Предыдущий урок:
Первый урок:
Так же мой телеграм канал "Наука и фантастика":
Кремний – очень важный химический элемент. Благодаря ему вы как раз читаете эту статью. Из кремния делают основу для полупроводниковых приборов, в том числе для процессоров, которые являются основной деталью в современных компьютерах.
А еще это очень особенный элемент. Он занимает промежуточное положение между проводниками и диэлектриками, то есть, является полупроводником. Что же делает его таким особенным? Во-первых, особое положение в таблице Менделеева, он идет стразу после алюминия и является четырехвалентным. В отличие от углерода, который довольно неплохо проводит электрический ток, кремний, в чистом виде, является, фактически, диэлектриком. Но стоит добавить в него немного какой-нибудь примеси, как кремний тут же начинает проводить электрический ток. Причем, что характерно, в зависимости от типа примеси, кремний может являться как n-проводником, так и p-проводником. В первом случае электрический ток проводят свободные электроны. В случае p-проводимости ток проходят такие хитрые частицы, которые вовсе не частицы (квазичастицы), которые на сленге физиков называются «дырки». Такая «дырка» – это, по сути, отсутствие электрона в атоме. Недостающий электрон атом может забрать у другого атома, и тогда «дырка» переместиться туда. Таким образом, «дырки» как бы движутся, а так как они имеют электрический заряд, то, двигаясь, способны проводить электрический ток. Но самое интересное происходит на границе между областями проводимости p и n. Это уже физика, поэтому здесь мы не будем обсуждать этот pn-переход. Скажу только, что он создает очень интересные эффекты, которые используют в диодах, транзисторах и прочих полупроводниковых элементах, включая микросхемы и процессоры, которые используют в современных компьютерах.
Но вернемся к химии. И так, кремний – это такой темно серый, немного блестящий кристалл, вот так он выглядит:
Познакомимся с его химическими свойствами.
Кремний довольно неохотно вступает в химическую реакцию. Это, в частности, обусловлено тем, что на его поверхности образуется прочная оксидная пленка, препятствующая дальнейшей реакции.
Однако, с газообразным фтором кремний реагирует даже при комнатной температуре (фтор, как вы помните, весьма агрессивный элемент):
А вот с другими галогенами, такими как хлор, бром, йод кремний реагирует только если его нагреть до 400-500 градусов Цельсия. При аналогичной температуре кремний реагирует и с кислородом:
Такая реакция происходит из-за того, что при нагревании ускоряется диффузия кислорода сквозь пленку диоксида кремния. Пленка при этом утолщается.
Надо сказать, что из диоксида кремния на 98% состоит обычный песок. Остальные 2% – это примеси типа оксида алюминия и железа. Так что, в следующий раз, когда пойдете на пляж, не забудьте, что вы загораете лежа на диоксиде кремния J.
Кремний так же реагирует с азотом, но при более высокой температуре (1000 градусов Цельсия):
Если кремний нагреть еще сильнее (более 1000 градусов Цельсия), то он будет реагировать с углеродом, с образованием карборунда (карбида кремний):
Так же при нагревании кремний реагирует с металлами вот по такой схеме:
Образуемые при этом соединения называются силициды. Пример Ca2Si, Mg2Si и другие.
Кремний может быть подвергнут травлению щелочами и кислотами.
Под травлением понимают удалении поверхностного слоя под действием химической реакции. Его используют как для очистки поверхности от загрязнений, так и для вытравливая различных рисунков, например, дорожек на печатной плате. Печатная плата – это такая пластинка из стеклотексталита или другого материала, на которой есть медные дорожки, к ним паяются разные радиодетали и получается электронное устройство. Для его изготовления сначала на пластине стеклотексталита, покрытой медной фольгой, специальными чернилами рисуют дорожки, затем травят в хлорном железе(III), после чего чернила удаляют.
В случая травления кремния используют смесь плавиковой (HF) и азотной (HNO3) кислоты. При этом идет вот такая сложная реакция:
Сначала кремний реагирует с азотной кислотой, превращается в оксид кремния, он реагирует с плавиковой кислотой с образованием фторида кремния, который реагирует с водой, образуя растворимую кремнефтористоводородную кислоту и нерастворимую кремниевую кислоту, которая выпадает в осадок.
При травлении щелочами раствор нужно немного подогреть, хотя бы до 60 градусов Цельсия. Вот пример реакции травления щелочами:
Кроме всего перечисленного, кремний способен соединяется с атомами углерода в органических соединениях, образуя огромное множество так называемых кремнийорганических соединений, включая силиконы и другие кремнийорганические полимеры.
Кремний, в виде химического элемента, широко применяется в химическом производстве:
· Как сырьё для металлургических производств.
· Как раскислитель при выплавке чугуна.
· Сырьё для производства кремнийорганических материалов.
· Вспомогательное вещество при производстве пластмасс.
Про то, что кремний используется как полупроводник в микросхемах для компьютера, я уже говорил.
Кремний является так же важным биогенным элементом. Он входит в состав опорных образований у растений и скелетов животных, содержится в клеточных стенках некоторых организмов, а так же является важным компонентом множества ферментов.
А теперь о том, как получить кремний. В лабораторных условиях его можно получить из оксида кремния SiO2 – это обычный белый песок. Смешиваем его с магнием (в виде порошка), прокаливаем. Магний вытесняет кислород из оксида кремния:
В результате этой реакции получается так называемый аморфный кремний, имеющий вид бурого порошка.
В промышленности кремний получают восстановлением оксида кремния коксом (так же как и в случае с железом):
Восстановление происходит в специальных рудотермических печах при температуре 1800 градусов Цельсия. Чистота такого кремния 99.9%. Кому-то это может показаться очень хорошим показателем, но для производства микросхем такой кремний не годиться. Поэтому его подвергают дополнительной очистке.
Чистка кремния – это довольно сложный и высокотехнологический процесс. Тут возможно несколько вариантов:
· Превратить кремний в силицид магния (Mg2Si). Далее, при помощи соляной и уксусной кислоты его превращают в моносилан (SiH4). Это такой хитрый газ, о нем мы поговорим отдельно чуть ниже. Этот газ тоже очищают, например ректификацией или путем использование специального сорбента, который вбирает в себя примеси. Очищенный SiH4 разлагают на кремний и водород, в результате получается очищенный кремний.
· В промышленных масштабах используют другой способ: хлорирования. При этом происходит реакция соединения кремния с хлором, с образованием SiCl4, SiHCl3 и SiH2Cl2. Эти вещества так же разделяют, очищают различными способами, в том числе перегонкой, а затем восстанавливают чистым водородом при температуре до 1000 градусов Цельсия.
· Сейчас есть более современные способы очистки кремния. В частности, для получения кремния использую заранее очищенный монооксид кремния. Также для очистки кремния используются технологии, основанные на растворении примесей, концентрирующихся на межкристаллитных границах.
Теперь вернемся к SiH4. И рассмотрим мы его вот в таком контексте альтернативной биохимии. Не раз на страницах научной фантастки поднималась тема неорганической жизни. Идея состоит в том, что углерод может быть замещен кремнием, и таким образом, существовать неорганическая жизнь. Давайте подумаем, насколько это реально. Для начала сравним два вещества. Первое – метан (CH4), это органическое вещество. Второе – как раз SiH4, его органический аналог:
Вроде как свойства похожи. Но это только кажется. Возьмем реакцию с хлором. При комнатной температуре, в темноте, реакция практический не происходит. При рассеянном свете реакция спокойная. При попадание прямого солнечного света реакция может идти практически со взрывом. Но в случае с силаном (SiH4) все происходит совсем по другому. В этом случае смесь взрывается даже в темноте и при низких температурах. Почему? Связи Si-H настолько слабее, чем C-H, что молекула хлора атакует их мгновенно. Это, на самом деле, очень важно отличие, которое и мешает появлению кремниевых форм жизни.
Сравним еще некоторые свойства.
Термодинамическая стабильность.
• Метан: Это очень стабильное соединение. Связь C-H прочная. Метан может существовать миллиарды лет в атмосфере планет (как на Титане) и вступает в реакции только при сильном нагреве или воздействии ультрафиолета.
• Силан: Крайне нестабилен и химически агрессивен (как уже было сказано на примере с хлором). На Земле он самовоспламеняется на воздухе при контакте с кислородом (пирофорность).
Реакция:
Для жизни это проблема: трудно строить сложные структуры из кирпичиков, которые взрываются при малейшем контакте с окислителем.
Отношение к воде (растворителю жизни)
Вода — идеальная среда для углеродной жизни, но она — яд для силанов.
• Метан: Не растворяется в воде и не реагирует с ней. Углеродные цепи прекрасно чувствуют себя в водной среде.
• Силан: В присутствии даже следов щелочи или при определенных условиях в воде силан подвергается гидролизу, распадаясь с выделением водорода.
Вывод: Кремниевая жизнь на основе силанов не может существовать в океане воды. Ей понадобился бы другой растворитель, например, жидкий азот или жидкий метан при экстремально низких температурах.
Энергия связи (Длина цепей)
Способность строить длинные цепи (полимеризация) — основа жизни (ДНК, белки).
• Связь C–C: Очень прочная (347 кДж/моль). Углерод легко образует бесконечные цепи и кольца.
• Связь Si–Si: Почти в два раза слабее (222 кДж/моль). Силаны с длинной цепью (Si_nH_(2n+2)) становятся крайне нестабильными уже при n > 8. Построить аналог сложного белка или ДНК только из кремния и водорода практически невозможно — «скелет» молекулы развалится под собственным весом.
Проблема «выдоха» (Окисление)
Это самый критический аргумент, который часто приводят химики.
• Метаболизм углерода: Когда мы «сжигаем» (окисляем) углеродные соединения, получается CO2 — газ. Он легко покидает организм (мы его выдыхаем).
• Метаболизм кремния: При окислении силана получается SiO2 — диоксид кремния. Это песок или кварц.
В чем же проблема? Если бы кремниевое существо «дышало» кислородом, его легкие (или их аналог) мгновенно забились бы твердым песком. Кремниевая жизнь буквально превращала бы себя в камень в процессе дыхания.
Похоже, у кремневой жизни совсем нет шансов. Но не спешите с выводами. Кое какая надежда все же есть.
Силиконы вместо силанов: Если чередовать кремний не с водородом, а с кислородом (–Si–O–Si–O–), получаются силиконы (те самые, из которых делают искусственные «сиськи»). Они гораздо стабильнее силанов и способны образовывать длинные цепи. Возможно, кремниевая жизнь — это не «песчаные люди», а «живые полимеры». Правда, тут есть проблема: готовому силикону в природе просто неоткуда взяться, в отличие от углеродных соединений – первокирпичиков жизни.
Низкотемпературные миры: В условиях жуткого холода (как на спутниках Юпитера или Сатурна), где метан превращается в жидкость, высокая реакционная способность силанов может стать плюсом. Там, где углеродная химия «засыпает» от холода, кремниевая может только начинаться.
Фторсиланы: Если заменить водород на фтор, стабильность соединений кремния возрастает. Но фтор — редкий элемент во Вселенной.
Теперь подведем некоторые итоги.
Сегодня мы убедились, что кремний — это не просто основа компьютерных процессоров, но и уникальный химический элемент, занимающий особое место между проводниками и диэлектриками.
Вот что важно запомнить:
1. Химическая пассивность — из-за оксидной плёнки кремний реагирует активно только с фтором (даже при комнатной температуре), а с другими веществами — при нагревании (галогены, кислород, азот, углерод, металлы).
2. Полупроводниковые свойства — кремний становится проводником только при добавлении примесей, образуя области `n`-типа (электроны) и `p`-типа (дырки). Их граница (`p-n`-переход) — основа всех современных микросхем и транзисторов.
3. Травление — кремний удаляют смесью плавиковой и азотной кислот или щелочами (при нагревании). Этот процесс используется в микроэлектронике.
4. Получение и очистка:
- В лаборатории — восстановлением оксида кремния магнием (аморфный кремний).
- В промышленности — коксом при 1800 °C (чистота 99,9%).
- Для микросхем нужна глубокая очистка (через силаны или хлориды).
5. Кремний в природе и жизни — основа песка (SiO₂), важный биогенный элемент (скелеты, ферменты, растения).
6. Главный вывод урока — почему кремниевая жизнь маловероятна:
- Силан (SiH₄) взрывоопасен и нестабилен.
- Связи Si–Si слабые, длинные цепи не образуются.
- При окислении даёт твёрдый песок (SiO₂), а не газ.
- Реагирует с водой — основой земной жизни.
Кремний не способен заменить углерод в биохимии Земли, но в экстремально холодных мирах (жидкий метан, фторсиланы) или в форме силиконов теоретически могли бы существовать его соединения с иными свойствами.