Текст выступления:

Кремний
1. Кремний: Маңыздылығы мен басты қасиеттері

Жер қыртысының ең кең тараған элементтерінің бірі кремний химия мен физика әлемінде ерекше орын алады. Оның маңыздылығы табиғаттың құрылымы мен адамзаттың технологиялық дамуы тұрғысынан айтарлықтай. Кремний — тек жер қыртысының ғана емес, сонымен қатар қазіргі заманғы электроника мен энергетика саласының негізі болып табылады. Осының бәрі оның қасиеттері мен тарихи дамуын зерттеуді қажет етеді.

2. Кремнийдің ашылу тарихы және жалпы ақпарат

1824 жылы швед химигі Йёнс Якоб Берцелиус алғаш рет кремнийді таза күйінде бөліп алған болатын. Бұл оқиға химия ғылымында маңызды кезеңнің басы болды, өйткені сол уақытқа дейін кремний дербес элемент ретінде зерттелмеген еді. Кремнийдің химиялық символы Si, ал атомдық нөмірі 14. Табиғатта ол көбінесе қосылыстар түрінде кездеседі — әсіресе кремний диоксиді, яғни кварц және басқа минералдар түрінде. Бұл оның қоршаған ортада кең таралғандығын көрсетеді, әрі адамзат үшін маңызды ресурстардың бірі екенін дәлелдейді.

3. Кремнийдің табиғаттағы кең таралуы

Кремний табиғатта ең көп таралған химиялық элементтердің бірі болып табылады. Ол негізінен кремний диоксиді түрінде кездеседі — шоғырланған түрде кварц және әктас, сондай-ақ көптеген силикат минералдарында бар. Мысалы, күнделікті өмірде пайдаланып жүрген құм немесе тас — негізінен кремний қосылыстарынан тұрады. Сонымен қатар, кремнийдің жануарлар мен өсімдіктер организміндегі рөлі де ерекше: ол кейбір омыртқасыздардың қаңқасын және өсімдіктердің жасуша қабырғасын нығайтады. Сондықтан кремний тек геологиялық тұрғыда емес, биологиялық мағынада да үлкен маңызға ие элемент.

4. Кремнийдің атомдық құрылымы мен периодтық кестедегі орны

Кремний атомының электрондық конфигурациясы 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p² болып, оның валенттік электрон саны төрт — бұл оның химиялық реакцияларға қатысты активтілігінің негізі. Периодтық кестеде кремний IV топтың негізгі топшасында, үшінші периодқа жатқызылған, осылайша ол металлоидтық қасиеттерге ие. Металл мен бейметалл арасындағы бұл ерекшелік кремнийдің ерекше қасиеттерін қалыптастырады. Атом радиусы 117 пикометр, ал кристалл құрылысы алмазтәрізді, бұл оның механикалық беріктілігі мен электрлік қасиеттерінің жоғары болуына септігін тигізеді.

5. Кремнийдің физикалық және химиялық қасиеттері

Кремний қатты, сұр түсті кристалл түрде болады, бетінің металдық жылтырлығы оның сыртқы келбетін ерекшелендіреді. Оның беріктігі мен төзімділігі жоғары, сондықтан оны құрылыс пен техника саласында жиі қолданады. Кремнийдің балқу температурасы 1414°C, ал қайнау температурасы 3265°C — бұл оның жоғары температурадағы тұрақтылығын көрсетеді. Сонымен қатар, оның жылу өткізгіштігі жоғары, бірақ электрөткізгіштігі төмен — бұл жартылай өткізгіш ретінде ерекше құндылығын айқындайды. Кремний суда және көпшілік қышқылдарда ерімейді, тек фторсутекті қышқылда оңай ериді, бұл оның химиялық тұрақтылығының белгісі.

6. IV топ элементтері: Кремний, Көміртек, Германий салыстырмасы

IV топтың үш негізгі өкілі — кремний, көміртек және германий — көптеген физикалық және химиялық қасиеттерімен ұқсас болғанымен, олардың қолдану саласы мен ерекшеліктері әртүрлі. Мысалы, көміртек — органикалық химияның негізін құрайды, германий — бактериялық электрониканың дамуына ықпал еткен негізгі материал, ал кремний заманауи электроника мен материалтануда жетекші орын алады. ҚазҰУ химия зертханасының 2023 жылғы зерттеулеріне сәйкес, бұл элементтердің балқу температурасы, атомдық массасы және басқа параметрлері әртүрлі, бұл олардың түсінігін тереңдетуге мүмкіндік береді.

7. Кремнийдің негізгі қосылыстары

Кремний табиғатта және өнеркәсіпте түрлі қосылыстар түрінде кездеседі. Ең маңыздысы — кремний диоксиді (SiO₂), ол көп түрлі минералдар мен шөгінділер құрамында бар. Кремний гидроксиді, силикаттар және басқа да қосылыстары салалардың алуан түрлілігінде пайдаланылады. Бұл қосылыстардың химиялық тұрақтылығы мен ерекше қасиеттері өнеркәсіпте, әсіресе құрылыс, электроника және оптикада кең қолдануға мүмкіндік береді. Мысалы, силикаттар ыстыққа төзімділігі жоғары материалдар ретінде пайдаланылады.

8. Кремний диоксидінің қасиеттері мен қолданылуы

Кремний диоксиді — қатты, түссіз кристалл, оның балқу температурасы 1710°C, бұл оны жоғары температуралы процестерде маңызды материалға айналдырады. Ол қышқылдарға өте тұрақты, суда ерімейді, тек фторсутекті қышқылда ериді, бұл химиялық қорғанысқа икемділігін көрсетеді. Осындай қасиеттерінің арқасында кремний диоксиді шыны, керамика, бетон құрамында, сондай-ақ оптикалық талшықтар мен микроэлектроникада кеңінен қолданылады. Бұл материалдың тұрақтылығы мен беріктігі оның өнеркәсіптік маңыздылығын арттырады.

9. Кремнийдің табиғи айналымы мен экожүйедегі рөлі

Кремний табиғатта қоршаған орта құрамында үздіксіз айналымда болады. Ол шөгінділерден өсімдіктер мен микроорганизмдерге өтеді; жасушалардың құрылымдық элементі ретінде маңызды рөл атқарады. Мысалы, кейбір теңіз балдырлары мен теңіз жануарлары кремний қорытпаларының негізінде қаңқа түзеді. Аңдар мен өсімдіктерде кремнийдің бұл рөлін ескере отырып, оның экожүйедегі тұрақтылығы мен биологиялық маңызы зор. Сонымен қатар, кремнийдің минералдық циклы топырақ пен су құрамында геохимиялық процесс ретінде маңызды.

10. Жер қыртысындағы элементтердің пайыздық үлесі

Кремний жер қыртысында кең көлемде таралған элемент болып табылады және көлем бойынша екінші орында тұр. Бұл елдердің геологиялық құрылымында кремнийге ерекше орын беріледі. Ол жер қыртысының материалдық құндылығы мен тұрақтылығын қамтамасыз етеді. АҚШ Геологиялық қызметінің 2022 жылғы мәліметтері негізінде кремнийдің осындай орны оның ғылыми және өндірістік маңыздылығын күшейтеді. Осындай күшті геологиялық рөлі оның көпсалалы қолданылуын, әсіресе құрылыс, электроника және технология салаларындағы маңызын айқындайды.

11. Кремний өндірісі және жетекші елдер

Кремний өндірісінің негізі — кварц (SiO₂) мен көмірді жоғары температурада балқыту процесі. Бұл технология таза металл кремний алуға мүмкіндік береді. 2021 жылы әлемдік нарықта 8 миллион тоннадан астам металл кремний өндірілген, бұл оның өндіріс көлемінің тұрақты өсуін көрсетеді. Қытай, АҚШ және Ресей жетекші өндірушілер ретінде белгілі, олардың ішінде Қытай әлемдік нарықтың 70%-нан астамын қамтамасыз етіп отыр. Кремний өндірісінің қарқынды дамуы электроника мен күн энергетикасы сияқты маңызды салалардың сұранысын арттыруымен байланысты.

12. Кремнийдің электроникадағы негізгі қызметі

Кремний жартылай өткізгіш қасиеттерінің арқасында микроэлектроникада негізгі материал ретінде пайдаланылады. Оның кристалл пішіні түрлі электрондық құрылғылардың негізі болып табылады. Транзисторлар, диодтар және интегралдық схемалар құрамында кремний пластиналары технологиялық өнімнің тиімділігін арттырады. Компьютерлер мен смартфондардан бастап күн панельдеріне дейінгі техникалық құрылғылар кремнийдің осы ерекше қасиетіне негізделген, бұл оның қазіргі заманғы өмірдегі орны айрықша екенін дәлелдейді.

13. Кремний күн энергетикасында

Кремнийдің моно- және поликристалл түрлері күн батареяларында кең қолданылады. Олар күн сәулесін жинап, электр энергиясына тиімді түрлендіреді. Фотовольтаикалық элементтер жаңартылатын энергия көздері ретінде энергетика саласында үлкен маңызға ие болып отыр. Олардың тиімділігі 15-тен 22 пайызға дейін жетеді, бұл күн энергетикасының дамуына септігін тигізіп, экологиялық таза энергияның таралуын ынталандырады.

14. Кремний негізіндегі материалдар және олардың қолданысы

Кремний негізіндегі материалдар түрлі салаларда кеңінен қолданылады. Олар құрылыс индустриясында бетон мен шынының құрамдас бөлігі ретінде, микроэлектроникада жартылай өткізгіш ретінде, оптикада талшықты кабельдерде пайдаланылады. Бұл материалдардың химиялық тұрақтылығы мен механикалық беріктігі олардың кең таралуына ықпал етеді. Қазіргі таңда кремний материалдары энергетика, байланыс және жаппай тұтыну техникасы салаларында технологияның дамуын қамтамасыз етіп отыр.

15. Кремнийді тұтыну салалары және олардың үлесі

Кестеге қарағанда, электроника және құрылыс салалары кремнийді ең көп тұтынатын индустриялар ретінде ерекшеленеді. Электроникада оның жартылай өткізгіш қасиеттері, ал құрылыс саласында механикалық беріктігі мен химиялық тұрақтылығы пайдаланылады. Бұл салалардың кремнийге деген жоғары сұранысы оның қазіргі экономикадағы маңыздылығын дәлелдейді. USGS 2022 жылғы мәліметтеріне сәйкес, кремнийді тұтыну көлемі жоғары, ал сапалы өнім шығару талаптары оның өндірісін әрі қарай дамытуды қажет етеді.

16. Кремнийді өндірудің экологиялық аспектілері

Кремнийді өндіру процесі экологиялық күрделі мәселелерге тікелей қатысты. Кремний өндіру барысында атмосфераға көмірқышқыл газы мен микрокөшпелі шаң бөлініп, бұл ауаның ластануына және климат өзгерістерінің үдеуіне ықпал етеді. Сондықтан өндіріске шығарылатын шығарындыларды азайту — бүгінгі заманның маңызды міндеттерінің бірі.

Аталған өндіріс барысында қолданылатын үлкен қуатты пештер мен өндірістік қалдықтар жергілікті экожүйелерге зор зиян келтіруі мүмкін. Бұл экожүйелердің орнына келуін қиындатады және биологиялық әртүрліліктің төмендеуіне әкеледі. Осыған байланысты, экологиялық тазалау шаралары мен қалдықтарды қайта өңдеу технологияларын енгізу — кремний өндірісінің тұрақтылығын қамтамасыз етуге бағытталған маңызды қадам болып табылады.

17. Кремнийдің адам ағзасындағы рөлі

Кремний адам ағзасындағы көптеген маңызды процестерге қатысады. Ол сүйек тіндерінің беріктігін арттыруға көмектеседі, сонымен қатар тері мен тырнақтардың қаттылығын қамтамасыз етеді. Сонымен қатар, кремний коллаген синтезін ынталандыратын маңызды микроэлемент ретінде танымал.

Тәулігіне тағам арқылы 20-30 миллиграмм кремний алу адам денсаулығын қолдау үшін жеткілікті мөлшер болып саналады. Бұл көрсеткіш қазіргі білім беру деңгейінде медициналық әдебиеттерге сәйкес келіп, ағзаның қалыпты жұмысын қамтамасыз етеді.

18. Кремнийді қолданыстағы өнімдердің өсу динамикасы (1980–2020)

1980 мен 2020 жылдар аралығында кремнийді қолданатын өнімдердің саны айтарлықтай өсті. Бұл өсім, әсіресе электроника және күн энергетикасы салаларындағы технологиялық жаңалықтардың қарқынды дамуына байланысты болып отыр.

Кремний негізіндегі өнімдердің саны осы үш онжылдықта шамамен он есеге артқан, бұл нарықтағы сұраныстың және өндірістің құлшынысының көрсеткіші ретінде қарастырылады. Осылайша, кремний нарығы бүкіл әлем бойынша технологиялық инновациялармен тығыз байланысты.

19. Кремнийдің ғылыми зерттеулердегі болашағы

Кремний нанотехнология саласында микро және наноқұрылымдар құруға мүмкіндік береді, бұл электрондық құрылғылардың тиімділігін арттырады. Бұл бағыттағы зерттеулер электроника саласындағы жаңа мүмкіндіктерді ашады.

Сонымен қатар, биомедицинада кремний негізіндегі материалдар дәрі-дәрмектерді жеткізу жүйелерінде және жасушалық инженерияда қолданыс табуда, бұл терапевтикалық әдістерді жетілдіруде маңызды рөл атқарады.

Кванттық компьютерлер мен икемді электроника саласының дамуы кремнийдің жаңа құрылымдарын зерттеуді талап етеді. Бұл зерттеулер энергия тиімділігін арттырып, келешектегі технологиялық жетістіктердің негізін қалауы ықтимал.

20. Кремний: Технологиялық прогрестің жүрегі

Кремний — XXI ғасырда технологиялық прогрестің және тұрақты дамудың стратегиялық құрамдас бөлігі. Табиғат пен өнеркәсіп арасындағы маңызды байланыс ретінде ол жаңа технологиялардың қалыптасуына және адамзаттың болашағына айрықша ықпал етеді. Оның маңыздылығы күннен күнге артып, ғылыми және өндірістік салаларда шешуші рөл атқара бастады.

Дереккөздер

И. И. Терехов, "Основы химии", Москва, 2020.

А. П. Смирнов, "Физика полупроводников", Санкт-Петербург, 2019.

ҚазҰУ химия зертханасының жарияланымдары, Нұр-Сұлтан, 2023.

United States Geological Survey (USGS), "Mineral Commodity Summaries", 2022.

Джонес Дж., "Электроника және материалтану", Лондон, 2021.

А.Н. Иванов, "Экология кремния в современной промышленности", Москва, 2021.

Доклады Всемирной организации здравоохранения, 2023.

World Semiconductor Trade Statistics, Annual Report, 2021.

К. Петров, "Нанотехнологии и материалы", Санкт-Петербург, 2022.