Кремний широко распространён в природе и человеческом быту. И всем нам хорошо знаком. Но есть в нём кое-что интересное, что обычно не рассказывают на уроках химии.
Кремний имеет 14 протонов в атомном ядре – и, следовательно, если он не ионизирован, 14 электронов. И эти электроны распределены по оболочкам так: два в первой оболочке, восемь во второй и четыре в третьей, она же последняя. Поскольку эта оболочка может вмещать, как и предыдущая, восемь электронов, мы имеем элемент, который находится ровно посередине между металлами и неметаллами. У него две идеально заполненные оболочки и третья, заполненная лишь наполовину.
Кремний везде: и в космосе, и на Земле
Кремний — очень распространённый элемент во Вселенной. По массе он занимает восьмое место. Рождается этот элемент в недрах звёзд большого размера, когда их температура и давление становятся достаточными для начала синтеза кремния из кислорода. Весь кремний в нашей Солнечной системе происходит из остатков сверхновых предыдущих поколений звёзд, внутри которых когда-то синтезировался кремний. Однако, наше Солнце неспособно производить кремний путем термоядерного синтеза. Для этого у Солнца не хватает силёнок.
Огромная часть твёрдого вещества в нашей планетной системе – это кремний. Хотя и не чистый. Будучи полуметаллом, или металлоидом, этот химический элемент может образовывать связи со множеством других элементов в зависимости от того, какие из них находятся в непосредственной близости. На планетах и астероидах Солнечной системы почти весь кремний связан с кислородом (образуя при этом диоксид кремния или кремнезём, SiO2) или с кислородом и различными металлами с образованием соединений, таких, например, как силикат алюминия (Al2(SiO4)3).
В астрономии часто упоминаются облака газа и пыли. Так вот, большая часть этой пыли и этих облаков представляет собой частички кремнёзема.
На нашей планете кремний есть повсюду. 27 процентов земной коры состоит из этого химического элемента. А теперь давайте вспомним один интересный факт о кислороде: этот элемент составляет 49 процентов земной коры! То есть, вместе с кремнием эти два элемента составляют 76 процентов земной коры, или три четверти! Вот так вот. Земная кора, оказывается, состоит в основном из кремния и кислорода с небольшой примесью некоторых других химических элементов.
И для того, чтобы перечислить хотя бы небольшое количеств известных горных пород и материалов, содержащих кремний, потребовалось бы много времени. Но вот краткий список: песок, глина, кварц, агат, аметист, горный хрусталь, полевой шпат, слюда, опал, кремень… все они содержат кремнезём или силикаты. Любопытный штрих: все три компонента гранита (кварц, полевой шпат и слюда) содержат кремний.
Кто открыл кремний?
А люди знали о существовании кремния на протяжении тысячелетий? Ответ: нет. Абсолютно не знали. Поскольку кремний очень химически активен. И его очень трудно найти в природе в чистом виде. Поэтому человечеству пришлось долго ждать, пока человек знающий и обладающий любопытством и навыками сумеет выделить кремний из одного его соединений. Как и во многих других случаях, это произошло во время активных поисков различных химических элементов в XIX веке.
Но ещё раньше, в 1787 году, французский химик Антуан Лавуазье определил кремний как вещество (еще не элемент), входящее в состав кремнезёма. В 1800 году британский химик и физик Гемфри Дэви был убеждён, что кремний представляет собой соединение, хотя ученому так и не удалось получить его составные элементы… потому что их, конечно же, не было!
Хотя в 1811 году французам Жозефу Луи Гей-Люссаку и Луи Жаку Тенару, вероятно, удалось (если судить по описанию их опытов и свойствам полученных веществ) выделить кремний из тетрафторида кремния, но они не смогли идентифицировать его как отдельный химический элемент.
Честь открытия кремния как такового принадлежит шведу Йонсу Якобу Берцелиусу, которому удалось выделить и идентифицировать химический элемент в 1823 году, используя метод, очень похожий на метод Гей-Люссака и Тенара. Берцелиус и не подозревал, насколько важным окажется тот порошок металлического цвета, который ему удалось получить!
Кремний обладает свойствами, аналогичными свойствам углерода (ведь он имеет такое же количество электронов на последней оболочке), так же, как и углерод, кремний может находиться в аморфной форме и образовывать кристаллы. Разумеется, кристаллы чистого кремния не имеют ничего общего с углеродными: уникальная геометрия и прочность связей кристаллического углерода не повторяются в кремнии. Поэтому кристаллы кремния не так тверды, как алмазы.
Схож с углеродом и аморфен
Однако кремний имеет другое фундаментальное преимущество перед углеродом: электроны на последней оболочке находятся у него дальше от ядра, чем у углерода, и, следовательно, менее привязаны к атому. Следовательно, кремний ведёт себя более «металлически», чем углерод. Но кремний неметалл. Хотя и имеет металлический блеск благодаря подвижности электронов. И электрические свойства кремния гораздо интереснее, чем у металлов, из-за его гибкости. Именно это качество делает кремний прекрасным полупроводником. Ведь если чистый кремний смешать с очень небольшими количествами других элементов (легировать), его электрические свойства можно изменять очень точно, доводя до необходимых значений. Фактически, самое известное применение кремния – в качестве полупроводника в электронике. Однако получить готовый к использованию кремний не так просто.
Первые системы получения кремния хотя и были простыми, но не позволяли достичь чистоты (не более 98%). Их до сих пор используют для производства элемента, когда к нему не предъявляются повышенные требования по чистоте. Для этого кремнезём помещают в ёмкость с каким-либо типом углерода (например, углём) и нагревают почти до 2000 град. Цельсия. После чего начинается следующий процесс: углерод заменяет кремний и вместе с кислородом образует углекислый газ. При этом высвобождается кремний: SiO2 + C > Si + CO2. Расплавленный кремний оседает на дне ёмкости и вуаля! Получается относительно чистый кремний по очень низкой цене (кремнезём и углерод дешёвые, а процесс несложен). Однако этот кремний нельзя использовать в качестве материала для изготовления полупроводников для электроники или в составе, например, солнечной панели. Ведь, помимо наличия примесей, он аморфен. То есть, атомы кремния плохо связаны друг с другом.
Аморфность означает, что электроны, движущиеся сквозь кремний, будут работать как переносчики электрического тока неважно. Ведь кремний, в конце концов, не является металлом, поэтому не очень хорошо проводит ток. К тому же аморфность кремния приводит к тому, что когда какой-нибудь шустрый электрон начинает двигаться в определённом направлении, он очень скоро сталкивается с атомом, находящимся прямо перед ним. И его движение прерывается. Это, конечно, если говорить очень упрощённо.
Очевидно, что для того, чтобы электроны могли двигаться беспрепятственно, необходим кристаллический кремний, в котором атомы расположены более или менее «ровно» и встречается мало атомов других элементов (кроме специально введённых при легировании, конечно же, да и то, они должны находиться в строго определённых положениях).
Для достижения этой цели на протяжении всего 20 века использовались различные хитрости. Сначала применялись физические методы: при затвердевании расплавленного кремния примеси замедляют этот процесс, поэтому более чистой является та часть, которая затвердевает раньше. Если, например, расплавленный кремний затвердеет в виде стержня, «корка» этого стержня будет более загрязнённой, чем центр. Если самую внешнюю часть спилить и выбросить, то, что останется (центр бруска), будет иметь большую чистоту. Затем брусок можно снова расплавить, потом остудить, снова «очистить» и т. д. В итоге после каждого этапа этого процесса будет оставаться всё меньше и меньше кремния, но при этом его чистота будет становиться всё более высокой.
В чипах, стекле, бетоне и… в женщинах
Однако в настоящее время используются более дешёвые химические методы: (хотя это может показаться странным) «грязный» кремний смешивается с другими элементами с образованием соединений, таких как трихлорсилан (HSiCl3), которые при относительно низких температурах (около 1200 град. Цельсия) представляют собой газы. Далее берутся специальные стержни и вводятся в газ: трихлорсилан понемногу разлагается и атом за атомом откладывает кремний на стержень, который становится всё толще и толще. Осаждаясь постепенно, атомы делают это относительно упорядоченно, образуя небольшие кристаллы. Этот процесс, называемый процессом Сименса, производит кремний невероятной чистоты (лишь одна миллиардная часть не является кремнием). Кремний такого типа, производимый по технологии Сименса, называется поликристаллическим, так как он состоит из множества мелких кристаллов кремния. Размер этих кристаллов варьируется от нескольких нанометров до нескольких микрон. Но этого достаточно, чтобы электрические свойства этого материала сильно отличались от свойств аморфного кремния. Для электрона прохождение одного микрона через упорядоченный кристалл — настоящий полёт по сравнению с блужданием в мрачных коридорах аморфного кремния. Поликристаллический кремний используется в солнечных батареях и электронике. Именно эти отрасли потребляют огромное количество кремния.
Но иногда даже сверхчистого поликристаллического кремния недостаточно: переходы от одного маленького кристалла к другому продолжают прерывать поток электронов и изменять электрические свойства материала. В этих случаях возникает необходимость использовать монокристаллический кремний, в котором весь кусок кремния представляет собой единый совершенный кристалл макроскопического размера. Для получения такого материала используется так называемый процесс Чохральского (который также применяется для производства кристаллов других полупроводников, металлов и даже для производства искусственных драгоценных камней).
Процесс Чохральского выглядит так: берётся тигель из кварца, в котором готовится своеобразный суп: расплавленный кремний высокой чистоты, к которому для легирования добавляются другие элементы, например, бор или фосфор в зависимости от типа полупроводника, который нужно получить. Затем в «суп» вводится крошечный кристалл кремния, подвешенный на металлической нити, которая действует как затравка для более крупного кристалла. Этот маленький кристалл вращается в расплавленном кремнии, постепенно поднимаясь. Кремний вместе с добавленными примесями и некоторыми атомами кислорода, выделяющимися из стенок кварца, очень и очень медленно осаждается на кристалле, образуя слой за слоем идеально упорядоченные атомы. В итоге получится брусок, представляющий собой монокристалл кремния. Своего рода «кремниевая кристаллическая сосиска». После эта «сосиска» разрезается на тонкие пластины толщиной в полмиллиметра с помощью алмазных лезвий. Пластины полируются с одной или обеих сторон и подвергаются химическому травлению, после чего используются при производстве интегральных схем (чипах).
Но нельзя забывать, что польза кремния как проводника — не единственное, что делает этот химический элемент полезным для человека. Потому что ещё есть песок! Он является одним из основных компонентов цемента. А песок — это не что иное, как кремнезём! То же самое справедливо и по отношению к стеклу, которого просто не было бы без кремния.
А еще более интересными являются силиконы — искусственные полимеры, в которых кремний является фундаментальной частью. Силиконы имеют множество применений: от изоляторов и клея до модификации некоторых представительниц прекрасной половины человечества, которым мать-природа не дала, по их мнению, заметные, как хотелось бы их владелицам, части тела.
Жизнь на основе кремния?
Кроме того, кремний интересен тем, что его сходство с углеродом заставило многих задуматься о том, возможно ли существование форм жизни, основанных на кремнии, а не на углероде. И многие научно-фантастические произведения основаны на этом предположении.
Основная причина, по которой жизнь на Земле основана на углероде, а жизнь на основе кремния не существует, заключается в том, что вездесущий на Земле растворитель (вода) не очень хорошо дружит с кремнием. Углекислый газ очень хорошо растворяется в воде, чего нельзя сказать о диоксиде кремния (наверняка каждый из нас когда-либо пытался растворить песок в воде). Что очень затруднило бы существование «кремниевого цикла», аналогичного углеродному. Кроме того, кремний отличается от углерода и в других отношениях: во-первых, его атомы крупнее, а устойчивых длинных полимеров он даёт не так уж и много. «Кремнийорганическая биохимия» не была бы столь универсальной и не обладала бы таким обилием соединений, как биохимия на основе углерода. Частично это также связано с тем, что кремний не может образовывать двойные, тройные и четверные связи так легко, как углерод.
Означает ли всё это, что мы не найдём во Вселенной формы жизни на основе кремния? Ответ на этот вопрос непрост. В теории да, она возможна. Но природа не любит городить огород. Углеводная биохимия более привлекательна.
Это не означает, что наземные организмы никак не используют кремний. Используют, и ещё как. Но не как основу своей биохимии, а скорее для весьма специализированных функций: например, радиолярии (простейшие) и диатомеи (тоже простейшие) имеют скелет из кремнезёма. Они умеют создавать полимеры на основе кремния, с помощью которых укрепляют свои клеточные стенки в качестве брони. Морские ежи, в свою очередь, имеют кремнезёмные шипы. Очевидно, что живые существа обычно используют кремнезём для строительства укреплений или защиты.
Но вот что интересно. Если в недалёком будущем нам удастся создать искусственную разумную форму жизни, возможно, мы сделаем это, основав её «нервную систему» на кремнии. И, возможно, (хотя и неожиданным образом) кремний станет основой новой неорганической формы жизни…
Источник: «Живой космос»