Кремний — металл?

Кремний — элемент, расположенный в периодической таблице рядом с углеродом. Он составляет чуть более четверти земной коры, имеет атомный номер 14 и символ Si. Принадлежит к 14 группе элементов, которые имеют четыре электрона на внешней оболочке. Это твердое, хрупкое кристаллическое вещество с синевато-серым металлическим блеском. Используется в различных распространенных продуктах, от керамики и кирпича до полупроводников, солнечных батарей, компьютерных чипов, водонепроницаемых систем и даже для создания ферросилиция — популярного стального сплава. Но, несмотря на блестящий металлический блеск, кремний не является ни металлом, ни неметаллом.

Понимание природы элементов

Понимание природы элементов важно для оценки их уникальных свойств, классификации, применения, влияния на здоровье и экологических последствий.

Периодическая таблица — это таблица, которая сортирует элементы по их электронной конфигурации, химическим свойствам и атомным номерам. Элементы расположены в рядах, называемых периодами, и столбцах, называемых группами. Элементы с похожими электронными конфигурациями, такими как количество частиц во внешних слоях их атомов, в основном образуют одинаковые типы связей. Некоторые элементы ценнее других, и их электронное строение не может быть разложено на простые конфигурации.

Историческая классификация кремния

Кремний был классифицирован как металл при первом открытии из-за его металлического блеска и хорошей теплопроводности. Однако было обнаружено, что ему не хватает некоторых свойств, которые делают некоторые элементы металлами, включая пластичность и ковкость. Также было обнаружено, что он проводит электричество только при определенных условиях. Поэтому ученые были вынуждены пересмотреть его класс в периодической таблице. Однако группа и период остались прежними, поскольку они зависят от атомного номера и расположения электронов.

Где кремний находится в периодической таблице?

Кремний является членом 14 группы в периодической таблице. Это известно как семейство углерода. Он расположен в ряду под углеродом, и оба имеют почти одинаковое электронное строение. На самом деле, их часто путают друг с другом, потому что они обладают различными свойствами. Однако кремний является металлоидом, а углерод — неметаллом. Кроме того, углерод более реакционноспособен, чем кремний, и образует много соединений.

Что такое металлоид?

Некоторые элементы периодической таблицы, такие как кремний, сурьма, бор и т. д., являются одновременно металлами и неметаллами. Эти элементы известны как металлоиды. В основном они выглядят как металлы, но проявляют химическое поведение неметаллов. Они ведут себя как металлы в одних условиях и как неметаллы в других. Например, кремний является непроводником электричества в определенных состояниях и проводником в других. Существует шесть общепринятых металлоидов: кремний, мышьяк, бор, полоний, теллур и сурьма.

Вы найдете их в зигзагообразной линии, которая разделяет неметаллы и металлы на периодической таблице.

Почему кремний является металлоидом?

Кремний является металлоидом, потому что он имеет промежуточную природу. При комнатной температуре он твердый, хрупкий и блестящий, как и большинство металлов, но при этом не является хорошим проводником электричества в тех же условиях. Кроме того, он не пластичен и не ковок, как металлы. Он легко ломается.

Свойства металлоидов кремния

Как уже упоминалось, кремний имеет промежуточную природу, которая придает ему характеристики металлоида. Некоторые из его металлоидных свойств включают:

Блестящий металлический блеск

Кремний плавится при 1410 градусах Цельсия (2570 градусов по Фаренгейту) и кипит при 3265 градусах Цельсия (5859 градусов по Фаренгейту). Это позволяет ему оставаться твердым и блестящим при комнатной температуре. Обычно он имеет синевато-серый цвет. Хрупкость Кремний легко ломается, как неметаллы. Он не пластичен и не ковок, а представляет собой хрупкое твердое вещество из-за регулярного и повторяющегося расположения атомов в кристалле.

И хотя эта структура укрепляет его в одном направлении, она становится слабее в других. Он легко ломается при растягивающих напряжениях. Однако хрупкость полезна, когда элемент используется для изготовления интегральных схем. Она защищает транзисторы от повреждений во время производства.

Полупроводниковые свойства

Кремний проводит электричество только при определенных условиях. Это зависит от температуры или введенных примесей. Последнее известно как легирование, которое включает введение донорных или акцепторных примесей, таких как фосфор и бор. Однако проводимость также может увеличиваться при нагревании. Повышение температуры заставляет валентные электроны мигрировать в зону проводимости, что позволяет элементу проводить электричество.

Химическая реакционная способность

Кремний имеет электроположительное химическое поведение. Однако при комнатной температуре он относительно инертен и начинает реагировать только при нагревании, легко связываясь с кислородом, галогенами и фосфором. Он может иметь степени окисления +2 и +4, причем последняя является наиболее распространенной, и именно в этом состоянии элемент встречается в большинстве соединений.

Полимеры кремния включают

Силаны

В основном силаны — это кремниевые гидриды. Они очень реакционноспособны на воздухе и легко воспламеняются. Они являются сильными восстановителями.

Силициды

Силициды по структуре похожи на бориды и карбиды. Они обычно образуются, когда кремний соединяется с более электроположительными элементами. Образующиеся химические связи варьируются от проводящих металлоподобных образований до ионных или ковалентных. К распространенным силицидам относятся CoSi2, NiSi2, FeSi2 и MoSi2.

Кремнезем

Кремнезем — это диоксид кремния (SiO2), наиболее распространенное соединение в земной коре, составляющее около 27% коры по массе. Он существует в таких формах, как кварц, стекло, песок и т. д. Они обычно кристаллические или аморфные. Как уже упоминалось, первые блестящие и сероватые, а вторые — коричневатый порошок. Кремнезем широко используется для производства стекла, кремниевых чипов, цемента и керамики. Он также используется в качестве наполнителя для резины и пластмасс.

Галогениды

Галогениды образуются, когда кремний и карбиды кремния реагируют с галогенами, образуя тетрагалогениды кремния. Затем тетрагалогениды кремния гидролизуются в воде, образуя бесцветные летучие жидкости. Примерами галогенидов кремния являются тетрафторид кремния (SiF4), тетрахлорид кремния (SiCl4) и тетрабромид кремния (SiBr4). Они используются в различных промышленных применениях, включая производство пластмасс, силоксанов и полупроводников.

Кремниевые кислоты

Кремниевые кислоты — это гидратированные силикагели, образующиеся при взаимодействии кремния с кислородом и водородом. Это обычно бесцветные слабые кислоты, которые иногда растворимы в воде. Кремниевые кислоты играют важную роль в биоминерализации.

Применение кремния

Промежуточная природа кремния делает его полезным в широком спектре применений, от электроники до строительства и строительства.

Кремний в электронике

Кремний может быть сделан проводящим электричество путем повышения его температуры или введения легирующих агентов. Это делает его полезным в электронных приложениях, таких как:

• Компьютерные чипы: Кремний используется для производства транзисторов. Это важные компоненты логических вентилей. Они позволяют компьютерам выполнять инструкции, хранить данные, выполнять вычисления и т.д. Производители используют полупроводниковые и распространенные свойства кремния для производства компактных, экономичных и эффективных транзисторов. Примером являются интегральные схемы; это, по сути, полупроводники с несколькими транзисторами. Их можно встраивать в телевизоры, компьютеры и смартфоны.
• Солнечные батареи: Эти устройства полезны для преобразования природной энергии в электричество. Кремний позволяет производить эффективные и недорогие солнечные батареи.
• Кремний используется для производства диодов: диоды пропускают ток в одном направлении. Некоторые применения этих устройств - блоки питания, усилители и компоненты обработки сигналов.
• Светодиоды: вы, вероятно, встретите несколько светодиодных устройств в большинстве современных домов. Их механизм включает в себя освещение различной интенсивности при протекании тока. Некоторые светодиодные электронные устройства - это светофоры, фонарики и светильники, используемые в зданиях.

Кремний в образовании сплавов

Другое распространенное применение кремния - производство сплавов. Он обладает свойствами, которые позволяют снизить температуру плавления, улучшить хрупкость, повысить коррозионную стойкость, а также упростить процесс плавления и резки. Некоторые кремниевые сплавы:

• Алюминиево-кремниевые сплавы. Эти сплавы обладают такими полезными свойствами, как хорошая пластичность, низкая плотность и прочность. Алюминиево-кремниевые сплавы подходят для таких процессов формования, как экструзия, литье и ковка.
• Медно-кремниевые сплавы. Эти сплавы популярны в таких областях применения, как теплообменники, электрические проводники и кровельные материалы, благодаря своим высокопрочным сплавам, хорошей проводимости и окислительной стойкости.
• Железо-кремниевые сплавы. Как и другие кремниевые сплавы, они также пластичны, прочны и долговечны, что позволяет использовать их в процессах обработки нержавеющей стали, стали и чугуна.

Кремний в кирпичах и керамике

Диоксид кремния, кремниевый полимер, популярен у производителей керамики и кирпича. Он выдерживает высокие температуры без плавления, что делает кирпичи и керамику более прочными, крепкими, гладкими, а также химически и термостойкими. Примеры включают силикатные кирпичи, огнеупорные кирпичи, глазурованные кирпичи и фарфор.

Кремний в производстве стекла

Кремний также полезен в производстве стекла. Как правило, ученые плавят песок, чтобы получить кремний, который используется для производства стекла. Кремний имеет низкое тепловое расширение; поэтому полученное стекло не меняет свою форму, объем, плотность или площадь при изменении температуры.

Вреден ли кремний?

Кремний в элементарной форме, как правило, безопасен. Однако вдыхание большого количества диоксида кремния может повредить легкие. Жидкий кремний также опасен при попадании в организм. Следите также за аллергическими реакциями. В случае наличия аллергии проконсультируйтесь с врачом перед работой с кремнийсодержащими материалами.

Заключение

Существует стремительно растущий спрос на кремний и его сплавы в электротехнической и строительной промышленности. Он проявляет как металлические, так и неметаллические свойства, что делает его полезным в этих и других областях применения. Компания Oushi Metal является одним из ведущих мировых производителей и поставщиков кремния и кремниевой продукции.

Мы производим кремний с использованием малозатратного процесса и гарантируем, что вы получите его в максимально чистом виде. Не стесняйтесь обращаться к нашей команде за дополнительной информацией и помощью в выборе лучшего кремниевого продукта для вашего проекта.