Промышленный синтез технического кремния
В промышленных масштабах кремний получают с использованием высоких температур в специализированных электрических печах. В качестве исходного сырья выступает диоксид кремния ($SiO_2$), а восстановителем служит углерод (обычно в виде угля).
Суть процесса заключается в том, что углерод при сильном нагревании отнимает кислород у диоксида кремния. В результате образуется свободный кремний и выделяется угарный газ, который покидает зону реакции:
$$SiO_2 + 2C = Si + 2CO\uparrow$$
Этот метод экономически выгоден, однако полученный таким образом продукт содержит значительное количество примесей и не подходит для высокотехнологичных производств.
Синтез особо чистого кремния
Для создания полупроводниковых приборов требуется кремний с минимальным содержанием посторонних атомов. Промышленный метод восстановления углем для этих целей совершенно не годится.
Особо чистый кремний получают обходным путем — через галогениды. Исходным веществом выступает хлорид кремния ($SiCl_4$). В качестве мощного восстановителя применяют щелочной металл — натрий ($Na$). В ходе химического взаимодействия натрий связывает хлор, высвобождая чистый кремний:
$$SiCl_4 + 4Na = Si + 4NaCl$$
Полученный элемент обладает необходимыми полупроводниковыми свойствами и может использоваться в электронике.
Лабораторное получение и очистка
В условиях химической лаборатории свободный кремний получают магнийтермическим способом. Для этого используют доступные реактивы: чистый белый песок (представляющий собой диоксид кремния $SiO_2$) и порошок металлического магния ($Mg$).
Ход эксперимента:
- Исходные вещества тщательно смешивают.
- Реакцию инициируют путем поджигания (в качестве запала удобно использовать горящую магниевую ленту).
- Протекает бурная экзотермическая реакция, в которой магний восстанавливает кремний:
$$SiO_2 + 2Mg = Si + 2MgO$$
Очистка продукта: После завершения реакции образуется смесь, содержащая целевой кремний и побочный продукт — оксид магния ($MgO$). Чтобы выделить чистый элемент, образовавшуюся массу обрабатывают раствором соляной кислоты ($HCl$). Кислота растворяет оксид магния, оставляя кремний нетронутым. В результате фильтрования и промывки кремний выделяется в виде характерного темно-серого порошка. В таком состоянии он носит название аморфного кремния.
Побочные процессы и образование силана
Лабораторный синтез с использованием магния редко протекает идеально гладко. Наряду с основной реакцией восстановления диоксида кремния, часть восстановителя вступает во взаимодействие с образующимся кремнием. Это приводит к появлению нежелательной примеси — силицида магния ($Mg_2Si$).
Присутствие силицида магния обнаруживается на этапе кислотной очистки смеси. Когда соляная кислота контактирует с $Mg_2Si$, происходит реакция разложения, сопровождающаяся выделением газа:
$$Mg_2Si + 4HCl = SiH_4\uparrow + 2MgCl_2$$
Выделяющийся газ называется силаном ($SiH_4$). Это водородное соединение кремния, которое по своему химическому строению является полным структурным аналогом метана ($CH_4$), где центральный атом углерода заменен на атом кремния.
Вопросы с занятий и экзамена
Почему кремний для полупроводников не получают восстановлением угля в печах?
Процесс в электропечах с участием угля дает технический кремний, загрязненный примесями углерода и других элементов. Для микроэлектроники требуется идеальная чистота, которую обеспечивает только восстановление из хлорида кремния натрием.
Зачем при лабораторном получении кремния используют соляную кислоту?
Соляная кислота необходима для очистки конечного продукта. Она растворяет побочный оксид магния ($MgO$) и примеси силицида магния, оставляя нерастворимый темно-серый порошок чистого аморфного кремния.
Что такое силан и при каких условиях он образуется в лаборатории?
Силан ($SiH_4$) — это водородное соединение кремния, аналог метана. Он выделяется в виде газа как побочный продукт на этапе очистки, когда соляная кислота разрушает образовавшуюся примесь силицида магния ($Mg_2Si$).
Что ещё разобрать по теме
- Структура и свойства аморфного кремния в сравнении с кристаллическим
- Сравнительная характеристика силана ($SiH_4$) и метана ($CH_4$)
- Химические свойства и применение хлорида кремния ($SiCl_4$)
- Природа химической связи в силицидах металлов
Разберите тему целиком в курсе «Химия»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Получение кремния» и ещё 3 009 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 90 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Глава 12. Элементы группы IVA»
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.