Кремний: Свойства и применение элементов
Описание
Кремний - химический элемент с символом Si и атомным номером 14. Он широко распространен в природе и играет важную роль в различных отраслях промышленности.
Знакомство с элементом
Кремний - металлоид, то есть обладает свойствами как металлов, так и неметаллов. Это второй по распространенности элемент в земной коре после кислорода. В природе он встречается преимущественно в виде силикатов и диоксида кремния (SiO₂). Кремний необходим для производства полупроводников, солнечных батарей и стекла, а также других продуктов.
Описание химических свойств
Кремний - относительно стабильный элемент, образующий устойчивые соединения с большинством элементов, особенно с кислородом, для создания силикатов. В большинстве своих соединений, включая диоксид кремния (SiO₂) и различные силикаты, он имеет степень окисления +4. Он реагирует с галогенами, такими как хлор, бром и йод, образуя галогениды кремния, например SiCl₄. При высоких температурах кремний также может реагировать с такими металлами, как магний, образуя силициды.
Физические свойства
Кремний - это твердое, хрупкое кристаллическое вещество с серо-голубым металлическим блеском. Он имеет высокую температуру плавления 1414°C (2577°F) и является плохим проводником электричества в чистом виде, хотя его проводимость увеличивается при легировании некоторыми элементами. Твердость и термостойкость кремния делают его ценным материалом для высокопроизводительных промышленных применений.
|
Свойство |
Значение |
|
Атомный номер |
14 |
|
Атомная масса |
28,0855 г/моль |
|
Плотность |
2,33 г/см³ |
|
Температура плавления |
1414°C |
|
3265°C |
|
|
Электропроводность |
Плохая (в чистом виде) |
|
Кристаллическая структура |
Алмазная кубическая |
|
Цвет |
Сине-серый |
Распространенные применения
Кремний широко используется в производстве полупроводников, необходимых для электронных устройств, таких как компьютеры, смартфоны и солнечные батареи. Он также является неотъемлемой частью стекольной промышленности, поскольку составляет основной компонент большинства видов стекла. Кроме того, кремний используется в производстве сплавов, таких как сталь и алюминий, где он служит для повышения их прочности и устойчивости к окислению.
Соединения на основе кремния, такие как карбид кремния (SiC), используются в высокотемпературных и высоковольтных приложениях. Полупроводниковая промышленность использует кремний для производства микропроцессоров, датчиков и интегральных схем.
Методы получения
Кремний в основном получают путем восстановления диоксида кремния в электродуговой печи. Этот метод, известный как процесс Сименса, предполагает нагревание диоксида кремния (SiO₂) с углеродом (обычно в виде кокса) при температуре свыше 2000°C для получения кремния.
В промышленности кремний также может быть получен из руды с помощью различных методов, в зависимости от желаемой чистоты и формы кремния. Высокочистый кремний производится для полупроводников, в то время как кремний более низкой чистоты используется для других целей, например, для производства бетона и стекла.
Сопутствующие промышленные товары
Кремний участвует в производстве нескольких важных промышленных продуктов:
- Полупроводники: используются в производстве компьютерных чипов, датчиков и солнечных батарей.
- Стекло: диоксид кремния является ключевым компонентом всех стеклянных изделий.
- Бетон: соединения на основе кремния способствуют долговечности и прочности бетона.
- Кремниевые сплавы: Такие, как ферросилиций, используются для улучшения свойств стали и алюминия.
- Карбид кремния: Используется в высокоэффективных абразивных материалах и при производстве электрических компонентов.
Часто задаваемые вопросы
Каково основное применение кремния в современных технологиях?
Кремний в основном используется в производстве полупроводников, которые являются основой современной электроники, включая смартфоны, компьютеры и солнечные батареи.
Как добывают кремний на Земле?
В основном кремний добывают путем восстановления диоксида кремния углеродом в электрической печи - этот процесс известен как карботермическое восстановление.
Является ли кремний металлом или неметаллом?
Кремний - это металлоид, то есть он обладает как металлическими, так и неметаллическими свойствами.
Почему кремний используется в солнечных батареях?
Кремний используется в солнечных батареях благодаря своей способности эффективно преобразовывать солнечный свет в электричество. Полупроводниковые свойства кремния делают его идеальным для использования в фотоэлектрических элементах.
Можно ли использовать кремний в производстве сплавов?
Да, кремний широко используется в производстве кремниевых сплавов, которые играют важную роль в повышении прочности и долговечности таких материалов, как сталь и алюминий.
