Кремний плюс: химия и применение¶

Кремний плюс — неофициальное собирательное обозначение кремния и его соединений в контексте их взаимодействия с другими элементами, а также обобщённое название ряда товарных продуктов и технологических решений, в которых кремний выступает ключевым компонентом. В химической литературе под этим словосочетанием чаще всего понимают реакции кремния с металлами, галогенами, кислородом и углеродом, приводящие к образованию силицидов, галогенидов, диоксида кремния и карбида кремния. В прикладном смысле термин используется в маркировке удобрений, биологически активных добавок, строительных смесей и полупроводниковых материалов.

¶Кремний как химический элемент

Кремний (Si) — элемент 14-й группы периодической системы, атомный номер 14, атомная масса 28,085. Это второй по распространённости элемент земной коры после кислорода: на его долю приходится около 27–29 % массы литосферы. В свободном виде в природе не встречается, образуя преимущественно кислородные соединения — кварц, полевые шпаты, слюды, глинистые минералы.

Кристаллический кремний — тёмно-серое хрупкое вещество с металлическим блеском, полупроводник. Температура плавления — 1414 °C, кипения — около 3265 °C. При обычных условиях химически инертен благодаря оксидной плёнке, но при нагревании реагирует с большинством активных элементов.

¶Реакции с металлами и неметаллами

Значительная часть соединений, объединяемых понятием «кремний плюс», образуется при высокотемпературном взаимодействии кремния с другими элементами.

¶Силициды

При сплавлении кремния с металлами образуются силициды — соединения, часто обладающие металлической проводимостью и высокой твёрдостью. Примеры:

• Mg₂Si — силицид магния, применяется для получения силана;
• FeSi — ферросилиций, ключевой легирующий компонент в металлургии;
• MoSi₂ — дисилицид молибдена, жаростойкий материал для нагревателей.

¶Галогениды

Кремний непосредственно реагирует с фтором уже при комнатной температуре, с хлором — при 300–400 °C, образуя тетрагалогениды SiF₄, SiCl₄. Тетрахлорид кремния служит сырьём для получения особо чистого кремния и тетрахлорсилана.

¶Взаимодействие с кислородом и углеродом

Окисление кремния даёт диоксид SiO₂ — основу стекла, кварца, аэрогелей. Реакция с углеродом в электропечах приводит к карбиду кремния SiC, широко используемому как абразив и полупроводниковый материал.

¶Кремний в металлургии

Ферросилиций — сплав железа и кремния с содержанием Si от 45 до 90 % — один из массовых продуктов кремниевой отрасли. Его применяют для раскисления стали, модифицирования чугуна и как восстановитель в производстве ферросплавов. Добавка кремния повышает прочность, упругость и коррозионную стойкость сталей и алюминиевых сплавов (силуминов).

¶Полупроводниковая отрасль

Монокристаллический кремний — базовый материал современной микроэлектроники. Из него изготавливают подложки интегральных схем, солнечные элементы, диоды и транзисторы. Чистота достигает 99,9999999 % (так называемый электронный кремний). Легирование элементами III и V групп (бор, фосфор, мышьяк) придаёт материалу p- или n-тип проводимости.

¶Кремний в биологии и медицине

Кремний входит в состав соединительной ткани, костей, хрящей, волос и ногтей. Биологически доступные формы — кремниевая кислота и её соли — присутствуют в ряде пищевых добавок и косметических средств. Отдельные исследования связывают дефицит кремния с ухудшением состояния костной ткани, однако клинические данные остаются ограниченными и не позволяют делать однозначных выводов.

¶Товарные продукты с обозначением «плюс»

В торговой практике словосочетание «кремний плюс» встречается в названиях:

Кремнийорганические соединения — силоксаны, силаны, силиконы — образуют отдельный крупный класс веществ с широким спектром применения: от смазок и гидрофобизаторов до медицинских имплантатов.

¶Технологические особенности

Ключевые свойства, обеспечивающие востребованность кремния:

• распространённость сырья (песок, кварцит);
• высокая температура плавления и термостойкость соединений;
• полупроводниковые характеристики монокристалла;
• способность образовывать прочные связи с кислородом, углеродом, металлами;
• биологическая инертность ряда силиконов.

Ограничения связаны с энергоёмкостью производства: получение технического кремния требует около 12–14 кВт·ч на килограмм, а очистка до электронного качества — дополнительных затрат.

¶Историческая справка

Кремний выделен в чистом виде в 1824 году шведским химиком Йёнсом Якобом Берцелиусом. Название предложено в 1834 году; русский термин «кремний» введён Гавриилом Гессом. Промышленное производство ферросилиция началось во второй половине XIX века, а полупроводниковая эра кремния отсчитывается с 1950-х годов, когда были получены первые монокристаллы и созданы планарные транзисторы.