Кремний используется в производстве кирпича

Обновлено: 28.04.2024

Наш урок мы начнём с игры в вопросы и ответы. (Вопросы дополнительно представлены в презентации, слайд № 1.).

На берегу речки дети строят замки, лепят фигурки из …… (песка).
В стихотворении С. Михалкова «Что у вас?» дети говорят:
«- А из нашего окна Площадь Красная видна!
А из вашего окошка
Только улицы немножко».
Хрупкое, прозрачное, тонкое, защищает наш дом от холода и непогоды.

О нём говорят: «В избе мёрзнет, а на улице нагревается». Что это? (Стекло).

Уч-ся дают ответы на вопросы.

Уч-ль. Вы правильно ответили на мои вопросы.

Вопрос: А теперь подумайте и скажите: Что объединяет названные вами материалы?

(Ответ: в их состав входят соединения кремния).

Уч-ль: И тема нашего урока называется: «Кремний. Силикатная промышленность».

Сегодня мы с вами познакомимся со строением кремния, его свойствами и обзорно с силикатной промышленностью.

Объяснение нового материала с использованием презентации.

1. Кремний, распространение в природе (сл. № 2.)

Кремний (лат. silicium) – Si.

Русское название «кремний» происходит от греч. (кремнос) – «утёс, скала».

По распространенности в земной коре кремний занимает второе место после кислорода. Земная кора более чем на четверть состоит из его соединений. В природе Si существует только в связанном виде.

Наиболее распространены оксид кремния (IV) SiO₂ или кремнезём и его разновидности, а также силикаты – соли кремниевой кислоты.

2. Природные соединения кремния (сл. № 3.)

Работа с учебником. Учащиеся самостоятельно ищут в учебнике материал о природных соединениях кремния и называют их.

Объяснение уч-ля.

3. Открытие кремния. (сл. № 4.)

Йенс Якоб Берцелиус (1779-1848 гг.) Шведский химик.

Впервые получил кремний в свободном состоянии в 1824 году

4. Характеристика кремния. (Работа уч-ся в процессе беседы по пунктам плана; краткая запись характеристики кремния на доске - как результат совместной работы с учащимися)

Ребята, сейчас вы, опираясь на ранее полученные знания, охарактеризуете кремний как атом и простое вещество по плану указанному в презентации. (сл. № 5)

Номер группы, периода.
Порядковый номер, массовое число.
Заряд ядра, число протонов, нейтронов, электронов.
Схема строения электронной оболочки.
степени окисления комментирует учитель, опираясь на схему строения атомаSiизображённую на доске)
Формула высшего оксида, его характер.
Формула высшего гидроксида.
Формула летучего водородного соединения.

5. Физические свойства кремния (сл. № 6)

Уч-ль: Какие же физические свойства кремния? (Монолог учителя + демонстрация презентации

6. Получение кремния (сл. № 7.)

Уч-ль, материал презентации сообщает о лабораторном и промышленном способах получения кремния.

7. Химические свойства Si (работа со схемой – сл. № 8, инд. работа уч-ся)

Уч-ль: Ребята, используя схему «Химические свойства Si» составьте и запишите в тетрадь соответствующие уравнения реакций.

Правильность выполнения задания уч-ся проверяют по записям ранее написанным на доске

8. Оксид кремния (IV) SiO₂ (Объяснение с использованием слайда № 9.)

Уч-ль. В результате горения кремния образовался оксид кремния(IV).

Он обладает специфическими физическими свойствами, каковы они и с чем связаны вы узнаете из данного слайда. Слайд № 9.

9. Химические свойства SiO₂

Запись уравнений реакций взаимодействия SiO₂ с HF, NaOH, СaO, СaСO₃ на доске.

(уч-ся называют возможные продукты реакции).

Уч-ль обращает внимание учеников на то, что кремнезем SiO₂ в воде нерастворим, поэтому кремниевую кислоту получают побочным путем, растворяя кремнезем в щелочах. Предлагает запомнить состав силикатного клея.

10. Качественная реакция на силикаты (сл. № 11). Демонстрация опыта. Уравнение реакции записано на доске.

11. Силикатная промышленность. Краткий обзор отраслей и продукции силикатной промышленности

Керамика.

Фарфор = каолин+ глина + кварц + полевой шпат. Родина фарфора – Китай, где фарфор известен уже в 220г. В 1746 г –налажено производство фарфора в России

«Фаянс»-от названия итальянского города Фаэнца. Где в 14-15веках было развито керамическое ремесленничество.Фаянс – отличается от фарфора большим содержанием глины (85%), более низкой температурой обжига.

12. Применение соединений кремния

Природные соединения кремния - песок (SiO₂) и силикаты используются для производства стекла и цемента. Из стеклянных нитей, которые в 20 раз тоньше человеческого волоса, изготовляют ткани.

Стекло – хрупкий, прозрачный материал, способен размягчаться и при застывании принимает любую форму. Стекло получают варкой шихты (сырьевой смеси, состоящей из песка, соды и известняка) в специальных стекловаренных печах.

Основные реакции, протекающие при плавке шихты

1. Na₂CO₃ + SiO₂ = Na₂SiO₃ + CO₂
2. CaCO₃ + SiO₂ = CaSiO₃ + CO₂
3. Na₂SiO₃ + CaSiO₃ + 4SiO₂ = Na₂O * CaO * 6SiO₂ - формула оконного стекла

При добавлении оксида свинца получают хрусталь.

Цемент

Цемент – мелкоизмельчённый клинкер с минеральными добавками.

Клинкер - шарики тёмно-серого цвета получают спеканием глины и известняка в специальных вращающихся печах

Производство цемента во вращающейся печи на Красноярском Цементном заводе (видеофильм).

13. Учитель: Ребята, вы получили разнообразную информацию о кремнии и силикатной промышленности. Давайте закрепим знания. (Фр. опрос)

С помощью какого реактива можно обнаружить в растворе силикат?
Можно ли сказать, что кремний входит в состав полудрагоценных камней?
Какое свойство кремния используют в солнечных батарейках?
Чем занимается силикатная промышленность?
Можно ли стеклом склеить бумагу?

Уч-ль. Молодцы, вы хорошо отвечали на вопросы

14. Лабораторный опыт. Ознакомление с природными соединениями кремния.

(Работа в парах, контроль и помощь учителя).

Ребята, перед вами коллекция природных соединений кремния.

Ваша задача рассмотреть соединения кремния, определить их названия и заполнить таблицу, которая помещена в инструкционной карточке.

Лабораторный опыт. Ознакомление с природными соединениями кремния.

Цель: Ознакомиться с образцами природных соединений кремния.

Алгоритм выполнения опыта.

Лабораторный опыт. Ознакомление с продукцией силикатной промышленности

Цель: Ознакомиться с продукцией силикатной промышленности.

Цели:

Расширить знания учащихся об особенностях свойств кремния и его соединений, используя знания о химических свойствах кислотных оксидов, кислот, солей.
Совершенствовать умения обучающихся составлять молекулярные и ионные уравнения реакций, характеризующие свойства кремниевой кислоты, силикатов.
Сформировать представление о силикатной промышленности.
Развивать у детей чувство прекрасного на примере изучения некоторых продуктов силикатной промышленности (стекла, фарфора, фаянса, керамики).

Оборудование и реактивы:

Презентация, ноутбук, проектор, экран.

Таблица «Распространенность химических элементов в земной коре (по Вернадскому)». Альбом «Старый русский фаянс». Изделия из стекла (цветного, хрустального) и фарфора (чайный сервиз). Иллюстрации природных образцов оксида кремния.

Растворы силиката натрия и соляной кислоты.

Для лабораторной работы №11. Ознакомление с образцами природных силикатов: песок, кварц, каолин, полевой шпат.

Для лабораторной работы №12. Ознакомление с видами стекла: коллекции «Стекло и изделия из него»

Ход урока

Урок начинаю с девиза. [3]

«…Прозрачный шар, сверкающий на солнце, красивый, пестрого рисунка агат, яркой игры опал, чистый песок на берегу моря… красиво ограненные груды горного хрусталя, таинственный рисунок фантастической яшмы, окаменелое дерево, превращенное в камень, грубо обработанный наконечник стрелы древнего человека… – всё это одно и то же химическое соединение элементов кремния и кислорода»
А.В. Ферсман (слайд 2)

Изучение нового материала с использованием презентации

Объявляю тему урока (слайд 1) Предлагаю учащимся осмыслить тему и девиз урока.

I. Кремний как химический элемент.

Учащиеся характеризуют положение химического элемента кремния в периодической системе химических элементов Д.И.Менделеева, строение атома, выраженность неметаллических свойств, высший оксид, гидроксид, летучее водородное соединение (слайд 3)

II. Распространение кремния и его соединений (в виде оксида кремния) в природе.

Кремний – второй элемент по распространённости в земной коре – демонстрирую таблицу «Распространённость химических элементов в земной коре».

Скелет губки (кишечнополостные животные) на 81% состоит из оксида кремния. В 1 литре морской воды содержится 3 мг оксида кремния. Оболочки клеток хвощей, осок, злаковых растений также содержат окисид кремния(слайд 4).

Выполнение лабораторного опыта 11. «Ознакомление с образцами природных силикатов». Учащиеся записывают названия и формулы веществ: песок (кремнезём) – SiO₂; каолин – Al₂O₃∙2 SiO₂∙2H₂O; полевой шпат – Al₂O₃∙6SiO₂∙K₂O; кварц (агат, яшма, опал, морион, горный хрусталь) – SiO₂ (слайд 5)

III. Оксид кремния (IV).

Вопрос учащимся: Какими свойствами обладает оксид кремния (IV)?

Учитель: Зная, что оксид кремния (IV) является кислотным оксидом, запишите уравнения возможных реакций в молекулярном и ионном виде его с веществами: гидроксид калия, соляная кислота, оксид кальция, вода, оксид углерода (IV), карбонат натрия.

Фронтальная работа: один учащийся работает у доски, остальные – в тетрадях.

Учитель: сделайте вывод, с какими веществами реагирует оксид кремния (IV)

Обратите внимание, что оксид кремния не взаимодействует с водой. Какое планетарное значение имеет это свойство оксида кремния (IV)?

IV. Кремниевая кислота.

Учитель: Что вы знаете о кремниевой кислоте? Да, она нерастворимая в воде, очень слабая, слабее угольной кислоты. Предположите, как можно получить кремниевую кислоту? (вытеснением из солей кремниевой кислоты более сильной кислотой).

Демонстрация опыта получения кремниевой кислоты.

Один учащийся записывает на доске уравнения реакций в молекулярном и ионном виде, а остальные учащиеся пишут в тетрадях:

2Na + + SiO_{3 2-} + 2H + + 2Cl - = H₂SiO₃ + 2Na + + 2Cl -

На самом деле состав кремниевой кислоты более сложный. ( Работа с учебником на странице 94 (Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г.. Химия. 9 класс: учебник для общеобразовательных учреждений. – М.: Просвещение, 2009). Кремниевая кислота непрочная, при нагревании разлагается:

Как называются соли кремниевой кислоты?

V. Силикаты.

Силикаты щелочных металлов называют растворимыми стеклами. Задание учащимся: составьте формулы силикатов.

Какими химическими свойствами обладают соли? Вступают в реакции с кислотами – это свойство силикатов мы рассмотрели при получении кремниевой кислоты.

Растворимые силикаты вступают в реакции обмена с другими солями: Na₂SiO₃ + CaCl₂ = CaSiO₃ + 2NaCl

Составьте полное и сокращённое ионные уравнения - самостоятельная работа учащихся с последующей проверкой (молекулярное и ионные уравнения заранее записаны на доске).

VI. Силикатная промышленность.

Природные силикаты являются сырьём для силикатной промышленности. Важнейшими продуктами силикатной промышленности являются стекло, керамика, цемент (слайд 6)

Работа с учебником на странице 96 со схемой 9: какие изделия изготавливают из продуктов силикатной промышленности?

Химизм варки стекла. Учащиеся записывают уравнения реакций производства стекла (слайд 7)

Лабораторный опыт 12. Ознакомление с видами стекла: коллекции «Стекло и изделия из него»

Виды стекла. Демонстрация образцов цветного и хрустального стекла (слайд 8).

Оконное стекло (Na₂O·CaO·6SiO₂), химическое стекло (К₂O·CaO·6SiO₂), хрустальное стекло (Na₂O·PbO·6SiO₂), цветное (добавки оксидов металлов: оксид кобальта для синего стекла, оксид хрома (III) для зелёного стекла, оксид марганца (IV) – от фиолетового до красно-лилового, оксид железа (II) для жёлтого).

Профессия стеклодува. Демонстрация экспозиции из открыток «Поэзия стекла» (слайды 9-10)

М.В. Ломоносов является автором технологии изготовления цветного стекла. Цветное стекло было главным увлечением М.В. Ломоносова (слайд 11). Им создано около 40 мозаичных картин. Например, «Мадонна», «Нерукотворный Спас» «Пётр I» (слайд 12). Мозаика «Полтавская баталия» (4×6,44 м) находится в здании Российской Академии наук в Санкт-Петербурге (слайд 13).

Основным сырьём для производства керамики является глина. Из белой глины изготавливают фарфоровые (слайд 14) и фаянсовые изделия (слайды 15-17). Демонстрация сервиза из фарфора. Демонстрация иллюстраций из альбома «Старый русский фаянс»

Из строительных материалов изделиями являются кирпичи, канализационные и дренажные трубы, облицовочные плиты и другие.

Цемент, бетон, шлакобетон, их практическое значение – беседа с учащимися, опирающаяся на их жизненный и социальный опыт.

Выводы по уроку. Почему тема урока названа «От кремния к стеклу, фарфору, кирпичу…»?

Как самостоятельный химический элемент кремний стал известен человечеству всего лишь в 1825 году. Что, конечно, не мешало применять соединения кремния в таком количестве сфер, что проще перечислить те, где элемент не используется. Данная статья прольет свет на физические, механические и полезные химические свойства кремния и его соединений, области применения, также мы расскажем о том, как влияет кремний на свойства стали и иных металлов.

Что такое кремний

Для начала давайте остановимся на общей характеристике кремния. От 27,6 до 29,5% массы земной коры составляет кремний. В морской воде концентрация элемента тоже изрядная – до 3 мг/л.

По распространенности в литосфере кремний занимает второе почетное место после кислорода. Однако наиболее известная его форма – кремнезем, является диоксидом, и именно его свойства и стали основой для столь широкого применения.

О том, что такое кремний, расскажет этот видеосюжет:

Понятие и особенности

Кремний – неметалл, однако при разных условиях может проявлять и кислотные, и основные свойства. Является типичным полупроводником и чрезвычайно широко используется в электротехнике. Физические и химические его свойства во многом определяются аллотропным состоянием. Чаще всего дело имеют с кристаллической формой, поскольку ее качества более востребованы в народном хозяйстве.

Кремний – один из базовых макроэлементов в человеческом теле. Его нехватка губительно сказывается на состоянии костной ткани, волос, кожи, ногтей. Кроме того, кремний оказывает влияние на работоспособность иммунной системы.
В медицине элемент, вернее говоря, его соединения нашли свое первое применение именно в этом качестве. Вода из колодцев, выложенных кремнием, отличались не только чистотой, но и положительно сказывалась на стойкости к инфекционным болезням. Сегодня соединение с кремнием служат основой для препаратов против туберкулеза, атеросклероза, артрита.
В целом неметалл малоактивен, однако и в чистом виде встретить его сложно. Связано это с тем, что на воздухе он быстро пассивируется слоем диоксида и перестает реагировать. При нагревании химическая активность увеличивается. В результате человечество гораздо ближе знакомо с соединениями вещества, а не с ним самим.

Так, кремний образует сплавы практически со всеми металлами – силициды. Все они отличаются тугоплавкостью и твердостью и применяются на соответствующих участках: газовые турбины, нагреватели печей.

Размещается неметалл в таблице Д. И. Менделеева в 6 группе вместе с углеродом, германием, оловом, что указывает на определенную общность с этими веществами. Так, с углеродом его «роднит» способность к образованию соединений по типу органических. При этом кремний, как и германий может проявить свойства металла в некоторых химических реакциях, что используется в синтезе.

Плюсы и минусы

Как и всякое другое вещество с точки зрения применения в народном хозяйстве, кремний обладает определенными полезными или не слишком качествами. Важны они именно для определения области использования.

Немалым достоинством вещества является его доступность. В природе он, правда, находится не в свободном виде, но все же, технология получения кремния не так уж и сложна, хотя и энергозатратна.
Второе важнейшее достоинство – образование множества соединений с необыкновенно полезными свойствами. Это и силаны, и силициды, и диоксид, и, конечно, разнообразнейшие силикаты. Способность кремния и его соединений образовывать сложные твердые растворы практически бесконечна, что позволяет бесконечно же получать самые разные вариации стекла, камня и керамики.
Полупроводниковые свойства неметалла обеспечивает ему место базового материала в электро- и радиотехнике.
Неметалл является нетоксичным, что допускает применение в любой отрасли промышленности, и при этом не превращает технологический процесс в потенциально опасный.

К недостаткам материала можно отнести лишь относительную хрупкость при хорошей твердости. Кремний не используется для несущих конструкций, но зато это сочетание позволяет обрабатывать должным образом поверхность кристаллов, что важно для приборостроения.

Давайте теперь поговорим про основные свойства кремния.

Свойства и характеристики

Поскольку в промышленности чаще всего эксплуатируется кристаллический кремний, то именно его свойства и являются более важными, и именно они и приводятся в технических характеристиках. Физические свойства вещества таковы:

температура плавления – 1417 С;
температура кипения – 2600 С;
плотность составляет 2,33 г/куб. см, что свидетельствует о хрупкости;
теплоемкость, как и теплопроводность не постоянны даже на самых чистых пробах: 800 Дж/(кг·К), или 0,191 кал/(г·град) и 84-126 вт/(м·К), или 0,20-0,30 кал/(см·сек·град) соответственно;
прозрачен для длинноволнового ИК-излучения, что используется в инфракрасной оптике;
диэлектрическая проницаемость – 1,17;
твердость по шкале Мооса – 7.

Электрические свойства неметалла сильно зависят от примесей. В промышленности эту особенность используют, модулируя нужный тип полупроводника. При нормальной температуре кремний хрупок, но при нагревании выше 800 С возможна пластическая деформация.

Свойства аморфного кремния разительно отличаются: он сильно гигроскопичен, намного активнее вступает в реакцию даже при нормальной температуре.

Структура и химический состав, а также свойства кремния рассмотрены в видеоролике ниже:

Состав и структура

Кремний существует в двух аллотропных формах, одинаково устойчивых при нормальной температуре.

Кристаллический имеет вид темно-серого порошка. Вещество, хотя и имеет алмазоподобную кристаллическую решетку, является хрупким – из-за чересчур длинной связи между атомами. Интерес представляют его свойства полупроводника.
При очень высоких давлениях можно получить гексагональную модификацию с плотностью 2,55 г/куб. см. Однако эта фаза практического значения пока не нашла.
Аморфный – буро-коричневый порошок. В отличие от кристаллической формы намного активнее вступает в реакцию. Связано это не столько с инертностью первой формы, сколько с тем, что на воздухе вещество покрывается слоем диоксида.

Кроме того, необходимо учитывать и еще один тип классификации, связанный с величиной кристалла кремния, которые в совокупности образуют вещество. Кристаллическая решетка, как известно, предполагают упорядоченность не только атомов, но и структур, которые эти атомы образуют – так называемый дальний порядок. Чем он больше, тем более однородным по свойствам будет вещество.

Монокристаллический – образец представляет собой один кристалл. Структура его максимально упорядочена, свойства однородны и хорошо предсказуемы. Именно такой материал наиболее востребован в электротехнике. Однако он же относится к самому дорогому виду, поскольку процесс его получения сложен, а скорость роста низка.
Мультикристаллический – образец составляет некоторое количество крупных кристаллических зерен. Границы между ними формируют дополнительные дефектные уровни, что снижает производительность образца, как полупроводника и приводит к более быстрому износу. Технология выращивания мультикристалла проще, потому и материал дешевле.
Поликристаллический – состоит из большого количества зерен, расположенных хаотически относительно друг друга. Это наиболее чистая разновидность промышленного кремния, применяется в микроэлектронике и солнечной энергетике. Довольно часто используется в качестве сырья для выращивания мульти- и монокристаллов.
Аморфный кремний и в этой классификации занимает отдельную позицию. Здесь порядок расположения атомов удерживается только на самых коротких дистанциях. Однако в электротехнике он все же используется в виде тонких пленок.

Далее мы расскажем вам про сырье для производства кремния, вредность добычи, технологию его изготовления в мировых масштабах и в России.

Производство неметалла

Получить чистый кремний не так уж и просто, учитывая инертность его соединений и высокую температуру плавления большинства из них. В промышленности чаще всего прибегают к восстановлению углеродом из диоксида. Проводят реакцию в дуговых печах при температуре 1800 С. Таким образом получают неметалл чистотой в 99,9%, что для его применения недостаточно.

Полученный материал хлорируют с тем, чтобы получить хлориды и гидрохлориды. Затем соединения очищают всеми возможными методами от примесей и восстанавливают водородом.

Очистить вещество можно и за счет получения силицида магния. Силицид подвергают действию соляной или уксусной кислоты. Получают силан, а последний очищают различными способами – сорбционным, ректификацией и так далее. Затем силан разлагают на водород и кремний при температуре в 1000 С. В этом случае получают вещество с долей примеси 10 -8 –10 -6 %.

Применение вещества

Для промышленности наибольший интерес представляют электрофизические характеристики неметалла. Его монокристаллическая форма является непрямозонным полупроводником. Свойства его определяются примесями, что позволяет получать кристаллы кремния с заданными свойствами. Так, добавка бора, алюминия, индия дает возможность вырастить кристалл с дырочной проводимостью, а введение фосфора или мышьяка – кристалл с электронной проводимостью.

Кремний в буквальном смысле слова служит основой современной электротехники. Из него изготавливают транзисторы, фотоэлементы, интегральные схемы, диоды и так далее. Причем функциональность прибора определяет практически всегда только приповерхностный слой кристалла, что обуславливает весьма специфические требования именно к обработке поверхности.
В металлургии технический кремний применяют и как модификатор сплавов – придает большую прочность, и как компонент – в бронзах, например, и как раскислитель – при производстве чугуна.
Сверхчистый и очищенный металлургический составляют основу солнечной энергетики.
Диоксид неметалла встречается в природе в очень разных формах. Его кристаллические разновидности – опал, агат, сердолик, аметист, горный хрусталь, нашли свое место в ювелирном деле. Не столь привлекательные внешне модификации – кремень, песок, кварц, используются и в металлургии, и в строительстве, и в радиоэлектротехнике.
Соединение неметалла с углеродом – карбид, применяется и в металлургии, и в приборостроении, и в химической промышленности. Он является широкозональным полупроводником, отличается высокой твердостью – 7 по шкале Мооса, и прочностью, что и позволяет применять его в качестве абразивного материала.
Силикаты – то есть, соли кремниевой кислоты. Неустойчивы, легко разлагаются под действием температуры. Примечательность их в том, что они образуют многочисленные и разнообразные соли. А вот последние являются основой при производстве стекла, керамики, фаянса, хрусталя, цемента и бетона. Можно смело сказать, что современное строительство зиждется на разнообразных силикатах.
Стекло представляет здесь наиболее интересный случай. Основой его служат алюмосиликаты, но ничтожные примеси других веществ – обычно оксидов, придают материалу массу разных свойств, в том числе и цвет. Керамика – клинкер, фаянс, фарфор, по сути, имеет ту же формулу, хотя и с другим соотношением компонентов, и ее разнообразие тоже поразительно.
Неметалл обладает еще одной способностью: образует соединения по типу углеродных, в виде длинной цепочки из атомов кремния. Такие соединения носят название кремнийорганических. Сфера их применения не менее известна – это силиконы, герметики, смазки и так далее.

Кремний – очень распространенный элемент и имеет необыкновенно большое значение в очень многих сферах народного хозяйства. Причем активно используется не только само вещество, но все его разнообразные и многочисленные соединения.

Кремний (от латинского : кремень ) представляет собой металлоид химический элемент , атомный номер 14 и расположенный в группе 14 периодической таблицы элементов с символом Si . [ 1 ] Это второй по распространенности элемент в земной коре (25,7% по весу) [ 2 ] после кислорода . Встречается в аморфном и кристаллическом виде; первый представляет собой коричневатый порошок, более активный, чем кристаллический вариант, который встречается в октаэдрах . серовато-голубого цвета с металлическим блеском.

Характеристики

Его свойства занимают промежуточное положение между углеродом и германием . В кристаллической форме он очень твердый, плохо растворим , имеет металлический блеск и сероватый цвет. [ 3 ] Хотя это относительно инертный элемент и сопротивляется действию большинства кислот , он реагирует с галогенами [ 4 ] и разбавленными щелочами . Кремний пропускает более 95% длин волн инфракрасного излучения .

Выпускается в виде коричневато-желтого порошка или серовато-черных кристаллов. Его получают путем нагревания диоксида кремния или диоксида кремния (SiO ₂ ) с восстановителем , таким как углерод или магний , в электрической печи . [ 5 ] Кристаллический кремний имеет твердость 7, достаточную, чтобы поцарапать стекло, твердость от 5 до 7. Кремний имеет температуру плавления 1411 ° C, точку кипения 2355 ° C и относительную плотность 2,33 (г / мл). . Его атомная масса составляет 28 086 u (атомная единица массы).

Он растворяется в плавиковой кислоте с образованием газообразного тетрафторида кремния SiF ₄ (см. фтор ) и подвергается воздействию азотной, соляной и серной кислот, хотя образующийся диоксид кремния тормозит реакцию. Он также растворяется в гидроксиде натрия, образуя силикат натрия и газообразный водород. При обычных температурах кремний не подвергается воздействию воздуха, но при высоких температурах он реагирует с кислородом, образуя слой кремнезема, препятствующий дальнейшей реакции. При высоких температурах он также реагирует с азотом и хлором , образуя нитрид кремния и хлорид кремния соответственно.

Кремний составляет 28% земной коры. В свободном состоянии не существует, а встречается в виде диоксида кремния и сложных силикатов. Кремнийсодержащие минералы составляют около 40 % всех распространенных полезных ископаемых, в том числе более 90 % минералов, образующих вулканические породы. Минерал кварц , его разновидности ( сердолик , хризопраз , оникс , кремень и яшма ), а также минералы кристобалит и тридимит представляют собой существующие в природе кристаллические формы кремния. Диоксид кремния является основным компонентом песка . силикаты _ (в частности, алюминий , кальций и магний ) являются основными компонентами глин , почвы и горных пород в виде полевых шпатов , амфиболов, пироксенов, слюд и цеолитов , а также полудрагоценных камней, таких как оливин , гранат , циркон , топаз. и турмалин .

Кремний как биохимическая основа

Его характеристики схожи с углеродом , например, он принадлежит к тому же семейству 14, сам не является металлом , способен образовывать соединения, подобные ферментам ( цеолиты ), другие длинные соединения с кислородом ( силиконы ) и обладает теми же четырьмя основными связями. дает ему некоторую возможность стать основой живых существ, пусть даже не на Земле, в гипотетической биохимии .

Приложения

Он используется в сплавах , при декантации силиконов , в технической керамической промышленности и, поскольку это очень распространенный полупроводниковый материал , он представляет особый интерес в электронной и микроэлектронной промышленности в качестве основного материала для создания пластин или чипов . которые можно имплантировать в транзисторы , солнечные батареи и самые разные электронные схемы. Кремний является жизненно важным элементом во многих отраслях промышленности. Диоксид кремния ( песок и глина ) является важным компонентом бетона . и кирпича , и используется в производстве портландцемента . Благодаря своим полупроводниковым свойствам применяется в производстве транзисторов , солнечных элементов и всевозможных полупроводниковых приборов; По этой причине регион Калифорнии , в котором сосредоточены многочисленные компании в сфере электроники и информационных технологий, известен как Силиконовая долина . Также изучаются возможные применения силицена , который представляет собой аллотропную форму кремния, образующую двумерную сеть, подобную графену . Другие важные области применения кремния:

Как огнеупорный материал используется в керамике , глазури , эмалях .
В качестве элемента удобрения в виде первичного минерала, богатого кремнием, для сельского хозяйства .
Как легирующий элемент в литейном производстве .
Производство стекла для окон и теплоизоляции .
Карбид кремния является одним из наиболее важных абразивов .
Он используется в лазерах для получения света с длиной волны 456 нм .
Силикон используется в медицине в грудныхимплантатах и контактных линзах .

Он используется в сталелитейной промышленности в качестве компонента сплавов кремнистой стали. Чтобы сделать сталь, расплавленную сталь раскисляют, добавляя небольшое количество кремния; обычная сталь содержит менее 0,30% кремния. Стал кремний , содержащего от 2,5 до 4% кремния, используются для изготовления сердечников трансформаторов электрических , так как сплав имеет низкий гистерезис (см Магнетизм ). Существует стальной сплав дюрирон, содержащий 15% кремния, твердый, хрупкий и устойчивый к коррозии; Duriron используется в промышленном оборудовании, контактирующем с коррозионно-активными химическими веществами. Кремний также используется в медных сплавах, таких как бронза и латунь.

Кремний — полупроводник; их удельное сопротивление электрическому току при комнатной температуре колеблется между сопротивлением металлов и изоляторов. Проводимость кремния можно контролировать, добавляя небольшое количество примесей, называемых примесями. Возможность управления электрическими свойствами кремния и его распространенность в природе позволили разработать и применить транзисторы и интегральные схемы, применяемые в электронной промышленности.

Кремнезем и силикаты используются в производстве стекла , лаков , эмалей , цемента и фарфора и имеют важное индивидуальное применение. Плавленый кварц, представляющий собой стекло, полученное плавлением кварца или гидролизом четыреххлористого кремния , характеризуется низким коэффициентом расширения и высокой стойкостью к большинству химических веществ. Силикагель — бесцветное пористое аморфное вещество; его получают удалением части воды из желеобразного осадка кремниевой кислоты SiO ₂ •H ₂ О, который получают добавлением соляной кислоты к раствору силиката натрия. Силикагель поглощает воду и другие вещества и используется в качестве подсушивающего и обесцвечивающего агента.

Силикат натрия (Na ₂ SiO ₃ ), также называемый стеклом, представляет собой важный синтетический силикат , бесцветное аморфное твердое вещество , растворимое в воде, плавящееся при 1088 °C. Его получают реакцией кремнезема (песка) и карбоната натрия при высокой температуре или нагреванием песка с концентрированным гидроксидом натрия при высоком давлении. Водный раствор силиката натрия применяют для консервации яиц; как заменитель клея или клея для изготовления коробок и другой тары; связать искусственные драгоценные камни; в качестве негорючего агента, а также в качестве наполнителя и усилителя клейкости в мылах и чистящих средствах. Еще одним важным соединением кремния является карборунд, соединение кремния и углерода, используемое в качестве абразива.

Монооксид кремния, SiO, используется для защиты материалов, покрывая их таким образом, что внешняя поверхность окисляется до диоксида SiO ₂ . Эти слои также применяются к интерференционным фильтрам.

Впервые он был обнаружен Антуаном Лавуазье в 1787 году.

Изобилие и получение

По весу кремний составляет более четверти земной коры и является вторым по распространенности элементом после кислорода . Кремний не встречается в своем естественном состоянии; песок , кварц , аметист , агат , кремень, опал и яшма — вот некоторые из минералов , в которых появляется ржавчина, при образовании силикатов она встречается, в частности, в граните , полевом шпате , глине , роговой обманке и слюде . метеориты .

Физические методы очистки металлургического кремния

Эти методы основаны на большей растворимости примесей в жидком кремнии, благодаря чему он концентрируется в последних затвердевших участках. Первый метод, использовавшийся в ограниченных масштабах для создания компонентов радаров во время Второй мировой войны , заключается в измельчении кремния таким образом, чтобы примеси собирались на поверхности зерен; частичное растворение их кислотой дало более чистый порошок. Слияние зон , первый метод, используемый в промышленных масштабах, состоит в плавлении одного конца кремниевого стержня и медленном перемещении источника тепла вдоль стержня, так что кремний затвердевает с более высокой чистотой, перетаскивая расплавленную область для большей части примесей. . Процесс можно повторять столько раз, сколько необходимо, пока не будет достигнута желаемая чистота, просто обрезав последний конец, где скопились примеси.

Химические методы очистки металлургического кремния

Процессы очистки кремния. Схематическая диаграмма традиционного процесса Siemens и альтернативного процесса в реакторе с псевдоожиженным слоем (FBR).

Используемые в настоящее время химические методы воздействуют на соединение кремния, которое легче очищать, разлагая его после очистки с получением кремния. Обычно используемыми соединениями являются трихлорсилан (HSiCl ₃ ), тетрахлорид кремния (SiCl ₄ ) и силан (SiH ₄ ).

В процессе Сименса [ 6 ] стержни из кремния высокой чистоты подвергаются воздействию трихлорсилана при температуре 1150 °C, газу, который разлагается, откладывая дополнительное количество кремния на стержне в соответствии со следующей реакцией:

2 HSiCl ₃ → Si + 2 HCl + SiCl ₄

Кремний, полученный этим и подобными способами, называется поликристаллическим кремнием и обычно имеет долю примесей 0,001 ppm или меньше.

Метод Дюпона состоит в реакции тетрахлорида кремния при 950°C с очень чистыми парами цинка :

SiCl ₄ + 2 Zn → Si + 2 ZnCl ₂

Этот метод сопряжен с трудностями (хлорид цинка, побочный продукт реакции, затвердевает и закупоривает линии), поэтому в конечном итоге от него отказались в пользу процесса Сименса.

После получения сверхчистого кремния необходимо получить монокристалл , для чего используется процесс Чохральского .

Кремний солнечного качества: современная технология

Ниже представлены различные варианты производства SoG-Si. [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] Все они были собраны и представлены с 2004 года на конференциях по солнечному кремнию . Эти конференции ежегодно организуются журналом Photon International в Мюнхене в связи с растущими опасениями по поводу нехватки поликремния . Пока ни одна из этих альтернатив не дошла до стадии производства, хотя некоторые близки к этому. [ нужна ссылка ]

реактор с псевдоожиженным слоем

Wacker Chemie, Hemlock и Solar Grade Silicon предлагают реактор с псевдоожиженным слоем. Он состоит из кварцевой трубки , в которую на дно вводят трихлорсилан (Wacker, Hemlock) или силан (SGS) вместе с водородом. Газ проходит через слой частиц кремния, на котором происходит осаждение, в результате чего образуются частицы большего размера. Достигнув определенного размера, частицы становятся слишком тяжелыми и падают на землю, и их можно удалить. Этот процесс не только потребляет гораздо меньше энергии, чем Siemens, но также может выполняться непрерывно.

трубчатый реактор

пара в резервуар для жидкости

Корпорация Tokuyama предлагает свой процесс VLD (осаждение из пара в жидкость). Графитовую трубку нагревают в реакторе до 1500 °С, что выше температуры плавления кремния. Трихлорсилан и водород подаются сверху. Кремний осаждается на графитовых стенках в жидком виде. Поэтому он капает на пол реактора, где затвердевает в гранулы и может быть собран. Более высокая стоимость энергии по сравнению с реактором Siemens компенсирует в 10 раз более высокую скорость осаждения.

восстановление Zn

Корпорация Chisso и правительство Японии исследуют процесс, основанный на восстановлении тетрахлорида кремния (SiCl4) парами цинка (Zn). Образуются хлорид цинка и кремний. В 1980-х годах компания Bayer AG отказалась от этой альтернативы, поскольку невозможно было удалить остаточные следы металлов. Chisso гарантирует, что содержание металлических примесей в нем находится на приемлемом уровне. [ 8 ]

Металлургические альтернативы

Были также предприняты большие усилия для получения SoG-Si за счет исключения энергоемкой стадии использования трихлорсилана, силана или тетрахлорсилана и последующего осаждения в Siemens или т.п.

Elkem [ 11 ] очищает мг-Si в три относительно простых этапа очистки: пирометаллургический, гидрометаллургический и очистка, потребляя всего от 20 до 25% энергии, используемой в маршруте Сименса. Вместе с Университетом Констанца они достигли эффективности ячеек всего на полпункта ниже коммерческих ячеек.

Apollon Solar SAS и французская национальная исследовательская лаборатория CNRS очищают Mg-Si с помощью плазмы. Были достигнуты солнечные элементы с эффективностью 11,7%. [ 12 ]

Другой металлургической альтернативой является производство магнезиального кремния с кварцем и сажей настолько чистыми, что дальнейшая очистка не требуется. Параллельно идут две работы: одна – Казахский национальный технический университет в Алматы, Казахстан. [ 7 ] Другой проект SOLSILC, финансируемый Европейской комиссией. Солнечные элементы, изготовленные из этого материала, имеют относительно низкий моментный КПД. [ 8 ] 28 процентов этого материала больше не существует.

изотопы

Кремний имеет девять изотопов с массовым числом от 25 до 33. Наиболее распространенным изотопом является Si-28 с содержанием 92,23%, Si-29 имеет содержание 4,67% и Si-30, содержание которого составляет 3,1%. . Все они стабильны, а доля остальных изотопов незначительна. Si-32 — радиоактивный изотоп, образующийся при распаде аргона . Его период полураспада составляет примерно 132 года. Он подвергается бета-распаду, который превращает его в P-32 (с периодом полураспада 14,28 дня).

меры предосторожности

Вдыхание пыли кристаллического кремнезема может вызвать силикоз .

Смотрите также

использованная литература

^ Родригес, Рикардо Мартинес (2008). Теоретические и практические основы гистохимии . Редакция CSIC - CSIC Press. ISBN9788400086725 . Проверено 8 февраля 2018 г. .
↑ Научный словарь . Издательство Комплутенсе. 2000. ISBN9788489784802 . Проверено 8 февраля 2018 г. .
↑ Mª, КЛАРАМУНТ ВАЛЛЕСПИ Роза; Пилар, КОРНАГО РАМИРЕС; Соледад, ЭСТЭБАН САНТОС; Анхелес, ФАРРАН МОРАЛЕС; Марта, ПЕРЕС ТОРРАЛБА; Дионисия, САНС-ДЕЛЬ-КАСТИЛЬО (7 июля 2015 г.). ОСНОВНЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ . Редакция UNED. ISBN9788436269161 . Проверено 8 февраля 2018 г. .
^ Диксон, TR (1976). Введение в химию . обратный . Проверено 8 февраля 2018 г. .
↑ Введение в неорганическую химию . Национальный университет побережья. ISBN9789875085626 . Проверено 8 февраля 2018 г. .
↑ Кастельс, Ксавьер Элиас (4 мая 2012 г.). Возобновляемые источники энергии: энергия, вода, окружающая среда, территориальность и устойчивость . Издания Диаса де Сантоса. ISBN9788499691237 . Проверено 8 февраля 2018 г. .
↑ ab Шмела, М., Photon International, май 2005 г., стр. 24–35.
↑ abc Кройцманн, А., Photon International, май 2006 г., стр. 26–34.
↑ Бернрейтер Дж., Photon International, июнь 2004 г., стр. 36–42.
↑ Вайдхаус, Д., Шиндльбек, Э., Гессе, К., в Proc. 19-го европейского PVSEC, Париж, 2004 г., 564-567.
↑ Kriestad, K. et al., en Proc. 19-го европейского PVSEC, Париж, 2004 г., стр. 568–571.
↑ Сорик, А. и др., en Proc. 21-го европейского PVSEC, Дрезден 2006, 10:00-10:04

внешняя ссылка

В Wikimedia Commons есть медиа-галерея о кремнии .
Жидкий кремний - Обработка почвы и растений.
Роль кремния в жизни живых существ.
Национальный институт безопасности и гигиены труда (Испания). ( неработающая ссылка доступна в Интернет-архиве ; см. историю , первую и последнюю версию ). Международный паспорт химической безопасности кремния.

Кремний (от латинского : кремень ) - это металлоидный химический элемент с атомным номером 14 , расположенный в группе 14 периодической таблицы элементов с символом Si . [ 1 ] Это второй по распространенности элемент в земной коре (25,7% по весу) [ 2 ] после кислорода . Встречается в аморфной и кристаллизованной форме; первый - коричневатый порошок, более активный, чем кристаллический вариант, который встречается в октаэдрах . серовато-синий цвет и металлический блеск.

Характеристики

По своим свойствам он занимает промежуточное положение между углеродом и германием . В кристаллической форме он очень твердый, плохо растворяется , имеет металлический блеск и сероватый цвет. [ 3 ] Хотя это относительно инертный элемент и сопротивляется действию большинства кислот , он реагирует с галогенами [ 4 ] и разбавленными щелочами . Кремний пропускает более 95% длин волн инфракрасного излучения .

Он готовится в виде коричневато-желтого порошка или серовато-черных кристаллов. Его получают путем нагревания диоксида кремния или диоксида кремния (SiO ₂ ) с восстановителем , таким как углерод или магний , в электрической печи . [ 5 ] Кристаллический кремний имеет твердость 7, достаточную, чтобы поцарапать стекло, с твердостью от 5 до 7. Кремний имеет температуру плавления 1411 ° C, точку кипения 2355 ° C и относительную плотность 2,33 (г / мл). Его атомная масса 28.086 u (атомная единица массы).

Он растворяется в плавиковой кислоте, образуя газообразный тетрафторид кремния , SiF ₄ (см. Фтор ), и подвергается воздействию азотной, соляной и серной кислот, хотя образующийся диоксид кремния тормозит реакцию. Он также растворяется в гидроксиде натрия, образуя силикат натрия и газообразный водород. При обычных температурах кремний не подвергается воздействию воздуха, но при высоких температурах он вступает в реакцию с кислородом, образуя слой кремнезема, который препятствует продолжению реакции. При высоких температурах он также реагирует с азотом и хлором с образованием нитрида кремния и хлорида кремния соответственно.

Кремний составляет 28% земной коры. Он не существует в свободном состоянии, но находится в форме диоксида кремния и сложных силикатов. Кремнийсодержащие минералы составляют около 40% всех обычных минералов, в том числе более 90% минералов, образующих вулканические породы. Минерал кварц , его разновидности ( сердолик , хризопраз , оникс , кремень и яшма ) и минералы кристобалит и тридимит представляют собой кристаллические формы кремния, существующие в природе. Диоксид кремния - основной компонент песка . Силикаты _ (в частности, алюминия , кальция и магния ) являются основными компонентами глин , почвы и горных пород в виде полевых шпатов , амфиболов, пироксенов, слюд и цеолитов , а также полудрагоценных камней, таких как оливин , гранат , циркон , топаз и турмалин .

Кремний как биохимическая основа

Его общие характеристики с углеродом , такие как принадлежность к одному семейству 14, сам по себе не металл , способность образовывать соединения, подобные ферментам ( цеолиты ), другие длинные соединения с кислородом ( силиконы ) и имеющие те же четыре основные связи, дает это определенная возможность стать основой живых существ, даже если это не на Земле, в гипотетической биохимии .

Приложения

Он используется в сплавах , при декантации силиконов , в промышленности технической керамики и, поскольку это очень распространенный полупроводниковый материал, он представляет особый интерес в электронной и микроэлектронной промышленности в качестве основного материала для создания пластин или микросхем . которые могут быть имплантированы в транзисторы , солнечные элементы и самые разные электронные схемы. Кремний является жизненно важным элементом во многих отраслях промышленности. Диоксид кремния ( песок и глина ) - важный компонент бетона . и кирпичей , и используется в производстве портландцемента . Благодаря своим полупроводниковым свойствам он используется в производстве транзисторов , солнечных элементов и всех видов полупроводниковых устройств; По этой причине регион Калифорнии известен как Силиконовая долина , где сосредоточено множество компаний в области электроники и компьютеров. Возможные применения силицена , который представляет собой аллотропную форму кремния, которая образует двумерную сеть, подобную графену , также изучаются . Другие важные применения кремния:

В качестве огнеупорного материала он используется в керамике , глазури и эмали .
Как элемент удобрения в виде основного минерала, богатого кремнием, для сельского хозяйства .
В качестве легирующего элемента в литейном производстве .
Производство оконных стекол и изоляторов .
Карбид кремния - один из важнейших абразивов .
Он используется в лазерах для получения света с длиной волны 456 нм .
Силикон используется в медицине для изготовления грудных имплантатови контактных линз .

Он используется в сталелитейной промышленности как компонент сплавов кремнистой стали. Для производства стали расплавленную сталь раскисляют, добавляя к ней небольшое количество кремния; обычная сталь содержит менее 0,30% кремния. Кремниевая сталь , которая содержит от 2,5 до 4% кремния, используется для изготовления сердечников электрических трансформаторов , поскольку этот сплав имеет низкий гистерезис (см. Магнетизм ). Существует стальной сплав дюрирон, содержащий 15% кремния, твердый, хрупкий и устойчивый к коррозии; Duriron используется в промышленном оборудовании, которое контактирует с агрессивными химическими веществами. Кремний также используется в медных сплавах, таких как бронза и латунь.

Кремний - полупроводник; его сопротивление электрическому току при комнатной температуре варьируется между сопротивлением металлов и изоляторов. Проводимость кремния можно контролировать, добавляя небольшие количества примесей, называемых легирующими добавками. Возможность управлять электрическими свойствами кремния и его изобилие в природе сделали возможным разработку и применение транзисторов и интегральных схем, используемых в электронной промышленности.

Кремнезем и силикаты используются в производстве стекла , лаков , эмалей , цемента и фарфора и имеют важные индивидуальные применения. Плавленый кремнезем, который представляет собой стекло, полученное путем плавления кварца или гидролиза тетрахлорида кремния , характеризуется низким коэффициентом расширения и высокой стойкостью к большинству химикатов. Силикагель - бесцветное, пористое и аморфное вещество; готовится путем удаления части воды из гелеобразного осадка кремниевой кислоты SiO ₂ • H ₂ Или, который получают путем добавления соляной кислоты к раствору силиката натрия. Силикагель впитывает воду и другие вещества и используется как осушающий и отбеливающий агент.

Силикат натрия (Na ₂ SiO ₃ ), также называемый стеклом, является важным синтетическим силикатом, аморфным твердым веществом , бесцветным и растворимым в воде, которая плавится при 1088 ° C. Его получают путем реакции кремнезема (песка) и карбоната натрия при высокой температуре или путем нагревания песка с концентрированным гидроксидом натрия при высоком давлении. Водный раствор силиката натрия используют для консервирования яиц; как заменитель клея или клея для изготовления ящиков и других емкостей; соединять искусственные камни; как негорючий агент, а также как наполнитель и адгезив в мыле и чистящих средствах. Еще одно важное соединение кремния - это карборунд, соединение кремния и углерода, которое используется в качестве абразива.

Окись кремния SiO используется для защиты материалов, покрывая их так, что внешняя поверхность окисляется до диоксида SiO ₂ . Эти слои также применимы к интерференционным фильтрам.

Впервые он был идентифицирован Антуаном Лавуазье в 1787 году.

Изобилие и получение

По весу кремний составляет более четверти земной коры и является вторым по распространенности элементом после кислорода . Кремния нет в родном состоянии; Песок , кварц , аметист , агат , кремень, опал и яшма - вот некоторые из минералов , в которых присутствует оксид, а при образовании силикатов он встречается, среди прочего, в граните , полевом шпате , глине , роговой обманке и слюде . метеориты .

Физические методы очистки металлургического кремния.

Эти методы основаны на большей растворимости примесей в жидком кремнии, так что он концентрируется в последних затвердевших областях. Первый метод, ограниченно использовавшийся для создания компонентов радара во время Второй мировой войны , состоит в измельчении кремния таким образом, чтобы примеси накапливались на поверхности зерен; их частичное растворение кислотой дает более чистый порошок. Слияние по зонам Первый метод, используемый в промышленном масштабе, заключается в плавлении одного конца кремниевого стержня и медленном перемещении источника тепла вдоль стержня, так что кремний затвердевает с большей чистотой, протягивая расплавленную область вдоль большей части примесей. Процесс можно повторять столько раз, сколько необходимо, пока не будет достигнута желаемая чистота, после чего достаточно обрезать последний конец, на котором скопились примеси.

Химические методы очистки металлургического кремния

Процессы очистки кремния. Принципиальная схема обычного процесса Сименс и альтернативного процесса в реакторе с псевдоожиженным слоем (FBR).

Используемые в настоящее время химические методы воздействуют на соединение кремния, которое легче очистить, разложив его после очистки с получением кремния. Обычно используемые соединения - трихлорсилан (HSiCl ₃ ), тетрахлорид кремния (SiCl ₄ ) и силан (SiH ₄ ).

В процессе Сименс [ 6 ] кремниевые стержни высокой чистоты подвергаются воздействию трихлорсилана при 1150 ° C, газа, который разлагается, осаждая дополнительный кремний на стержне в соответствии со следующей реакцией:

2 HSiCl ₃ → Si + 2 HCl + SiCl ₄

Кремний, полученный этим и подобными методами, называется поликристаллическим кремнием и обычно имеет долю примесей 0,001 ppm или меньше.

Метод Дюпона заключается во взаимодействии тетрахлорида кремния при 950 ° C с парами очень чистого цинка :

SiCl ₄ + 2 Zn → Si + 2 ZnCl ₂

Этот метод сопряжен с трудностями (хлорид цинка, побочный продукт реакции, затвердевает и забивает линии), поэтому в конечном итоге от него отказались в пользу процесса Сименса.

После получения сверхчистого кремния необходимо получить монокристалл , для которого используется процесс Чохральского .

Кремний солнечного качества - передовые технологии

Ниже представлены различные варианты производства SoG-Si. [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] Все они были собраны и представлены с 2004 года на конференциях Solar Silicon . Эти конференции ежегодно организуются журналом Photon International в Мюнхене после растущей обеспокоенности по поводу нехватки поликремния . Пока ни одна из этих альтернатив не дошла до стадии производства, хотя некоторые из них близки. [ требуется ссылка ]

Реактор с псевдоожиженным слоем

Wacker Chemie, [ 10 ] Hemlock и Solar Grade Silicon предлагают реактор с псевдоожиженным слоем. Он состоит из кварцевой трубки , в которую вместе с водородом вводят снизу трихлорсилан (Wacker, Hemlock) или силан (SGS). Газ проходит через слой частиц кремния, на котором происходит осаждение, в результате чего образуются более крупные частицы. По достижении определенного размера частицы становятся слишком тяжелыми, падают на землю и могут быть удалены. Этот процесс не только потребляет гораздо меньше энергии, чем Siemens, но также может выполняться непрерывно.

Трубчатый реактор

Пар в резервуар для жидкости

Tokuyama Corporation предлагает свой процесс VLD (осаждение из паров в жидкость). В реакторе графитовая трубка нагревается до температуры 1500 ° C выше точки плавления кремния. Трихлорсилан и водород подают сверху. Кремний осаждается на графитовых стенках в жидком виде. Поэтому он капает на дно реактора, где затвердевает в гранулы и может быть собран. Более высокий расход энергии по сравнению с реактором Сименс компенсирует 10-кратную более высокую скорость осаждения.

Восстановление с Zn

Chisso Corporation и правительство Японии исследуют процесс восстановления тетрахлорида кремния (SiCl4) парами цинка (Zn). Образуется цинк-кремний хлорид. Эта альтернатива была отброшена в 1980-х годах компанией Bayer AG, поскольку следы остаточных металлов не могли быть удалены. Chisso гарантирует, что его металлические примеси находятся на приемлемом уровне. [ 8 ]

Металлургические альтернативы

Также были предприняты большие усилия для получения SoG-Si, исключающего затратную по энергии стадию использования трихлорсилана, силана или тетрахлорсилана и последующего осаждения на Siemens и т.п.

Элкем [ 11 ] очищает мг-Si в трех относительно простых стадиях рафинирования, пирометаллургическом, гидрометаллургическом и очистке, с потреблением только 20-25% энергии, используемой в методе Сименса. Вместе с Университетом Констанца они достигли эффективности ячеек лишь на полбалла ниже коммерческих ячеек.

Apollon Solar SAS и французская национальная исследовательская лаборатория CNRS очищают Mg-Si с помощью плазмы. Достигнуты солнечные батареи с КПД 11,7%. [ 12 ]

Другой металлургической альтернативой является производство мг-Si с кварцем и черным углеродом, настолько чистым, что дальнейшая очистка не требуется. Есть две параллельные работы: одна - в Казахском национальном техническом университете в Алматы, Казахстан. [ 7 ] Другой - проект SOLSILC, финансируемый Европейской Комиссией. Солнечные элементы, изготовленные из этого материала, достигли относительно низкого КПД по моменту. [ 8 ] 28 процентов этого материала больше не существует.

Изотопы

Кремний состоит из девяти изотопов с массовым числом от 25 до 33. Самый распространенный изотоп - это Si-28 с содержанием 92,23%, Si-29 с содержанием 4,67% и Si-30 с содержанием 3,1%. . Все они стабильны, а доля остальных изотопов очень мала. Si-32 - это радиоактивный изотоп, образующийся при распаде аргона . Его период полураспада составляет примерно 132 года. Он подвергается бета-распаду, который превращает его в P-32 (с периодом полураспада 14,28 дня).

Предостережения

Вдыхание пыли кристаллического кремнезема может вызвать силикоз .

Смотрите также

использованная литература

внешняя ссылка

На Wikimedia Commons есть мультимедийная галерея на Silicon .
Жидкий кремний - Обработка почвы и растений.
Функция кремния в живых существах.
Национальный институт безопасности и гигиены труда (Испания). ( неработающая ссылка доступна в Интернет-архиве ; посмотреть историю , первую и последнюю версию ). Паспорт химической безопасности Silicon International.

Читайте также: