Si · Элемент 14 · Металлоид
Элемент, превративший песок в основу цивилизации: каждый процессор, которым вы когда-либо пользовались, представляет собой пластину из сверхчистого кремния.
Строение
Это не диаграмма из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование химических связей.
Измеренные значения
Каждый столбец показывает положение кремний среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные веса IUPAC 2021 года · Справочник CRC по химии и физике · NIST. Значения, отмеченные символом ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Радиус 111 pm — это 0,111 нм, поэтому около 4,5 миллионов таких атомов, расположенных бок о бок, протянулись бы на миллиметр.
Тепловой диапазон
Кремний находится в жидком состоянии в диапазоне 1851 K — от 1687 K до 3538 K.
История
Кремний — это элемент, который создал информационную эпоху и составляет большую часть почвы под вашими ногами. После кислорода это самый распространённый элемент в земной коре, образующий основу горных пород, песка и стекла. Но настоящая революция кремния произошла, когда учёные научились очищать его до 99.9999999% — так появились полупроводниковые микросхемы, которые обеспечивают работу каждого компьютера, смартфона и цифрового устройства. Silicon Valley получила своё название от этого элемента, способного переключаться между проводимостью и изоляцией электричества миллиарды раз в секунду. От древних стеклянных окон до современных солнечных панелей, от компьютерных микросхем до грудных имплантатов — кремний бесчисленными способами формирует наш мир. Каждая песчинка на каждом пляже состоит главным образом из диоксида кремния, поэтому замки из песка строятся из того же элемента, который обеспечивает работу вашего смартфона.
История открытия кремния охватывает тысячелетия: от древних стеклоделов, которые неосознанно использовали соединения кремния, до химиков XIX века, выделивших чистый элемент и в конечном итоге открывших путь к цифровой эпохе, определяющей современную цивилизацию.
Люди использовали соединения кремния более 9 000 лет, не зная об этом. Археологические свидетельства показывают, что древние цивилизации освоили силикатные технологии задолго до понимания атомной теории.
7000 год до н. э.: первая керамика из богатых кремнием глин в Китае и на Ближнем Востоке
3500 год до н. э.: месопотамское производство стекла с использованием кварцевого песка и поташа
1500 год до н. э.: египетские ремесленники создавали сложные стеклянные сосуды с использованием диоксида кремния
500 год до н. э.: римский бетон содержал вулканический пепел (пуццолан), богатый аморфным диоксидом кремния
Римляне неосознанно создали один из самых прочных бетонов в истории, используя богатый кремнием вулканический пепел с горы Везувий. Пантеон в Риме, построенный в 126 году н. э., до сих пор стоит отчасти благодаря бетонному куполу, упрочнённому кремнием.
Научное исследование кремния началось в эпоху Просвещения, когда химики приступили к систематическому изучению минералов и соединений.
Французский химик Antoine-Laurent de Lavoisier первым предположил, что диоксид кремния (SiO₂) содержит неизвестный элемент. В своей революционной работе 1789 года «Элементарный курс химии» Lavoisier включил диоксид кремния в число соединений, которые, по его мнению, содержали ещё не открытые элементы, заложив основу для будущих попыток их выделения.
Несколько химиков по всей Европе соперничали в попытках выделить чистый кремний, что привело к противоречивым заявлениям и научным спорам, продолжавшимся более десяти лет.
Британский химик Sir Humphry Davy (1778-1829) впервые попытался выделить кремний в 1808 году, используя недавно изобретённую им электрическую батарею. Davy пытался электролизовать диоксид кремния, но смог получить лишь примесь тёмного порошка. Хотя попытка оказалась безуспешной, он образовал название «silicon» от латинского «silex» (кремень) с добавлением суффикса «-on» (как в названиях carbon и boron).
Французские химики Gay-Lussac (1778-1850) и Thénard (1777-1857) пытались выделить кремний, нагревая калий с тетрафторидом кремния (SiF₄). Они получили коричневый порошок, который считали кремнием, однако последующий анализ показал, что он содержал значительное количество соединений кремния, а не чистый элемент.
Шведский химик Jöns Jacob Berzelius (1779-1848) впервые подтвердил выделение чистого кремния 15 мая 1824 года. Его систематический подход и тщательная документация закрепили за ним статус настоящего первооткрывателя кремния.
Berzelius нагревал тетрафторид кремния (SiF₄) с металлическим калием в железном тигле:
SiF₄ + 4K → Si + 4KF
Его нововведение заключалось в промывании продукта водой для удаления фторида калия, а затем разбавленной соляной кислотой для растворения непрореагировавшего калия, в результате чего оставался чистый кремний. Berzelius описал свой продукт как «коричневый порошок с металлическим блеском».
Историческая цитата: «Я получил коричневатую массу, которая при исследовании под микроскопом, по-видимому, состояла из металлических частиц. это вещество является кремнием в металлическом состоянии».
Кремний оставался лабораторной диковинкой, пока в конце XIX века не появились промышленные применения.
Французский химик Henri Sainte-Claire Deville (1818-1881) усовершенствовал производство кремния, восстанавливая диоксид кремния порошком алюминия при высоких температурах. Этот метод позволил получать кремний в больших объёмах и открыл путь к первым коммерческим применениям.
Edward Goodrich Acheson (1856-1931) разработал процесс производства карбида кремния (карборунда), а позднее и чистого кремния в электрической печи. Его компания The Carborundum Company стала первым крупным производителем кремния, поставляя абразивы, а позднее и материалы для полупроводников.
Превращение кремния из лабораторной новинки в материал, определивший развитие цивилизации, началось во время Второй мировой войны с развитием радиолокационных технологий.
1940: Russell Ohl из Bell Labs открыл фотовольтаический эффект в кремнии
1947: Bardeen, Brattain и Shockley изобрели первый транзистор на основе германия
1954: Bell Labs создала первый практический кремниевый солнечный элемент (КПД 6%)
1958: Jack Kilby изобрёл интегральную схему на основе германия; Robert Noyce усовершенствовал её с использованием кремния
1961: началось производство первых коммерческих кремниевых интегральных схем
1971: Intel представила микропроцессор 4004 — первый компьютер на одном чипе
Сегодня кремний обеспечивает глобальную связь, искусственный интеллект, возобновляемую энергетику и освоение космоса. Путь кремния от крошечного коричневого порошка Berzelius в 1824 году до основы процессоров с миллиардами транзисторов представляет собой одно из самых преобразующих открытий в истории химии.
Наследие Berzelius: шведский химик, выделивший кремний, никогда не мог представить, что его коричневый металлический порошок станет основой величайшей технологической революции в истории человечества. Каждый смартфон, компьютер и солнечная панель ведут свою родословную от того судьбоносного дня 1824 года, когда Berzelius впервые держал в руках чистый кремний.
Применение
Уникальные полупроводниковые свойства кремния преобразили человеческую цивилизацию, сделав возможными цифровую эпоху и современные технологии. От смартфонов до космических аппаратов — устройства на основе кремния обеспечивают работу взаимосвязанного мира.
Кремний доминирует в производстве полупроводников, составляя более 95% всех компьютерных чипов. Кристаллическая структура и управляемые электрические свойства этого элемента делают его идеальным для создания транзисторов, диодов и интегральных схем.
Кремниевые пластины: Сверхчистые слитки кремния (чистота 99.9999999%) нарезают на пластины диаметром 200–300 мм и толщиной 0.775 мм. В новейших процессорах Intel используется технология 3-нм техпроцесса, позволяющая разместить более 100 миллиардов транзисторов на одном чипе.
Процесс легирования: Чистый кремний «легируют» следовыми количествами Фосфора (n-типа) или Бора (p-типа), чтобы создать полупроводниковые свойства. Этот процесс включает ионную имплантацию при энергиях 1–200 кэВ, обеспечивая точный контроль электропроводности.
Фотолитография: Кремниевые пластины подвергают фотолитографии с использованием экстремального ультрафиолетового (EUV) света с длиной волны 13.5 нм. EUV-установки ASML стоимостью $200 миллионов каждая обеспечивают точное нанесение структур, необходимое для современных процессоров.
Кремниевые фотоэлектрические элементы непосредственно преобразуют солнечный свет в электричество благодаря фотоэлектрическому эффекту. Современные кремниевые солнечные панели достигают эффективности 22–26% в коммерческих применениях.
Соединения кремния лежат в основе современного строительства благодаря стеклу, бетону и керамике. Силикаты составляют 90% земной коры и являются важнейшими строительными материалами.
Современные автомобили содержат более 1,000 полупроводников на основе кремния, управляющих двигателями, системами безопасности и информационно-развлекательными системами. В электромобилях используются силовые электронные устройства на основе карбида кремния (SiC) для повышения эффективности.
SiC MOSFET: В Tesla Model 3 используются инверторы на основе карбида кремния, работающие при напряжении 650V, что повышает энергоэффективность на 5% и сокращает время зарядки. SiC переключается на частоте 10 кГц против 2 кГц у кремния, что позволяет создавать более компактные и лёгкие компоненты.
Применение датчиков: Кремниевые MEMS (микроэлектромеханические системы) создают акселерометры, гироскопы и датчики давления для срабатывания подушек безопасности, управления устойчивостью и контроля давления в шинах.
Кремниевая технология обеспечивает GPS-навигацию, спутниковую связь и освоение космоса. Радиационно-стойкие кремниевые чипы выдерживают суровые условия космического пространства.
Биосовместимость кремния позволяет создавать медицинские имплантаты, диагностическое оборудование и системы доставки лекарств. Инертные свойства кремния делают его идеальным для долгосрочной имплантации.
Технологии на основе кремния окружают нас в бесчисленных формах, часто оставаясь незаметными, но всегда играя важную роль. От утреннего будильника до вечерних развлечений кремний делает современную жизнь возможной.
Транзисторов в одном процессоре iPhone 13
Подключённых устройств по всему миру к 2025 году
Уровень чистоты, необходимый для полупроводникового кремния
Стоимость мирового рынка полупроводников (2022)
Среднестатистический смартфон обладает большей вычислительной мощностью, чем компьютеры, которые направляли Apollo 11 к Луне. В этом же телефоне более 1 миллиарда транзисторов — если бы каждый транзистор был человеком, ими можно было бы заселить Китай, и ещё осталось бы место.
Откуда он происходит
282000 мг/кг земной коры · более распространён, чем 99% элементов
Кремний — второй по распространённости элемент в земной коре: его массовая доля составляет 27.7%; больше только кислорода. Благодаря такой распространённости кремний является фундаментальным строительным блоком геологии нашей планеты и основой всех технологий на основе кремния.
В природе кремний никогда не встречается в чистом металлическом виде из-за его высокой реакционной способности по отношению к кислороду. Вместо этого он образует бесчисленное множество минералов и соединений, которые буквально создают структуру нашей планеты.
Самый распространённый минерал кремния, составляющий 12% земной коры. Встречается в:
Известные месторождения: кварцевые рудники Бразилии, кристаллические месторождения Арканзаса, геркимерские «алмазы» (NY)
Самая распространённая группа минералов в земной коре (50-60%), включающая:
Образование: кристаллизация при высокой температуре в магматических породах
Продукты выветривания пород, богатых полевыми шпатами:
Экономическое значение: гончарное производство, покрытие бумаги, буровой раствор
Тёмные силикатные минералы в основных породах:
Распространение: базальт, габбро, вулканические породы
Космическое путешествие кремния началось в ядрах массивных звёзд во время процессов горения кислорода и горения кремния. Когда звёзды массой как минимум в 8 раз больше массы нашего Солнца подходят к концу своей жизни, они создают кремний посредством ядерного синтеза.
Горение кислорода (1.5-2 billion K): ¹⁶O + ¹⁶O → ²⁸Si + ⁴He
Горение кремния (3+ billion K): ²⁸Si + ⁴He → ³²S + γ
Во время взрыва сверхновой эти богатые кремнием звёздные ядра рассеиваются по всей галактике и со временем становятся частью новых звёздных систем, таких как наша. Кремний в вашем смартфоне буквально сформировался в сердце умирающей звезды миллиарды лет назад.
Кремний сыграл важнейшую роль в формировании планет благодаря:
4.6 billion years ago: конденсация солнечной туманности образовала богатые кремнием пылевые зёрна
4.5 billion years ago: аккреция силикатных планетезималей
4.4 billion years ago: дифференциация ядра и мантии Земли сконцентрировала кремний в мантии
4.0 billion years ago: кристаллизация первой континентальной коры (богатого кремнием гранита)
3.8 billion years ago: образование стабильных кратонов с кремний-алюминиевым каркасом
В природе кремний встречается в воде в виде растворённой кремниевой кислоты (H₄SiO₄), обычно в концентрациях 1-30 mg/L. В морской воде содержится примерно 3 mg/L растворённого кремния, необходимого для роста диатомовых водорослей.
Связь с Кремниевой долиной: знаменитый технологический центр получил своё название от разработанных там кремниевых полупроводников, хотя, что примечательно, сейчас большая часть кремния поступает из Азии, а не из Калифорнии.
Обращение
Кремний в чистом виде и многие его соединения при обычных условиях представляют минимальный риск для здоровья. Однако некоторые соединения кремния и промышленные процессы требуют особого внимания к безопасности, особенно при воздействии кристаллического кремнезёма.
Допустимый предел OSHA: 0.05 mg/m³ (вдыхаемый кристаллический кремнезём, 8-часовое средневзвешенное значение)
Основной риск: Силикоз — прогрессирующее неизлечимое заболевание лёгких, вызванное вдыханием пыли кристаллического кремнезёма
Работы высокого риска: Пескоструйная обработка, горные работы, добыча в карьерах, резка бетона, изготовление керамики
Симптомы: Одышка, постоянный кашель, утомляемость, боль в груди, дыхательная недостаточность (на поздних стадиях)
Прогрессирование: Простой силикоз (15-20 лет) → Прогрессирующий массивный фиброз → Смерть
Классификация IARC: Канцероген группы 1 (кристаллический кремнезём из производственных источников)
Виды рака: Рак лёгких, потенциально заболевания почек и аутоиммунные заболевания
Факторы риска: Продолжительность и интенсивность воздействия, размер частиц, реакционная способность поверхности
Профилактика: Инженерные средства контроля, защита органов дыхания, медицинское наблюдение
Попадание в глаза: Пыль кремния может вызвать механическое раздражение и истирание роговицы
Контакт с кожей: Обычно не вызывает раздражения, но абразивная пыль может привести к порезам или механическому раздражению
Проглатывание: Большие количества могут вызвать раздражение желудочно-кишечного тракта, но не системную токсичность
Работа с кремниевыми пластинами: Острые края могут вызвать порезы; используйте подходящие инструменты и перчатки с защитой от порезов
Воздействие химических веществ: Обработка кремния включает плавиковую кислоту и требует специальных протоколов безопасности
Высокотемпературные операции: Плавление кремния (1414°C) требует термозащиты и аварийных процедур
Действие: Немедленно промывайте глаза чистой водой в течение 15 минут. Снимите контактные линзы, если их легко снять. Не трите глаза.
Медицинская помощь: Немедленно обратитесь за медицинской помощью, если раздражение сохраняется или частицы застряли в глазу.
Немедленное действие: Немедленно выведите пострадавшего на свежий воздух. Удалите его из источника воздействия пыли.
Медицинская помощь: При затруднённом дыхании подайте кислород и доставьте пострадавшего в медицинское учреждение.
Документирование: Зафиксируйте сведения о воздействии для медицинской оценки и оформления компенсации работнику.
Незначительное воздействие: Вымойте кожу водой с мылом. Снимите загрязнённую одежду.
Порезы: Остановите кровотечение, очистите рану, наложите стерильную повязку. Острые фрагменты кремния может потребоваться удалить медицинским способом.
Действие: Прополощите рот водой. Не вызывайте рвоту, если это не рекомендовано медицинским персоналом.
Большие количества: Обратитесь за медицинской помощью, если проглочено значительное количество вещества или появились симптомы.
• Кремний в бытовой электронике (телефонах, компьютерах) не представляет опасности для здоровья при обычном использовании
• Кремниевая посуда и пищевой силикон безопасны при контакте с пищевыми продуктами
• Солнечные панели содержат герметично encapsulated кремний, который не представляет риска воздействия
• Стеклянные изделия (диоксид кремния) безопасны для повседневного использования
Краткие ответы
Кремний (символ Si) — элемент 14 в периодической таблице, представитель семейства металлоид в 3 периоде, 14 группе. Элемент, превративший песок в основу цивилизации: каждый процессор, которым вы когда-либо пользовались, представляет собой пластину из сверхчистого кремния. При комнатной температуре это твёрдое вещество.
[Ne] 3s² 3p²; она включает 3 занятые электронные оболочки с распределением 2, 8, 4. На внешней оболочке находится 4 электрона, что определяет характер химических связей.Кремний плавится при 1687 K (1413.9 °C) и кипит при 3538 K (3264.9 °C).
Стандартная атомная масса Кремний составляет 28.085 u. Это средневзвешенное значение для его природных изотопов, поэтому оно редко бывает целым числом.
Плотность Кремний составляет 2.33 г/см³. Плотность воды — 1,0 г/см³, поэтому блок из Кремний примерно в 2.3× тяжелее.
Электроотрицательность Кремний по шкале Полинга составляет 1.9. Шкала простирается от 0,70 (франций, наименее склонный притягивать электроны) до 3,98 (фтор, наиболее склонный). Значения в этом среднем диапазоне обычно соответствуют ковалентным, а не преимущественно ионным связям.
Кремний был открыт в 1824 году Jons Jacob Berzelius. Назван в честь латинское silex, «кремень».
На долю Кремний приходится около 28.2% земной коры — это один из самых распространённых элементов.