Текст выступления:

Кремний
1. Кремний: негізгі қасиеттері мен маңызы

Кремний элементі – жер қыртысының құрамында кеңінен таралған және адам өмірінде маңызды орын алатын материал. Ол өнеркәсіпте, техникада, медицинада және тұрмыста қолданылатын негізгі құрамдас бөліктердің бірі ретінде белгілі.

2. Кремнийдің ашылуы және зерттеу тарихы

1824 жылы атақты швед химигі Йенс Якоб Берцелиус таза кремнийді алғаш рет бөліп алып, оның қасиеттерін зерттеудің негізін қалады. Сол кезден бастап кремний күрделі зерттеулер мен тәжірибелердің нысаны болды, оның физикалық және химиялық ерекшеліктері кеңінен ашылды. Қолдану салалары дами келе тұрақсыздан тұрақтылыққа ауысып, қазіргі күнде технология мен ғылымның дамуына зор ықпал жасайды.

3. Кремнийдің табиғаттағы таралуы

Кремний пластиналары мен қосылыстары жер қыртысының негізін құрайды. Ол әдетте кварц, дала шпаты сияқты минералдар түрінде кездеседі. Табиғатта кремний диоксиді (SiO2) ең кең таралған құрауыш болып табылады, бұл оның қоршаған ортада өте көп мөлшерде екенін көрсетеді. Сонымен қатар, кремний топырақта және сулы орталарда да кездеседі, бұл оның биосферада маңызды химиялық элемент екенін дәлелдейді.

4. Кремнийдің негізгі физикалық қасиеттері

Кремний қатты, сынғыш және жартылай өткізгіш қасиеттерге ие. Оның тығыздығы 2.33 г/см³, балқу температурасы шамамен 1414 °C. Кремнийдің қызыл-күлгін түсті кристалдарға ұқсас құрылымы мен жартылай өткізгіш қасиеті электроника мен микротехника өндірісінде маңыздылығын арттырады.

5. Кремнийдің атомдық құрылысы

Кремний атомының ядросында 14 протон мен 14 нейтрон бар, ал оның атомдық нөмірі де 14. Бұл тұрақты изотоп ретінде саналады және ол әлемдегі ең кең таралған кремний нұсқасы. Электрондық конфигурациясы 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p² болып, төрт валентті электроны кремнийге ковалентті байланыстар құруға мүмкіндік береді — бұл химиялық байланыстағы кілт қасиет.

6. Кремний қосылыстары және олардың маңызы

Кремнийдің негізгі қосылыстары – кремний диоксиді (SiO2), силикаттар және силикондар. SiO2 шыны мен керамика өндірісінде өте маңызды, себебі ол материалдардың беріктілігі мен сенімділігін қамтамасыз етеді. Силикаттар, мысалы, дала шпаты, құрылыс саласында қолданылады және материалдардың беріктілігі мен төзімділігін арттырады. Сонымен қатар, силикондар медицинада, техника мен косметика саласында гель, сұйық және қатты материалдар ретінде кеңінен пайдаланылады, олардың икемділігі мен төзімділігі ерекше маңызға ие.

7. Жер қыртысындағы негізгі элементтер үлесі

Жер қыртысының құрамында кремний екінші орын алады және металл емес элементтер арасында ең көп таралғандардың бірі ретінде ерекшеленеді. Оттек пен кремний бірге топырақ пен тастардың негізін құрап, табиғи материалдардың құрылымын анықтайды. Бұл екі элементтің жиынтық көлемі жер қыртысының басым бөлігін құрайды, осы арқылы кремнийдің табиғаттағы қажеттілігі мен маңыздылығы көрінеді.

8. Таза кремний алу технологиялары

Қазіргі уақытта таза кремний алу үшін бірнеше технологиялар қолданылуда. Солардың ішінде кремнийді химиялық жолмен тазалау және зондық еріту әдісі өте танымал. Бұл әдістер кремнийдің тазалығын арттыруға мүмкіндік береді, сондықтан электроника мен жоғары технологиялы өндірістерде орын алады. Әр технологияның өзіндік артықшылықтары мен ерекшеліктері бар, олар өндіріс қажеттілігіне байланысты таңдалады.

9. Кремнийдің электроникадағы рөлі

Кремний жартылай өткізгіш ретінде микрочиптер мен процессорларды жасау үшін негіз болып табылады. Оның электр өткізгіштігі өте дәл реттеледі, бұл электроника саласында таптырмас қасиет болып табылады. Смартфон, компьютер және тұрмыстық техника құрамында кремнийден жасалған компоненттер кеңінен қолданылып, өндірістің тиімділігі мен өнім сапасын арттырады. Алайда, кремнийдің жоғары тазалығы маңызды, себебі қоспалардың болуы өнімнің сенімділігі мен жұмыс ерекшелігіне кері әсер етеді.

10. Кремний және маңызды қосылыстарының қасиеттері

Бұл кестеде кремний мен оның негізгі қосылыстарының химиялық формуласы, күйі және қолдану саласы көрсетілген. Кремнийдің әртүрлі қосылыстарының өзіндік ерекшеліктері бар, олардың қолдану аймағы өнеркәсіп, құрылыс және ғылым саласында әртүрлі. Осындай салыстыру материалды дұрыс таңдау мен ғылыми зерттеулерде маңызды.

11. Кремний құрылыс материалдарында

Кремний және оның қосылыстары бетон, кірпіш және цементте негізгі құрамдас бөлік ретінде маңызды. Олар материалдардың беріктігін арттырып, құрылыс жұмыстарының сенімділігін жақсартады. Сонымен қатар, әйнек, фарфор және қыш сияқты материалдарда да кремнийдің қосылыстары бар. Бұл материалдар жылу мен ауа райының қолайсыз әсерлеріне төзімді, сондықтан құрылыс индустриясында кеңінен қолданылады.

12. Кремнийдің күн энергетикасындағы орны

Күн панельдерінің тиімділігі кремнийдің монокристалды және поликристалды түрлерінің сапасына байланысты өзгереді. Кремний қосылыстары күн энергиясын электр энергиясына тиімді түрде түрлендіру қабілетімен танымал. Бұл энергияны тиімді алу көрсеткіші 15-тен 25 пайызға дейінгі диапазонда болады, бұл технологиялардың дамуына зор сенім береді.

13. Әлемдегі кремний өндірісінің географиясы

Қазіргі уақытта Қытай кремний өндірісінің жетекші елдерінің бірі ретінде әлем нарығында басты орынға ие. Сонымен қатар Ресей мен АҚШ та бұл салада маңызды үлес қосуда. Қытайдың өндірістегі көшбасшылығы оның экономикалық дамуына үлкен әсер етеді және жаһандық кремний нарығындағы жағдайға тікелей ықпалын тигізеді, бұл өлкедегі өндірісті кеңейтудің көрсеткіші.

14. Тірі ағзалардағы кремнийдің рөлі

Кремний тірі ағзалардың көпшілігінде маңызды биологиялық элемент ретінде кездеседі. Ол өсімдіктерде жасуша қабырғасының құрылымын қамтамасыз етеді, жануарларда сүйек пен тері саулығын қолдайды. Осы элементтің болмауы тірі организмдердің қалыпты өсуіне және дамуына кедергі жасайды, сондықтан оның биологиялық рөлі аса маңызды.

15. Кремнийдің адам ағзасындағы қызметі

Кремний адам ағзасында сүйектер мен шеміршектердің беріктігін арттыруға ықпал етеді, бұл сыртқы зиянды әсерлерден қорғанудың негізі. Сондай-ақ, ол тері мен шаштың денсаулығын сақтауға көмектеседі, жаралардың жазылуын жеделдетіп, қабынуға қарсы әсер көрсетеді. Кремнийдің негізгі тағамдық көздері ретінде сұлы, арпа және банан сияқты өнімдер аталады, олар дененің қажеттілігін қамтамасыз етеді.

16. Қазақстандағы кремний кен орындары

Қазақстан Республикасы минералды ресурстарға бай мемлекеттердің бірі болып табылады. Кремний элементінің негізгі кен орындары Қарағанды, Павлодар және Ақмола облыстарында шоғырланған. Бұл аймақтарда кремнийге бай кварцты құм, дала шпаты және гранит кен орындары кездеседі, олар еліміздің минералды шикізат қорларының маңызды бөлімін құрайды. Мысалы, Қарағанды аймағының кварцты құмы әсіресе құрылыс материалдарының өндірісінде жоғары сапалы шикізат ретінде пайдаланылады.

Осы кен орындарының өндірістік маңызы зор. Олар еліміздің құрылыс индустриясы мен шыны өндірісін қолдайтын негізгі шикізат базасын құрайды. Жергілікті ресурстарды тиімді пайдалану Қазақстанның өнеркәсіп саласының дамуына үлкен мүмкіндік туғызады, соның арқасында импортқа тәуелділік азаяды. Бұл сондай-ақ экономиканың инновациялық дамуына және жаңа технологияларды енгізуге негіз болады.

17. Кремнийдің экологиялық және қауіпсіздік аспектілері

Кремний және оның түрлі қосылыстары экология үшін салыстырмалы түрде қауіпсіз болып табылады. Олар уытты емес және табиғи ортаға аз зиян келтіреді, бұл өз кезегінде энергия мен жағдайларды үнемдеумен қатар экологиялық тұрақтылыққа үлес қосады. Дегенмен, кремний ұнтағы мен шаңы ауаға таралған жағдайда тыныс алу жолдарына әсер етуі мүмкін, бұл денсаулық сақтау шараларын талап етеді. Кәсіпорындарда арнайы қорғанысын қолдану еңбек қауіпсіздігін қамтамасыз етеді.

Өндірістік қалдықтардың табиғи ортаға ықпалы аз болғанына қарамастан, оларды дұрыс басқару өте маңызды. Қалдықтарды тиімді өңдеу экологиялық қауіптерді төмендетеді және қоршаған ортаны қорғауға көмектеседі. Жалпы алғанда, экологиялық қауіпсіздік нормаларын сақтау өндірістің қауіпсіз және экологилық таза жүргізілуіне кепілдік береді.

18. Кремний өндірісінің процессі

Кремний өндіру көптеген кезеңдерді қамтиды, олардың бір-біріне тығыз байланысы бар. Алдымен кеніштен кварцты құм және басқа шикізаттар алынады. Кейін олар арнайы технологиялық процестер арқылы тазартылып, кремнийге өңделеді. Бұл сатыларда механикалық және химиялық әдістер кеңінен қолданылады.

Кремнийдің қыздырылуы, тазалануы және қалыптастырылуы өндірістің негізгі кезеңдерін құрайды. Өндіріс процесінде сапаны бақылау және технологиялық бақылау маңызды рөл атқарады. Мұндай кешенді процесс жоғары сапалы кремний өндірісін қамтамасыз етеді, ол электроника, құрылыс және басқа салаларда кеңінен қолданылады.

19. Кремнийдің болашағы мен ғылыми перспективалары

Кремний технологиясы қазіргі таңда нанотехнологиялар саласында кеңінен дамып келеді. Ол электроникада сенімді және тиімді элемент ретінде қолданылып, құрылғылардың кішіреюі мен қуатын арттыруға мүмкіндік береді. Мысалы, кремний негізінде жасалған транзисторлар мен микросхемалар заманауи электрониканың негізі болуда.

Сонымен қатар, оптоэлектроника және гибридті күн батареялары саласында инновациялық зерттеулер жүргізілуде. Бұл бағыттар энергетика мен телекоммуникацияда жаңа мүмкіндіктер ашады. Қазіргі уақытта кванттық есептеуіштер мен жаңа транзисторлар жасауға арналған ғылыми зерттеулер де белсенді жүріп, кремнийдің техникалық мүмкіндіктерін кеңейтуге бағытталған.

20. Кремнийдің маңызы мен болашағы

Кремний — табиғатта кең таралған элемент, ол біздің өміріміздің көптеген салаларында негіз болып табылады. Оның құрылыс, электроника, энергетика және ғылыми зерттеу салаларындағы ролі күннен күнге артуда. Қазақстан сияқты минералды ресурстарға бай елдер үшін кремнийдің өндірісі экономиканың тұрақты дамуымен сәйкес келеді. Осының арқасында бұл элементтің болашағы зор және оның ғылыми әрі өндірістік перспективалары үнемі кеңеюде.

Дереккөздер

Д.И. Менделеев, "Химияның негіздері", Москва, 1870.

А.Б. Петропавловский, "Геохимия туралы оқулық", Санкт-Петербург, 2019.

В.И. Козлов, "Материалтану және химия", Алматы, 2021.

Самсонова Н.В., "Электроникадағы жартылай өткізгіштер", Новосибирск, 2018.

IRENA, "Күн энергетикасы статистикасы", 2022 жылы.

Казахстанская энциклопедия. Том 3. Алматы: Казахская энциклопедия, 2006.

Геология и минеральные ресурсы Казахстана: учебник / под ред. В. И. Болотина. Алматы, 2015.

Экология промышленности: учебник / А. А. Иванов. Москва: Академия, 2018.

Нанотехнологии и наноматериалы: современное состояние и перспективы / А. П. Смирнов. Санкт-Петербург, 2020.

Физика полупроводников / Л. В. Козлова. Москва: Наука, 2012.