Si · Element 14 · Carbon group
The element that turned sand into civilisation's substrate: every processor you have ever used is a slab of ultrapure silicon.
Строение
Это не схема 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 связей.
Измеренные значения
Каждая полоса показывает, какое место кремний занимает среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные массы IUPAC 2021 года · Справочник химии и физики CRC · NIST. Значения, отмеченные ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Radius 111 pm — that is 0.111 nm, so about 4505 million of them side by side would span a millimetre.
Тепловой диапазон
Кремний is liquid over a 1851 K window, from 1687 K to 3538 K.
История
Кремний — это элемент, который создал информационную эпоху и составляет большую часть почвы под 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 %, создавая полупроводниковые микросхемы, которые обеспечивают работу каждого компьютера, смартфона и цифрового устройства. Кремниевая долина получила своё название благодаря этому элементу, который может переключаться между проведением и изоляцией электричества миллиарды раз в секунду. От древних стеклянных окон до современных солнечных панелей, от компьютерных микросхем до грудных имплантатов — кремний бесчисленным количеством способов формирует наш мир. Каждая песчинка на каждом пляже состоит главным образом из диоксида кремния, поэтому замки строятся из того же элемента, который обеспечивает работу вашего смартфона.
История открытия кремния охватывает тысячелетия: от древних стеклоделов, неосознанно использовавших соединения кремния, до химиков XIX века, выделивших чистый элемент, что в конечном счёте сделало возможной цифровую эпоху, определяющую современную цивилизацию.
Люди использовали соединения кремния более 9 000 лет, не подозревая 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 мастера создавали искусно украшенные стеклянные сосуды с использованием диоксида кремния
500 год до н. э.: римский бетон содержал вулканический пепел (пуццолан), богатый аморфным диоксидом кремния
Римляне, не подозревая об этом, 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., стоит до сих пор отчасти благодаря куполу из бетона, усиленного 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 «Начальный курс химии» Lavoisier включил диоксид кремния в число соединений, которые, по его мнению, содержали ещё не открытые элементы, заложив основу для будущих попыток выделения.
Несколько химиков по всей Европе соперничали в попытках выделить чистый кремний, что привело к противоречивым заявлениям и научным спорам, продолжавшимся более десятилетия.
Британский химик Sir Humphry Davy (1778-1829) впервые попытался выделить кремний в 1808 году, используя изобретённую им электрическую батарею. Davy пытался электролизовать диоксид кремния, но смог получить лишь нечистый тёмный порошок. Несмотря на неудачу, он образовал название «silicon» от латинского «silex» (кремень) с суффиксом «-on» (как в названиях Углерод и Бор).
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 содержит 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 истинного 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 оказалась состоящей из металлических частиц. это вещество и есть кремний 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 масштабах и сделал возможными первые коммерческие применения.
Edward Goodrich Acheson (1856-1931) разработал процесс получения карбида кремния (карборунда) в электрической печи, а позднее — чистого кремния. Его компания The Carborundum Company стала первым крупным производителем кремния, поставляя абразивы, а позднее — материалы для полупроводников.
Превращение кремния из лабораторной диковинки в материал, определивший развитие цивилизации, началось во время Второй мировой войны с развитием радиолокационных технологий.
1940: Russell Ohl из Bell Labs обнаружил фотоэлектрический эффект в кремнии
1947: Bardeen, Brattain и Shockley изобрели первый транзистор (на основе германия)
1954: Bell Labs создала первый практически применимый 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 кристалле
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 химии.
Наследие Berzelius: шведский химик, выделивший кремний, не мог представить, что его коричневый металлический порошок станет основой величайшей технологической революции в истории человеческой цивилизации. Каждый смартфон, компьютер и солнечная панель ведут свою родословную к тому судьбоносному дню 1824 года, когда Berzelius впервые держал чистый кремний в руках.
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 элемента и возможность управлять его электрическими свойствами делают его идеальным материалом для создания транзисторов, диодов и интегральных схем.
Кремниевые пластины: Сверхчистые слитки кремния (чистотой 99.9999999%) нарезают на пластины диаметром 200–300mm и толщиной 0.775mm. В новейших процессорах Intel используется технология производства по нормам 3nm, позволяющая разместить более 100 миллиардов транзисторов на одном чипе.
Процесс легирования: Чистый кремний «легируют» следовыми количествами фосфора (n-типа) или бора (p-типа), чтобы придать ему полупроводниковые свойства. Этот процесс включает ионную имплантацию при энергиях 1–200keV, что позволяет точно управлять электропроводностью.
Фотолитография: Кремниевые пластины подвергаются фотолитографии с использованием экстремального ультрафиолетового (EUV) излучения с длиной волны 13.5nm. EUV-установки ASML стоимостью $200 миллионов каждая обеспечивают точное формирование топологии, необходимое для современных процессоров.
Кремниевые фотоэлектрические элементы преобразуют солнечный свет непосредственно в электричество благодаря фотоэлектрическому эффекту. Современные кремниевые солнечные панели достигают эффективности 22–26% в коммерческих системах.
Соединения кремния лежат в основе современного строительства, входя в состав стекла, бетона и керамики. 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 силовая электроника на основе карбида кремния (SiC) повышает эффективность.
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 10kHz против 2kHz у кремния, обеспечивая меньшие и более лёгкие компоненты.
Применение датчиков: Кремниевые MEMS (микроэлектромеханические системы) создают акселерометры, гироскопы и датчики давления для срабатывания подушек безопасности, системы стабилизации и контроля давления в шинах.
Кремниевые технологии обеспечивают GPS-навигацию, спутниковую связь и исследование космоса. Радиационно-стойкие кремниевые чипы выдерживают суровые условия космического пространства.
Биосовместимость кремния позволяет использовать его в медицинских имплантатах, диагностическом оборудовании и системах доставки лекарств. Инертные свойства кремния делают его идеальным для длительной имплантации.
Технологии на основе кремния окружают нас в бесчисленных формах, часто оставаясь незаметными, но всегда необходимыми. От утреннего будильника до развлечений перед сном кремний делает современную жизнь возможной.
Транзисторов в одном процессоре iPhone 13
Подключённых устройств по всему миру к 2025 году
Требуемый уровень чистоты кремния для полупроводников
Мировая стоимость рынка полупроводников (2022)
Среднестатистический смартфон обладает большей вычислительной мощностью, чем компьютеры, которые помогли Apollo 11 достичь Луны. В том же телефоне находится более 1 миллиарда транзисторов — если бы каждый транзистор был человеком, ими можно было бы заселить Китай, и ещё осталось бы место.
Откуда он берётся
282000 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 99% of elements
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 кремниевых технологий.
Кремний никогда не встречается в природе 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 формируют структуру нашей планеты.
Самый распространённый минерал кремния, составляющий 12% земной коры. Встречается в:
Известные месторождения: кварцевые рудники Бразилии, кристаллические месторождения Арканзаса, «алмазы» Херкимера (NY)
Самая распространённая группа минералов в земной коре (50-60%), включающая:
Образование: высокотемпературная кристаллизация в магматических породах
Продукты выветривания богатых полевым шпатом пород:
Экономическое значение: гончарное производство, покрытие бумаги, буровой раствор
Тёмные силикатные минералы в основных породах:
Встречается в: базальте, габбро, вулканических породах
Космическое путешествие кремния началось в ядрах массивных звёзд в ходе процессов горения кислорода и горения кремния. Когда звёзды массой как минимум в 8 раз больше массы Солнца достигают конца своей жизни, они создают кремний посредством ядерного синтеза.
Горение кислорода (1.5-2 миллиарда K): ¹⁶O + ¹⁶O → ²⁸Si + ⁴He
Горение кремния (3+ миллиарда K): ²⁸Si + ⁴He → ³²S + γ
Во время взрыва сверхновой эти богатые кремнием звёздные ядра рассеиваются по всей галактике и в конечном итоге становятся частью новых звёздных систем, подобных нашей. Кремний в вашем смартфоне буквально сформировался в сердце умирающей звезды миллиарды лет назад.
Кремний сыграл важнейшую роль в формировании планет благодаря следующим процессам:
4.6 миллиарда лет назад: конденсация солнечной туманности привела к образованию богатых кремнием пылевых зёрен
4.5 миллиарда лет назад: аккреция силикатных планетезималей
4.4 миллиарда лет назад: дифференциация ядра и мантии Земли сконцентрировала кремний в мантии
4.0 миллиарда лет назад: кристаллизация первой континентальной коры (богатого кремнием гранита)
3.8 миллиарда лет назад: формирование стабильных кратонов с кремниево-алюминиевым каркасом
В природе кремний встречается в воде в виде растворённой кремниевой кислоты (H₄SiO₄), обычно в концентрациях 1-30 mg/L. В океанской воде содержится примерно 3 mg/L растворённого кремния, необходимого для роста диатомовых водорослей.
Связь с Кремниевой долиной: знаменитый технологический центр получил своё название от кремниевых полупроводников, разработанных там, хотя, как ни иронично, сейчас большая часть кремния поступает из Азии, а не из Калифорнии.
Обращение
Кремний в чистом виде и многие его соединения при нормальных условиях представляют минимальный риск для здоровья. Однако некоторые соединения кремния и промышленные процессы требуют тщательного соблюдения мер безопасности, особенно при воздействии кристаллического диоксида кремния.
Допустимый предел воздействия OSHA: 0.05 mg/m³ (вдыхаемый кристаллический диоксид кремния, 8-часовая средневзвешенная по времени концентрация)
Основной риск: Силикоз — прогрессирующее неизлечимое заболевание лёгких, вызванное вдыханием пыли кристаллического диоксида кремния
Работы с высоким риском: Пескоструйная обработка, добыча полезных ископаемых, разработка карьеров, 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 диоксид кремния из профессиональных 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: Как правило, 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
Обращение 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, поэтому требуются специальные протоколы 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 это легко сделать. Не трите глаза.
Медицинская помощь: Немедленно обратитесь за медицинской помощью, если раздражение не проходит или частицы застряли в глазу.
Немедленное действие: Немедленно выведите человека на свежий воздух. Удалите его из источника воздействия пыли.
Медицинская помощь: При возникновении затруднённого дыхания подайте кислород и доставьте пострадавшего в медицинское учреждение.
Документирование: Зафиксируйте подробности воздействия для медицинской оценки и оформления компенсации работнику.
Незначительное воздействие: Вымойте кожу водой с мылом. Снимите загрязнённую одежду.
Рваные и резаные раны: Остановите кровотечение, очистите рану, наложите стерильную повязку. Острые фрагменты кремния могут потребовать медицинского удаления.
Действие: Прополощите рот водой. Не вызывайте рвоту, если это не рекомендовано медицинским персоналом.
Большие количества: Обратитесь за медицинской помощью, если было проглочено значительное количество вещества или появились симптомы.
• Кремний в бытовой электронике (телефонах, компьютерах) не представляет опасности для здоровья при нормальном использовании
• Кремниевая посуда и пищевой силикон безопасны при контакте с пищевыми продуктами
• Солнечные панели содержат герметично заключённый кремний, который не представляет риска воздействия
• Стеклянные изделия (диоксид кремния) безопасны для повседневного использования
Краткие ответы
Кремний (symbol Si) is element 14 on the periodic table, a металлоид in period 3, group 14. The element that turned sand into civilisation's substrate: every processor you have ever used is a slab of ultrapure silicon. At room temperature it is a solid.
[Ne] 3s² 3p², giving 3 occupied shells holding 2, 8, 4 electrons respectively. Its outer shell holds 4 electrons, which is what sets its bonding behaviour.Кремний melts at 1687 K (1413.9 °C) and boils at 3538 K (3264.9 °C).
The standard atomic weight of Кремний is 28.085 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
Кремний has a density of 2.33 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of кремний is about 2.3× heavier.
Кремний has a Pauling electronegativity of 1.9. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.
Кремний was discovered in 1824 by Jons Jacob Berzelius. It is named after latin silex, "flint".
Кремний makes up about 28.2% of the Earth's crust — one of the most abundant elements there is.