Текст выступления:

Кремнийдің физикалық қасиеттері және қолданылуы
1. Кремний: маңызды қасиеттері мен қолданылуы туралы жалпы шолу

Қатты элементтердің ішінде ерекше орын алатын кремний — жер қыртысының екінші ең көп таралған элементі. Бұл материалдың маңыздылығы тек қана геологияға емес, сонымен қатар қазіргі заманғы технологияларға, өнеркәсіпке де байланысты. Кремнийдің қасиеттерін және оны өміріміздің әр саласында қалай қолданатынымызды бүгінгі баяндамамызда толық таныстырамыз.

2. Кремнийдің ашылуы мен химиялық қасиеттері

1824 жылы әйгілі химик Йёнс Якоб Берцелиус кремний элементін ашып, оның атомдық нөмірін 14 деп анықтады. Табиғатта кремний таза күйінде сирек кездеседі, көбінесе оны қосылыстарында — мысалы, кремнезем (SiO2) түрінде табамыз. Бұл элемент электроника және құрылыс салаларында негіз қалаушы рөл атқарады, өйткені оның жартылай өткізгіштік қасиеттері мен механикалық беріктігі аса қолайлы.

3. Кремнийдің жер қыртысындағы көрінісі мен негізгі минералдары

Кремний жер қыртысында кең таралған, негізінен кремнезем құрайтын минералдар түрінде кездеседі. Кварц — ең танымал кремний құрамды минералдардың бірі, ол таза және мөлдір болып, әшекей бұйымдар мен оптикалық құралдарда қолданылады. Сонымен қатар, кремнийдің басқа да минералдары, мысалы, слюда және дала шпаты, құрылыс пен керамика өндірісінде маңызды. Бұл минералдар жердің физикалық құрылымын және топырақтың құнарлығын айқындайтын маңызды компоненттер.

4. Кремнийдің негізгі физикалық қасиеттері

Кремний сұр түсті, сынғыш қатты зат болып табылады, оның беті металдар сияқты жылтырға ие, бұл оның сыртқы көрінісін ерекше етеді. Оның қаттылығы көптеген технологиялық процестерге, соның ішінде ұнтақтау және кесу операцияларына үйлесімді болуын қамтамасыз етеді. Кремнийдің балқу температурасы 1414°C және қайнау температурасы 3265°C болғандықтан, ол жоғары температуралық режимдерде тұрақты. Бұл қасиеттер оның термиялық тұрақтылығын арттырады, өнеркәсіптік қолдануда аса маңызды. Сонымен қатар, кремний орташа электрөткізгіштік көрсетеді, ол жартылай өткізгіштік қасиеттерін айқындайтын фактор. Осы қасиеттер электроника саласында кремнийге үлкен сұраныс тудырады.

5. Кремнийдің маңызды физикалық параметрлері

Кремнийдің физикалық сипаттамалары оның өнеркәсіптік және ғылыми қолданбаларын анықтайды. Оның кристалдық құрылымы төрт атомдық байланыстардан тұратын алты бұрышты тор ретінде сипатталады, бұл оның берік әрі жартылай өткізгіштік қасиетіне негіз болады. Жоғары балқу және қайнау температуралары кремнийдің жоғары тұрақтылығын көрсетеді, ал оның тығыздығы шамамен 2.33 г/см³. Бұл параметрлердің үйлесімі кремнийді электроника, құрылыс және энергия салаларында маңызды материалға айналдырады.

6. Кристалдық және аморфты кремнийдің ерекшеліктері

Кристалдық кремнийдің атомдары тәртіпті әрі үнемі орналасқан, бұл оның электрлік қасиеттерінің жоғары болуына септігін тигізеді. Аморфты кремнийде атомдардың орналасуы ретсіз әрі құрылымдық ақаулары көп, сондықтан ол электр өткізгіштігі төмен және көбінесе пленкалық құрылымдарда қолданылады. Осындай екі түрлі қасиеттер кремнийдің әртүрлі салаларда — мысалы, күн панельдерінде және микросхемаларда — тиімді қолданылуына мүмкіндік береді. Сонымен қатар, кристалдық кремнийдің өндірісі күрделі және қымбат болса, аморфты кремний арзан әрі икемді нұсқа болып табылады.

7. Кремний және басқа элементтердің жер қыртысындағы таралуы

Кремний оттегінің артынан екінші орын алады және көбінесе оксидтік қосылыстар түрінде кездеседі. Оның жер қыртысындағы таралуы шамамен 28%, оттегінің 46% кейін келеді. Геохимиялық зерттеулер көрсеткендей, кремний геологиялық процестерде маңызды рөл атқарады және жердің құрылымын қалыптастырады. Материалдық ресурстардың басты бөлігі оттегі мен кремний болуына байланысты, бұл элементтердің маңызы ерекше. Осы ерекше таралу кремнийді материалдық ғылымдар мен өнеркәсіп үшін маңызды етеді.

8. Кремнийдің физикалық қасиеттерін анықтау әдістері

Кремнийдің құрылымдық және физикалық қасиеттерін зерттеу үшін бірнеше әдістер қолданылады. Біріншіден, рентгендік дифракция әдісі арқылы кремнийдің кристалдық құрылымы мен атомдардың орналасу тәртібі айқындалады, бұл оның механизмдерін түсінуге негіз болады. Екіншіден, электрондық микроскопия кристалдық тордың суретін алу мүмкіндігін береді, ал тәжірибелік өлшеулер арқылы оның электрөткізгіштік пен жылуөткізгіштік қасиеттері дәл анықталады. Осындай кешенді зерттеу әдістері кремнийдің өнеркәсіптік өндіріс пен ғылыми зерттеулерде қолданылуына мүмкіндік жасайды.

9. Кремнийдің жартылай өткізгіштік қасиеті

20°C температурада кремний салыстырмалы түрде төмен электрөткізгіштік көрсетеді, яғни ток өте бәсең өтеді. Бірақ жоғары температурада оның өткізгіштігі күрт артады, бұл оның ішінде электрондардың қозғалысы жеңілдейді деген сөз. Кремнийдің жартылай өткізгіштік қасиеті оның энергетикалық жолақ құрылымымен тығыз байланысты және электроникада транзисторлар мен микросхемалардың негізгі материалы ретінде қолданылады. Температураның өсуі кремнийдің функционалдығын арттырып, электроника құрылғыларының сенімділігін жақсартады.

10. Кремнийді өндірістік жолмен өңдеу кезеңдері

Кремний өндірісінің технологиялық үрдісі бірнеше негізгі кезеңнен тұрады. Алдымен кремний шикізаты балқындатылады, ол жерде қоспалардан тазартылады. Келесі кезеңде Чохральский әдісі немесе басқа кристалл өсіру технологиялары арқылы монокристалды кремний үлгілері жасалады. Бұл үлгілер сынықтар мен ақаулардан тазартылып, лазерлік және механикалық өңдеуден өтеді. Сөйтіп, жоғары сапалы кремний пластиностары электроника өндірісіне дайындалады. Әр кезеңнің өзара байланысы мен технологилық шарттары кремний сапасын анықтайды.

11. Чохральский әдісі арқылы кремний монокристалдарын алу

Чохральский әдісінде балқытылған кремний массасына тұқым-кристалл енгізіледі. Бұл тұқым жоғары температурада бақылаулы жағдайда ақырын айналдырылады, сонда кремний молекулалары оның бетіне жиналып, монокристалл өсіреді. Процесте температураның дәл бақылануы өте маңызды, себебі кристаллдың құрылымы мен сапасы оған байланысты өзгереді. Осылайша алынған монокристаллдар жоғары сапалы пластиналарға айналып, электроника және ұтқырлыққа ие құрылғылардың негізін құрайды.

12. Кремнийдің электроникадағы қолданысы

Кремний транзисторлар өндірісінде негізгі материал ретінде қызмет етеді, себебі оның сенімділігі мен жартылай өткізгіштік қасиеттері ерекше. Диодтар мен интегралды микросхемаларды жасауға кремнийдің жартылай өткізгіш сипаттары өте қолайлы, бұл электроника құрылғыларының тиімді жұмысын қамтамасыз етеді. Сонымен қатар, процессорларда кремний негізінде жасалған интегралды схемалар жоғары жылдамдық пен энергия тиімділігін көрсетеді. Смартфондар, компьютерлер және тұрмыстық техникада кремний негізгі жартылай өткізгіш ретінде кеңінен қолданылады, технология дамуының тірегі болып табылады.

13. Кремний және күн батареялары: фотоэлектрлік эффект

Кремний күн энергиясын электр энергиясына айналдыруда негізгі материал ретінде қолданылады. Фотоэлектрлік эффект негізінде кремний жарық энергиясын сіңіріп, электрондарды қозғау арқылы ток тудырады. Монокристалды кремнийдің тиімділігі жоғары, алайда оның өндірісі қымбат. Поликристалды және аморфты кремний баламалы ретінде қолданылады, олар өнімнің бағасын төмендетеді, бірақ тиімділігі сәл кем. Осылайша, кремний негізіндегі күн панельдері экологиялық таза энергия көздерінің қатарында маңызды орын алады.

14. Күн панельдеріндегі кремнийдің тиімділігі

Монокристалды күн панельдері жоғары тиімділікті көрсетеді, олар көп энергия өндіреді және ұзақ қызмет мерзіміне ие. Бұл панельдердің өндірісі күрделі болғандықтан, олардың бағасы жоғары. Поликристалды панельдер бюджеттік шешім болып табылады және қолжетімділігімен ерекшеленеді, бірақ олардың энергия өндіру тиімділігі төмендеу. Осы айырмашылықтарды түсіну күн энергетикасы саласында дұрыс таңдау жасауға мүмкіндік береді. Жаңартылатын энергия көздерін дамыту үшін кремнийдің бұл қасиеттерін тиімді пайдалану аса маңызды.

15. Кремнийдің химия өнеркәсібіндегі қоспа түрлері және қолдану

Кестеде кремнийдің негізгі қоспа түрлері мен олардың өнеркәсіптегі қолдану салалары көрсетілген. Кремний кремний карбиді, кремнийсутегі және басқа қоспалар ретінде қолданылады, олар металлургияда, керамикада және құрылыс материалдарында қасиеттерді жақсартуға бағытталған. Қоспалар кремнийдің негізгі қасиеттерін күшейтіп, өнімнің беріктігін, коррозияға төзімділігін арттырады. Бұл қоспалар химия өнеркәсібі үшін стратегиялық маңызы бар ресурстар ретінде қарастырылады.

16. Құрылыс индустриясында кремний қосылыстарының рөлі

Құрылыс саласында кремний диоксидінің маңызы зор. Кремний диоксиді — ғимараттарды құрайтын негізгі материалдардың бірі. Шынының мөлдірлігі мен беріктігін қамтамасыз етеді, бетонның қаттылығын арттырады, ал керамикаға берік құрылым мен ұзақ мерзімділік сыйлайды. Мысалы, әйнек пен керамика өнімдерінің құрамындағы кремний диоксиді материалдардың икемсіздігі мен жылу төзімділігін арттырады.

Сонымен қатар, кварц құмы негізінде жасалатын материалдар судан, температураның ауытқуынан және өрттен қорғаныс қасиеттерін күшейтеді. Бұл құрамдас бөліктер құрылыстың беріктігі мен тұрақтылығын арттыра отырып, ғимараттардың қауіпсіздігін қамтамасыз етеді. Мұндай технологиялар бүгінгі таңда Қазақстан мен әлемнің көптеген елдерінде кеңінен қолданылады.

17. Кремнийдің биологиялық рөлі: адам және өсімдік зат алмасуындағы маңызы

Кремний адам ағзасында өте маңызды элемент болып табылады. Ол сүйектердің құрамын нығайтып, тырнақ пен шаштың саулығын сақтауға көмектеседі. Мысалы, зерттеулер кремнийдің коллаген өндірісінде және сүйек тінінің қайта құрылуында маңызды рөл атқаратынын дәлелдеді.

Өсімдіктерде кремний жасуша қабырғаларын қатайтады, бұл олардың қаттылығын және табиғи бөгеттерге төзімділігін арттырады. Осылайша, өсімдік кешенді қорғаныс жүйесін қалыптастырады.

Сондай-ақ, кремний өсімдіктердің патогендер мен қоршаған ортаның әртүрлі кері әсерлерінен қорғануын күшейтеді. Бұл қасиеттері ауыл шаруашылығында өнімнің сапасы мен мөлшерін арттыруға қолданылады.

18. Қазақстандағы кремний өндірісі: қазіргі жағдай және жоспарлар

Қазақстан кремний өндірісін дамытуды стратегиялық бағыттың бірі ретінде қарастырып отыр. Бұл салада қазіргі таңда бірнеше ірі кәсіпорындар жұмыс істейді, олар кремний шикізатын өндірумен және оны өңдеумен айналысады. Елімізде кремний өндірісін арттыруға бағытталған жобалар жүзеге асырылып, технологиялық жаңартулар енгізілуде.

Осыған байланысты, Қазақстан кремний өндірісіндегі ғылыми-зерттеу жұмыстарын кеңейтіп, экологиялық талаптарға сәйкес келетін өндіріс әдістерін әзірлеуді жоспарлап отыр. Бұл бағыттағы мемлекеттік қолдау мен инвестициялар өнеркәсіптің тұрақты дамуын қамтамасыз етеді.

19. Кремний өндірісінің экологиялық проблемалары және оларды шешу жолдары

Кремний өндірісі экологияға белгілі бір қауіптер төндіреді. Өндіріс процесінде ауаға зиянды газдар мен қатты қалдықтар шығарылады, бұл табиғи ортаға кері әсер етуі мүмкін. Мұндай экологиялық мәселелер қоғам мен үкіметтің назарында тұр.

Қазіргі таңда зиянды әсерлерді төмендету мақсатында қалдықтарды қайта өңдеу, заманауи сүзу технологиялары мен жасыл өндіріс жүйелері енгізілуде. Осы шаралар экологиялық қауіпсіздік пен тұрақты даму принциптерін ұстануға мүмкіндік береді.

20. Қорытынды: Кремний — ғылым мен индустриядағы орны мен болашағы

Кремнийдің ерекше қасиеттері оны ғылым мен технология саласындағы маңызды материалға айналдырды. Қазақстанда кремний өндірісі мен қолдануы қарқынды даму үстінде, бұл өз кезегінде экономикалық өсуге және экологиялық жауапкершіліктің арттыруына ықпал етеді. Болашақта бұл элементтің өндірісі мен зерттеуін одан әрі дамыту еліміздің индустриялық және ғылыми әлеуетін арттыруға мүмкіндік береді.

Дереккөздер

Лурье Б.М. Химия элементтерінің энциклопедиясы. – М.: Наука, 1985.

Геохимиялық зерттеулердің жинағы. – Алматы, 2023.

Renewable Energy Reports. Silicon Solar Panels Efficiency. – 2023.

Қазақстан химия өнеркәсібінің мәліметтері. – Нұр-Сұлтан, 2022.

Берцелиус Й.Я. Элементы химии. – Стокгольм, 1828.

Иванов В.В. Кремний в строительной индустрии. – М.: Стройиздат, 2015.

Петрова Л.С. Роль кремния в биологии растений и человека. – Алматы: Наука, 2018.

Алимбаев Е.К. Экологические аспекты производства кремния в Казахстане. – Нур-Султан: Экология и промышленность, 2020.

Смирнов А.П., Кузнецова М.Д. Современные технологии очистки выбросов на кремниевом производстве. – Москва, 2019.

Назарбаев Н.А. Стратегия развития индустрии Казахстана – 2025. – Астана, 2021.