Диоксид кремния

Диоксид кремния SiO₂ (кремнезем) имеет несколько модификаций.

В природе он встречается главным образом в виде минерала кварца (гексагональная структура), а также кристобалита (кубическая структура) и тридимита (гексагональная структура). Модификации SiO₂ отличаются характером взаимного расположения кремнекислородных тетраэдров SiO4 в пространстве.

Кремнезем тугоплавок, очень тверд и химически стоек. На него действуют лишь фтор, фтороводородная кислота и газообразный HF, а также растворы щелочей и фосфорная кислота. В воде в обычных условиях SiO₂ не растворяется, но начиная со 150°С его раствори растворимость возрастает, достигая 0,25% при 500 °С.

Кремнезем легко переходит в стеклообразное состояние. В отличие от кристаллических модификаций SiO₂ в кварцевом стекле тетраэдрические структурные единицы SiO₄ расположены неупорядоченно. Кварцевое стекло химически и термически весьма стойко.

Применение диоксида кремния

Диоксид кремния применяют в производстве стекла, керамики, абразивов, бетонных изделий, для получения кремния, как наполнитель в производстве резин, при производстве кремнезёмистых огнеупоров, в хроматографии и др. Кристаллы кварца обладают пьезоэлектрическими свойствами и поэтому используются в радиотехнике, ультразвуковых установках, в зажигалках.

Диоксид кремния — главный компонент почти всех земных горных пород, в частности, кизельгура. Из кремнезёма и силикатов состоит 87 % массы литосферы.

Аморфный непористый диоксид кремния применяется в пищевой промышленности в качестве вспомогательного вещества E551, препятствующего слёживанию и комкованию, парафармацевтике (зубные пасты), в фармацевтической промышленности в качестве вспомогательного вещества, а также пищевой добавки или лекарственного препарата в качестве энтеросорбента.

Искусственно полученные плёнки диоксида кремния используются в качестве изолятора при производстве микросхем и других электронных компонентов.

Также используется для производства волоконно-оптических кабелей. Используется чистый плавленый диоксид кремния с добавкой в него некоторых специальных ингредиентов.

Нитрид кремния Si3n4

Цвет кристаллов поликристаллического кремния нитрида изменяется от белого до серого. Известен в двух модификациях α и β; кристаллические структуры обеих образованы тетраэдрами SiN₄, сингония гексагональная; α-Si₃N₄ превращается в β выше 1400 °С, β-Si₃N₄ стабилен до ~1600°С. Не плавится. Интенсивно возгоняется с разложением выше 1600°С.

Кремния нитрид не взаимодействует с азотной, серной и соляной кислотами, слабо реагирует с Н₃РО₄ и интенсивно с фтористоводородной кислотой; разлагается расплавами щелочей, оксидов и карбонатов щелочных металлов. Не взаимодействует с Сl₂ до 900°С, Н₂S - до 1000°С, Н₂ - до 1200°С. С расплавами Al, Pb, Sn, Zn, Bi, Cd, Cu не реагирует, с переходными металлами образует силициды, с оксидами металлов выше 1200 °С - силикаты. Окисление кремния нитрида на воздухе начинается выше 900°С.

Применение нитрида кремния

Нитрид кремния применяют для изготовления деталей теплового тракта газотурбинных двигателей, двигателей внутреннего сгорания, тиглей, защитных чехлов термопар, элементов насосов, трубопроводов и штуцеров для перекачки расплавов цветных металлов, для футеровки металлургических печей, сопел газовых горелок, изготовления инструментов, блочных носителей катализаторов, обтекателей головных частей летательных аппаратов, радиопрозрачных окон, как абразивный и изоляционный материал.

Карбид кремния SiC (карборунд)

Чистый карбид кремния стехиометрического состава - бесцветные кристаллы с алмазным блеском. Технический SiC может иметь разнообразную окраску: белую, серую, желтую, зеленую и черную. Цвет материала зависит от сырья и технологии получения кристаллов и определяется как типом и количеством примеси, так и степенью отклонения состава от стехиометрического. Карбид кремния кристаллизуется в двух модификациях: при температурах менее 2000^оС - в кубической типа сфалерита (β-SiC) - и при более высоких температурах - в гексагональной (α-SiC). Для высокотемпературной гексагональной модификации карбида кремния характерно явление политипизма: обнаружено более 50 политипных модификаций α-SiC.

Карбид кремния — единственное полупроводниковое бинарное соединение А^IVВ^IV. Тип связи — ковалентный, доля ионной составляющей порядка 10%. Ширина запрещенной зоны для кристаллов SiC составляет 2,39 эВ, для различных модификаций SiC ширина запрещенной зоны может иметь значение в пределах от 2,72 до 3,34 эВ. Большие значения ширины запрещенной зоны позволяют создавать на его основе полупроводниковые приборы, сохраняющие работоспособность при температурах до 600^оС. Собственная электропроводность из-за большой ширины запрещенной зоны наблюдается лишь при температурах выше 1400^оС. Подвижность носителей заряда низкая. Монокристаллы карбида кремния, легированные примесями элементов V группы (азот, фосфор, мышьяк, сурьма, висмут), а также литием и кислородом имеют n-тип проводимости и зеленую окраску. Элементы III группы (бор, алюминий, галлий, индий) и элементы II группы (бериллий, магний, кальций) являются акцепторами. При этом кристаллы имеют p-тип проводимости и голубую или черную окраску. В случае отклонения состава от стехиометрического в сторону кремния кристаллы обладают электропроводностью n-типа, в случае избытка углерода - p-типа.

Карбид кремния тугоплавок (t_пл 2830°С), химически стоек, по твердости уступает лишь алмазу и нитриду бора: твердость по МООСу - 9,1-9,5; микротвердость 3300-3600 кгс/мм². Карбид кремния обладает высокой термической, химической и радиационной стойкостью, выделяется своей устойчивостью к окислению среди многих окалиностойких сплавов и химических соединений. Заметно окисляется только при температурах выше 800^оС. Карбид кремния химически стоек и в других средах. Он не реагирует с минеральными кислотами любых концентраций, включая и плавиковую кислоту. При комнатной температуре взаимодействует с ортофосфорной и кислотой и смесью азотной и фтористоводородной кислот при температуре 200^оС.

Вплоть до 1100^оС с карбидом кремния совершенно не взаимодействует азот. Инертен он также в среде водорода и углекислого газа. В среде хлора теряет устойчивость при сравнительно низких температурах.

Карбид кремния активно разлагается с образованием соответствующих силикатов при сплавлении с едкими и углекислыми щелочами и перекисями.