод в США.
Сталеплавильное производство не было единственным применением для соединений кремния, которые были коммерциализированы до конца XIX века.
Для производства искусственных алмазов в 1890 году Эдвард Гудрич Ачесон нагревал алюмосиликат с порошкообразным коксом и случайно производимым карбидом кремния (SiC).
Три года спустя Ачесон запатентовал свой метод производства и основал компанию Carborundum (карборунд, являющийся общим названием для карбида кремния в то время) с целью изготовления и продажи абразивных изделий.
К началу 20-го века также были реализованы проводящие свойства карбида кремния, и это соединение использовалось в качестве детектора в ранних судовых радиоприемниках. Патент на кремниевые кристаллодетекторы был предоставлен Г. В. Пикарду в 1906 году.
В 1907 году первый светоизлучающий диод (LED) был создан путем приложения напряжения к кристаллу карбида кремния.
В 1930-х годах использование кремния выросло с развитием новых химических продуктов, в том числе силанов и силиконов.
Рост электроники за прошедшее столетие также неразрывно связан с кремнием и его уникальными свойствами.
В то время как создание первых транзисторов — предшественников современных микрочипов — в 1940-х годах опиралось на германий, незадолго до того, как кремний вытеснил своего металлиста-кузена в качестве более прочного полупроводникового материала подложки.
Bell Labs и Texas Instruments начали коммерческое производство кремниевых транзисторов в 1954 году.
Первые кремниевые интегральные схемы были сделаны в 1960-х годах, и к 1970-м годам были разработаны кремниевые процессоры.
Учитывая, что кремниевая полупроводниковая технология является основой современной электроники и вычислительной техники, неудивительно, что мы ссылаемся на центр деятельности этой отрасли как «Силиконовая долина».
(Для подробного изучения истории и разработки технологий Silicon Valley и микрочипов я настоятельно рекомендую документальный фильм American Experience под названием «Силиконовая долина»).
Вскоре после открытия первых транзисторов работа Bell Labs с кремнием привела к второму крупному прорыву в 1954 году: первая кремниевая фотовольтаическая (солнечная) ячейка.
До этого мысль о том, чтобы использовать энергию солнца для создания силы на земле, считалась невозможной большинством. Но всего через четыре года, в 1958 году, первый спутник с силиконовыми солнечными батареями вращался вокруг Земли.
К 1970-м годам коммерческие приложения для солнечных технологий выросли до наземных применений, таких как включение освещения на морских нефтяных платформах и железнодорожных переездах.
За последние два десятилетия использование солнечной энергии выросло по экспоненте. Сегодня на кремниевые фотогальванические технологии приходится около 90 процентов мирового рынка солнечной энергии.
Производство
Большинство очищенных кремний каждый год — около 80 процентов — производится как ферросилиций для использования в железе и производстве стали. Ферросилиций может содержать от 15 до 90% кремния в зависимости от требований плавильного завода.
Сплав железа и кремния производится с использованием погружной электродуговой печи путем редуцирующей плавки. Измельченная в силикагеле руда и источник углерода, такой как коксующийся уголь (металлургический уголь), измельчаются и загружаются в печь вместе с металлоломом.
При температурах выше 1900 ° C (3450 ° F) углерод реагирует с присутствующим в руде кислородом, образуя газообразный монооксид углерода. Остальное железо и кремний, между тем, затем объединяются, чтобы сделать расплавленный ферросилиций, который можно собрать, постукивая по основанию печи.
После охлаждения и закалки ферросилиций можно затем отгружать и использовать непосредственно в производстве железа и стали.
Тот же метод, без включения железа, используется для получения кремния из металлургического сорта, который имеет чистоту более 99 процентов. Металлургический кремний также используется в выплавке стали, а также в производстве алюминиевых литых сплавов и силановых химикатов.
Металлургический кремний классифицируется по примесным уровням железа, алюминия и кальция, присутствующим в сплаве. Например, 553 металлический кремний содержит менее 0,5 процента каждого железа и алюминия и менее 0,3 процента кальция.
Ежегодно в мире производится около 8 миллионов метрических тонн ферросилиция, причем на долю Китая приходится около 70 процентов этой суммы. Крупными производителями являются Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Group OM Materials и Elkem.
Еще 2,6 миллиона метрических тонн металлургического кремния — или около 20 процентов от общего количества рафинированного кремниевого металла — производится ежегодно. Китай, опять же, составляет около 80 процентов этой продукции.
Удивительным для многих является то, что солнечные и электронные сорта кремния составляют лишь небольшое количество (менее двух процентов) всего производства очищенного кремния.
Чтобы модернизировать до кремниевого металла (поликремния) солнечного сорта, чистота должна увеличиться до чистого чистого кремния 99,9999% (6N). Это делается одним из трех способов, наиболее распространенным из которых является процесс Siemens.
Процесс Siemens включает химическое осаждение из паровой фазы летучего газа, известного как трихлорсилан. При температуре 1150 ° C (2102 ° F) трихлорсилан продувается на кремниевом семян высокой чистоты, установленном на конце стержня. По мере того как он проходит, кремний высокой чистоты из газа осаждается на семена.
Реактор с псевдоожиженным слоем (FBR) и модернизированная кремниевая технология металлургического класса (UMG) также используются для повышения качества металла до поликремния, подходящего для фотоэлектрической промышленности.
В 2013 году было произведено 230 000 метрических тонн поликремния. Ведущие производители включают GCL Poly, Wacker-Chemie и OCI.
Наконец, чтобы сделать кремний класса электроники подходящим для полупроводниковой промышленности и некоторыми фотоэлектрическими технологиями, поликремний должен быть превращен в ультрачистый монокристаллический кремний через процесс Чохральского.
Для этого поликремний расплавляют в тигле при температуре 1425 ° C (2597 ° F) в инертной атмосфере. Затем наплавленный семенной кристалл погружают в расплавленный металл и медленно поворачивают и удаляют, давая время для роста кремния на затравочном материале.
Получаемый продукт представляет собой стержень (или бул) из монокристаллического кремниевого металла, который может достигать 99,999999999 (11N) процентов чистого. Этот стержень может быть легирован бором или фосфором, если требуется, чтобы при необходимости модифицировать квантовомеханические свойства.
Монокристаллический стержень может поставляться клиентам как есть, или нарезаться в вафли, а также полироваться или текстурироваться для конкретных пользователей.
Применение
В то время как примерно 10 миллионов метрических тонн ферросилиция и кремниевого металла каждый год очищаются, большинство используемых на рынке кремния в действительности представляют собой кремниевые минералы, которые используются для производства всего, начиная с цемента, растворов и керамики, до стекла и полимеры.
Ферросилиций, как уже отмечалось, является наиболее часто используемой формой металлического кремния. С момента своего первого использования около 150 лет назад ферросилиций оставался важным раскисляющим агентом при производстве углеродистой и нержавеющей стали. Сегодня выплавка стали остается крупнейшим потребителем ферросилиция.
Тем не менее, ферросилиций имеет ряд преимуществ, помимо сталеплавильного производства. Это предварительный сплав в производстве ферросилиция магния, нодулятор, используемый для производства ковкого чугуна, а также во время процесса Пиджона для очистки магния высокой чистоты.
Ферросилиций также можно использовать для изготовления тепловых и коррозионностойких сплавов железа, а также кремниевой стали, которая используется при производстве электродвигателей и трансформаторных сердечников.
Металлургический кремний можно использовать в производстве стали, а также в качестве легирующего агента в алюминиевом литье. Алюминиево-кремниевые (Al-Si) автомобильные детали легкие и прочные, чем компоненты, отлитые из чистого алюминия. Автомобильные детали, такие как блоки двигателя и шины, являются одними из наиболее часто применяемых деталей из литого алюминия.
Почти половина всего металлургического кремния используется химической промышленностью для производства дымящегося диоксида кремния (загустителя и осушителя), силанов (связующего) и силикона (герметиков, адгезивов и смазочных материалов).
Поликремний фотовольтаического класса в первую очередь используется при изготовлении поликремниевых солнечных элементов. Для производства одного мегаватта солнечных модулей требуется около пяти тонн поликремния.
В настоящее время солнечная технология из поликремния составляет более половины солнечной энергии, производимой в глобальном масштабе, в то время как технология моносиликона составляет около 35 процентов. В общей сложности 90 процентов солнечной энергии, используемой людьми, собираются на основе кремниевой технологии.
Монокристаллический кремний также является критическим полупроводниковым материалом, найденным в современной электронике. В качестве материала подложки, используемого при производстве полевых транзисторов (FET), светодиодов и интегральных схем, кремний можно найти практически во всех компьютерах, мобильных телефонах, планшетах, телевизорах, радио и других современных коммуникационных устройствах.
По оценкам, более трети всех электронных устройств содержат полупроводниковые технологии на основе кремния.
Наконец, твердосплавный карбид кремния используется в различных электронных и неэлектронных приложениях, включая синтетические ювелирные изделия, высокотемпературные полупроводники, твердую керамику, режущие инструменты, тормозные диски, абразивы, пуленепробиваемые жилеты и нагревательные элементы.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Кремний находится в третьем периоде IV группе главной (А) подгруппе Периодической таблицы.
Относится к элементам p-семейства. Неметалл. Обозначение - Si. Порядковый номер - 14. Относительная атомная масса - 28,086 а.е.м.
Электронное строение атома кремния
Атом кремния состоит из положительно заряженного ядра (+14), состоящего из 14 протонов и 14 нейтронов, вокруг которого по 3-м орбитам движутся 14 электронов.
Рис.1. Схематическое строение атома кремния.
Распределение электронов по орбиталям выглядит следующим образом:
14Si) 2) 8) 4 ;
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 .
На внешнем энергетическом уровне кремния находится четыре электрона, все электроны 3-го подуровня. Энергетическая диаграмма принимает следующий вид:
Наличие двух неспаренных электронов свидетельствует о том, что кремний способен проявлять степень окисления +2. Также возможно возбужденное состояние для атома кремния за счет наличия вакантной 3d -орбитали. Электроны 3s -подуровня распариваются и занимают свободные d
Поэтому у кремния есть ещё одна степень окисления, равная +4.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
