Характеристики
Кремний — самый распространенный электроположительный элемент на Земле. Это полуметалл с характерным металлическим блеском, очень хрупкий. Обычно четырехвалентен в своих соединениях, хотя иногда бывает двухвалентным. Кроме того, известны соединения пятивалентного и шестивалентного кремния.
Кремний занимает 27,72% твердой коры Земли. Следующий элемент после кремния, алюминий составляет 8,13% твердой земной коры.
Природный кремний содержит 92,2% изотопа Si-28, 4,7% Si-29 и 3,1% Si-30. Помимо этих постоянных природных изотопов известны различные искусственные радиоактивные изотопы. Элементный кремний имеет физические свойства полуметаллов, аналогичные свойствам германия и элементов 4-й основной группы. Кремний — полупроводник в чистом виде, хотя интенсивность полупроницаемости значительно увеличивается при добавлении небольших количеств примесей. По своим химическим свойствам похож на металлы.
Кремний почти такой же электроположительный, как олово, и гораздо более положительный, чем германий или свинец. В соответствии с этими металлическими свойствами он образует четырехкратные положительные ионы и различные ковалентные связи. Он появляется как отрицательный ион только в некоторых силицидах и как положительный компонент оксидных кислот или сложных анионов. Образует различные гидриды, галогениды (многие из которых содержат кремниевые соединения) и многие соединения, содержащие кислород, который может иметь ионный или ковалентный характер.
Кремний содержится во многих формах диоксида и в бесчисленных вариациях природных соединений кремнезема.
Применение
Элементарный неочищенный кремний и его полупроводниковые соединения добавляются в сплавы, чтобы сделать металлы, такие как алюминий, магний, медь и другие металлы, более стойкими.
Металлургический кремний чистотой 98-99% используется в качестве сырья для производства кремнийорганических и силиконовых смол и масел. В интегральных схемах используются кремниевые чипы. Фотоэлементы для прямого преобразования солнечной энергии используют тонкие пластинки простых кристаллов кремния. Диоксид кремния используется в качестве сырья для производства элементарного кремния и карбида кремния. Большие кристаллы кремния используются для изготовления пьезоэлектрических стекол. Из расплавленного кварцевого песка получают силиконовые стекла, которые используются в лабораториях и на химических предприятиях, а также для электроизоляции. Коллоидная дисперсия кремния в воде используется в качестве покрывающего агента и как компонент для некоторых эмалей.
В строительной отрасли используются соединения кремния в виде песка и цемента, силиката кальция. Производство стекла и фарфора также основано на песке. Кремний используется в качестве сырья в сталелитейной, химической и электронной промышленности, где он обрабатывается при высоких температурах.
Промышленно важными соединениями кремния являются также силиконы, резина или подобные смолам вещества, которые известны своими водоотталкивающими свойствами и устойчивостью к процессам окисления и химическим воздействиям. Они используются в качестве смазочных материалов при высоких температурах, в качестве уплотнений вокруг окон, крыш или труб, в резиновых шлангах и пластмассовых деталях, например, в автомобильных двигателях, а также в виде силиконовых масел в косметике и средствах по уходу за волосами или для пропитки текстиля.
Карбид кремния почти такой же твердый, как алмаз, используется в качестве абразива. Кристаллы кварца, как природного, так и искусственного происхождения, обладают свойством вибрировать с очень точными частотами при воздействии электрического тока. Это свойство полезно для часов, радио и телевизоров. Жидкое стекло (силикат натрия) используется в чистящих средствах, клеях и отбеливателях для текстильных изделий.
Цеолиты, силиконы, которые используются в качестве регуляторов пенообразования в моющих средствах, напрямую влияют на качество воды. Другие соединения кремния могут действовать как адсорбенты.
Воздействие кремния на здоровье
Элементарный кремний — инертный материал, который может вызывать фиброз легких. Однако сообщалось только о незначительных повреждениях легких лабораторных животных от интратрахеальных инъекций кремниевой пыли. Кремниевая пыль оказывает очень незначительное неблагоприятное воздействие на функцию легких и не вызывает каких-либо серьезных органических заболеваний или токсических эффектов, если уровень воздействия ниже предельных значений.
Кристаллический кремний (диоксид кремния) представляет большую опасность для органов дыхания, однако вероятность повреждения во время производства и нормальной обработки кристаллического кремния очень мала. Пыль с кристаллами кремния при контакте раздражает кожу и глаза. Вдыхание вызывает воспаление легких и слизистых оболочек. Воспаление глаз проявляется слезотечением и покраснением. Покраснение, зуд и сыпь являются симптомами воспаления кожи.
Рак легких напрямую связан с воздействием кристаллов кварца. Причинно-следственная связь была доказана исследованиями горняков, рабочих, работающих на диатомовых землях, рабочих по обработке гранита, рабочих обжига кирпича и других. Некоторые эпидемиологические исследования статистически сообщают о значительном увеличении числа смертей или случаев иммунологических расстройств и аутоиммунных заболеваний у рабочих, подвергшихся воздействию кремния. Эти заболевания и расстройства включают склеродермию, ревматоидный артрит, красную волчанку и саркоидоз.
Кристаллический кремний может атаковать иммунную систему и привести к микробным или грибковым инфекциям (туберкулезу), особенно у рабочих с силикозом. Профессиональное воздействие вдыхаемого кристаллического силикона, среди прочего, является причиной бронхита, хронических стрессовых заболеваний легких и эмфиземы. Некоторые эпидемиологические исследования показывают, что эти последствия для здоровья могут быть менее распространены или отсутствовать у некурящих людей.
Воздействие кремния на окружающую среду
Кремний или его соединения не наносят вред окружающей среде.
Кремний и вода
После кислорода кремний является вторым по распространенности элементом на Земле. В огромных количествах он содержится в различных минералах, а также в виде кремнезема в Мировом океане и во всех других водоемах.
Верхние слои воды океанов содержат около 30 частей кремния на миллион, тогда как более глубокие слои морской воды содержат около 2 частей. В растворенном виде кремний обычно присутствует в виде ортокремниевой кислоты (H4SiO4 или Si(OH)4). Это соединение является результатом медленного растворения силикатов в воде.
Огромное количество частиц кремнезема (оксида кремния) переносится в моря и океаны через реки. Вероятно, менее 20% растворенного кремния снова извлекается из раствора речной воды с помощью биологических и / или химических процессов.
Как и в каких соединениях кремний реагирует с водой?
Кремний никогда не встречается в природе несвязанным. Кроме того, он относительно инертен в своей кристаллической форме, если не подвергается воздействию очень высоких температур. Вода и пар, вероятно, также не имеют большого эффекта, потому что на поверхности очень быстро образуется защитный слой диоксида кремния.
Однако есть также примеры соединений кремния, которые реагируют с водой. Тетрафторид кремния гидролизуется водой с образованием плавиковой кислоты. Тетрахлорид кремния очень бурно реагирует с водой. Силициды первой и второй основной группы более реакционноспособны, чем силициды переходных металлов.
Растворимость кремния и / или его соединений в воде
Соединения кремния могут иметь разную растворимость. Оксид кремния менее растворим в воде, чем другие минералы. Диоксид кремния имеет растворимость в воде 0,12 г / л, тогда как карбид кремния, например, нерастворим в воде.
Как кремний может попасть в воду?
Как уже упоминалось, кремний содержится во многих минералах, из которых он может быть растворен в результате процессов выветривания. Он также выделяется во время вулканической активности под водой. Вода в пустотах морских отложений содержит больше кремния, чем верхние слои морской воды.
С другой стороны, кремний удаляется из воды естественным путем. Это может произойти из-за фиксации планктоном в океанах, осаждения отложений или реакций растворенного кремния с глиной в отложениях (обратное выветривание). Минералы, такие как тальк, слюда, полевой шпат, нефелин, оливин, вермикулит, перлит и каолинит, также содержат кремний. То же самое относится к таким драгоценным камням, как опал или аметист.
Какие экологические проблемы может вызвать загрязнение воды кремнием?
Диоксид кремния необходим для некоторых организмов, но до сих пор неясно, как он попадает в них. Диатомовые водоросли, радиолярии и губки нуждаются в нем для своего скелета, а иголки различных видов крапивы сделаны из этого вещества. Курам и крысам кремний нужен для роста костей, и, по-видимому, он также важен для человека, где он в основном содержится в соединительной ткани и коже.
Кремний также необходим для роста растений. Различные виды растений содержат элемент в количестве 200-62000 частей на миллион (в пересчете на сухое вещество). Такие растения, как хвощ и бамбук, содержат оксид кремния в стеблях и листьях, что придает им дополнительную стабильность.
Поскольку он естественным образом содержится в больших количествах в воде, кремний фактически считается безвредным. Кремний в природе встречается в форме трех разных изотопов, ни один из которых не является радиоактивным.
Какие последствия для здоровья может вызывать кремний в воде?
Общее количество кремния в организме человека составляет около 1 г и с возрастом уменьшается. Поскольку это важно для роста костей некоторых организмов, считается, что он также необходим и для людей. В основном он содержится в соединительной ткани и коже. Симптомы дефицита кремния неизвестны.
Мелкая пыль от соединений кремния может вызвать силикоз, типичное профессиональное заболевание, например, у шахтеров или камнерезов. Последствиями являются одышка, хрипы и кашель. Однако это происходит только при вдыхании веществ. Есть подозрения, что силиконовые грудные имплантаты вызывают аутоиммунные заболевания и даже рак. Однако научных подтверждений этому нет. Силиконы используются в желудочных таблетках для лечения колик и диареи.
Некоторые соединения кремния, такие как соединения кремний-галоген, обладают коррозионным действием или очень токсичны, например, некоторые органические соединения кремния. Тетрахлорид кремния раздражает глаза, органы дыхания и кожу. Кремнезем обычно присутствует в основном в питьевой воде, но считается безвредным.
