Способы получения кремния

Нахождение в природе

Содержание кремния в земной коре составляет по разным данным 27,6—29,5 % по массе. Таким образом по распространённости в земной коре кремний занимает второе место после кислорода. Концентрация в морской воде 3 мг/л^[2].

Чаще всего в природе кремний встречается в виде кремнезёма - соединений на основе диоксида кремния (IV) SiO₂ (около 12 % массы земной коры). Основные минералы, образуемые диоксидом кремния - это песок (речной и кварцевый), кварц и кварциты, кремень. Вторую по распространённости в природе группу соединений кремния составляют силикаты и алюмосиликаты

Отмечены единичные факты нахождения чистого кремния в самородном виде: Металлический кремний в ийолитахГорячегорского массива, Петрология обыкновенных хондритов.

 

 

Кремний в природе и его промышленная добыча

Содержание кремния в земной коре составляет по разным данным 27,6—29,5 % по массе. Таким образом по распространённости в земной коре кремний занимает второе место после кислорода. Концентрация в морской воде 3 мг/л^[2].

Чаще всего в природе кремний встречается в виде кремнезёма - соединений на основе диоксида кремния (IV) SiO₂ (около 12 % массы земной коры). Основные минералы, образуемые диоксидом кремния - это песок (речной и кварцевый), кварц и кварциты, кремень. Вторую по распространённости в природе группу соединений кремния составляют силикаты и алюмосиликаты

Отмечены единичные факты нахождения чистого кремния в самородном виде: Металлический кремний в ийолитахГорячегорского массива, Петрология обыкновенных хондритов.

Свободный кремний может быть получен прокаливанием с магнием мелкого белого песка, который по химическому составу является почти чистым окислом кремния,

· SiO₂+2Mg=2MgO+Si,

образующийся при этом аморфный кремний имеет вид бурого порошка, плотность которого равна 2,0 г/см³

В промышленности кремний технической чистоты получают, восстанавливая расплав SiO₂коксом при температуре около 1800 °C в дуговых печах. Чистота полученного таким образом кремния может достигать 99,9 % (основные примеси — углерод, металлы).

Возможна дальнейшая очистка кремния от примесей.

· Очистка в лабораторных условиях может быть проведена путём предварительного получения силицида магния Mg₂Si. Далее из силицида магния с помощью соляной или уксусной кислот получают газообразный моносилан SiH₄. Моносилан очищают ректификацией, сорбционными и др. методами, а затем разлагают на кремний и водород при температуре около 1000 °C.

· Очистка кремния в промышленных масштабах осуществляется путём непосредственного хлорирования кремния. При этом образуются соединения состава SiCl₄ и SiCl₃H. Эти хлориды различными способами очищают от примесей (как правило перегонкой и диспропорционированием) и на заключительном этапе восстанавливают чистым водородом при температурах от 900 до 1100 °C.

· Разрабатываются более дешёвые, чистые и эффективные промышленные технологии очистки кремния. На 2010 г. к таковым можно отнести технологии очистки кремния с использованием фтора (вместо хлора); технологии предусматривающие дистилляцию монооксида кремния; технологии, основанные на вытравливании примесей, концентрирующихся на межкристаллитных границах.

 

Содержание примесей в доочищенном кремнии может быть снижено до 10⁻⁸—10⁻⁶% по массе. Более подробно вопросы получения сверхчистого кремния рассмотрены в статье Поликристаллический кремний

Способ получения кремния в чистом виде разработан Николаем Николаевичем Бекетовым.

Крупнейшим производителем кремния в России является ОКРусал[1] — кремний производится на заводах в г. Каменск-Уральский (Свердловская область) и г. Шелехов (Иркутская область).

 

Кремний, его свойства и аллотропные видоизменения

Кристаллический кремний-это вещество темно-серого цвета со стальным блеском. Структура кремния аналогична структуре алмаза: кристаллическая решетка кубическая гранецентрированная, но из-за большей длины связи между атомами Si-Si по сравнению с длиной связи C-C твердость кремния значительно меньше, чем алмаза. Кремний очень хрупок, его плотность 2,33 г/см^3.

Как и уголь, относится к тугоплавким веществам.

Кристаллическая структура кремния.

Кристаллическая решетка кремния кубическая гранецентрированная типа алмаза, параметр а = 0,54307 нм (при высоких давлениях получены и другие полиморфные модификации кремния), но из-за большей длины связи между атомами Si—Si по сравнению с длиной связи С—С твердость кремния значительно меньше, чем алмаза. Кремний хрупок, только при нагревании выше 800 °C он становится пластичным веществом. Интересно, что кремний прозрачен к инфракрасному излучению, начиная с длины волны 1.1 микрометр. Собственная концентрация носителей заряда — 13,1×10²⁸м⁻³

Химические свойства

В соединениях кремний склонен проявлять степень окисления +4 или −4, так как для атома кремния более характерно состояние sp³-гибридизации орбиталей. Поэтому во всех соединениях, кроме оксида кремния (II) SiO, кремний четырёхвалентен.

Химически кремний малоактивен. При комнатной температуре реагирует только с газообразным фтором, при этом образуется летучийтетрафторид кремния SiF₄. При нагревании до температуры 400—500 °C кремний реагирует с кислородом с образованием диоксида SiO₂, с хлором, бромом и иодом — с образованием соответствующих легко летучих тетрагалогенидов SiHalogen₄.

С водородом кремний непосредственно не реагирует, соединения кремния с водородом — силаны с общей формулой Si_nH_2n+2 — получают косвенным путем. Моносилан SiH₄ (его часто называют просто силаном) выделяется при взаимодействии силицидов металлов с растворами кислот, например:

Ca₂Si + 4HCl → 2CaCl₂ + SiH₄↑.

Образующийся в этой реакции силан SiH₄ содержит примесь и других силанов, в частности, дисилана Si₂H₆ и трисилана Si₃H₈, в которых имеется цепочка из атомов кремния, связанных между собой одинарными связями (—Si—Si—Si—).

С азотом кремний при температуре около 1000 °C образует нитрид Si₃N₄, с бором — термически и химически стойкие бориды SiB₃, SiB₆ и SiB₁₂. Соединение кремния и его ближайшего аналога по таблице Менделеева — углерода — карбид кремнияSiC (карборунд) характеризуется высокой твердостью и низкой химической активностью. Карборунд широко используется как абразивный материал.

При нагревании кремния с металлами возникают силициды. Силициды можно подразделить на две группы: ионно-ковалентные (силициды щелочных, щелочноземельных металлов и магния типа Ca₂Si, Mg₂Si и др.) и металлоподобные (силициды переходных металлов). Силициды активных металлов разлагаются под действием кислот, силициды переходных металлов химически стойки и под действием кислот не разлагаются. Металлоподобные силициды имеют высокие температуры плавления (до 2000 °C). Наиболее часто образуются металлоподобные силициды составов MeSi, Me₃Si₂, Me₂Si₃, Me₅Si₃ и MeSi₂. Металлоподобные силициды химически инертны, устойчивы к действию кислорода даже при высоких температурах.

При восстановлении SiO₂ кремнием при высоких температурах образуется оксид кремния (II)SiO.

Для кремния характерно образование кремнийорганических соединений, в которых атомы кремния соединены в длинные цепочки за счет мостиковых атомов кислорода —О—, а к каждому атому кремния, кроме двух атомов О, присоединены еще два органических радикала R₁ и R₂ = CH₃, C₂H₅, C₆H₅, CH₂CH₂CF₃ и др.

Для травления кремния наиболее широко используют смесь плавиковой и азотной кислот. Некоторые специальные травители предусматривают добавку хромового ангидрида и иных веществ. При травлении кислотный травильный раствор быстро разогревается до температуры кипения, при этом скорость травления многократно возрастает.

1. Si+2HNO₃=SiO₂+NO+NO₂+H₂O

2. SiO₂+4HF=SiF₄+2H₂O

3. 3SiF₄+3H₂O=2H₂SiF₆+↓H₂SiO₃

Для травления кремния могут использоваться водные растворы щелочей. Травление кремния в щелочных растворах начинается при температуре раствора более 60°С.

1. Si+2KOH+H₂O=K₂SiO₃+2H₂↑

2. K₂SiO₃+2H₂O↔H₂SiO₃+2KOH

Физические свойства

Кристаллическая решетка кремния кубическая гранецентрированная типа алмаза, параметр а = 0,54307 нм (при высоких давлениях получены и другие полиморфные модификации кремния), но из-за большей длины связи между атомами Si—Si по сравнению с длиной связи С—С твердость кремния значительно меньше, чем алмаза. Кремний хрупок, только при нагревании выше 800 °C он становится пластичным веществом. Интересно, что кремний прозрачен к инфракрасному излучению, начиная с длины волны 1.1 микрометр. Собственная концентрация носителей заряда — 13,1×10²⁸м⁻³

Электрофизические свойства

Элементарный кремний в монокристаллической форме является непрямозоннымполупроводником. Ширина запрещенной зоны при комнатной

 

температуре составляет 1,12 эВ, а при Т = 0 К составляет 1,21 эВ^[5]. Концентрация собственных носителей заряда в кремнии при нормальных условиях составляет порядка 1,5×10¹⁰см^{−3[источник не указан 342 дня]}.

На электрофизические свойства кристаллического кремния большое влияние оказывают содержащиеся в нем примеси. Для получения кристаллов кремния с дырочной проводимостью в кремний вводят атомы элементов III-й группы, таких как бор, алюминий, галлий, индий). Для получения кристаллов кремния с электронной проводимостью в кремний вводят атомы элементов V-й группы, таких как фосфор, мышьяк, сурьма.

При создании электронных приборов на основе кремния задействуется преимущественно приповерхностный слой материала (до десятков микрон), поэтому качество поверхности кристалла может оказывать существенное влияние на электрофизические свойства кремния и, соответственно свойства готового прибора. При создании некоторых приборов используются приёмы связанные с модификацией поверхности, например, обрабатывая поверхность кремния различными химическими агентами.

1. Диэлектрическая проницаемость: 12^[1]

2. Подвижность электронов: 1300—1450 см²/(в·c).

3. Подвижность дырок: 500 см²/(в·c).

4. Ширина запрещенной зоны 1,205-2,84×10^-4·T

5. Продолжительность жизни электрона: 5 нс — 10 мс

6. Длина свободного пробега электрона: порядка 0,1 см

7. Длина свободного пробега дырки: порядка 0,02 — 0,06 см

 

 

 

Способы получения кремния

Свободный кремний может быть получен прокаливанием с магнием мелкого белого песка, который по химическому составу является почти чистым окислом кремния,

· SiO₂+2Mg=2MgO+Si,

образующийся при этом аморфный кремний имеет вид бурого порошка, плотность которого равна 2,0 г/см³ ^[3]

В промышленности кремний технической чистоты получают, восстанавливая расплав SiO₂коксом при температуре около 1800 °C в дуговых печах. Чистота полученного таким образом кремния может достигать 99,9 % (основные примеси — углерод, металлы).

Возможна дальнейшая очистка кремния от примесей.

· Очистка в лабораторных условиях может быть проведена путём предварительного получения силицида магния Mg₂Si. Далее из силицида магния с помощью соляной или уксусной кислот получают газообразный моносилан SiH₄. Моносилан очищают ректификацией, сорбционными и др. методами, а затем разлагают на кремний и водород при температуре около 1000 °C.

· Очистка кремния в промышленных масштабах осуществляется путём непосредственного хлорирования кремния. При этом образуются соединения состава SiCl₄ и SiCl₃H. Эти хлориды различными способами очищают от примесей (как правило перегонкой и диспропорционированием) и на заключительном этапе восстанавливают чистым водородом при температурах от 900 до 1100 °C.

· Разрабатываются более дешёвые, чистые и эффективные промышленные технологии очистки кремния. На 2010 г. к таковым можно отнести технологии очистки кремния с использованием фтора (вместо хлора); технологии предусматривающие дистилляцию монооксида кремния; технологии, основанные на вытравливании примесей, концентрирующихся на межкристаллитных границах.

Содержание примесей в доочищенном кремнии может быть снижено до 10⁻⁸—10⁻⁶% по массе. Более подробно вопросы получения сверхчистого кремния рассмотрены в статье Поликристаллический кремний

Способ получения кремния в чистом виде разработан Николаем Николаевичем Бекетовым.

Крупнейшим производителем кремния в России является ОКРусал[1] — кремний производится на заводах в г. Каменск-Уральский (Свердловская область) и г. Шелехов (Иркутская область).

 

 

Соединения кремния и их свойства

Соединения кремния

Карбид кремния (SiC) • Силаны (Si_nH_2n+2) • Кремнефтористоводородная кислота (H₂[SiF₆]) • Кремниевые кислоты (SiO₂· n H₂О) • Оксид кремния(II) (SiO) • Оксид кремния(IV) (SiO₂) • Полевые шпаты • Силикагель (n SiO2· m H₂O) • Силиконовое масло • Силиконы ([R₂SiO]_n) • Силицид ванадия (V₃Si) • Силицид рения (ReSi) • Силицид молибдена (MoSi₂) • Силикат сурьмы (Si₃Sb₄) • Силицид висмута (Si₃Bi₄) • Силицид полония (SiPo₂) • Силицид кальция (CaSi₂) • Силицид марганца (Mg₂Si) • Трихлорсилан (SiHCl₃) • Хлорид кремния(IV) (SiCl₄) • Хлориды кремния • Нитрид кремния (Si₃N₄) • Тетраиодид кремния (SiI₄) • Тетрабромид кремния (SiBr₄) • Сульфид кремния (SiS₂) • Муассанит

По химическим свойствам кремний является неметаллом. Поскольку на внешнем энергетическом уровне находится 4 электрона, то для кремния характерна степень окисления как -4, так и +4. Химически кремний мало активен.При комнатной температуре реагирует только с газообразным фтором, при этом образуется летучий тетрафторид кремния:

Si + 2F₂ = SiF₄

При нагревании измельченный кремний реагирует с кислородом с образованием оксида кремния (IV):

Si + O₂ = SiO₂

Кислоты (кроме смеси фтороводородной и азотной) на кремний не действуют. Однако он растворяется в щелочах, образуя силикат и водород.

Si + 2 NaOH + H₂O = Na₂SiO₃ + 2H₂

В соединениях кремний склонен проявлять степень окисления +4 или −4, так как для атома кремния более характерно состояние sp³-гибридизации орбиталей. Поэтому во всех соединениях, кроме оксида кремния (II) SiO, кремний четырёхвалентен.

Химически кремний малоактивен. При комнатной температуре реагирует только с газообразным фтором, при этом образуется летучийтетрафторид кремния SiF₄. При нагревании до температуры 400—500 °C кремний реагирует с кислородом с образованием диоксида SiO₂, с хлором, бромом и иодом — с образованием соответствующих легко летучих тетрагалогенидов SiHalogen₄.

С водородом кремний непосредственно не реагирует, соединения кремния с водородом — силаны с общей формулой Si_nH_2n+2 — получают косвенным путем. Моносилан SiH₄ (его часто называют просто силаном) выделяется при взаимодействии силицидов металлов с растворами кислот, например:

Ca₂Si + 4HCl → 2CaCl₂ + SiH₄↑.

Образующийся в этой реакции силан SiH₄ содержит примесь и других силанов, в частности, дисилана Si₂H₆ и трисилана Si₃H₈, в которых имеется цепочка из атомов кремния, связанных между собой одинарными связями (—Si—Si—Si—).

С азотом кремний при температуре около 1000 °C образует нитрид Si₃N₄, с бором — термически и химически стойкие бориды SiB₃, SiB₆ и SiB₁₂. Соединение кремния и его ближайшего аналога по таблице Менделеева — углерода — карбид кремнияSiC (карборунд) характеризуется высокой твердостью и низкой химической активностью. Карборунд широко используется как абразивный материал.

При нагревании кремния с металлами возникают силициды. Силициды можно подразделить на две группы: ионно-ковалентные (силициды щелочных, щелочноземельных металлов и магния типа Ca₂Si, Mg₂Si и др.) и металлоподобные (силициды переходных металлов). Силициды активных металлов разлагаются под действием кислот, силициды переходных металлов химически стойки и под действием кислот не разлагаются. Металлоподобные силициды имеют высокие температуры плавления (до 2000 °C). Наиболее часто образуются металлоподобные силициды составов MeSi, Me₃Si₂, Me₂Si₃, Me₅Si₃ и MeSi₂. Металлоподобные силициды химически инертны, устойчивы к действию кислорода даже при высоких температурах.

При восстановлении SiO₂ кремнием при высоких температурах образуется оксид кремния (II)SiO.

Для кремния характерно образование кремнийорганических соединений, в которых атомы кремния соединены в длинные цепочки за счет мостиковых атомов кислорода —О—, а к каждому атому кремния, кроме двух атомов О, присоединены еще два органических радикала R₁ и R₂ = CH₃, C₂H₅, C₆H₅, CH₂CH₂CF₃ и др.

Для травления кремния наиболее широко используют смесь плавиковой и азотной кислот. Некоторые специальные травители предусматривают добавку хромового ангидрида и иных веществ. При травлении кислотный травильный раствор быстро разогревается до температуры кипения, при этом скорость травления многократно возрастает.

4. Si+2HNO₃=SiO₂+NO+NO₂+H₂O

5. SiO₂+4HF=SiF₄+2H₂O

6. 3SiF₄+3H₂O=2H₂SiF₆+↓H₂SiO₃

Для травления кремния могут использоваться водные растворы щелочей. Травление кремния в щелочных растворах начинается при температуре раствора более 60°С.

3. Si+2KOH+H₂O=K₂SiO₃+2H₂↑

4. K₂SiO₃+2H₂O↔H₂SiO₃+2KOH

представляет материал о наиболее стойком природном соединении кремния - оксиде кремния (IV). Это кремнезем, кварц, прозрачные кристаллы кварца – горный хрусталь, мелкокристаллическая разновидность кварца – яшма, мелкие зерна кварца – песок (все образцы представлены на выставке и демонстрируются). Чрезвычайно распространены в природе также силикаты.

 

Например:

Каолинит является главной составной частью белой глины.

Из искусственных силикатов наибольшее значение имеют керамика, стекло и цемент. Познакомимся с производством некоторых из материалов, выпускаемых силикатной промышленностью, подробнее.

 

 

 

 

Кремний – Биогенный элемент

В организме человека содержание кремния составляет 7-10 г., он содержится в крови, в мышцах, в иммунокомпетентных органах – вилочковой железе и надпочечниках. Кремний – основной структурный элемент в организме человека, если кальций является элементом жестких костных структур опорно-двигательного аппарата, то кремний – элемент гибких структур, он необходим для образования и развития соединительной ткани, которая широко представлена в нашем организме – кости, суставы, хрящи, сухожилия, хрусталик глаза, сосуды, а также кожа, слизистые оболочки, волосы и ногти. Соединительная ткань обладает свойством, отличающим её от других тканей организма – способностью к регенерации (восстановлению). Высокое содержание кремния в соединительной ткани связано с его присутствием в составе белковых комплексов, образующих остов тканей и придающих им прочность и упругость. Кремний участвует в химических реакциях, скрепляющих отдельные волокна коллагена и эластина, профилактирует образование морщин, нормализует гидратацию кожи, укрепляет волосы и ногти. Соединения кремния являются необходимыми активаторами процессов регенерации соединительной ткани в организме человека, они ускоряют обменные процессы в организме, оказывают стимулирующее действие на рост клеток кожи, выработку коллагена, эластина и кератина. Известна способность кремния структурировать воду и жидкости организма, он снижает поверхностное натяжение воды, делая ее более биологически усваиваемой, таким образом кремний способствует гидратации клеток и тканей. Выявлено, что у детей насыщенность тканей организма жидкостью выше, чем у пожилых людей, поэтому кремний играет немалую роль в предотвращении процессов старения организма. Являясь структурным антиоксидантом, кремний блокирует процессы перекисного окисления липидов, что положительно сказывается на усилении защитной функции кожи и повышении устойчивости волос и ногтей к окислительному действию свободных радикалов. Поскольку биологический возраст человека определяется именно скоростью обменных процессов, то недостаток кремния в организме является одной из причин старения.

Научные исследования доказали, что кремний участвует в метаболизме более 70 микроэлементов (кальция, магния, фтора, натрия, серы, алюминия, цинка, молибдена, марганца, кобальта и многих других), они не усваиваются, если в организме не хватает кремния. Дефицит кремния в организме влечёт за собой микроэлементозы, расстройства функций многих систем организма и нарушения обмена веществ. Нарушение кремниевого обмена ведет к анемии, остеопорозу, выпадению волос, болезням суставов, туберкулезу, диабету, рожистым воспалениям кожи, желчно- и мочекаменной болезни

Давно известна уникальная способность кремния очищать живые организмы, его органические соединения могут образовывать в водной среде организма биоэлектрически заряженные системы, которые «приклеивают» к себе вирусы гриппа, гепатита, герпеса, болезнетворные микроорганизмы, грибки и дезактивирует их. Известно, что дефицит кремния всегда сопровождается дисбактериозом, наиболее частым проявлением которого являются кандидозы, проявляющиеся в виде язвенного поражения слизистой полости рта, носа, верхних дыхательных путей, пищеварительного тракта и мочеполовой системы. Коллоиды кремния образуют с кандидами и их токсинами комплексные соединения и выводят их из организма. Нормальная флора кишечника, к которой относятся бифидо- и лактобактерии, не обладает свойством соединяться с коллоидными системами кремния и остается в кишечнике, что очень важно для нормального функционирования

пищеварительного тракта. Нельзя не упомянуть о значении кремния для иммунной системы: клетки крови, отвечающие за защитные функции организма (моноциты, лимфоциты) и вырабатывающие защитные антитела, – являются представителями соединительной ткани. Именно поэтому при дефиците кремния снижается иммунитет и возникают различные заболевания, которые носят затяжной характер, чаще всего это гнойные процессы – фурункулёзы, абсцессы, гаймориты, отиты, тонзиллиты, длительно незаживающие раны и свищи. Уже доказано, что многие тяжёлые болезни (рак, туберкулёз, проказа, катаракта, гепатит, дизентерия, ревматизм, артриты) связаны либо с недостатком кремния в тканях, либо с нарушением его обмена. Кремний оказывает противовоспалительное и иммуностимулирующее действие при респираторных инфекциях и хроническом бронхите, снижает аллергическую реакцию при бронхиальной астме. Учёные давно обратили внимание на тот факт, что в областях, где почвы богаты кремнием, крайне редко встречаются онкологические заболевания.

Мы получаем кремний с водой, растительной и животной пищей, суточная потребность в кремнии составляет 20-30 мг, особенно нуждаются в кремнии беременные женщины, кормящие матери и дети. В детском организме активно формируются органы и системы и потребность в связующем элементе значительно выше, чем у взрослого человека. При дефиците кремния в детском организме развивается рахит, разрушаются зубы и прогрессирует кариес, дети отстают в физическом и интеллектуальном развитии. У взрослых к кариесу присоединяется выпадение волос, хрупкость и ломкость ногтей. С возрастом поступление в организм кремния уменьшается, его место в костях занимает кальций, поэтому кости теряют упругость, твердеют, становятся хрупкими, возникает остеопороз. Примерно таким же образом в организме развивается остеохондроз: межпозвонковые хрящи наполняются кальцием, теряют свою эластичность, истончаются, ухудшается их подвижность. При уменьшении количества кремния в организме кальций не усваивается костной тканью, в виде он солей откладывается в суставах, а в виде песка и камней – в желчном пузыре и почках, провоцируя возникновение подагрического синдрома. В процессе старения значительно возрастает опасность переломов, доказано, что в месте перелома идёт мощное накопление кремния и его количество увеличивается в 50 раз по сравнению со здоровыми участками кости. Организм посылает его в проблемное место «на помощь» для скорейшего формирования новой костной ткани. Поступление в организм кремния способствует фиксации кальция в костях, улучшает эластичность и тонус мышц, укрепляет связки и хрящевую ткань суставов. Известно, что о возрасте человека можно судить по состоянию его сосудов. В 1957 году французские учёные описали факты, подтверждающие, что при атеросклерозе наблюдается очень низкое содержание кремния в стенках сосудов. При дефиците кремния его замещает кальций, поэтому уменьшается эластичность сосудов и одновременно с этим возрастает проницаемость их стенок, через образовавшиеся дефекты из тканей в кровь проникает холестерин и оседает на стенках сосудов, образуя холестериновые бляшки. Этот процесс приводит к сужению сосудов и вызывает стенокардию, инфаркт, аритмию, инсульт, гипертонию, психические нарушения, ухудшение памяти и т.д. При дефиците кремния страдает эластичность и венозных сосудов, вены растягиваются и изменяют своё положение, появляется варикозная болезнь нижних конечностей. Достаточное количество кремния в суточном рационе способно восстановить внутреннюю оболочку сосудов, возвратить им эластичность, улучшить венозную циркуляцию и поможет снизить холестерин низкой плотности. Кремний является универсальным и абсолютно безопасным стимулятором выработки энергии в организме при его поступлении в клетках организма

происходит активный синтез аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) – молекулы, обеспечивающей энергией все биохимические процессы, протекающие в клетках.

Биологическая роль

Для некоторых организмов кремний является важным биогенным элементом. Он входит в состав опорных образований у растений и скелетных — у животных. В больших количествах кремний концентрируют морские организмы — диатомовые водоросли, радиолярии, губки. Большие количества кремния концентрируют хвощи и злаки, в первую очередь — подсемейства Бамбуков и Рисовидных, в том числе — рис посевной. Мышечная ткань человека содержит (1-2)×10⁻²% кремния, костная ткань — 17×10⁻⁴%, кровь — 3,9 мг/л. С пищей в организм человека ежедневно поступает до 1 г кремния.

Соединения кремния относительно нетоксичны. Но очень опасно вдыхание высокодисперсных частиц как силикатов, так и диоксида кремния, образующихся, например, при взрывных работах, при долблении пород в шахтах, при работе пескоструйных аппаратов и т. д. Микрочастицы SiO₂, попавшие в лёгкие, кристаллизуются в них, а возникающие кристаллики разрушают лёгочную ткань и вызывают тяжёлую болезнь — силикоз. Чтобы не допустить попадания в лёгкие опасной пыли, следует использовать для защиты органов дыхания респиратор.

 

 

 

Силикатная промышленность

Гжель – один из традиционных российских центров производства керамики. Это обширный район, состоящий из 27 деревень, объединенных в “Гжельский куст”, расположенный примерно в 60 километрах от Москвы по железнодорожной линии Москва – Муром – Казань.Сейчас это Раменский район Московской области (показывается на карте Московской области).

Издавна Гжель славилась своими глинами. Великий русский ученый М.В.Ломоносов, по достоинству оценивший гжельские глины, написал о них столь возвышенные слова: “Едва ли есть земля самая чистая и без примешения где на свете, кою химики у нас называют гжельскую, которой нигде не видал я белизноюпревосходнее”.До середины XVIII века Гжель делала обычную для того времени гончарную посуду, изготавливала кирпич, гончарные трубы, а также примитивные детские игрушки.

Вторая половина XVIII века – полуфаянс, полученный как промежуточный материал в поисках рецепта фарфора, расписанный синей смальтой по серому, толстому, пористому черепку. Роспись на квасниках, кувшинах, тарелках носила графический характер и имела вид раскрашенного контурного рисунка.

Начало XIX века – эпоха фарфора. Фарфор частных заводов Гжели отличался большой яркостью, сочетанием контрастных красок разнообразных форм бытовых предметов.

В 1972 году был создан современный Гжельский стиль продукции с использованием синей кобальтовой краски.

Стройная художественная система приемов гжельского письма закреплялась в индивидуальных почерках, своеобразных манерах исполнителей. Используя в творчестве один и тот же набор живописных элементов, каждый художник создавал свой индивидуальный сюжет росписи: букет или отдельный цветок, животный или растительный мир, изображения людей.

Важная особенность в гжельской росписи сине – белого фарфора – живописное начало. Большое значение придается движению кисти, способной создавать множество тончайших градаций синего цвета: от звучного насыщенного до размытого голубого. В сочетании с белым фоном рисунок создает ажурный узор на поверхности изделия: в центре – яркое, крупное пятно – изображение цветка, а вокруг легкая россыпь веточек с листьями и ягодками, завитков, усиков.

Фарфоровые изделия живописец расписывает оксидом кобальта (II).

Сейчас невозможно точно сказать, кто и когда изобрел стекло. Известно лишь, что стекло является одним из древнейших изобретений человечества. Так, ожерелье, найденное на шее мумии египетской царицы Хатшепсут, состоящее из зеленовато – черных стеклянных бусин, насчитывает 3400 лет. Большими мастерами производства различных изделий из стекла были римские стеклоделы. Они делали кувшины для воды, масла и вина, чаши и кубки, вазы, слезницы – крошечные флакончики для духов. Большой вклад в развитие художественного стеклоделия в России был внесен Ломоносовым. В созданной им в 1748

году химической лаборатории было проведено около 4000 опытов по варке цветного стекла, для которых Ломоносов “не только рецепты сочинял, но и материалы … своими руками по большей части развешивал и в печь ставил…” На основе рецептов, разработанных Ломоносовым, стекольный завод в Усть–Рудице в 1753 году начал изготавливать разноцветное прозрачное стекло для выделки бисера, посуды и прочих галантерейных изделий и непрозрачное для мозайки. Из такого стекла Ломоносов выполнил несколько мозаичных картин, среди которых “Полтавская баталия”, получившая наибольшую известность и сохранившаяся до наших дней.

Состав обычного оконного стекла выражается формулой Na₂O*CaO*6SiO₂

Cырьём для производства обычного стекла служат кварцевый песок, сода и известняк. Эти вещества тщательно перемешивают и подвергают сильному нагреванию. Химизм процесса можно представить так: при сплавлении образуются силикаты натрия и кальция, которые сплавляются затем с кремнеземом (в избытке):

SiO₂ + Na₂CO₃ = Na₂SiO₃ + CO₂

SiO₂ + CaCO₃ = CaSiO₃ + CO₂

Na₂SiO₃ + CaSiO₃ + 4SiO₂ = Na₂O*CaO*6SiO₂

Для получения специального стекла изменяют состав исходной смеси. Заменяя соду Na₂CO₃ поташом K₂CO₃, получают тугоплавкое стекло (для химической посуды). Заменяя мел CaCO₃ оксидом свинца (II) PbO, а соду поташом, получают хрустальное стекло. Оно довольно мягкое и плавкое, но весьма тяжёлое, отличается сильным блеском и высоким коэффициентом светопреломления, разлагая световые лучи на все цвета радуги и вызывая игру света.

Включение оксида бора вместо щелочных составляющих придаёт этому стеклу свойства тугоплавкости.

Обычная стеклянная масса после остывания имеет желтовато – зелёный или голубовато – зелёный оттенок. Стеклу можно придать окраску, если в состав шихты произвести включение тех или иных оксидов металлов. Железистые соединения окрашивают стекло в цвета – от голубовато – зелёных и жёлтых до красно – бурых, оксид марганца (IV) – от жёлтых и коричневых до фиолетовых, оксид хрома (III) в травянисто - зелёный, оксид кобальта (II) - в синий, оксид никеля (II) – от фиолетового до серо – коричневого, сульфид натрия – в жёлтый, оксид меди (II) – в красный.

В жизни человека стекло приобрело огромное значение. Оно видно всюду, оно на каждом шагу – в повседневности нашего быта, в промышленности, в технике, в науке, в произведениях искусств. Оконное, бутылочное, ламповое, зеркальное, стекло домашней и лабораторной посуды, стекло оптическое (от стекол очков до сложных анастигматов фотокамер), линзы бесконечных оптических приборов – от микроскопов до телескопов. Трудно перечислить все области применения стекла и невозможно сосчитать различные предметы, сделанные из него. Этот материал, благодаря уникальным свойствам, радует и, вероятно, чаруя, всегда будет присутствовать в жизни способного ценить его красоту.

 

Заключение

Итак, на сегодня доказано, что кремний способствует:

· очищению и укреплению организма и эффективному усвоению питательных веществ, макро- и микроэлементов

· повышению общего тонуса, увеличению энергетических ресурсов организма, улучшению умственной деятельности, замедлению процессов старения

· устранению нарушений, вызванных вредным действием свободных радикалов, предотвращению развития многих хронических заболеваний

 

Атомы кремния составляют основу глины, песка и скал. Большая часть земной коры состоит из неорганических соединений кремния (28 об.%). Можно сказать, что весь неорганический мир связан с кремнием. В природных условиях кремниевые минералы также находятся в кальцитах и меле. Кремний является вторым после кислорода по объему запасов в земной коре элементом и составляет около трети всего ее веса. Каждый 6 атом в коре земной оболочки - атом кремния. В морской воде кремния содержится даже больше чем фосфора, столь необходимого для жизни на Земле. В нашем организме кремний содержится в щитовидной железе, надпочечниках, гипофизе. Самая высокая концентрация его обнаружена в волосах и ногтях. Кремний также входит в состав коллагена - основного белка соединительной ткани. Основная его роль - участие в химической реакции, скрепляющие отдельные волокна коллагена и эластина, придавая соединительной ткани прочность и упругость. Нехватка кремния в организме приводит к: остеомаляции (размягчению костей);заболеваниям глаз, зубов, ногтей, кожи и волос; ускоренной изношенности суставных хрящей; рожистым воспалениям кожи; камням в печени и почках; дисбактериозам; атеросклерозу. Обнаружена зависимость между концентрацией кремния в питьевой воде и сердечнососудистыми заболеваниями. Туберкулез, диабет, проказа, гепатит, гипертония, катаракта, артриты, рак сопровождаются понижением концентрации кремния в тканях и органах, либо нарушениями его обмена. Между тем наш организм ежедневно теряет кремний - в среднем в сутки с пищей и водой мы потребляем 3,5 мг кремния, а теряем около 9 мг.

 

Литература

· Самсонов. Г. В. Силициды и их использование в технике. Киев, Изд-во АН УССР, 1959. 204 стр. с илл.

· Алёшин Е. П., Алёшин Н. Е. Рис. Москва, 1993. 504 стр. 100 рис.