Кремний (Si)

[silicon, silicium] — элемент IV группы Периодической системы; атомный номер 14; атомная масса 28,086. В природе элемент представлен тремя стабильными изотопами: ²Si (92,27 %), ₂₉Si (4,68 %), ₃₀Si (3,05 %). Впервые элементарный Si получил в 1825 г. шведский химик И. Я. Берцелиус восстановлением SiF₄ металлическим калием. По распространению в земной коре Si — второй (после О₂). элемент, его среднее содержание в литосфере 29,5 мас. % Ок. 12 % литосферы составляет кремнезем в форме минерала кварцита и его разновидностей. 75 % литосферы слагают силикаты и Si диамагнитен, атомная магнитная восприимчивость-0,13 • 10^-6; _HB = 2,4 ГПа, Е = 1,089 Па. Si хрупкий материал; заметная пластичность проявляется при деформации выше 800 °С. Si — полупроводник; удельное объемное электросопротивление ρ_{20 °С} = 2,3 кОм • м. В соединениях Si (аналогично С) 4-валентен. Однако в отличие от углерода Si наряду с КЧ 4 имеет также КЧ = 6. Большая энергия связи с кислородом Si — О, равная 464 кДж/моль, обусловливает стойкость его кислородных соединений (SiO₂ и силикатов). На воздухе Si благодаря образованию защитной оксидной пленки устойчив даже при повышенных температурах. В кислороде окисляется при нагревании > 400 °С, образуя SiO₂. Известен также SiO, устойчивый при высоких температураx в виде газа. Si устойчив к кислотам и растворяется только в смеси HNO₃ + HF; легко растворяется в горячих растворах щелочей с выделением водорода. H₂ непосредвенно не реагирует с Si. С азотом Si реагирует при > 500 °С, образуя нитрид Si₃N₄, не окисляющийся даже при 1200 °С, стойкий по отношению к кислотам (кроме HNO₃) и щелочам, а также к расплавленным металлам и шлакам, что делает его ценным материалом для химической промышленности, производства огнеупоров и др. Высокой твердостью, термической и химической стойкостью отличаются соединения Si с углеродом (карбид SiC) и с бором (SiB₃, SiB₆, SiB₁₂). Si образует соединения почти со всеми металлами — силициды (не обнаружены соединения только с Bi, Tl, Pb, Hg). Силициды отличаются высокой твердостью и тугоплавкостью; наибольшее практическое значение из полученных > 250 силицидов имеет ферросилиций (раскислитель и легирующая добавка при выплавке сталей и сплавов) и MoSi₂ (нагреватели электропечей, лопатки газовых турбин и т.д.). Si технической чистоты (95 — 98 %) получают в электрических дуговых печах восстановлением SiO₂. Чистый полупроводниковый Si получают в двух видах: поликристаллический (восстановлением SiCl₄ или SiHCl₃, цинком или водородом, термическим разложением SiI₄ и SiH₄) и монокристаллический (бестигельной зонной плавкой и вытягиванием монокристалла из расплава Si — метод Чохральского).
Si широко примемяется в разных отраслях промышленности, основные из которых — ЧМ и ЦМ, стекольная, электротехническая и др. В металлургии Si используется как одна из основных раскисл, и легирующих добавок (преимущественно в виде ферросплавов) при выплавке сталей и сплавов на основе Fe и цветных металлов, а также в качестве основного сырья (в виде кремнезема и силикатов) в огнеупорной промышленности. Обычно легирующий Si повышает прочность, коррозионную стойкость, литейные и некоторые другие свойства сталей и сплавов. Однако при большом содержании Si может вызвать их хрупкость. Наиболее широко используются сплавы на основе Fe, Cu и Al, содержащие Si. Специальный легирующий Si широко применяется как материал для полупроводниковых приборов (транзисторы, силовые выпрямители тока, диоды и т. п.). Все большее количество Si идет на синтез кремнийорганических соединений и силицидов. Кремнезем и многие силикаты (глины, полевые шпаты, гальки и др.) перерабатываются в стекольной, цементной, керамической, электротехнической и других отраслях промышленности):
Смотри также:
— кристаллический кремний