Чем отличается диоксид кремния от кремния

Что такое кремний?

Кремний (Si) – химический элемент, который в свободном виде в природе почти не встречается. У него есть способность вступать в химические взаимодействия с высокой скоростью. По этой причине он чаще всего находится в составе соединений. Чтобы получить чистый серый кристалл с металлическим блеском, Si необходимо переработать в несколько этапов.

Главное в кремнии то, что он является полупроводником (среднее между проводниками и диэлектриками). Его электропроводностью можно управлять – достаточно изменить температуру, направить свет или добавить в состав другой элемент.

Из-за этой особенности чистый кремний используется в электронике и высоких технологиях, например:

1. Кремниевые пластины служат основой для чипов, микросхем в компьютерах и телефонах.
2. Из пластин делают солнечные батареи – элементы, которые превращают свет в электроэнергию.
3. Кремний используют в светочувствительных датчиках камер и фотоаппаратов.
4. В металлургии этот химический элемент добавляют в сталь или алюминий, чтобы металл стал прочнее.

Металлургией и электроникой всё не ограничивается. Кремний используют в тяжёлой промышленности. Например, при выплавке чугуна, чтобы удалить из сплава лишний кислород и сделать жидкий металл более текучим при заливке в формы.

На химических производствах из Si синтезируют силиконы, силаны, полимеры. Из этого сырья потом делают много видов продукции – от термостойких автомобильных смазок и водоотталкивающих пропиток до медицинских имплантов.

Что такое диоксид кремния?

Диоксид кремния – это соединение кремния и кислорода. В промышленности и геологии данное вещество чаще называют кремнезёмом. В отличие от чистого Si, диоксид не нужно создавать на предприятиях – природа уже сделала это сама: в составе земной коры больше половины кремнезёма.

Простой пример диоксида кремния – обычный песок, мелкие осколки кварца. Кремнезём можно встретить везде, но выглядит всегда по-разному, например:

1. Кварц и горный хрусталь – это чистый SiO² в виде твёрдых прозрачных кристаллов. Благодаря идеальной структуре они могут проводить ультразвуковые волны, поэтому их используют в радиотехнике.
2. Цветные минералы – если в SiO² попадают примеси других элементов, получаются полудрагоценные камни (аметист, агат, яшма или халцедон).
3. Опал – тот же диоксид кремния, но с небольшим количеством воды внутри кристаллической структуры.
4. Стекло – обычные оконные стёкла делают как раз из кварцевого песка (его плавят вместе с содой и известью).

Химическая основа всех этих камней и песка не отличается. Разница только в том, как именно расположены атомы внутри. Сам по себе диоксид кремния отличается прочностью. Он плавится только при 1710°C и не растворяется в воде или кислотах.

Из-за такой стойкости кремнезём – главное сырьё, используемое в строительстве и на производствах. Песок и кварц используют при изготовлении бетона, кирпича, керамики и хрусталя. Даже в аптеках и пищевой промышленности используют этот порошок. Его добавляют в таблетки и специи, чтобы они не слипались в комки.

Почему диоксид кремния не считается чистым кремнием?

Путаница возникает из-за похожих названий. Но диоксид кремния нельзя считать чистым элементом. Это отдельное химическое соединение, а не смесь веществ.

При реакции с кислородом структура материала полностью меняется. Кислород встраивается между атомами кремния и блокирует свободные электроны. Из-за этого вещество теряет способность проводить ток.

В результате получается материал с другими свойствами. Различия хорошо видны по основным характеристикам:

1. Состав.  Чистый кремний состоит только из собственных атомов. В диоксиде к ним прочно привязан кислород. Поэтому чистый элемент получают на предприятиях путём сложной высокотемпературной очистки сырья.
2. Внешний вид и форма. Чистый кремний – тёмно-серый, плотный, с металлическим блеском. Диоксид кремния в природе встречается в виде прозрачных кристаллов кварца или обычного речного песка.
3. Электрические свойства. Кремний является полупроводником. Его используют для создания чипов, микросхем и диодов. Диоксид кремния ток не проводит. В электронике он служит надёжным изолятором между токопроводящими слоями.
4. Стойкость. Диоксид плавится при 1710°C и не боится агрессивных кислот. Чистый Si плавится при 1414°C, а при сильном нагреве на воздухе начинает гореть.

Наличие кремния в составе диоксида не делает его чистым элементом. Точно так же наличие водорода в воде не превращает её в горючий газ.

Можно ли заменить одно вещество другим?

Заменить одно вещество другим в производстве невозможно – использовать диэлектрик вместо полупроводника физически не получается. У них разные задачи, и сферы применения отличаются.

Кремний востребован в электронике для управления током. Диоксид кремния незаменим как изолятор, сорбент или сырьё для стекольной промышленности.

Краткий вывод

Чистый кремний и его диоксид имеют общую химическую основу, но из-за присутствия кислорода их свойства отличаются. Первый служит главным материалом для микроэлектроники и солнечной энергетики благодаря полупроводниковым свойствам. Второй незаменим в строительстве, стекольной промышленности и металлургии как прочный природный диэлектрик и термостойкое сырьё.

Функции этих веществ в производстве чётко разделены. Попытка заменить один материал другим невозможна из-за физико-химических свойств, которые существенно отличаются.