Кремний

Применение

Элементарный неочищенный кремний и его полупроводниковые соединения добавляются в сплавы, чтобы сделать металлы, такие как алюминий, магний, медь и другие металлы, более стойкими.

Металлургический кремний чистотой 98-99% используется в качестве сырья для производства кремнийорганических и силиконовых смол и масел. В интегральных схемах используются кремниевые чипы. Фотоэлементы для прямого преобразования солнечной энергии используют тонкие пластинки простых кристаллов кремния. Диоксид кремния используется в качестве сырья для производства элементарного кремния и карбида кремния. Большие кристаллы кремния используются для изготовления пьезоэлектрических стекол. Из расплавленного кварцевого песка получают силиконовые стекла, которые используются в лабораториях и на химических предприятиях, а также для электроизоляции. Коллоидная дисперсия кремния в воде используется в качестве покрывающего агента и как компонент для некоторых эмалей.

В строительной отрасли используются соединения кремния в виде песка и цемента, силиката кальция. Производство стекла и фарфора также основано на песке. Кремний используется в качестве сырья в сталелитейной, химической и электронной промышленности, где он обрабатывается при высоких температурах. 

Промышленно важными соединениями кремния являются также силиконы, резина или подобные смолам вещества, которые известны своими водоотталкивающими свойствами и устойчивостью к процессам окисления и химическим воздействиям. Они используются в качестве смазочных материалов при высоких температурах, в качестве уплотнений вокруг окон, крыш или труб, в резиновых шлангах и пластмассовых деталях, например, в автомобильных двигателях, а также в виде силиконовых масел в косметике и средствах по уходу за волосами или для пропитки текстиля.

Карбид кремния почти такой же твердый, как алмаз, используется в качестве абразива. Кристаллы кварца, как природного, так и искусственного происхождения, обладают свойством вибрировать с очень точными частотами при воздействии электрического тока. Это свойство полезно для часов, радио и телевизоров. Жидкое стекло (силикат натрия) используется в чистящих средствах, клеях и отбеливателях для текстильных изделий.

Цеолиты, силиконы, которые используются в качестве регуляторов пенообразования в моющих средствах, напрямую влияют на качество воды. Другие соединения кремния могут действовать как адсорбенты.

Физические свойства

Кристаллическая структура кремния.

Кристаллическая решётка 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 твёрдость кремния значительно меньше, чем алмаза. Кремний хрупок, только при нагревании выше 800 °C он становится пластичным веществом. Он прозрачен для инфракрасного излучения начиная с длины волны 1,1 мкм. Собственная концентрация носителей заряда — 5,81⋅1015 м−3 (для температуры 300 K).

Схематическое изображение зонной структуры кремния

Электрофизические свойства

Элементарный кремний в монокристаллической форме является непрямозонным полупроводником. Ширина запрещённой зоны при комнатной температуре составляет 1,12 эВ, а при Т = 0 К — 1,21 эВ. Концентрация собственных носителей заряда в кремнии при нормальных условиях составляет около 1,5⋅1010 см−3.

На электрофизические свойства кристаллического кремния большое влияние оказывают содержащиеся в нём примеси. Для получения кристаллов кремния с дырочной проводимостью в кремний вводят атомы элементов III группы, таких, как бор, алюминий, галлий, индий. Для получения кристаллов кремния с электронной проводимостью в кремний вводят атомы элементов V группы, таких, как фосфор, мышьяк, сурьма.

При создании электронных приборов на основе кремния используется преимущественно приповерхностный слой монокристалла (толщиной до десятков мкм), поэтому качество поверхности кристалла может оказывать существенное влияние на электрофизические свойства кремния и, соответственно, на свойства созданного электронного прибора. При создании некоторых приборов используется технология, модифицирующая поверхность монокристалла, например, обработка поверхности кремния различными химическими реагентами и её облучение.

  • Диэлектрическая проницаемость: 12
  • Подвижность электронов: 1200—1450 см²/(В·c).
  • Подвижность дырок: 500 см²/(В·c).
  • Ширина запрещённой зоны 1,21 эВ при 0 К.
  • Время жизни свободных электронов: 5 нс — 10 мс
  • Длина свободного пробега электронов: порядка 1 мм.
  • Длина свободного пробега дырок: порядка 0,2—0,6 мм.

Все значения приведены для нормальных условий.

Где используется

Применение кремния определяют свойства. Неметалл хрупок, поэтому непригоден в качестве «скелета» конструкций. Однако эта же характеристика позволяет идеально обрабатывать поверхность кристаллов, что ценят производители электроники.


Применение кремния


Микроконтроллер 1993 года с УФ стиранием памяти 62E40 европейской фирмы STMicroelectronics. За окошечком виден кристалл микросхемы — кремниевая подложка с выполненной на ней схемой.

Промышленность

Кроме IT-индустрии неметалл востребован традиционными сегментами промышленности.

  • Металлургия. Технический кремний используется как раскислитель при выплавке чугуна, упрочнитель сплавов.
  • Машино-, приборостроение. Сплавы с металлами тверды, тугоплавки. Используются как компоненты турбин, термоэлементы оборудования металлургических комбинатов.
  • Электро-, радиотехника. Из неметалла-полупроводника изготавливают фотоэлементы, интегральные схемы, транзисторы, диоды, другую продукцию.
  • Органический, неорганический синтез.
  • Прозрачность вещества для инфракрасного спектра – главный плюс для производителей оптики.
  • Стекольная промышленность. Силикаты – исходник при производстве стекла, хрусталя, керамики, фарфоро-фаянсового ассортимента.
  • Песок – компонент строительных материалов (цемента, бетона).
  • Почти универсален карбид (кремний + углерод). Соединение закупают металлурги, приборостроители, химпром. Твердое (7 баллов по Моосу) вещество используется как полупроводник широкого диапазона действия и абразив.
  • Кремнийорганические соединения закупают производители силиконовой продукции: герметиков, смазок, других изделий.

То есть применение нашлось чистому веществу и соединениям.

Другие сферы

Фармацевты используют кремниевые продукты как базис препаратов для профилактики и лечения атеросклероза, туберкулеза, артрита.

Эстетичные разновидности неметалла – агаты, аметисты, горный хрусталь, опалы, сердолик – закупают ювелиры и собиратели минералогических коллекций.

Лечебная вода

Многие верят, что молитвы и заговоры могут структурировать воду, сделать ее лечебной. На самом деле большое значение имеет содержание в жидкости кремния. Элемент за несколько минут выделяет в воду особое вещество, которое превращает ее в целебную.

Кремний обеззараживает и очищает жидкость, придает ей вкус ключевой. Пить ее нужно прохладной, кипятить нельзя. Вода подходит для людей с любыми заболеваниями, так как элемент позволяет укрепить иммунитет и справиться с разными патологиями.

Приготовить лечебный напиток можно в домашних условиях. Кремний для рецепта лучше приобрести в специальных магазинах. Не стоит подбирать его на лесных полянах или в долинах рек, он может быть загрязнен химикатами. Иногда встречаются смешанные с другими элементами породы.

Предпочтительнее купить черный или серый камень небольшого размера. Его вымывают под проточной водой и помещают на дно стеклянной банки. На каждые 10 г кремния нужно налить в емкость 1 л воды. Банку оставляют в темном месте на трое суток. Все это время ее нельзя трогать или передвигать. Затем жидкость переливают в другой сосуд, а камни можно вымыть и использовать снова.

В лечебной воде меняется структура молекул. Именно поэтому она может оказывать благотворное влияние на организм. Принимать такую жидкость нужно при некоторых проблемах:

  • дисфункции почек;
  • анемии;
  • простудных заболеваниях;
  • кожных воспалениях;
  • гипертонии.

Полезно пить целебную воду беременным, так как их организм изнашивается — начинают выпадать волосы, слоятся ногти, крошатся зубы. Младенцам лучше ее не давать, но можно протирать жидкостью кожу, чтобы на ней не образовывались воспаления. А также она полезна при нарушенной работе пищеварительной системы, закупорке кровеносных сосудов, отитах, упадке сил.

Недостаток или избыток кремния приведет к дисбалансу всех веществ в организме. Это может привести к серьезным проблемам со здоровьем. Возникнут трудности с пищеварительной, кровеносной, нервной и выделительной системой, внешним видом. Влияет элемент и на эмоциональный фон. Нехватка кремния приводит к стрессам и нервным срывам, депрессиям и упадку сил.

Кремний — польза или вред для организма? Почему Кремний важен для организма?

Watch this video on YouTube

Плюсы и минусы

Кремний наделен свойствами, полезными либо нет с утилитарной точки зрения.

Недостатки вещества:

  1. Энергозатратность при получении чистого материала.
  2. Хрупкость. Но при нагреве выше 810°С кремний обретает пластичность.

Достоинства материала:

  1. Доступность сырья: четверть земной коры – это кремний.
  2. Простота технологии извлечения вещества.
  3. Способность образовывать линейку соединений: диоксид, силаны, силициды, силикаты. Плюс твердые конгломераты – база для создания сотен видов стекла, керамики.
  4. Возможности как полупроводника широкого охвата. На электрические характеристики неметалла влияют примеси. Промышленность «эксплуатирует» этот феномен для создания полупроводников заданного типа.

Главный плюс кремния – нулевая токсичность. Она облегчает использование неметалла всеми сегментами рынка, включая медицину и фармакологию.

Химические свойства кремния

Si + O2 → SiO2 (при температуре).

При нагревании кремний как неметалл образует соединения с различными металлами. Такие соединения называются силицидами. Например:

2Ca + Si → Ca2Si (при температуре).

Силициды, в свою очередь, без затруднений разлагаются при помощи воды или некоторых кислот. В результате данной реакции образуется особое водородное соединение кремния – газ силан (SiH4):

Кремний также способен взаимодействовать с фтором (при нормальных условиях):

Si + 2F2 → SiF4.

А при нагревании кремний взаимодействует с другими неметаллами:

Si + 2Cl2 → SiCl4 (400–600°).

3Si + 2N2 → Si3N4 (1000°).

Si + C → SiC (2000°).

Также кремний, взаимодействуя со щелочами и водой, образует соли, называемые силикатами, и газ водород:

Si + 2KOH + H2O → K2SiO3 + H2.

Однако большинство химических свойств данного элемента мы разберем, рассматривая кремний и его соединения, так как именно они являются основными веществами, на которых основано применение и взаимодействие кремния с другими химическими элементами. Итак, какие же соединения кремния являются наиболее распространенными?

Химические реакции

Кремнезем превращается в кремний путем восстановления углеродом.

Фтор реагирует с диоксидом кремния с образованием SiF 4 и O 2, тогда как другие газообразные галогены (Cl 2 , Br 2 , I 2 ) практически не реагируют.

Большинство форм диоксида кремния (за исключением стишовита , который не реагирует в какой-либо значительной степени) подвергаются воздействию плавиковой кислоты (HF) с образованием гексафторкремниевой кислоты :

SiO2+6HF⟶ЧАС2SiF6+2ЧАС2О{\ Displaystyle {\ ce {SiO2 + 6 HF -> H2SiF6 + 2 H2O}}}

HF используется для удаления или формирования рисунка диоксида кремния в полупроводниковой промышленности.

В нормальных условиях кремний не реагирует с большинством кислот, но растворяется плавиковой кислотой.

Si(s)+6HF(водный)⟶SiF62-(водный)+2ЧАС+(водный)+2ЧАС2(грамм){\ Displaystyle {\ ce {Si (s) + 6HF (водн.) -> ^ {2 -} (водн.) + 2H + (водн.) + 2H2 (g)}}}

Кремний подвергается воздействию оснований, таких как водный гидроксид натрия, с образованием силикатов.

Si(s)+4NaOH(водный)⟶SiO44-(водный)+4Na+(водный)+2ЧАС2(грамм){\ Displaystyle {\ ce {Si (s) + 4NaOH (водн.) -> ^ {4 -} (водн.) + 4Na + (водн.) + 2H2 (g)}}}

Диоксид кремния действует как , способная реагировать с основаниями при определенных условиях. Поскольку негидратированный диоксид кремния не содержит водорода, он не может действовать непосредственно как кислота Бренстеда – Лоури . Хотя диоксид кремния плохо растворяется в воде при низком или нейтральном pH (обычно от 2 × 10 -4 M для кварца до 10 -3 M для скрытокристаллического халцедона ), сильные основания реагируют со стеклом и легко растворяют его. Следовательно, прочные основы необходимо хранить в пластиковых бутылках, чтобы избежать заклинивания крышки бутылки, сохранить целостность получателя и избежать нежелательного загрязнения силикатными анионами.

Диоксид кремния растворяется в горячей концентрированной щелочи или плавленом гидроксиде, как описано в этом идеализированном уравнении:

SiO2+2NaOH⟶Na2SiO3+ЧАС2О{\ displaystyle {\ ce {SiO2 + 2 NaOH -> Na2SiO3 + H2O}}}

Диоксид кремния нейтрализует основные оксиды металлов (например , натрия оксид , оксид калия , свинца (II) , оксид , оксид цинка , или смеси оксидов, образуя силикаты и стекла в качестве связей Si-O-Si в кремнеземе разбиты последовательно). Например, реакция оксида натрия и SiO 2 может дать ортосиликат натрия, силикат натрия и стекла, в зависимости от пропорций реагентов:

2Na2О+SiO2⟶Na4SiO4;{\ Displaystyle {\ ce {2 Na2O + SiO2 -> Na4SiO4;}}}
Na2О+SiO2⟶Na2SiO3;{\ Displaystyle {\ ce {Na2O + SiO2 -> Na2SiO3;}}}
(0,25-0,8){\ displaystyle (0,25–0,8)} Na2О+SiO2⟶стакан{\ displaystyle {\ ce {Na2O + SiO2 -> стекло}}}.

Примеры таких стекол имеют коммерческое значение, например натриево-известковое стекло , боросиликатное стекло , свинцовое стекло . В этих стеклах кремнезем называют формирователем сетки или формирователем решетки. Реакция также используется в доменных печах для удаления примесей песка из руды путем нейтрализации оксидом кальция с образованием силикатно-кальциевого шлака .

Связка оптических волокон из диоксида кремния высокой чистоты

Кремний вступает в реакцию диоксида в нагретом с обратным холодильником при диазоте с этиленгликолем и щелочным металлом , основанием для получения высокого реакционной способности , силикаты , которые обеспечивают доступ к широкому спектру новых соединений кремния. Силикаты практически не растворимы во всех полярных растворителях, кроме метанола .

Диоксид кремния реагирует с элементарным кремнием при высоких температурах с образованием SiO:

SiO2+Si⟶2SiO{\ displaystyle {\ ce {SiO2 + Si -> 2 SiO}}}

Растворимость воды

Растворимость диоксида кремния в воде сильно зависит от его кристаллической формы и в три-четыре раза выше для кремнезема, чем для кварца; в зависимости от температуры он составляет около 340 ° C. Это свойство используется для выращивания монокристаллов кварца в гидротермальном процессе, когда природный кварц растворяется в перегретой воде в сосуде высокого давления, который более холоден наверху. Кристаллы весом 0,5–1 кг можно вырастить за 1–2 месяца. Эти кристаллы являются источником очень чистого кварца для использования в электронных устройствах.

Общие данные

Расположение в периодической таблице Д.И. Менделеева: в старой версии — III период, III ряд, IV группа, в новой версии таблицы – 14 группа, 3 период.

  • o    Атомный номер – 14
  • o    Атомная масса – 28,086 а. е. м.
  • o    Электронная конфигурация – 3s2 3p2
  • o    Температура плавления (°С) – 1414,85 (1688 K)
  • o    Температура кипения (°С) – 2349,85 (2623 К).
  • o    CAS: 7440-21-3.

Физико-химические свойства. Физические и химические свойства кремния зависят от его формы.

Кристаллический кремний представляет собой хрупкое, но в то же самое время очень твердое кристаллическое вещество темно-серого цвета с металлическим отблеском.
Аморфный кремний представляет собой порошкообразное вещество бурого цвета.
Под воздействием высоких температур (от 800 °С) Si становится пластичным. Несмотря на отсутствие прозрачности, спокойно пропускает через себя инфракрасный спектр лучей, длина которых составляет от 1.1 микрометра.

Si растворяется в горячих щелочных растворах.

ТОП-9 товаров с диоксидом кремния

А теперь – мой список товаров с биологически активным кремнием от надёжных производителей.

Наименование Описание

Растительный кремнезём, Flora, FloraSil, 178 капсул

Натуральная формула премиум-класса, направленная на снабжение организма кремнезёмом. Восстановление естественной красоты. Без глютена и ГМО. Автор формулы – доктор Луи Кервран. Рекомендуемая суточная доза – одна капсула.

Активированный кремнезём, Jarrow Formulas, JarroSil, 60 мл

Веганская пищевая добавка. Биологически активный диоксид кальция. Поддерживает здоровье костей и других тканей, нормализует процессы кальцификации. Делает кожу более упругой и эластичной, разглаживает морщины. Вырабатывает антиоксиданты. Продукт с улучшенными вкусовыми характеристиками, сделан согласно новейшим американским технологиям. Без пшеницы, сои, древесных орехов, глютена и продуктов животного происхождения. Хорошо растворяется в желудке. Суточная норма – десять капель, разведённых в одном стакане воды или сока.

Природный кремнезём, Solgar, сто капсул

Веганская кремниевая пищевая добавка, положительно воздействующая на здоровье костей. Без ГМО, глютена, синтетических примесей, сои, дрожжей, сахара, соли, молока. Источник – порошок красных океанических водорослей, которые являются источником природного кремния. Суточная доза – две капсулы.

Кремнезём, Eidon Mineral Supplements, Ionic Minerals 535 мл

Веганский минеральный продукт. Нормализует уровень кальция в организме, активизирует выработку коллагена, поддерживает ткани жизненно важных органов в здоровом состоянии. В одной упаковке – 36 порций. Комфортен в применении, хорошо усваивается. При наружном использовании ускоряет заживление ран и ожогов, уменьшает болевые ощущения.
Без глютена и бисфенола-А, сахара, крахмала и прочих синтетических примесей, и побочных вредных продуктов, в том числе животного происхождения.

Диоксид кремния, жидкий концентрат, Eidon Mineral Supplements, Ionic Minerals, 60 мл

Пищевая добавка с диоксидом кремния. Принимает участие в выработке организмом естественного коллагена, а также контролирует уровень кальция. Продукт подходит для веганов. Мягко усваивается организмом. Оздоравливает соединительные ткани сердца, сосудов, костей, органов пищеварения. При местном использовании заживляет повреждения кожи и снимает боль. Без сахара, крахмала, консервантов, синтетических красителей, глютена и других химических примесей, а также продуктов животного происхождения.

Минеральный комплекс с кремнезёмом и холином, California Gold Nutrition, 30 мл

Высококлассный минеральный комплекс кремнезём + холин. Укрепляет структуру тканей. Суточная доза: десять капель. Продукт без синтетических примесей и ингредиентов, способных нанести вред организму.

Растительный кремнезём, Alta Health, 120 таблеток

Полностью натуральная БАД из экстракта полевого хвоща. Без синтетических ингредиентов. Регенерирует ткани, способствует детоксикации. Хорошо впитывается и усваивается.
Суточная доза до трёх таблеток.

Кремнезём, Nature’s Herbs, 295 мг

Экстракт натурального полевого хвоща, содержащий диоксид кремния. Свежесть продукта обусловлена уникальной системой FreshCare, препятствующей процессам окисления растения и продлевающей срок его хранения. Каждая капсула продукта содержит 100% натуральные антиоксиданты, имеет герметическую защиту от проникновения воздуха. Суточная дозировка – 1 капсула. В составе также: желатин, витамин Е, масло розмарина.

Растительный кремнезём для поддержания естественной красоты, Now Foods, Solutions, 92 капсулы

Веганская кремниевая пищевая добавка. Содержит до 70% кремнезёма, произведённого из бамбука. Суточная доза: две капсулы. Без искусственных примесей.

Представляет ли диоксид кремния вред для человека? При неправильном использовании – пожалуй, да. Например, если вдыхать его порошок или превышать рекомендуемую дозу. Что же касается пользы, которую этот элемент приносит нашему организму, то здесь она не только желательна, но и жизненно необходима, так как дефицит этого микроэлемента ведёт к очень неприятным последствиям.

Плюсы и минусы кремния

Попробуем разобраться, в чем же заключаются преимущества и недостатки этого элемента? Как он вообще влияет на жизнь различных организмов?

Кремний необходим растениям для питания и роста, некоторым простейшим организмам для правильного протекания процессов жизнедеятельности.

В организмах высших существ он играет важную роль (является одним из незаменимых микроэлементов), но помимо этого может вредить им (вызывать силикоз – отравление солями этого неметалла).

Незаменима его роль в промышленности и технике, металлургии

А вот медицинские показатели еще до конца не изучены, поэтому применять его для лечения различных заболеваний можно с осторожностью и только по рекомендациям врача

Сферы применения

Применение диоксида кремния определяется свойствами этого элемента, о которых мы говорили выше. Производители в разных сферах промышленности дали высокую оценку безопасному компоненту!

Также рекомендуем: Пищевая добавка Е551

В пищевой промышленности

Давайте поговорим о том, какими особенностями обладает диоксид кремния аморфный в пищевом производстве. А также рассмотрим продукцию, в состав которой входит Е551!

Антислеживающий агент диоксид кремния предотвращает слеживание и комкование в сыпучей продукции – это порошки и мука, манная крупа и приправы, сухое молоко;

Сырные продукты, нарезанные кусочками или натертые, под действие Е551 приобретают однородную структуру, не рассыпаются и не разваливаются;

В снэках (чипсы, сухарики, смеси, кольца кальмара и прочее) этот компонент помогает удержать жидкость, действует в качестве закрепителя запаха и вкусовых особенностей;

Используется в спиртных напитках (в том числе и тех, что делаются на основе коньяка). Это вещество стабилизирует уровень кислотности и нейтрализует излишки щелочных компонентов;

  • Применяется при изготовлении пива – помогает осветлить цвет, увеличивает стойкость напитка за счет адсорбции белков;
  • Сладкие кондитерские изделия покрываются слоем Е551 для усиления прочности и предотвращения ломкости, это вещество избавляет от слипания и помогает увеличить срок хранения. Исключение – шоколадная продукция.

В медицине

Не все знают, что диоксид кремния в медицине является популярным компонентом и входит в состав огромного количества лекарственных средств. Пора поговорить подробнее о том, какие характеристики позволяют этому элементу выполнять массу незаменимых функций!

  • Выступает активным высокодисперсным наполнителем (аэросил);
  • Позволяет многократно усилить действие основного компонента лекарственного средства;
  • Кремния диоксид коллоидный выполняет роль энтеросорбента;
  • Активно выводит токсины и соли тяжелых металлов;
  • Стабилизирует консистенцию лекарственного средства;
  • Является загустителем;
  • Не вызывает аллергических реакций;
  • Обладает антимикробным действием;
  • С легкостью распределяется по ране и быстро впитывается.

Также рекомендуем: Соевый лецитин

Давайте отметим основные группы лекарственных препаратов, в производстве которых используется это вещество:

  • Средства от метеоризма;
  • Вазелин и глицерин;
  • Рыбий жир;
  • Средства для обработки наружных ран;
  • В лекарствах от мастита.

В косметике

Диоксид кремния в косметике прочно занял огромное место – эта добавка наверняка есть в ваших любимых косметических средствах, стоит только внимательнее изучить состав.

  • Присутствует диоксид кремния в зубной пасте – это отбеливающий компонент, обладающий очищающим, абразивным действиям. Отвечает за сохранность и прочность зубной эмали;
  • Используется в производстве кремов и пудры, скрабов, лосьонов и иных жидких эмульсионных веществ. Помогает разгладить морщинки, удаляет неровности кожи. Выводит мертвые клетки, избавляет от блеска и очищает внешний слой кожи.

Влияние на организм человека диоксида кремния мы изучили очень подробно – теперь вы без оглядки, без опаски можете покупать такую продукцию – как пищевые изделия, так и непродовольственные товары. Вы уже знаете, насколько хорош этот компонент – ни в чем не сомневайтесь, не бойтесь за свое здоровье.

Биологическая роль

Для некоторых организмов кремний является важным биогенным элементом. Он входит в состав опорных образований у растений и скелетных — у животных. В больших количествах кремний концентрируют морские организмы — диатомовые водоросли, радиолярии, губки. Большие количества кремния концентрируют хвощи и злаки, в первую очередь — подсемейства Бамбуков и Рисовидных, в том числе — рис посевной.

Он также используется для создания клеточных стенок некоторых организмов и является центром реактивности дюжины или около того ферментов, ответственных за «обработку» диатомового кремнезема y некоторых ракообразных.

Кремний встречается во многих растениях, которые необходимы для правильного развития, но не было доказано, что это необходимо для развития всех видов. Обычно его присутствие повышает устойчивость к вредителям, особенно грибам, препятствует их проникновению в ткани растений, насыщенных кремнеземом. Точно так же в случае животных необходимость в кремнии была продемонстрирована для шестилучевых губок, но, хотя это происходит в телах всех животных, это, как правило, не оказывается необходимым для них. У позвоночных это происходит в больших количествах в волосах и перьях (например, овечья шерсть содержит 0,02—0,08 %  SiO2). Мышечная ткань человека содержит (1—2)⋅10−2 % кремния, костная ткань — 17⋅10−4 %, кровь — 3,9 мг/л. С пищей в организм человека ежедневно поступает до 1 г кремния.

В организме человека

Доказано, что кремний имеет важное значение для здоровья человека, в частности, для ногтей, волос, костей и кожи. Исследования показывают, что женщины в пременопаузе с более высоким потреблением биодоступного кремния имеют более высокую плотность костной ткани, а также, что добавки кремния может увеличить объем и плотность кости у пациентов с остеопорозом

Организм человека нуждается в 20—30 мг кремния в день. Беременным женщинам, людям после операций на костях и пожилым людям требуется более высокая доза, так как количество этого элемента в органах уменьшается с возрастом. Это происходит главным образом в соединительной ткани, из которой строятся сухожилия, слизистые оболочки, стенки кровеносных сосудов, клапаны сердца, кожа и костно-суставная система. Кремний удаляет токсичные вещества из клеток, предпочтительно воздействует на капилляры, герметизирует их, повышает прочность костной ткани, укрепляет защитные силы организма от инфекций, предотвращает преждевременное старение. Снимает раздражения и воспаления кожи, улучшая её общий вид и предотвращая вялость, уменьшает выпадение волос, ускоряет их рост, укрепляет ногти. Поскольку кремний участвует в формировании костной ткани, обеспечивая эластичность кровеносных сосудов, участвующих в поглощении кальция из рациона и роста волос и ногтей, его дефицит в организме человека может вызвать костные аномалии, общее замедление роста, бесплодие, отсутствие развития и остеопороз. Диоксид кремния в нормальных условиях всегда является твёрдым биоинертным, неразлагаемым веществом, склонным к образованию пыли, состоящей из частиц с острыми режущими кромками. Вредное действие диоксида кремния и большинства силицидов и силикатов основано на раздражающем и фиброгенном действии, на накоплении вещества в ткани лёгких, вызывающем тяжёлую болезнь — силикоз. Для защиты органов дыхания от пылевых частиц используются противопылевые респираторы. Тем не менее, даже при использовании средств индивидуальной защиты носоглотка, горло у людей, систематически работающих в условиях запыленности соединениями кремния и особенно монооксидом кремния, имеют признаки воспалительных процессов на слизистых оболочках. Нормы предельно допустимых концентраций по кремнию привязаны к содержанию пыли диоксида кремния в воздухе. Это связано с особенностями химии кремния:

  • Чистый кремний, равно как карбид кремния, в контакте с водой или кислородом воздуха образует на поверхности непроницаемую плёнку диоксида кремния ( SiO2), которая пассивирует поверхность;
  • Многие кремнийорганические соединения в контакте с кислородом воздуха и водяными парами окисляются или гидролизуются с образованием в конечном итоге диоксида кремния;
  • Монооксид кремния ( SiO) на воздухе способен (иногда со взрывом) доокисляться до высокодисперсного диоксида кремния.

Получение

Свободный кремний получается при прокаливании мелкого белого песка (диоксида кремния) с магнием:

SiO2 + 2Mg ⟶ 2MgO + Si

При этом образуется аморфный кремний, имеющий вид бурого порошка.

В промышленности кремний технической чистоты получают, восстанавливая расплав SiO2 коксом при температуре около 1800 °C в рудотермических печах шахтного типа. Чистота полученного таким образом кремния может достигать 99,9 % (основные примеси — углерод, металлы).

Возможна дальнейшая очистка кремния от примесей.

Содержание примесей в доочищенном кремнии может быть снижено до 10 −8 —10 −6 % по массе. Более подробно вопросы получения сверхчистого кремния рассмотрены в статье Поликристаллический кремний.

Способ получения кремния в чистом виде разработан Николаем Николаевичем Бекетовым.

В России технический кремний производится «ОК Русал» на заводах в г. Каменск-Уральский (Свердловская область) и г. Шелехов (Иркутская область); доочищенный по хлоридной технологии кремний производит группа «Nitol Solar» на заводе в г. Усолье-Сибирское.

Краткое описание

Оксид кремния (IV) SiO2 представляет собой твёрдое, тугоплавкое кристаллическое вещество, которое не растворяется в воде и не вступает с ней в реакцию. Химический компонент проявляет окислительные свойства. При температуре от +1000°C SiO2 взаимодействует с активными металлами. В этом случае образуется кремний:

  • SiO2 + 2Mg = Si + 2MgO.
  • 3SiO2 + 4Al = 3Si + 2Al2O3.

При избытке кремния происходит восстановление силицидов. Эта химическая реакция имеет следующую формулу: SiO2 + 4Mg = Mg2Si + 2MgO. Силициум взаимодействует с водородом, а при использовании углерода образуется карборунд: SiO2 + 3C = SiC + 2CO.

Если попробовать сплавить оксид кремния со щелочами, то в итоге можно будет получить силикаты:

  • SiO2 + 2NaOH = Na2SiOO3 + H2O.
  • SiO2 + CaO = CaSiO3.
  • SiO2 + K2CO3 = K2SiO3 + CO2.
  • SiO2 + H2O ≠.

При нормальном давлении и температуре воздуха можно выделить три кристаллические модификации SiO2: тридимит, кварц и кристобалит. В каждом случае известны высокотемпературные и низкотемпературные формы. В их основе лежат тетраэдры SiO4, которые соединены четырьмя атомами кислорода в трёхмерной решётке.

Свойства монооксида

На уроках химии можно узнать, что формула оксида кремния выглядит следующим образом — SiO2. Внешне это вещество имеет вязкую консистенцию, больше напоминает смолу. Без какого-либо воздействия оксид кремния отлично сохраняет своё конденсированное состояние, не подвержен окислению. SiO2 не влияет на образование солей, а также не пропускает ток. Получить монооксид кремния можно двумя доступными методами:

  • Нагреть кремний до отметки +400°C и выше при недостаточном объёме кислорода. Формула выглядит следующим образом: 2Si + O2 → 2SiO.
  • Использование специального метода Чохральского (выращивание монокристаллов путём вытягивания их вверх от свободной поверхности большого объёма расплава) при восстановлении диоксида в условиях высоких температур. Формула: 2SiO2 + Si → 2SiO.

В твёрдом состоянии монооксид представляет собой порошок коричневого цвета. Это химическое вещество обладает высокой прочностью и инертностью при условии взаимодействия с кислотами. Добиться полного растворения монооксида можно только в плавиковой кислоте. Среди основных химических свойств SiO2 можно выделить:

  • Монооксид может разлагаться только под воздействием высоких температур. Отобразить эту реакцию можно с помощью следующей формулы: 2SiO → 2Si + О2.
  • При нагревании монооксид взаимодействует с СО2. Формула: SiO + CO2 → SiO2 + CO.
  • Монооксид кремния вступает в реакцию с парами Н2О, но только при условии нагревания до +500°C. Этот процесс хорошо виден в формуле: SiO + H2O → SiO2 + H2.
  • Жидкий хлорид кремния можно получить в том случае, если дополнительно задействовать хлор и нагреть смесь до +800°C. Наглядно эта реакция выглядит так: 2SiO + 4Cl2 → 2SiCl4 + O2.

Характеристика диоксида

Оксид кремния (SiO2) представляет собой кристаллическое тугоплавкое вещество, которое не растворяется в воде. Этот химический компонент не проводит электрический ток. На уроках химии в 8 классе учащимся объясняют, что диоксид входит в состав следующих горных пород:

  • Песка.
  • Горного хрусталя.
  • Яшмы.
  • Кварца.
  • Агата.
  • Аметиста.

Литосфера на 87% состоит из диоксида. Это химическое вещество имеет немолекулярное строение. Атомы кислорода и кремния связаны ковалентным способом. Благодаря этому сформировалась кристаллическая решётка. Диоксид можно получить в лабораторных условиях. Для этого кремний вместе с кислородом нагревают до отметки +500°C: Si + O2 → SiO2.

После воздействия кислот на растворимые силикаты образуется диоксид. В итоге формируется кремниевая кислота, которая распадается на диоксид и воду. Химическая реакция выглядит следующим образом:

  • Na2 SiO3 + 2CH3COOH → 2CH3COONa + H2SiO3↓.
  • H 2SiO3 → H2O + SiO2.

В нормальных условиях диоксид вступает в реакцию только с плавиковой кислотой. А вот с основными оксидами и щелочами может взаимодействовать только при воздействии высоких температур. Диоксид не реагирует на Н2О. Сегодня это химическое вещество используется для серийного производства силикагеля, стекла и бетона.