Кремний и его характеристики

Кремний является химическим элементом с химическим символом Si и атомным числом. Это жесткое, хрупкое кристаллическое твердое вещество с голубо-серым металлическим блеском и является тетравалентным металлоидным и полупроводником. Это член группы 14 в периодической таблице: углерод выше. это; Германия, олово, свинец и празеодимиум находятся ниже. Он относительно неактивен.Из -за высокого химического сродства к кислороду только в 1823 году Йонс Якоб Берцелиус впервые смог его подготовить и охарактеризовать его в чистой форме. Его температура плавления и температура кипения составляют 1414 ° C и 3265 ° C соответственно, ранжирование второго среди всех металлоидов и неметаллов, уступая только бору.Кремний является восьмым наиболее распространенным элементом во вселенной по массе, но редко встречается как чистый элемент в коре Земли. Он широко распределен в пространстве в космической пыли, астероидах и планетах в различных формах кремния (диоксид кремния) или силикатов. Более 90% земной коры состоит из силикатных минералов, что делает кремний вторым наиболее распространенным элементом в коре Земли (приблизительно 28% по массе) после кислорода.

Большая часть кремния используется в коммерческих целях без изоляции, часто при минимальной обработке естественного минерала. Такое использование включает промышленную конструкцию с использованием глины, кремнезема и камня. Бетон для тротуаров, фундаментов и дорог. Они также используются в белой керамике, такой как фарфор, а также традиционное стекло из лайма на основе силиката и многие другие специализированные стеклы. Силиконовые соединения, такие как карбид кремния, используются в качестве абразива и компонентов высоких -Пронизированная керамика. Силикон является основой широко используемого синтетического полимерного силикона.

Конец 20 -го века до начала 21 -го века известен как кремниевый век (также известный как цифровая эпоха или информационная эпоха) из -за огромного воздействия элемента кремния на современную мировую экономику. Небольшая доля очень Элементный кремний с высокой чистотой чистотой (<10% [необходим цитирование]), используемое в полупроводниковой электронике, имеет решающее значение для транзисторов и интегрированных чипов цепей, используемых в большинстве современных технологий, таких как смартфоны и другие компьютеры. В 2019 году использовались 32,4% рынка полупроводников. в сетевом и коммуникационном оборудовании, а полупроводниковая промышленность ожидается в 2027 году достигнут 726,73 млрд долларов.Кремний является важным элементом в биологии. Большинству животных нужны только следы, но некоторые морские губки и микробы, такие как диатомовые и радиоальные, секретные структуры скелета, изготовленные из кремнезема. Кремнезый откладывается во многих тканях растений.

Характеристики

Физический и атомный:

Кремний атом имеет четырнадцать электронов. В основном состоянии они расположены в электронном конфигурации [NE] 3S23P2. и ведущий, он имеет такое же количество валентных электронов, что и валентные орбитали: таким образом, он может завершить свой октет и достичь стабильной инертности с помощью форм конфигурации газового аргона, образуя тетраэдрические шесть.4 производных, в которых центральный кремниевый атом разделяет электронную пару с каждым из четырех атомов, с которым он связан. Первые четыре энергии ионизации кремния составляют 786,3, 1576,5, 3228,3 и 4354,4 кДж/моль; Эти цифры достаточно высоки, чтобы исключить возможность простой катионной химии элемента. Следуя периодической тенденции, его ковалентный радиус с одним связью составляет 117,6 вечера, что между углеродом (77,2 вечера) и германия (122,3 вечера).

Электрический

При стандартной температуре и давлении кремний представляет собой блестящий полупроводник с голубо-серым металлическим блеском; Как типичный полупроводник, его удельное сопротивление уменьшается с повышением температуры. Это происходит потому, что кремний имеет небольшой энергетический зазор (полосатая плавания) между его самым высоким уровнем энергии (валентная полоса) и самым низким уровнем энергии (полоса проводимости). между полосами валентности и проводимости и является энергией, в которой государство, вероятно, будет занято электронами. Таким образом, чистый кремний фактически является изолятором при комнатной температуре. Однако, легирующий кремний с фотоактивными элементами, такими как фосфор, мышьяк или сурьми Дополнительный электрон на легирующую приставку, который затем может быть возбужден термически или фотолитически в полосу проводимости, образуя полупроводник N-типа. Аналогично, легирующий кремний с элементами 13 группы, такими как бор, алюминий или галлий, приводит к введению акцепторных уровней, которые ловят электроны, которые могут быть возбуждены от заполненной валентной полосы, образуя полупроводник P-типа. Кремний -тип создает переход P-N с общим уровнем Ферми; Электроны текут от N до P, в то время как отверстия текут от P до N, создавая падение напряжения. Таким образом, этот перекресток P-N действует как диод и исправляет переменный ток, что облегчает ток течь в одну сторону, а не другой. Транзистор представляет собой соединение N-P-N с тонким слоем слабым кремния P-типа между двумя N-типами Regions.Biass Emitter небольшим прямом напряжением и коллекционером большим обратным напряжением позволяет транзистору действовать как усилитель триода.

Кристальная структура

В стандартных условиях кремниевые кристаллизуются в гигантских ковалентных структурах, особенно в алмазной кубической решетке (космическая группа 227). Следовательно, он имеет высокую температуру плавления 1414 ° C, потому что требуется большая энергия, чтобы разбить сильные ковалентные связи и растопить твердый. заполняются, аналогично водяному льду, когда водородные связи разбиваются во время плавления. Он не имеет термодинамически стабильного аллотропа при стандартном давлении, но несколько других кристаллических структур известны при более высоких давлениях. Общая тенденция заключается в том, что координационное число увеличивается с давлением, В конечном итоге образуя гексагональную привязанную аллотроп около 40 ГПа, называемый si-vii (стандартный вариант Si-I). Аллотроп, известный как BC8 (или BC8), имеет кубическую решетку, ориентированную на тело, с восемью атомами на оригинальную клетку. (Space Group 206), может быть получена при высоком давлении и оставаться метастабильными при низком давлении. Свойства были подробно изучены.

Кремний кипит при 3265 ° C: хотя высокий, он по -прежнему ниже, чем температура, при которой его более легкие подростки углерода (3642 ° C), и тепло испарения кремния также ниже, чем у углерода, что связано с Соотношение связей Si -Si к C. Связь C является слабым.Графеноподобные слои силикина также могут быть построены.

Изотопы

Природный кремний состоит из трех стабильных изотопов, 28SI (92,23%), 29SI (4,67%) и 30SI (3,10%). Из них можно использовать только 29SI для ЯМР и EPR, потому что это единственное вещество с ядерным спин (i = 1/2). Все три произведены процессом сгорания кислорода в супернове типа Ia [49] [50], где 28SI производится как часть альфа -процесса и, следовательно, является наиболее распространенным. частицы в звездах с помощью перегруппировки Photodecay, процесса, известного как сжигание кремния; Это последний этап нуклеосинтеза, прежде чем звезда быстро рухнет и сильно взрывается в сверхновой типа II.

Было охарактеризовано двадцать радиоизотопов, два наиболее стабильных составляли 32SI с периодом полураспада около 150 лет и 31SI с полураспадом 2,62 часа. Все оставшиеся радиоизотопы имеют период полураспада менее семи секунд, и большинство из них имеют половину. Жизнь менее одной десятой секунды. Silicon имеет один известный ядерный изомер, 34 мс, с периодом полураспада менее 210 NS.32SI, подвергается низкоэнергетическому бета-распаду до 32 пенсов, а затем стабилизируется до 32-х годов. 31SI может быть получен путем активации нейтронов природного кремния и, следовательно, может использоваться для количественного анализа; Его можно легко обнаружить с помощью его стабильного характерного бета -распада 31p, где излучаемые электроны несут энергии до 1,48 МэВ.

Известные изотопы кремния имеют массы в диапазоне от 22 до 44. Наиболее распространенным режимом распада для изотопов с массами ниже, чем у трех стабильных изотопов, является обратное бета -распад, с преобладающим образованием изотопа алюминия (13 протонов) в качестве затухания. Наиболее распространенным способом распада для более тяжелых нестабильных изотопов является бета -распад, с преобладающим образованием изотопа фосфора (15 протонов) в качестве продукта распада.Кремний может попасть в океан через грунтовые воды и реки. В глубоководных ценностях изотопов в различных океанских бассейнах в мире. Между Атлантическим океаном и Тихоокеанским океаном существует глубоководной градиент 30SI, более 0,3, 30SI чаще всего ассоциируется с продуктивностью.