Что такое кремний
Кремний - это главный полуметалл в арсенале человечества, элемент четырнадцатой группы третьего периода, находящийся под номером 14 в периодической таблице. Все вычислительные процессы на наших современных устройствах происходят благодаря кремнию.
Как его получают и его свойства
Хоть этот полуметалл почти не встречается в природе в чистом виде, однако он всё таки второй по распространённости элемент на Земле после кислорода. Большая часть земной коры (90%) состоит из минералов кремния:
- кварц
- гранит
- полевой шпат
- глина
Диоксид кремния, или другими словами кварц, в чистому виде представляет собой от красивый прозрачный кристалл. Если потереть два таких кристалла друг об друга, то выделиться тепло и тусклый свет. Это явление называется люминесценция. Так же кварц обладает свойством пьезоэлектрика, это используется в пьезозажигалках. Аметист - фиолетовый кварц с примесями переходных металлов, таких как железо и марганец. Известный в ювелирном деле минерал опал это тот же самый кварц, но с вкраплениями воды.
Однако такие красивые камни встречаются очень редко, чего не скажешь о песке. Да, песок так же состоит их диоксида кремния. Разные оттенки песка имеют разные примеси в своём составе. Песок является довольно инертным материалом, что значит, что он малоактивен и почти не реагирует с другими веществами. Это обусловлено довольно крепкой связью между кремнием и кислородом. Поэтому в чистом виде кремний был получен лишь в 1823 год путём реакции с калием. Но такой кремний недостаточно чист для того чтобы использовать его в производстве процессоров и плат. Чтобы получить, кремний чистота которого выше, используют реакцию диоксида кремния с углеродом. Самому такой опыт провести невозможно, так как чистый кремний можно получить лишь в специальных доменных печах на заводах. Но и эта реакция не даёт достаточно чистый кремний. После доменных печей над остатками реакции проводят хлорирование с последующим восстановлением цинком. Над полученным кремнием можно провести несколько интересных опытов, чтобы выяснить его химические свойства. Например, если подвести кусочек кремния к огню, то можно заметить интересную вещь. Над огнём кремний не меняет свой цвет и не тускнеет, что показывает его устойчивость к окислению. Так же ничего не происходит, если кинуть кусочек этого металла в кислоту. Это еще раз доказывает его инертность. Поликристаллический кремний намного чище всех вышеперечисленных, но из-за того что он состоит из множества скреплённых между собой кристаллов он не годится для производства микроэлектроники. Зато он прекрасно подходит для изготовления солнечных панелей. Кремний имеет и другую особенность, а именно полупроводниковость. Это значит, что при нагреве куска кремния, у него уменьшается сопротивление. У обычных проводников, наоборот, с увеличением температуры повышается и сопротивление. Это свойство широко используется в производстве. Получение монокристаллического кремния - процесс довольно сложный и интересный. Этот метод называется методом Чохральского. Говоря простыми словами на основе этого метода лежит медленное наращивание монокристалла. Этот, уже практически на 100% чистый кремний разрезают на тончайшие диски и наносят на него миллионы маленьких транзисторов. Потом уже готовые диски нарезают еще раз и получают процессоры, которые мы используем в компьютерах, смартфонах и другой технике.
Как его используют
На основе кремниевых полупроводников сейчас устроены практически все повседневные приборы. Заменой кремнию может послужить другой полупроводник, германий. Но он очень редковстречающийся по сравнению с практически вездесущим кремнием. Однако кроме производства микропроцессоров и других высокотехнологичных устройств кремний используется также и в архитектуре, производстве посуды, керамики и много другого. Еще интересный факт, соединения кремний обладают высокой твёрдостью и уствойчивы к высоким температурам, что находит себе применение. Например, твердость карбида кремния по шкале Мосса составляет 9,5 баллов из 10. Так же такие соединения кремния используют в изготовлении:
- бронежилетов
- абразивных дисков для болгарки
- ювелирном деле
- изготовлении стекла
Пластины из карбида кремния при попадании пули дробятся на мелкие осколки и задерживают пулю. Диски для болгарки из карбида известны высоким качеством. С современными технологиями все из того же карбида кремния можно синтезировать кристалл, по свойствам очень близкий к алмазу. Кварцевое стекло знаменито своим высоким качеством и устойчивостью к термальному шоку, то есть внезапному разогреву или охлаждению. Так же не стоит забывать про силикон, который используется в большом количестве отраслей: от косметики до строительства. И это только малая часть того, как используют этот универсальный полуметалл.
Заключение
Кремний - удивительный материал, обладающий разными полезными свойствами. Область его применения настолько широка, что он используется практически во всех областях науки и промышленности. Без него вы бы не жили в своих уютных домах и не читали бы эту статью на своих устройствах. Мне кажется что человечество не может существовать без воды, еды, кислорода и кремния.
