Кремний применяется главным образом в металлургии и в полупроводниковой технике. В металлургии он используется для удаления кислорода из расплавленных металлов и служит составной частью многих сплавов. Важнейшие из них — это сплавы на основе железа, меди и алюминия. В полупроводниковой технике кремний используют для изготовления фотоэлементов, усилителей, выпрямителей. Полупроводниковые приборы на основе кремния выдерживают нагрев до 250°C, что расширяет область их применения.
В промышленности кремний получают восстановлением диоксида кремния коксом в электрических печах:
Полученный по этому способу кремний содержит 2-5% примесей. Необходимый для изготовления полупроводниковых приборов кремний высокой чистоты получают более сложным путем. Природный кремнезем переводят в такое соединение кремния, которое поддается глубокой очистке. Затем кремний выделяют из полученного чистого вещества термическим разложением или действием восстановителя. Один из таких методов состоит в превращении кремнезема в хлорид кремния SiCl4, очистке этого продукта и восстановлении из него кремния высокочистым цинком, Весьма чистый кремний можно получить также термическим разложением иодида кремния SiI4 или силана SiH4.
- 493 -
Получающийся кремний содержит весьма мало примесей и пригоден для изготовления некоторых полупроводниковых приборов. Для получения еще более чистого продукта его подвергают дополнительной очистке, например зонной плавке (см. § 193).
В химическом отношении кремний, особенно кристаллический, малоактивен; при комнатной температуре он непосредственно соединяется только с фтором. При нагревании аморфный кремний легко соединяется с кислородом, галогенами и серой.
Кислоты, кроме смеси фтороводорода и азотной кислоты, не действуют на кремний, но щелочи энергично реагируют с ним, выделяя водород и образуя соли кремниевой кислоты H2SiO3:
В присутствии следов щелочи, играющей роль катализатора, кремний вытесняет водород также из воды.
Если накаливать в электрической печи смесь песка и кокса, взятых в определенном соотношении, то получается соединение кремния с углеродом — карбид кремния SiC , называемый карборундом:
Чистый карборунд — бесцветные очень твердые кристаллы (плотность 3,2 г/см3). Технический продукт обычно окрашен примесями в темно-серый цвет.
По внутреннему строению карборунд представляет собой как бы алмаз, в котором половина атомов углерода равномерно заменена атомами кремния. Каждый атом углерода находится в центре тетраэдра, в вершинах которого расположены атомы кремния; в свою очередь каждый атом кремния окружен подобным же образом четырьмя атомами углерода. Ковалентные связи, соединяющие все атомы в этой структуре, как и в алмазе, очень прочны. Этим объясняется большая твердость карборунда.
Карборунд получают в больших количествах; применение его разнообразно и связано с его высокой твердостью и огнеупорностью. Из порошка карборунда изготовляют шлифовальные круги, бруски, шлифовальную бумагу. На его основе производят плиты для сооружения полов, платформ и переходов в метро и на вокзалах. Из него готовят муфели и футеровку для различных печей. Смесь порошков карборунда и кремния служит материалом для изготовления силитовых стержней для электрических печей.
При высокой температуре кремний вступает в соединение со многими металлами, образуя силициды. Например, при нагревании диоксида кремния с избытком металлического магния восстанавливающийся кремний соединяется с магнием, образуя силицид магния Mg2Si:
- 494 -
При действии соляной кислоты на силицид магния Mg2Si получается кремневодород (силан) SiH4, подобный метану:
Силан SiH4 бесцветный газ, самовоспламеняющийся на воздухе и сгорающий с образованием диоксида кремния и воды:
SiH4 + 2O2 = SiO2 + 2H2O
Кроме SiH4, известно несколько других кремневодородов, которые носят общее название силанов, например дисилан Si2H6, трисилан Si3H8. Силаны аналогичны углеводородам, но отличаются от них малой стойкостью. Очевидно, что связь между атомами кремния гораздо менее прочна, чем связь между атомами углерода, вследствие чего цепи —Si—Si—Si— легко разрушаются. Непрочна также связь кремния с водородом, что указывает на значительное ослабление у кремния неметаллических свойств.
Хлорид кремния SiCl4 получается нагреванием смеси диоксида кремния с углем в струе хлора:
или хлорированием технического кремния. Он представляет собой жидкость, кипящую при 57°C.
При действии воды хлорид кремния подвергается полному гидролизу с образованием кремниевой и соляной кислот:
SiCl4 + 3H2O = H2SiO3 + 4HCl
Вследствие этой реакции при испарении SiCl4 во влажном воздухе образуется густой дым. Хлорид кремния применяется для Синтеза кремнийорганических соединений.
Фторид кремния SiF4 образуется при взаимодействии фтороводорода с диоксидом кремния;
Это — бесцветный газ с резким запахом.
Как и хлорид кремния, в водных растворах SiF4 гидролизуется:
SiF4 + 3H2O = H2SiO3 + 4HF
