Элементарный кремний. Кремний в природе. (Решение → 34666)

Заказ №38828

Элементарный кремний. Кремний в природе. Методы получения, свойства и применение кремния. Бинарные соединения кремния: кремневодороды, кременегалогены, силициды, карбид кремния, бориды кремния, нитриды кремния.

Решение:

1.Элементарный кремний Кремний - элемент главной подгруппы четвертой группы третьего периода периодической системы Д.И. Менделеева, с атомным номером 14. Атомная масса 28,085 Обозначается символом Si (лат. Silicium), неметалл. Распределение электронов по электронным оболочкам: 14Si + 14 ) ) ) 2е 8е 4е Электронная формула: 1s 22s 22p 63s 23p 2 Физические свойства кремния: - температура плавления – 14170 С; - температура кипения – 26000 С; - плотность составляет 2,33 г/куб. см, что свидетельствует о хрупкости; - теплоемкость, как и теплопроводность не постоянны даже на самых чистых пробах: 800 Дж/(кг·К), или 0,191 кал/(г·град) и 84-126 вт/(м·К), или 0,20-0,30 кал/(см·сек·град) соответственно; - прозрачен для длинноволнового ИК-излучения, что используется в инфракрасной оптике; - диэлектрическая проницаемость – 1,17; - твердость по шкале Мооса – 7. Аллотропия кремния: Кремний существует в двух аллотропных формах, одинаково устойчивых при нормальной температуре. Кристаллический имеет вид темно-серого порошка. Вещество, хотя и имеет алмазоподобную кристаллическую решетку, является хрупким – из-за чересчур длинной связи между атомами. Интерес представляют его свойства полупроводника. При очень высоких давлениях можно получить гексагональную модификацию с плотностью 2,55 г/куб. см [9]. Однако эта фаза практического значения пока не нашла. Аморфный – буро-коричневый порошок. В отличие от кристаллической формы намного активнее вступает в реакцию. Связано это не столько с инертностью первой формы, сколько с тем, что на воздухе вещество покрывается слоем диоксида. Кроме того, необходимо учитывать и еще один тип классификации, связанный с величиной кристалла кремния, которые в совокупности образуют вещество. Кристаллическая решетка, как известно, предполагают упорядоченность не только атомов, но и структур, которые эти атомы образуют – так называемый дальний порядок. Чем он больше, тем более однородным по свойствам будет вещество. Монокристаллический – образец представляет собой один кристалл. Структура его максимально упорядочена, свойства однородны и хорошо предсказуемы. Именно такой материал наиболее востребован в электротехнике. Однако он же относится к самому дорогому виду, поскольку процесс его получения сложен, а скорость роста низка. 167 Мультикристаллический – образец составляет некоторое количество крупных кристаллических зерен. Границы между ними формируют дополнительные дефектные уровни, что снижает производительность образца, как полупроводника и приводит к более быстрому износу. Технология выращивания мультикристалла проще, потому и материал дешевле. Поликристаллический – состоит из большого количества зерен, расположенных хаотически относительно друг друга. Это наиболее чистая разновидность промышленного кремния, применяется в микроэлектронике и солнечной энергетике. Довольно часто используется в качестве сырья для выращивания мульти- и монокристаллов. Аморфный кремний и в этой классификации занимает отдельную позицию. Здесь порядок расположения атомов удерживается только на самых коротких дистанциях. Однако в электротехнике он все же используется в виде тонких пленок. Свойства аморфного кремния разительно отличаются: он сильно гигроскопичен, намного активнее вступает в реакцию даже при нормальной температуре. 2. Кремний в природе Кремний – очень распространённый элемент и имеет необыкновенно большое значение в очень многих сферах народного хозяйства. Причем активно используется не только само вещество, но все его разнообразные и многочисленные соединения. Содержание кремния в земной коре составляет по разным данным 27,6—29,5 % по массе [5]. Таким образом, по распространённости в земной коре кремний занимает второе место после кислорода. Концентрация в морской воде 3 мг/л. Чаще всего в природе кремний встречается в виде кремнезёма — соединений на основе диоксида кремния (IV) SiO2 (около 12 % массы земной коры) [5]. Основные минералы и горные породы, образуемые диоксидом кремния, — это песок (речной и кварцевый), кварц и кварциты, кремень, полевые шпаты [1]. Вторую по распространённости в природе группу соединений кремния составляют силикаты и алюмосиликаты. Отмечены единичные факты нахождения чистого кремния в самородном виде. 3.Методы получения, свойства и применение кремния 168 Кремний – очень распространенный элемент и имеет необыкновенно большое значение в очень многих сферах народного хозяйства. Причем активно используется не только само вещество, но все его разнообразные и многочисленные соединения. Получение Наиболее простым и удобным лабораторным способом получения кремния является восстановление оксида кремния SiO2 при высоких температурах металлами-востановителями. Вследствие устойчивости оксида кремния для восстановления применяют такие активные восстановители, как магний и алюминий: SiO2 + 4Al = 3Si + 2Al2O3 При восстановлении металлическим алюминием получают кристаллический кремний. Способ восстановления металлов из их оксидов металлическим алюминием открыл русский физикохимик Н.Н. Бекетов в 1865 году. При восстановлении оксида кремния алюминием выделяющейся теплоты не хватает для расплавления продуктов реакции - кремния и оксида алюминия, который плавится при 205°С. Для снижения температуры плавления продуктов реакции в реакционную смесь добавляют серу и избыто алюминия. При реакции образуется легкоплавкий сульфид алюминия: 2Al + 3S = Al2S3 Капли расплавленного кремния опускаются на дно тигля. Кремний технической чистоты (95-98%) получают в электрической дуге восстановлением кремнезёма SiO2между графитовыми электродами. SiO2+2C=Si+2CO В связи с развитием полупроводниковой техники разработаны методы получения чистого и особо чистого кремния. Это требует предварительного синтеза чистейших исходных соединений кремния, из которых кремний извлекают путём восстановления или термического разложения. Чистый полупроводниковый кремний получают в двух видах: поликристаллический (восстановлением SiCl4 или SiHCl3 цинком или водородом, термическим разложением SiСl4 и SiH4) и монокристаллический (бестигельной зонной плавкой и "вытягиванием" монокристалла из расплавленного кремния - метод Чохральского). Путём хлорирования технического кремния получают тетрахлорид кремния. Старейшим методом разложения тетрахлорида кремния является метод выдающегося русского химика академика Н.Н. Бекетова. Метод этот можно представить уравнением: SiCl4+2Zn=Si+2ZnCl2 Здесь пары тетрахлорида кремния, кипящего при температуре 57,6°C, взаимодействуют с парами цинка. В настоящее время тетрахлорид кремния восстанавливают водородом. Реакция протекает по уравнению: SiCl4+2Н2=Si+4НCl. Кремний получается в порошкообразном виде. Применяют и йодидный способ получения кремния. Чтобы получить чистыми кремний, его очищают от примесей зонной плавкой аналогично тому, как получают чистый титан [4]. Для целого ряда полупроводниковых приборов предпочтительны полупроводниковые материалы, получаемые в виде монокристаллов, так как в поликристаллическом материале имеют место неконтролируемые изменения электрических свойств. При вращении монокристаллов пользуются методом Чохральского, заключающимся в следующем: в расплавленный материал опускают стержень, на конце которого имеется кристалл данного материала; он служит зародышем будущего монокристалла [12]. Стержень вытягивают из расплава с небольшой скоростью до 1-2 мм/мин. В результате постепенно выращивают монокристалл нужного размера. Из него вырезают пластинки, используемые в полупроводниковых приборах.

Элементарный кремний. Кремний в природе.Элементарный кремний. Кремний в природе.Элементарный кремний. Кремний в природе.Элементарный кремний. Кремний в природе.Элементарный кремний. Кремний в природе.Элементарный кремний. Кремний в природе.