Крэмній (хімічны элемент): ўласцівасці, характарыстыка, формула. Гісторыя адкрыцця крэмнія

Многія сучасныя тэхналагічныя прылады і апараты былі створаны за кошт унікальных уласцівасцяў рэчываў, якія знаходзяцца ў прыродзе. Чалавецтва эксперыментальным шляхам і дбайным вывучэннем навакольных нас элементаў пастаянна мадэрнізуе ўласныя вынаходкі - гэты працэс называецца тэхнічным прагрэсам. Ён заснаваны на элементарных, даступных кожнаму рэчах, якія атачаюць нас у паўсядзённым жыцці. Напрыклад, пясок: што можа быць у ім дзіўнага і незвычайнага? Навукоўцы змаглі вылучыць з яго крэмній - хімічны элемент, без якога не існавала б кампутарнай тэхнікі. Вобласць яго прымянення адрозніваецца разнастайнасцю і пастаянна пашыраецца. Гэта дасягаецца за кошт унікальнага ўласцівасці атама крэмнія, яго структуры і магчымасці злучэнняў з іншымі простымі рэчывамі.

характарыстыка

У перыядычнай сістэме, распрацаванай Д. І. Мендзялеевым, крэмній (хімічны элемент) пазначаны сімвалам Si. Ставіцца да неметалы, размяшчаецца ў галоўнай чацвёртай групе трэцяга перыяду, мае атамны нумар 14. Яго суседства з вугляродам не з'яўляецца выпадковым: шмат у чым іх ўласцівасці супастаўныя. У прыродзе не сустракаецца ў чыстым выглядзе, бо з'яўляецца актыўным элементам і мае дастаткова трывалыя сувязі з кіслародам. Асноўнае рэчыва - кремнезем, які з'яўляецца аксідам, і сілікаты (пясок). Пры гэтым крэмній (яго прыродныя злучэнні) з'яўляецца адным з найбольш распаўсюджаных хімічных элементаў на Зямлі. Па масавай долі ўтрымання ён займае другое месца пасля кіслароду (больш за 28%). Верхні пласт зямной кары змяшчае крэмній ў выглядзе дыяксіду (гэта кварц), розныя тыпы глін і пяску. Другую па распаўсюджанасці групу складаюць яго сілікаты. На глыбіні каля 35 км ад паверхні размешчаны пласты граніту і базальтавыя адклады, у склад якіх уваходзяць крэмневыя злучэння. Адсотак утрымання ў зямным ядры пакуль не пралічаны, але бліжэйшыя да паверхні пласты мантыі (да 900 км) ўтрымліваюць сілікаты. У складзе марской вады канцэнтрацыя крэмнія складае 3 мг / л, месяцовы грунт на 40% складаецца з яго злучэнняў. Прасторы космасу, якія чалавецтва на сённяшні дзень вывучыла, ўтрымліваюць гэты хімічны элемент у вялікіх колькасцях. Напрыклад, спектральны аналіз метэарытаў, якія набліжаліся да Зямлі на адлегласць, даступнае даследчыкам, паказаў, што яны складаюцца на 20% з крэмнію. Існуе верагоднасць фарміравання жыцця на аснове гэтага элемента ў нашай галактыцы.

даследчы працэс

Гісторыя адкрыцця хімічнага элемента крэмнія мае некалькі этапаў. Шматлікія рэчывы, сістэматызаваныя Мендзялеевым, выкарыстоўваліся чалавецтвам на працягу стагоддзяў. Пры гэтым элементы знаходзіліся ў прыродным выглядзе, т .е. ў злучэннях, якія не падвяргаліся хімічнай апрацоўцы, і ўсе іх ўласцівасці не былі вядомыя людзям. У працэсе вывучэння ўсіх асаблівасцяў рэчывы ў яго з'яўляліся новыя напрамкі выкарыстання. Ўласцівасці крэмнія на сённяшні дзень не вывучаныя да канца - гэты элемент пры досыць шырокім і разнастайным спектры прымянення пакідае прастору для новых адкрыццяў будучым пакаленням навукоўцаў. Сучасныя тэхналогіі значна паскораць дадзены працэс. У XIX стагоддзі многія знакамітыя хімікі спрабавалі атрымаць крэмній у чыстым выглядзе. Упершыню гэта ўдалося зрабіць Л. Тэнара і Ж. Гей-Люссаку ў 1811 годзе, але адкрыццё элемента належыць Й. Берцелиусу, які змог не толькі вылучыць рэчыва, але і апісаць яго. Хімік са Швецыі атрымаў крэмній ў 1823 годзе, для гэтага ён выкарыстаў металічны калій і каліевай соль. Рэакцыя адбывалася пры каталізатары ў выглядзе высокай тэмпературы. Атрыманае простае рэчыва шэра-бурага колеру ўяўляла сабой аморфны крэмній. Крышталічны чысты элемент быў атрыманы ў 1855 году Сэнт-Клер Девилем. Складанасць выдзялення напрамую звязана з высокай трываласцю атамных сувязяў. У абодвух выпадках хімічная рэакцыя накіравана на працэс ачышчэння ад прымешак, пры гэтым аморфная і крышталічная мадэлі маюць розныя ўласцівасці.

Крэмній: вымаўленне хімічнага элемента

Першая назва атрыманага парашка - Кізел - было прапанавана Берцелиусом. У Вялікабрытаніі і ЗША крэмній і па гэты дзень называюць не інакш, як силиций (Silicium) або сілікон (Silicon). Тэрмін паходзіць ад лацінскага «камень» (ці «камень»), і ў большасці выпадкаў яго прывязваюць да паняцця «зямля» за кошт шырокага распаўсюду ў прыродзе. Рускае вымаўленне дадзенага хімічнага рэчыва бывае розны, усё залежыць ад крыніцы. Яго называлі кремнеземом (Захараў ўжываў такі тэрмін ў 1810 г.) Сіцылія (1824 год, Двигубский, Салаўёў), кремнеземнием (1825, Страхаў), і толькі ў 1834 годзе расійскі хімік Герман Іванавіч Гесс ўводзіць найменне, якое да сённяшняга моманту выкарыстоўваецца у большасці крыніц - крэмній. У перыядычным сістэме Мендзялеева ён пазначаны сімвалам Si. Як чытаецца хімічны элемент крэмній? Многія навукоўцы англамоўных краін прамаўляюць яго найменне як «сі» або выкарыстоўвае слова "сілікон». Адсюль адбываецца вядомае на ўвесь свет назву даліны, якая з'яўляецца навукова-даследчай і вытворчай пляцоўкай кампутарнай тэхнікі. Рускамоўнае насельніцтва называе элемент крэмніем (ад старажытнагрэцкага слова «ўцёс, гара»).

Знаходжанне ў прыродзе: радовішча

Цэлыя горныя сістэмы складзеныя з злучэнняў крэмнію, які ў чыстым выглядзе не сустракаецца, бо ўсе вядомыя мінералы з'яўляюцца дыяксід або сілікатаў (алюмасілікаты). Дзіўныя па прыгажосці камяні выкарыстоўваюцца людзьмі ў якасці вырабныя матэрыялу - гэта апалы, аметысты, кварцы розных тыпаў, яшма, халцэдон, агат, горны крышталь, сердалік і многія іншыя. Утварыліся яны дзякуючы ўваходжанню ў склад крэмнію розных рэчываў, якія вызначылі іх шчыльнасць, структуру, колер і кірунак выкарыстання. Увесь неарганічны свет можна звязаць з гэтым хімічным элементам, які ў прыродным асяроддзі ўтварае трывалыя сувязі з металамі і ня металамі (цынк, магній, кальцый, марганец, тытан і т. Д.). У параўнанні з іншымі рэчывамі, крэмній досыць лёгкадасягальны для здабычы ў вытворчых маштабах: ён змяшчаецца ў большасці відаў руды і мінералаў. Таму актыўна распрацоўваюцца радовішча прывязваюцца хутчэй да даступных крыніцах энергіі, чым да тэрытарыяльных навалы рэчывы. Кварцытамі і кварцавыя пяскі ёсць ва ўсіх краінах свету. Найбольш буйнымі вытворцамі і пастаўшчыкамі крэмнія з'яўляюцца: Кітай, Нарвегія, Францыя, ЗША (Заходняя Вірджынія, Агаё, Алабама, Нью-Ёрк), Аўстралія, ПАР, Канада, Бразілія. Усе вытворцы выкарыстоўваюць розныя спосабы, якія залежаць ад выгляду выпускаемай прадукцыі (тэхнічны, паўправадніковы, высокачашчынны крэмній). Хімічны элемент, дадаткова абагачаны або, наадварот, вычышчаны ад усіх відаў прымешак, мае індывідуальныя ўласцівасці, ад якіх залежыць яе далейшае выкарыстанне. Гэта адносіцца і да дадзенага рэчыву. Будова крэмнія вызначае сферу яго прымянення.

Гісторыя выкарыстання

Вельмі часта з-за падабенства найменняў людзі блытаюць крэмній і крэмень, аднак паняцці гэтыя не тоесныя. Занясем яснасць. Як ужо згадвалася, у прыродзе крэмній у чыстым выглядзе не сустракаецца, чаго нельга сказаць пра яго злучэннях (той жа кремнезем). Асноўныя мінералы і горныя пароды, якiя ўтвараюцца дыяксідам разгляданага намі рэчывы - гэта пясок (рачны і кварцавы), кварц і кварцытамі, палявыя шпаты і крэмень. Пра апошні чулі, павінна быць, усё, бо яму надаецца вялікае значэнне ў гісторыі развіцця чалавецтва. З дадзеным каменем звязваюць першыя прылады працы, створаныя людзьмі ў перыяд каменнага веку. Яго вострыя грані, якія ўтвараюцца пры откалывании ад асноўнай пароды, значна палягчалі праца старажытных хатніх гаспадынь, а магчымасць завастрэння - паляўнічых і рыбаловаў. Крэмень не валодаў трываласцю металічных вырабаў, але якія выйшлі са строю інструменты было лёгка замяніць новымі. Яго выкарыстанне ў якасці крэсіва працягвалася многія стагоддзя - аж да вынаходкі альтэрнатыўных крыніц.

Што тычыцца сучасных рэалій, ўласцівасці крэмнія дазваляюць эксплуатаваць рэчыва для аздаблення памяшканняў або стварэння керамічнага посуду, пры гэтым, акрамя выдатнага эстэтычнага выгляду, ён мае мноства выдатных функцыянальных якасцяў. Асобны кірунак яго прымянення звязана з вынаходствам шкла каля 3000 гадоў таму. Гэта падзея дало магчымасць ствараць люстэркі, посуд, мазаічныя вітражы з злучэнняў, якія змяшчаюць крэмній. Формула пачатковага рэчывы дапаўнялася неабходнымі складнікамі, што дазваляла надаваць вырабу патрабаваны колер і ўплывала на трываласць шкла. Дзіўныя па прыгажосці і разнастайнасці творы мастацтва былі зробленыя чалавекам з мінералаў і камянёў, якія змяшчаюць крэмній. Гаючыя ўласцівасці гэтага элемента былі апісаны навукоўцамі старажытнасці і ўжываліся на працягу ўсёй гісторыі чалавецтва. Ім выкладвалі студні для пітной вады, каморы для захоўвання прадуктаў, выкарыстоўвалі як у побыце, так і ў медыцыне. Парашок, атрыманы ў выніку драбнення, прыкладвалі да ран. Асаблівая ўвага надавалася вадзе, якая настойвае у посудзе, зробленай са злучэнняў, якія змяшчаюць крэмній. Хімічны элемент ўзаемадзейнічаў з яе складам, што дазваляла знішчаць шэраг хваробатворных бактэрый і мікраарганізмаў. І гэта яшчэ далёка не ўсе галіны, дзе разгляданая намі рэчыва вельмі і вельмі запатрабавана. Будова крэмнія абумоўлівае яго шматфункцыянальнасць.

ўласцівасці

Для больш падрабязнага азнаямлення з асаблівасцямі рэчывы яго неабходна разгледзець з улікам усіх магчымых уласцівасцяў. План характарыстыкі хімічнага элемента крэмнія ўключае ў сябе фізічныя ўласцівасці, электрафізічныя паказчыкі, вывучэнне злучэнняў, рэакцыі і ўмовы іх праходжання і т. Д. Крэмній ў крышталічнай форме мае цёмна-шэры з металічным адлівам колер. Рашотка гранецентрированная кубічных мае падабенства з вугляроднай (алмаз), але за кошт большай даўжыні сувязяў не настолькі трывалая. Пластычным яе робіць награванне да 800 ^аб З, у астатніх выпадках яна застаецца крохкім. Фізічныя ўласцівасці крэмнія робяць гэта рэчыва сапраўды унікальным: ён з'яўляецца празрыстым для інфрачырвонага выпраменьвання. Тэмпература плаўлення - 1410 ⁰ З, кіпення - 2600 ⁰ З, шчыльнасць пры нармальных умовах - 2330 кг / м ^3. Цеплаправоднасць нясталая, для розных узораў яна прымаецца у прыблізным значэнні 25 ⁰ С. Уласцівасці атама крэмнія дазваляюць выкарыстоўваць яго ў якасці паўправадніка. Гэты кірунак прымянення найбольш запатрабавана ў сучасным свеце. На велічыню электраправоднасці аказвае ўплыў склад крэмнію і элементы, якія знаходзяцца ў злучэнні з ім. Так, для падвышанай электроннай праводнасці выкарыстоўваюцца сурма, мыш'як, фосфар, для дзіркаватай - алюміній, галій, бор, індый. Пры стварэнні прыбораў з крэмніем у якасці правадыра ўжываецца павярхоўная апрацоўка пэўным агентам, які і аказвае ўплыў на працу апарата.

Ўласцівасці крэмнія як выдатнага правадыра выкарыстоўваюцца досыць шырока ў сучасным прыборабудаванні. Асабліва актуальна яго прымяненне пры вытворчасці складанай тэхнікі (напрыклад, сучасныя вылічальныя прылады, кампутары).

Крэмній: характарыстыка хімічнага элемента

У большасці выпадкаў крэмній четырехвалентен, таксама сустракаюцца сувязі, у якіх ён можа мець значэнне +2. Пры нармальных умовах ён малоактивен, мае трывалыя злучэння, пры пакаёвай тэмпературы можа ўступіць у рэакцыю толькі са фторам, якія знаходзяцца ў газападобным агрэгатным стане. Гэта тлумачыцца эфектам блакавання паверхні диоксидной плёнкай, які назіраецца пры ўзаемадзеянні з навакольным кіслародам або вадой. Для стымуляцыі рэакцый неабходна ўжываць каталізатар: павышэнне тэмпературы ідэальна падыходзіць для такога рэчыва, як крэмній. Хімічны элемент ўзаемадзейнічае з кіслародам пры 400-500 ⁰ З, у выніку диоксидная плёнка павялічваецца, ідзе працэс акіслення. Пры павышэнні тэмпературы да 50 ⁰ З назіраецца рэакцыя з бромам, хлорам, ёдам, у выніку чаго ўтвараюцца лятучыя тетрагалогениды. З кіслотамі крэмній не ўзаемадзейнічае, выключэнне складае сумесь фтористоводородной і азотнай, пры гэтым любая шчолач ў нагрэтым стане з'яўляецца растваральнікам. Кремневодороды ўтвараюцца толькі шляхам раскладання силицидов, у рэакцыю з вадародам ён не ўступае. Найбольшай трываласцю і хімічнай пасіўнасцю адрозніваюцца злучэння з борам і вугляродам. Высокую ўстойлівасць па адносінах да шчолачаў і кіслот мае злучэнне з азотам, якое адбываецца пры тэмпературы звыш 1000 ⁰ С. Силициды атрымліваюцца пры рэакцыі з металамі, і ў гэтым выпадку ад дадатковага элемента залежыць валентнасць, якую паказвае крэмній. Формула рэчывы, адукаванага пры ўдзеле пераходнага металу, з'яўляецца стойкай да ўздзеяння кіслот. Будова атама крэмнія напрамую ўплывае на яго ўласцівасці і здольнасць ўзаемадзейнічаць з іншымі элементамі. Працэс адукацыі сувязяў у прыродзе і пры уздзеяннях на рэчыва (у лабараторных, прамысловых умовах) адрозніваецца значна. Будова крэмнія прадугледжвае яго хімічную актыўнасць.

будынак

Схема будовы атама крэмнія мае свае асаблівасці. Зарад ядра +14, што адпавядае парадкаваму нумару ў перыядычнай сістэме. Колькасць зараджаных часціц: пратонаў - 14; электронаў - 14; нейтронаў - 14. Схема будынка атама крэмнія мае наступны выгляд: Si +14) 2) 8) 4. На апошнім (знешнім) узроўні размешчана 4 электрона, што вызначае ступень акіслення са знакам «+» або «-». Аксід крэмнію мае формулу SiO ₂ (валентнасць 4 +), лятучае вадароднае злучэнне - SiH ₄ (валентнасць -4). Вялікі аб'ём атама крэмнія дазваляе ў некаторых злучэннях мець каардынацыйная лік 6, напрыклад, пры злучэнні са фторам. Малярная маса - 28, радыус атама - 132 пм, канфігурацыя электроннай абалонкі: 1S ² 2S ² 2P ⁶ 3S ² 3P ^2.

прымяненне

Павярхоўна або цалкам легаваны крэмній выкарыстоўваецца ў якасці паўправадніка пры стварэнні многіх, у тым ліку высокадакладных, прыбораў (напрыклад, сонечныя фотаэлементы, транзістары, выпрамнікі току і т. Д.). Сверхчистый крэмній ўжываецца для стварэння сонечных батарэй (энергетыка). Монакрышталічнага выгляд выкарыстоўваецца для вырабу люстэркаў і газавага лазера. Са злучэнняў крэмнія атрымліваюць шкло, керамічную плітку, посуд, фарфор, фаянс. Разнастайнасць атрымліваюцца відаў тавараў апісаць складана, іх эксплуатацыя адбываецца на побытавым узроўні, у мастацтве і навуцы, на вытворчасці. Атрымоўваны цэмент служыць сыравінай для стварэння будаўнічых сумесяў і цэглы, аздобных матэрыялаў. Распаўсюджванне алеяў, змазкі на аснове кремнийорганических злучэнняў дазваляе значна паменшыць сілу трэння ў рухомых частках многіх механізмаў. Силициды за кошт унікальных уласцівасцяў ў галіне процідзеяння агрэсіўным серадах (кіслотам, тэмператур) шырока ўжываюцца ў прамысловасці. Іх электрычныя, ядзерныя і хімічныя паказчыкі прымаюць пад увагу спецыялісты на складаных вытворчасцях, не апошнюю ролю адыгрывае і будова атама крэмнію.

Мы пералічылі самыя навукаёмістыя і перадавыя на сённяшні дзень сферы ўжывання. Найбольш распаўсюджаны, які вырабляецца ў вялікіх аб'ёмах тэхнічны крэмній выкарыстоўваецца па цэлым шэрагу кірункаў:

1. У якасці сыравіны для вытворчасці больш чыстага рэчывы.
2. Для легіравання сплаваў у металургічнай прамысловасці: наяўнасць крэмнія павялічвае тугаплаўкія, павышае ўстойлівасць да карозіі і механічную трываласць (пры лішку дадзенага элемента сплаў можа апынуцца занадта далікатным).
3. У якасці раскислителя для выдалення лішняга кіслароду з металу.
4. Сыравіну для вытворчасці силанов (злучэнняў крэмнія з арганічнымі рэчывамі).
5. Для вытворчасці вадароду са сплаву крэмнія з жалезам.
6. Выраб сонечных батарэй.

Вяліка значэнне дадзенага рэчыва і для нармальнага функцыянавання арганізма чалавека. Будова крэмнія, яго ўласцівасці з'яўляюцца ў дадзеным выпадку вызначальнымі. Пры гэтым празмернасць або недахоп яго вядзе да сур'ёзных захворванняў.

У арганізме чалавека

Медыцына досыць даўно выкарыстоўвае крэмній у якасці бактэрыцыднае і антысептычнага сродкі. Але пры ўсёй карысці вонкавага прымянення дадзены элемент павінен стала аднаўляцца ў арганізме чалавека. Нармальны ўзровень яго ўтрымання дазволіць палепшыць жыццядзейнасць у цэлым. У выпадку яго недахопу больш за 70 мікраэлементаў і вітамінаў не будуць засвоены арганізмам, што значна панізіць супраціўляльнасць да цэлага шэрагу захворванняў. Найбольшая адсоткавыя суадносіны крэмнія назіраецца ў касцях, скуры, сухажыллях. Ён мае ролю структурнага элемента, які падтрымлівае трываласць і надае пругкасць. Усе шкілетныя цвёрдыя тканіны фармуюцца за кошт яго злучэнняў. У выніку апошніх даследаванняў выяўлена ўтрыманне крэмнія ў нырках, падстраўнікавай залозе і злучальных тканінах. Роля звестак органаў у функцыянаванні арганізма досыць вялікая, таму зніжэнне яго ўтрымання пагібельна адаб'ецца на многіх асноўных паказчыках жыццезабеспячэння. У суткі з ежай і вадой арганізм павінен атрымліваць 1 грам крэмнія - гэта дапаможа пазбегнуць магчымых хвароб, такіх як запаленчыя працэсы скурнага покрыва, размякчэнне костак, адукацыю камянёў у печані, нырках, пагаршэнне зроку, стану валасоў і пазногцяў, атэрасклероз. Пры дастатковым узроўні зместу дадзенага элемента павышаецца імунітэт, нармалізуюцца абменныя працэсы, паляпшаецца засваенне многіх элементаў, неабходных для здароўя чалавека. Найбольшая колькасць крэмнію - у злакавых культурах, радысцы, грачанай крупы. Значную карысць прынясе крэмніевыя вада. Для вызначэння колькасці і частоты яе выкарыстання лепш пракансультавацца са спецыялістам.