Krzem: zastosowanie, właściwości chemiczne i fizyczne

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-17 05:38

Jednym z najczęstszych pierwiastków w przyrodzie jest krzem, czyli krzem. Tak szeroka dystrybucja mówi o znaczeniu i znaczeniu tej substancji. Szybko to zrozumieli i przyjęli ludzie, którzy nauczyli się prawidłowo wykorzystywać krzem do własnych celów. Jego zastosowanie opiera się na specjalnych właściwościach, o których powiemy później.

Krzem jest pierwiastkiem chemicznym

Jeśli scharakteryzujemy dany element według pozycji w układzie okresowym, możemy zidentyfikować następujące ważne punkty:

1. Liczba porządkowa - 14.
2. Krótka jest trzecią małą kropką.
3. Grupa - IV.
4. Podgrupa - główna.
5. Struktura zewnętrznej powłoki elektronowej jest wyrażona wzorem 3s²3p².
6. Krzem jest oznaczony symbolem chemicznym Si, który jest wymawiany jako „krzem”.
7. Wykazuje stany utlenienia: -4; +2; +4.
8. Walencja atomu to IV.
9. Masa atomowa krzemu wynosi 28,086.
10. W naturze występują trzy stabilne izotopy tego pierwiastka o liczbach masowych 28, 29 i 30.

Więc atomZ chemicznego punktu widzenia krzem jest dobrze zbadanym pierwiastkiem, opisano wiele jego różnych właściwości.

Historia odkryć

Ponieważ różne związki rozważanego pierwiastka są bardzo popularne i masowe w naturze, od czasów starożytnych ludzie używali i wiedzieli o właściwościach tylko wielu z nich. Czysty krzem przez długi czas pozostawał poza ludzką wiedzą w chemii.

Najpopularniejszymi związkami używanymi w życiu codziennym i przemyśle przez ludy starożytnych kultur (Egipcjanie, Rzymianie, Chińczycy, Rosjanie, Persowie i inne) były kamienie szlachetne i ozdobne na bazie tlenku krzemu. Należą do nich:

• opal;
• cyrkonie;
• topaz;
• chryzopraz;
• onyks;
• chalcedon i inne.

Od czasów starożytnych zwyczajowo używa się kwarcu i piasku kwarcowego w budownictwie. Jednak sam krzem pierwiastkowy pozostawał nieodkryty aż do XIX wieku, chociaż wielu naukowców na próżno próbowało go odizolować od różnych związków, stosując katalizatory, wysokie temperatury, a nawet prąd elektryczny. Są to bystre umysły, takie jak:

• Karl Scheele;
• Gay-Lussac;
• Tenar;
• Humphry Davy;
• Antoine Lavoisier.

Jens Jacobs Berzelius z powodzeniem pozyskał czysty krzem w 1823 roku. W tym celu przeprowadził eksperyment dotyczący fuzji par fluorku krzemu i metalicznego potasu. W rezultacie otrzymał amorficzną modyfikację omawianego pierwiastka. Ten sam naukowiec zaproponował łacińską nazwę dla odkrytego atomu.

Nieco później, w 1855 roku, innemu naukowcowi - Saint Clair-Deville - udało się zsyntetyzować inną odmianę alotropową - krzem krystaliczny. Od tego czasu wiedza na temat tego pierwiastka i jego właściwości zaczęła bardzo szybko rosnąć. Ludzie zdali sobie sprawę, że ma unikalne cechy, które można bardzo inteligentnie wykorzystać do zaspokojenia własnych potrzeb. Dlatego dzisiaj jednym z najbardziej poszukiwanych elementów w elektronice i technologii jest krzem. Jego zastosowanie tylko co roku poszerza jego granice.

Rosyjska nazwa atomu została podana przez naukowca Hessa w 1831 roku. I tak zostało do dziś.

Zawarte w naturze

Krzem jest drugim po tlenie najbardziej rozpowszechnionym w przyrodzie. Jego udział procentowy w porównaniu z innymi atomami w składzie skorupy ziemskiej wynosi 29,5%. Ponadto węgiel i krzem to dwa specjalne pierwiastki, które mogą tworzyć łańcuchy, łącząc się ze sobą. Dlatego z tego ostatniego znane jest ponad 400 różnych naturalnych minerałów, w których jest on zawarty w litosferze, hydrosferze i biomasie.

Gdzie dokładnie znajduje się krzem?

1. W głębokich warstwach gleby.
2. W skałach, osadach i masywach.
3. Na dnie zbiorników wodnych, zwłaszcza mórz i oceanów.
4. W roślinach i życiu morskim królestwa zwierząt.
5. U ludzi i zwierząt lądowych.

Możliwe jest określenie kilku najpopularniejszych minerałów i skał, które zawierają dużą ilośćkrzem. Ich chemia jest taka, że zawartość masy czystego pierwiastka w nich sięga 75%. Jednak konkretna liczba zależy od rodzaju materiału. Tak więc skały i minerały zawierające krzem:

• Skalnie;
• mika;
• amfibole;
• opal;
• chalcedon;
• krzemiany;
• piaskowce;
• glinokrzemiany;
• gliny i inne.

Krzem, gromadzący się w skorupach i zewnętrznych szkieletach zwierząt morskich, ostatecznie tworzy potężne osady krzemionki na dnie zbiorników wodnych. To jedno z naturalnych źródeł tego pierwiastka.

Ponadto odkryto, że krzem może istnieć w czystej, rodzimej postaci – w postaci kryształów. Ale takie depozyty są bardzo rzadkie.

Właściwości fizyczne krzemu

Jeśli charakteryzujesz rozważany pierwiastek za pomocą zestawu właściwości fizycznych i chemicznych, to przede wszystkim należy wskazać parametry fizyczne. Oto kilka kluczowych:

1. Istnieje w postaci dwóch alotropowych modyfikacji - amorficznej i krystalicznej, które różnią się wszystkimi właściwościami.
2. Sieć krystaliczna jest bardzo podobna do diamentowej, ponieważ węgiel i krzem są pod tym względem prawie takie same. Jednak odległość między atomami jest inna (krzem ma więcej), więc diament jest znacznie twardszy i mocniejszy. Typ kratownicowy - sześcienny centrowany.
3. Substancja jest bardzo krucha, w wysokich temperaturach staje się plastyczna.
4. Temperatura topnienia to 1415˚C.
5. Temperaturatemperatura wrzenia - 3250˚С.
6. Gęstość materii - 2,33 g/cm³.
7. Kolor połączenia jest srebrnoszary z charakterystycznym metalicznym połyskiem.
8. Posiada dobre właściwości półprzewodnikowe, które mogą się różnić po dodaniu niektórych środków.
9. Nierozpuszczalny w wodzie, rozpuszczalnikach organicznych i kwasach.
10. Specjalnie rozpuszczalny w alkaliach.

Wyznaczone właściwości fizyczne krzemu pozwalają ludziom kontrolować go i wykorzystywać do tworzenia różnych produktów. Na przykład zastosowanie czystego krzemu w elektronice opiera się na właściwościach półprzewodnictwa.

Właściwości chemiczne

Właściwości chemiczne krzemu są bardzo zależne od warunków reakcji. Jeśli mówimy o czystej substancji o standardowych parametrach, to musimy wyznaczyć bardzo niską aktywność. Zarówno krzem krystaliczny, jak i amorficzny są bardzo obojętne. Nie wchodzić w interakcje z silnymi środkami utleniającymi (z wyjątkiem fluoru) ani z silnymi środkami redukującymi.

Wynika to z faktu, że warstwa tlenku SiO₂ jest natychmiast tworzona na powierzchni substancji, co zapobiega dalszym interakcjom. Może powstawać pod wpływem wody, powietrza, oparów.

Jeśli zmienisz standardowe warunki i podgrzejesz krzem do temperatury powyżej 400˚С, jego aktywność chemiczna znacznie wzrośnie. W takim przypadku zareaguje:

• tlen;
• wszystkie rodzaje halogenów;
• wodór.

Wraz z dalszym wzrostem temperatury możliwe jest tworzenie produktów przyoddziaływanie z borem, azotem i węglem. Szczególne znaczenie ma karborund – SiC, ponieważ jest to dobry materiał ścierny.

Ponadto właściwości chemiczne krzemu są wyraźnie widoczne w reakcjach z metalami. W stosunku do nich jest środkiem utleniającym, dlatego produkty nazywane są krzemkami. Podobne związki są znane z:

• alkaliczne;
• ziemi alkalicznej;
• metale przejściowe.

Niezwykłe właściwości ma związek uzyskany przez stopienie żelaza i krzemu. Nazywa się ceramiką żelazokrzemową i jest z powodzeniem stosowana w przemyśle.

Krzem nie wchodzi w interakcje ze złożonymi substancjami, dlatego ze wszystkich ich odmian może rozpuszczać się tylko w:

• królewska wódka (mieszanina kwasu azotowego i solnego);
• zasady żrące.

W tym przypadku temperatura roztworu powinna wynosić co najmniej 60˚С. Wszystko to po raz kolejny potwierdza fizyczne podstawy substancji - podobną do diamentu stabilną sieć krystaliczną, która nadaje jej siłę i bezwładność.

Metody pozyskiwania

Otrzymywanie czystego krzemu jest procesem dość kosztownym z ekonomicznego punktu widzenia. Dodatkowo, ze względu na swoje właściwości, każda metoda daje tylko 90-99% czysty produkt, podczas gdy zanieczyszczenia w postaci metali i węgla pozostają takie same. Więc samo zdobycie substancji nie wystarczy. Powinien być również jakościowo oczyszczony z obcych elementów.

Na ogół produkcja krzemu odbywa się na dwa główne sposoby:

1. Z białego piaskuktóry jest czystym tlenkiem krzemu SiO₂. Podczas kalcynowania aktywnymi metalami (najczęściej magnezem) powstaje wolny pierwiastek w postaci amorficznej modyfikacji. Czystość tej metody jest wysoka, produkt otrzymuje się z wydajnością 99,9%.
2. Bardziej rozpowszechnioną metodą na skalę przemysłową jest spiekanie stopionego piasku z koksem w specjalistycznych piecach termicznych. Ta metoda została opracowana przez rosyjskiego naukowca Beketova N. N.

Dalsze przetwarzanie polega na poddaniu produktów metodom czyszczenia. W tym celu stosuje się kwasy lub halogeny (chlor, fluor).

Krzem amorficzny

Charakterystyka krzemu będzie niepełna, jeśli nie rozważymy osobno każdej z jego modyfikacji alotropowych. Pierwsza jest amorficzna. W tym stanie rozważana przez nas substancja to brązowo-brązowy proszek, drobno zdyspergowany. Posiada wysoki stopień higroskopijności, po podgrzaniu wykazuje wystarczająco wysoką aktywność chemiczną. W standardowych warunkach może wchodzić w interakcje tylko z najsilniejszym środkiem utleniającym - fluorem.

Nazywanie krzemu amorficznego odmianą krzemu krystalicznego nie jest całkowicie poprawne. Jego sieć pokazuje, że ta substancja jest tylko formą drobno rozproszonego krzemu, który istnieje w postaci kryształów. Dlatego jako takie, te modyfikacje są tym samym związkiem.

Jednak ich właściwości różnią się, dlatego zwyczajowo mówi się o alotropii. Sam w sobie krzem amorficzny mawysoka zdolność pochłaniania światła. Ponadto w pewnych warunkach wskaźnik ten jest kilkakrotnie wyższy niż w przypadku postaci krystalicznej. Dlatego jest używany do celów technicznych. W rozważanej postaci (proszek) związek można łatwo nakładać na dowolną powierzchnię, czy to plastikową, czy szklaną. Dlatego jest to krzem amorficzny, który jest tak wygodny w użyciu. Aplikacja opiera się na produkcji paneli słonecznych o różnych rozmiarach.

Chociaż tego typu baterie zużywają się dość szybko, co wiąże się ze ścieraniem cienkiej warstwy substancji, to jednak ich zastosowanie i zapotrzebowanie tylko rośnie. Rzeczywiście, nawet w krótkim okresie użytkowania ogniwa słoneczne na bazie krzemu amorficznego są w stanie dostarczać energię całym przedsiębiorstwom. Dodatkowo produkcja takiej substancji jest bezodpadowa, co czyni ją bardzo ekonomiczną.

Zdobądź tę modyfikację, redukując związki aktywnymi metalami, takimi jak sód lub magnez.

Krystaliczny krzem

Srebrno-szara błyszcząca modyfikacja danego elementu. To właśnie ta forma jest najczęstsza i najbardziej pożądana. Wynika to z zestawu właściwości jakościowych, które posiada ta substancja.

Charakterystyka krzemu z siecią krystaliczną obejmuje klasyfikację jego rodzajów, ponieważ jest ich kilka:

1. Jakość elektroniczna - najczystsza i najwyższa jakość. To właśnie ten typ jest używany w elektronice do tworzenia szczególnie wrażliwych urządzeń.
2. Słoneczna jakość. Sama nazwaokreśla obszar zastosowania. To także krzem o wysokiej czystości, którego zastosowanie jest niezbędne do tworzenia wysokiej jakości i długotrwałych ogniw słonecznych. Przetworniki fotowoltaiczne stworzone na bazie struktury krystalicznej są wyższej jakości i trwalsze niż te powstałe przy użyciu modyfikacji amorficznej poprzez osadzanie na różnego rodzaju podłożach.
3. Krzem techniczny. Ta odmiana obejmuje te próbki substancji, które zawierają około 98% czystego pierwiastka. Wszystko inne trafia do różnego rodzaju zanieczyszczeń:

• bor;
• aluminium;
• chlor;
• węgiel;
• fosfor i inne.

Ostatnia odmiana omawianej substancji służy do otrzymywania polikryształów krzemu. W tym celu przeprowadzane są procesy rekrystalizacji. W rezultacie pod względem czystości uzyskuje się produkty, które można zaliczyć do grup jakości słonecznej i elektronicznej.

Z natury, polikrzem jest produktem pośrednim między modyfikacją amorficzną i krystaliczną. Ta opcja jest łatwiejsza w obsłudze, lepiej poddaje się recyklingowi i czyści za pomocą fluoru i chloru.

Wynikowe produkty można sklasyfikować w następujący sposób:

• multicilicon;
• monokrystaliczne;
• profilowane kryształy;
• złom krzemu;
• krzem techniczny;
• odpady produkcyjne w postaci fragmentów i skrawków materii.

Każdy z nich znajduje zastosowanie w przemyśle i jest używanyosoba całkowicie. Dlatego procesy produkcyjne z udziałem krzemu są uważane za bezodpadowe. To znacznie zmniejsza jego koszty ekonomiczne bez wpływu na jakość.

Korzystanie z czystego silikonu

Produkcja krzemu w branży jest dość dobrze ugruntowana, a jej skala jest dość duża. Wynika to z faktu, że pierwiastek ten, zarówno czysty, jak i w postaci różnych związków, jest szeroko rozpowszechniony i poszukiwany w różnych dziedzinach nauki i techniki.

Gdzie jest używany czysty krystaliczny i amorficzny krzem?

1. W metalurgii jako dodatek stopowy zdolny do zmiany właściwości metali i ich stopów. Jest więc używany w wytopie stali i żelaza.
2. Różne rodzaje substancji są używane do stworzenia czystszej wersji - polikrzemu.
3. Związki krzemu z substancjami organicznymi - to cały przemysł chemiczny, który zyskał dziś szczególną popularność. Materiały silikonowe są wykorzystywane w medycynie, w produkcji naczyń, narzędzi i wielu innych.
4. Produkcja różnych paneli słonecznych. Ten sposób pozyskiwania energii jest jednym z najbardziej obiecujących w przyszłości. Przyjazna dla środowiska, oszczędna i trwała - główne zalety takiej produkcji energii elektrycznej.
5. Krzem był używany w zapalniczkach od bardzo dawna. Nawet w starożytności ludzie używali krzemienia do tworzenia iskry podczas rozpalania ognia. Ta zasada jest podstawą produkcji różnego rodzaju zapalniczek. Dziś istnieją gatunki, w którychkrzemień zostaje zastąpiony stopem o określonym składzie, co daje jeszcze szybszy efekt (iskrzenie).
6. Elektronika i energia słoneczna.
7. Produkcja luster w urządzeniach laserowych.

Tak więc czysty krzem ma wiele korzystnych i specjalnych właściwości, które pozwalają na wykorzystanie go do tworzenia ważnych i niezbędnych produktów.

Zastosowanie związków krzemu

Oprócz prostej substancji stosuje się również różne związki krzemu i to bardzo szeroko. Istnieje cała gałąź przemysłu zwana krzemianami. To ona opiera się na wykorzystaniu różnych substancji, które zawierają ten niesamowity pierwiastek. Czym są te związki i co produkują?

1. Kwarc lub piasek rzeczny - SiO₂. Służy do produkcji materiałów budowlanych i dekoracyjnych, takich jak cement i szkło. Gdzie te materiały są używane, każdy wie. Żadna konstrukcja nie jest kompletna bez tych składników, co potwierdza znaczenie związków krzemu.
2. Ceramika krzemianowa, w skład której wchodzą materiały takie jak fajans, porcelana, cegła i produkty na ich bazie. Komponenty te są wykorzystywane w medycynie, w produkcji naczyń, ozdób dekoracyjnych, artykułów gospodarstwa domowego, w budownictwie i innych domowych obszarach działalności człowieka.
3. Związki silikonowe - silikony, żele krzemionkowe, oleje silikonowe.
4. Klej silikatowy - używany jako artykuły papiernicze, w pirotechnice i budownictwie.

Krzem, którego cena zmienia się na rynku światowym, ale się nie przekraczaod góry do dołu znak 100 rubli Federacji Rosyjskiej za kilogram (na kryształ), jest poszukiwaną i cenną substancją. Oczywiście związki tego pierwiastka są również szeroko rozpowszechnione i mają zastosowanie.

Biologiczna rola krzemu

Z punktu widzenia znaczenia dla organizmu krzem jest ważny. Jego zawartość i rozmieszczenie w tkankach są następujące:

• 0, 002% - muskularny;
• 0, 000017% - kość;
• krew - 3,9 mg/l.

Każdego dnia około jednego grama krzemu powinno dostać się do środka, w przeciwnym razie zaczną się rozwijać choroby. Nie ma wśród nich śmiercionośnego, jednak przedłużający się głód krzemu prowadzi do:

• wypadanie włosów;
• wygląd trądziku i wyprysków;
• kruchość i kruchość kości;
• łatwa przepuszczalność kapilarna;
• zmęczenie i bóle głowy;
• pojawienie się licznych siniaków i siniaków.

Dla roślin krzem jest ważnym pierwiastkiem śladowym niezbędnym do prawidłowego wzrostu i rozwoju. Eksperymenty na zwierzętach wykazały, że osoby, które codziennie spożywają wystarczającą ilość krzemu, rosną najlepiej.