Кремний не относят к обычным металлам: его описывают как металлоид и полупроводник. Кристалл блестит, но остаётся хрупким. Для изготовления деталей важнее другое различие: чистый кремний, его соединения и металлические сплавы с кремнием — разные материалы. Одного названия элемента для выбора обработки недостаточно.
Кремний — металл или нет: почему встречаются разные ответы
Кремний называют металлоидом, поскольку в его свойствах сочетаются признаки металлов и неметаллов. В учебных классификациях встречается и отнесение к неметаллам. Эти названия описывают положение элемента среди других веществ, но сами по себе не объясняют поведение заготовки. Для обработки важны хрупкость, структура и состав материала, а для электроники — его полупроводниковые свойства.
Блеск здесь мало помогает.
Слово «полуметалл» требует осторожности: в химической и физической литературе оно может обозначать разные понятия. При обсуждении электрических свойств кремния точнее говорить «полупроводник».
Для ответа в учебной работе нужна классификация из конкретного учебника. В технической документации полезнее точное обозначение материала: термин «металлоид» не заменяет требования к заготовке.
Где находится Si в периодической таблице
Слиток монокристаллического кремния и несколько кремниевых стержней в Музее минералогии в Мюнхене. Фото: ArticCynda · CC0 1.0
Кремний обозначают символом Si. Положение элемента в периодической таблице помогает описать строение атома и сопоставить его с соседними элементами. Однако таблица не заменяет справочник свойств материала. Из обозначения элемента нельзя получить режим резания, допустимую нагрузку или требования к поверхности готовой детали: для этого нужны отдельные исходные данные.
Атомный номер и атомная масса — разные величины. Первый связан с числом протонов в ядре. Вторая зависит от изотопного состава образца.
На странице Silicon — standard atomic weight комиссия CIAAW приводит интервал [28,084; 28,086]. Подтверждающая строка источника: «Ar(Si) = [28.084, 28.086] since 2009».
Для заказа металлической детали эта величина обычно не служит исходным параметром. Марка материала даёт технологу больше полезной информации.
Почему блеск не делает кремний металлом
Блеск описывает внешний вид поверхности, а принадлежность к металлам — совокупность свойств вещества. Кристаллический кремний может напоминать металлический образец, но ведёт себя иначе при деформации и прохождении тока. Поэтому по фотографии нельзя заключить, что материал можно гнуть, тянуть в проволоку или обрабатывать тем же способом, что медь.
Для сравнения полезно разделить несколько признаков.
| Признак | Кристаллический кремний | Медь |
|---|---|---|
| Внешний вид | Поверхность может иметь металлический блеск | Поверхность может блестеть |
| Поведение при деформации | Хрупкий материал | Пластичный металл |
| Электрические свойства | Полупроводник | Металлический проводник |
Один общий признак не делает материалы взаимозаменяемыми. Даже среди металлов пластичность и поведение при обработке различаются.
Подробнее о другом материале — в статье про свойства меди как металла.
Как выглядит кремний и чем различаются его формы
Кристаллический кремний имеет серую поверхность с металлическим блеском. Кремнезём, кварц и песок не подходят для иллюстрации внешнего вида простого вещества: кремний входит в их состав в связанном состоянии. Подпись «кремний» под фотографией кварца смешивает элемент и его соединение. Для выбора изображения это принципиальное различие.
У кристаллической и аморфной форм различается порядок расположения атомов. Поэтому описание свойств должно уточнять, о какой форме идёт речь.
Слиток, порошок и тонкая плёнка также выглядят по-разному. Внешний вид образца не заменяет сведения о его составе и структуре.
Температуры переходов и другие численные характеристики требуют отдельного подтверждения с указанием формы вещества и условий измерения. Переносить значения для чистого кремния на кварц или сплав нельзя.
Как кремний проводит ток и зачем нужны примеси
Кремний используют как полупроводниковый материал: его проводимость зависит от температуры, примесей и структуры. Это отличает его от привычного металлического проводника. Для электронного компонента недостаточно указать только название вещества. Нужны требования к чистоте и электрическим характеристикам, поскольку образцы кремния разного назначения не обязательно подходят для одной задачи.
Введение примесей называют легированием. Так получают материал с нужными электрическими свойствами.
При этом слово «легирование» встречается и в металлургии. Смысл задачи различается: в полупроводнике управляют носителями заряда, а в металлическом сплаве — комплексом свойств материала.
Правило «нагрев всегда улучшает проводимость кремния» слишком широко. Поведение конкретного образца зависит от его состава и температурного диапазона.
Кремний, кремнезём, кремень и силикон — разные материалы
Кремний — название химического элемента и простого вещества. Кремнезём — его соединение с кислородом, а кремень — горная порода на основе кремнезёма. Силикон относится к полимерным материалам. Созвучие названий не означает сходства свойств: кристалл кремния, камень и силиконовый герметик нельзя описывать как варианты одной заготовки.
Различие удобно сверять по составу.
| Название | Что обозначает | Состав или основа |
|---|---|---|
| Кремний | Химический элемент и простое вещество | Si |
| Кремнезём | Диоксид кремния | SiO₂ |
| Кремень | Горная порода | Преимущественно кремнезём |
| Силикон | Полимерный материал | Цепи с чередованием кремния и кислорода и органическими группами |
Кварц — кристаллическая форма диоксида кремния. Песок может содержать кварц, но его состав зависит от происхождения.
Для заявки важно название материала из чертежа или спецификации. Подмена «кремния» «силиконом» меняет сам предмет заказа.
Какие реакции и соединения характеризуют кремний
Химические свойства кремния нужно описывать вместе с условиями реакции. Значение имеют форма вещества, состояние поверхности, температура и реагент. Краткое утверждение «кремний реагирует с кислотами» или «кремний не реагирует с кислотами» не даёт достаточной информации. По нему нельзя выбирать состав для очистки, травления или другой обработки поверхности.
Уравнение реакции без условий тоже неполно.
Отдельно нужно различать валентность и степень окисления. Эти понятия описывают строение соединений с разных сторон и не заменяют друг друга.
Свойства соединения нельзя переносить на исходный элемент. Например, кремний и карбид кремния требуют разных описаний материала и разных технологических решений. Химическое сходство названий здесь не помогает выбрать способ обработки.
Как получают кремний и зачем его очищают
Получение кремния и подготовка материала к применению — разные этапы. Сначала выделяют вещество из соединений, затем доводят его состав и структуру до требований конкретной задачи. Металлургическое применение и производство электронных компонентов предъявляют разные требования к примесям. Поэтому обозначение «технический кремний» само по себе не подтверждает пригодность материала для электроники.
Чистота должна соответствовать назначению.
Описание промышленного процесса не сводится к суммарному химическому уравнению. Оно не показывает промежуточные стадии, оборудование и контроль состава.
Для закупки нужны требования к материалу и документ о составе партии. Происхождение сырья не заменяет этих данных.
Зачем кремний добавляют в алюминиевые сплавы и стали
В металлических сплавах кремний входит в состав материала вместе с другими элементами. Это отличается от изделия из чистого кремния. Свойства заготовки определяют основа сплава, содержание компонентов, структура и состояние поставки. Поэтому упоминание кремния ещё не объясняет, как деталь будет отливаться, резаться или работать под нагрузкой.
Алюминиево-кремниевые сплавы называют силуминами. Их рассматривают при выборе материала для отливок. Однако литейные свойства конкретной марки нельзя оценить по одному названию семейства.
В производстве стали кремний используют для раскисления, а в отдельных марках — как легирующий компонент. Его роль зависит от состава и назначения стали.
| Материал | Что важно для выбора обработки |
|---|---|
| Чистый кремний | Форма материала, чистота, структура и требования к поверхности |
| Алюминиево-кремниевый сплав | Марка, способ получения заготовки и состояние поставки |
| Сталь с кремнием в составе | Марка стали, состояние поставки и требования чертежа |
Содержание элемента нужно брать из документа на конкретную марку. Общая статья не заменяет спецификацию.
С выбором материала связан и разбор свойств алюминия для изготовления деталей.
Что учитывать при заказе детали из кремния или сплава с ним
Сначала нужно установить, из какого материала изготовлена заготовка: чистого кремния, соединения кремния или металлического сплава. Затем определить марку, состояние поставки и требования чертежа. Формулировка «материал с кремнием» оставляет слишком много вариантов. По ней нельзя обоснованно выбрать инструмент, закрепление и последовательность операций.
Для расчёта металлической детали нужны чертёж, обозначение материала, количество и требования к поверхности. Допуски и состояние заготовки также влияют на маршрут.
О выборе материала для производства подробнее сказано на странице материалы для изготовления деталей.
Для расчёта детали из алюминиевого сплава или стали пришлите чертёж и марку материала.
Частые вопросы
Как ответить, металл ли кремний, в школьном задании?
Нужно опираться на классификацию принятого учебника. В справочной литературе встречается название «металлоид»; оно подчёркивает сочетание признаков металлов и неметаллов.
Нужно ли указывать изотоп кремния в чертеже обычной металлической детали?
Для такой детали исходными данными служат марка сплава и состояние поставки. Требования к изотопному составу относятся к отдельным специальным задачам.
Чем карбид кремния отличается от самого кремния?
Карбид кремния — соединение кремния с углеродом. Это другой материал со своими свойствами и способами обработки. В заявке нужно сохранять точное обозначение из чертежа.
Источники
- Silicon — Royal Society of Chemistry, карточка элемента.
- Silicon — standard atomic weight — CIAAW; строка «Ar(Si) = [28.084, 28.086] since 2009» подтверждает приведённый интервал атомной массы.
- Periodic Table of Elements — IUPAC, периодическая таблица элементов.
- It's Elemental: Silicon — Thomas Jefferson National Accelerator Facility, справочная страница о кремнии.
