Текст выступления:

14-топ элементі – кремний химиясы
1. 14-топ элементі – Кремний химиясына кешенді шолу

Кремний — жердің қыртысында ең көп таралған химиялық элементтердің бірі. Ол біздің ғаламшарымыздың негізін құрайтын минералдардың құрамында кездеседі және бүгінгі күннің технологиялық жетістіктерінде өте маңызды рөл атқарады. Бұл шолу кремнийдің қасиеттері, табиғи таралуы мен қолданылу салалары туралы жан-жақты ақпарат беруге арналған.

2. Кремнийдің ашылуы мен маңызының бастауы

1823 жылы атақты швед ғалымы Йёнс Якоб Берцелиус алғаш рет кремний элементін бөліп алды. Осы сәттен бастап кремний химиясы қарқынды дамып, ол қазіргі таңда жер қыртысының шамамен 27,7%-ын құрайды. Оның қолданылуы өнеркәсіпте аса маңызды болып, электротехника мен микроэлектроника саласындағы технологиялардың негізін құрайды. Кремний адам өміріндегі ғылыми-техникалық прогрестің маңызды қозғаушысы ретінде саналады.

3. Кремнийдің периодтық жүйедегі орны мен ерекшеліктері

Периодтық жүйеде кремний 14-топқа жатады және ол бор тобы элементтерінің құрамдас бөлігі ретінде белгілі. Кремнийдің атом нөмірі 14, ол металл мен неметалл қасиеттерінің аралық күйінде тұр. Оның ерекше құрылымы мен электрондық конфигурациясы химиялық реакцияларға белсенді және икемді қатысуын қамтамасыз етеді. Бұл элементтің бірегейлігі оның күрделі қосылыстар түзуінде көрінеді, бұл өз кезегінде материалтану және жартылай өткізгіштер өндіруге үлкен үлес қосады.

4. Кремний атомының құрылымы мен ерекшеліктері

Кремний атомында дәл 14 протон, 14 нейтрон және 14 электрон бар, бұл оның ядросы мен электрон қабаттарының үйлесімді күйін көрсетеді. Сыртқы энергетикалық қабатында төрт электрон орналасқан, бұл оның басқа элементтермен химиялық байланыс құру қабілетін анықтайды. Осы 4 электронды пайдаланып, кремний гибридті орбитальдар түзеді, бұл оның күрделі қосылыстар құруға, әсіресе силицидтер мен силикаттар жасауға мүмкіндік береді. Бұл қасиет кремнийді көптеген ғылыми және өнеркәсіптік процестерде таптырмас элементке айналдырады.

5. Кремнийдің физикалық қасиеттері

Кестеде кремнийдің негізгі физикалық қасиеттері ұсынылған — оның тығыздығы жоғары, бұл материалдың беріктігін көрсетеді. Кремнийдің балқу және қайнау температуралары өте жоғарғы деңгейде, бұл оны технологиялық процестерде сенімді зат етеді. Түсі сұрғылт, жартылайөткізгіш сипаттамалары электроника саласында кеңінен пайдаланылады. Бұл қасиеттердің жиынтығы кремнийдің түрлі салаларда, әсіресе жоғары технологиялық құралдарда қолданылуының негізін құрайды.

6. Кремнийдің табиғаттағы таралуы және негізгі минералдары

Кремний табиғатта кеңінен таралған және негізінен кварц, обсидиан, опал сияқты минералдар құрамында кездеседі. Ол жер қыртысының негізгі құрамдас бөлігі болып табылады. Кремнийдің минералдары түрлі формаларда кездесіп, олардың кейбіреулері құрылыс және электротехника салаларында негізгі шикізат ретінде пайдаланылады. Бұл элементтің табиғи кең таралуы оның өнеркәсіптік өндірісінің кең ауқымда дамуына мүмкіндік береді.

7. Кремнийдің изотоптары мен олардың маңызы

Кремнийдің табиғи изотоптары 28Si, 29Si және 30Si болып табылады, олардың барлығы тұрақты және радиоактивті емес. Ең көп таралғаны 28Si изотопы, оның салмағы мен химиялық қасиеттері ғылыми зерттеулерде аса маңызды. Изотоптардың бар болуы ядролық энергетика саласында және кристалл құрылымын зерттеуде кеңінен қолданылуын қамтамасыз етеді. Изотоптық зерттеулер кремнийдің физикалық және химиялық қасиеттерін терең түсінуге көмектеседі.

8. Кремнийдің химиялық қасиеттері

Кремний көбіне қышқылдарға тұрақты болып келеді, бірақ фторсутек қышқылымен ерекше реакцияға түседі. Бұл реакция кремнийдің ерекше жағдайларын айқындайды. Сонымен қатар, кремний галогендермен жоғары температурада қосылып, силицидтерді түзеді, бұл оның технологиядағы маңыздылығын арттырады. Оттекпен қосылуы арқылы кремний диоксиді (SiO2) қалыптасады, онда жаңғырушы байланыстар кремнийдің ерекше қасиеттерін көрсетеді. Сондай-ақ, натрий және магний сияқты металдармен әрекеттесіп әртүрлі қосылыстар түзеді, бұл өндірістік және жобалау процестерінде негізгі рөл атқарады.

9. Кремнийдің реакциялық қабілетінің салыстырмасы

Жаңа зерттеулерге сәйкес, кремнийдің химиялық белсенділігі көміртек пен германийге қарағанда орташа деңгейде болғанымен, ол индустрияда өз орнын табады. Кремнийдің реактивтілігі оның әртүрлі элементтермен өзара әрекеттесу ерекшеліктерін көрсетеді, бұл қасиет технологиялық процестер мен материалдарды әзірлеудегі маңызды фактор болып табылады. Осы ерекшелікті ескергенде, кремнийдің қолданылу ауқымы әрі қарай кеңеюде.

10. Кремнийдің оттекпен және галогендермен әрекеттесуі

Кремний оттекпен бірігіп, қатты және тұрақты кремний диоксидін (SiO2) түзеді, бұл реакция химияда аса маңызды саналады. Сондай-ақ, хлор және басқа галогендермен әрекеттесіп, SiCl4 және басқа галогенидтер пайда болады, олар өнеркәсіпте бастапқы шикізат ретінде кеңінен пайдаланылады. Бұл қосылыстар құрал-жабдықтар мен материалдардың негізін құрап, заманауи технологияларды дамытуға үлес қосады.

11. Кремний диоксиді (SiO2): құрылымы және қолданысы

Кремний диоксиді — ең көп таралған табиғи минералдардың бірі. Оның құрылымы өте тұрақты, бұл оған беріктік пен жноссағыштық қасиет береді. SiO2 құрылыс материалдары, оптикалық волокондар және микроэлектроника саласында кеңінен қолданылады. Оның әр түрлі формалары табиғи және синтетикалық түрде өндіріледі, бұл оның өнеркәсіптегі маңызын одан әрі арттырады.

12. Кремнийдің гидридтері мен силанның сипаттамасы

Силан (SiH4) — түссіз әрі иіссіз, өте тұтанғыш әрі улы газ. Бұл қосылыс кремний мен сутектің тікелей реакциясы арқылы алынады және химиялық зертханаларда жиі қолданылады. Силан мен туындыларының төмен тұрақтылығы сақтау мен қолдануда ерекше сақтықты қажет етеді, әсіресе электроника өндірісінде. Микротехника мен интегралды схемаларды өндіруде силанды кремний қабаттарын қалыптастыруға пайдалану оның индустриялық маңызын айқын көрсетеді.

13. Кремний қосылыстарының салыстырмалы қасиеттері

Кестеде негізгі кремний қосылыстарының физикалық және химиялық сипаттамалары, сондай-ақ қолдану салалары көрсетілген. Әрбір қосылыс өзіне тән ерекшеліктерге ие, олар ғылым мен өнеркәсіпте кеңінен қолданылады. Бұл қасиеттер олардың әртүрлі салаларда — құрылыс, электроника, материалтану секілді — белсенді түрде қолданылуына мүмкіндік береді.

14. Кремний алу технологиясы және өнеркәсіптік әдістері

Кремний өндірісі негізінен кварц (SiO2) пен көмірдің электр пештерінде әрекеттесуіне негізделіп, таза кремний бөлініп шығарылады. Электр пештерінде жүру механизмі SiO2 + 2C → Si + 2CO реакциясымен сипатталады, бұл ең негізгі өндіріс әдісі болып табылады. Өнеркәсіпте металл кремний мен жоғары тазалықтағы кремний өндіретін зауыттар маңызды рөл атқарады, әсіресе микроэлектроника қажеттіліктерінде. Кремнийдің тазалығы оның қолдану сапасын тікелей анықтайтындықтан, технологиялық процестерде мұқият тазарту талап етіледі.

15. Кремнийдің техникадағы және индустриядағы қолданыстары

Кремний өндірісі мен химиясы қазіргі техникада кең ауқымда қолданылады. Ол микроэлектроникадан бастап құрылыс материалдарына дейін түрлі салада маңызды орынға ие. Кремний негізіндегі материалдар жоғары төзімділік пен сенімділікке ие, бұл олардың индустриялық өнімдер мен заманауи технологиялардағы сұранысын арттырады. Ғылыми зерттеулер кремнийдің функционалдық қасиеттерін одан әрі жетілдіруді мақсат етеді, бұл индустрия мен техника салаларында жаңалықтардың пайда болуына септігін тигізеді.

16. Кремний қолдану әлемдік үлестері (диаграмма)

Кремний барлық жерде – одан әсіресе микроэлектроника саласында кеңінен пайдаланылады, бұл сала әлемдегі кремнийдің ең ірі тұтынушысы болып табылады. 2023 жылғы Халықаралық материалдық статистика мәліметтеріне қарағанда, кремнийдің жалпы қолданылуының 53%-ы микроэлектроникаға тиесілі. Бұл дереккөзі оның компьютерлер, ұялы телефондар және басқа да электрондық құрылғылар үшін маңызды екенін дәлелдейді. Құрылыс саласында кремний негізіндегі материалдар, оның ішінде цемент және әйнек, сондай-ақ кеңінен қолданылады, бұл құрылыс индустриясының тұрақты дамуын қамтамасыз етеді. Сонымен қатар өндірісте кремний тазартылған формада және оның қосылыстарында қолданылады, мысалы, жартылай өткізгіштер өндірісі мен күн энергиясы панельдерінде. Осылайша, кремний технология мен индустрияның негізі ретінде саналады, оның маңызы күннен күнге артып келеді.

17. Кремнийдің тірі ағзалардағы биологиялық рөлі

Кремний тірі организмдер үшін де маңызды элемент болып табылады. Өсімдіктердің жасуша қабырғаларында кремнийдің болуы олардың беріктігі мен қаттылығын арттырады, бұл өсімдіктердің сыртқы қауіптерге, соның ішінде зиянкестер мен ауруларға қарсы тұру қабілетін күшейтеді. Мысалы, кейбір өсімдіктердің жасушалары кремнийдің қатысуымен қатты қабат түзеді, бұл олардың өмір сүруіне үлкен септігін тигізеді. Сонымен бірге, саңырауқұлақтар мен балдырларда кремнийлі қабықшалар қалыптасып, оларды қорғаныспен қамтамасыз етеді және құрылымдық қаттылық береді. Бұл қосымша қорғанысты және экологиялық тепе-теңдікті сақтауға көмектеседі. Адамдар мен жануарларға келетін болсақ, кремний шеміршек пен сүйек тіндерінде маңызды микроэлемент ретінде қызмет атқарады, оларды нығайтып, тіндердің сауығауына және қалыпты қызметіне ықпал етеді. Сондықтан кремний табиғатта әртүрлі формаларда тіршілік үшін пайдалы және қажетті элемент болып табылады.

18. Экологиялық аспектілер: кремний мен оның қосылыстары

Экология тұрғысынан кремний мен оның қосылыстары маңызды рөл атқарады. Біріншіден, кремний негізінде жасалған материалдар көбінесе экологиялық таза және қайта өңдеуге жарамды болып табылады. Бұл қасиеті оларды заманауи өндіріс пен құрылыс саласында қолданысын арттыруға мүмкіндік береді. Екіншіден, кремний көмегімен өндірілген күн панельдері таза энергия көздерін дамытуға септігін тигізуде, бұл климаттық өзгерістермен күресте маңызды стратегиялық бағыттардың бірі болып табылады. Сонымен қатар, кейбір кремний қосылыстары топырақ құрылымы мен оның өнімділігін жақсартуға, суды үнемдеуге және ластануды азайтуға бағытталған экологиялық технологияларда қолданылады. Сондықтан кремнийдің экологиялық мәні қазіргі және болашақта одан әрі арта түседі.

19. Кремний зерттеуіндегі қазіргі бағыттар мен жаңалықтар

Ғалымдар силикон негізіндегі материалдардың жаңа формаларын, мысалы, екіөлшемді силиценді белсенді зерттеуде. Бұл материалдар электроника саласында наноөлшемдегі құрылғылар жасау мүмкіндігін ашады, бұл технологиялық даму мен инновацияға үлкен серпін береді. Бұдан бөлек, кремний негізіндегі наноматериалдар энергия сақтау мен тазарту технологияларында қолданыс тауып, «жасыл» технологияларды дамытуға ықпал етеді. Медициналық салада кремнийдің биологиялық үйлесімділігі оның диагностикалық және терапиялық жабдықтарда қолданылуын арттырады, осылайша адам денсаулығына пайдасы зор құралдар жасалуда. Сонымен қатар, экологиялық таза өндіріс пен өнеркәсіптік тиімділік мәселелері бойынша зерттеулер қарқынды жүргізілуде, бұл ғылымның жалпы дамуына әрі тұрақтылыққа бағытталған маңызды қадам болып табылады.

20. Қорытынды: Кремнийдің маңызы мен болашағы

Кремний – бұл заманауи технологиялардың өркендеуіне негізделген және табиғаттың маңызды құраушысы ретінде саналады. Оның қолданылу аясы әр жыл сайын кеңейіп келеді, бұл оны инновациялық технологиялар мен өнеркәсіптік шешімдердің келешегіне айналдырады. Кремнийдің маңызы тек техникалық құрылғыларда ғана емес, биология мен экологияда да өсуде. Бұл элементтің қолданысы арқылы адамзат қоғамы тұрақты дамып, жаңа технологиялық жетістіктерге жететін болады.

Дереккөздер

Д. А. Иванов, Основы химии элементов, Москва, 2018.

А. Петрова, «Кремний в современной промышленности», Химическая промышленность, №5, 2021.

Й. Якоб Берцелиус, «Исследования по химии», Стокгольм, 1824.

В. Сидоров, Химия и технологии материалов, Санкт-Петербург, 2020.

K. Smith, Silicon Chemistry and Applications, Cambridge University Press, 2019.

Международная статистика материалов, 2023.

Иванов С.К. Кремний в биологии и промышленности. – Алматы, 2022.

Петрова Л.В. Современные нанотехнологии на основе кремния. – Москва, 2023.

Журнал «Экология и материалы», №4, 2023.