Впервые в чистом виде кремний был получен в 1811 г при пропускании пара фтористого кремния над нагретым калием. Берцелиус в 1826 г. для получения кремния разлагал натрием кремнефтористый натрий. В 1855 г Девилль получил кремний при разложении кремнефтористого натрия алюминием (при этом получается сплав кремния с алюминием).

Первая удачная попытка получения высокочистого кремния приписывается Бекету (патент 1919 г.), который обрабатывал плавиковой кислотой тонко измельченный технически чистый кремний. В 1927 г. Такер (Tucker) разработал процесс обработки технического кремния последовательно соляной, азотной, серной и плавиковой кислотами. При этом получен кремний чистотой 99,75% (из кремния чистотой 94,97%) и 99,945% (вместо 98,1%).

Типовой анализ товарного кремния высокой чистоты: 99,84% Si; 0,016% Аl; 0,020% Fe; 0,005% Са; 0,025%; С; 0,033% 0₂; 0,006% Н₂; 0,006% N₂ [39].

Атомный вес кремния – 28,06 (по Фронделл и Херлбут – 28,095 [18]), в соответствии с чем определился его порядковый номер в периодической системе элементов – 14. Кремний находится в четвертой группе периодической системы; самым легким и характерным элементом в этой группе является углерод. В свободном состоянии кремний такой же нелетучий металлоид, как и углерод. Будучи более тяжелым, кремний образует двуокись (SiO₂), обладающую еще более слабыми кислотными свойствами, чем углекислый газ.

С водородом кремний образует газообразное соединение SiH4, аналогичное метану СН₄, и многие другие, аналогичные соединениям углерода, в том числе многочисленные «кремнеорганические», например, кремнехлороформ, кремневый эфир, кремнещавелевую кислоту и т.п. Кремний, вместе с углеродом и германием (более тяжелым элементом четвертой группы), относится к числу слабо диамагнитных простых веществ. По Хонда магнитная восприимчивость образца, содержавшего 0,085% Fe, при 18 – 20° составляет 0,13-10^-6.

Кремний и германий являются типичными полупроводниками электрического тока, т.е. в отличие от изоляторов (например, алмаза) обладают проводимостью, хотя и несравненно меньшей, чем металлы. Поэтому особо чистый кремний, главным образом в виде монокристаллов, представляет исключительный интерес для современной электротехники (как выпрямитель, преобразователь тепла в электричество, заменитель электронных ламп и др.). Монокристаллы кремния выращивают из расплава.

Диэлектрическая постоянная кремния ~ 12. Электрическое сопротивление кремния при 20° 85 • 10^-6 ом • см/см² «идеальный» беспримесный кремний должен иметь р, =230 000 ом • см; электропроводность его, как и углерода, возрастает с повышением температуры и с введением в твердый раствор примесей (у металлов – наоборот). До 800° электропроводность кремния по Регелю растет медленно, затем скачком возрастает в 1,4 раза. Для кремния (так же, как и для германия) установлено явление резкого увеличения проводимости при плавлении – в 29 раз. Одновременно положительный температурный коэффициент электросопротивления меняется на отрицательный, т.е. происходит переход от гомеополярных связей к металлическим: отделяются все валентные электроны.

Четвертая группа элементов периодической системы отличается тугоплавкостью. В своем ряду наиболее высокой температурой плавления обладает углерод (примерно 3570°, а по [6] даже 5000°); в следующем ряду – кремний (по [6] – 1440°, а по 159] – 1412°). Титан – элемент этой группы следующего ряда, плавится при 1800° и уступает в своем ряду только хрому, температура плавления которого выше. Но затем наибольшей в своем ряду температурой плавления обладает снова элемент четвертой группы – германий (959°, по данным 1955 г. 937,2°). Понижение температуры плавления с увеличением атомного веса элемента данной группы является признаком понижения прочности ковалентных связей внутри кристаллов, определяемых наличием у соседних атомов общих электронов [40], а значит – увеличением металлических свойств.

Еще заметнее проявляет себя «нелетучесть» элементов четвертой группы. В своих рядах отличаются наибольшими температурами кипения углерод (3850 – 3900°, а по [6] 4500°), кремний (2300 – 2400°, по [6] – 2630°) и титан (3800°). Примечательна и твердость элементов этой группы. Известно, что алмаз обладает максимальной твердостью – 10, твердость кремния 7 (по шкале Мооса). Темплин для образца, содержавшего 99,41% Si, определил модуль упругости равным 11,495 кг/мм² и сопротивление разрыву – 9,45 кг/мм² [39].

Атом кремния имеет 14 электронов. Два электрона находятся во внутреннем слое «К» на энергетическом уровне «Is»; 8 электронов находятся в среднем слое «L», в том числе два на уровне «2s» и шесть на уровне «2р». Слои «К» и «L» заполнены, уравновешены и не принимают участия в кристаллохимических построениях. Определяет кристаллохимические свойства кремния внешний слой «М», в котором находятся четыре валентных электрона, по два на энергетических уровнях «3s» и «3р». Валентность кремния, как и углерода, 2 и 4. Парахор атома кремния psi – 25,0.

Наименьший потенциал ионизации, равный работе отрыва одного электрона из атома, для кремния составляет 7,94 в [41] или около 180 ккал/г-атом, против 11,217 в для углерода. Он больше, чем для железа (7,83 в) и других металлов. Величина ионизационного потенциала может служить [22] количественной характеристикой металлических свойств атома. Металлам свойственны относительно низкие значения ионизационных потенциалов.

Неметаллы (металлоиды) подчиняются правилу Юм Розери, согласно которому каждый атом металлоида имеет в кристаллической решетке 8 – N соседей, где N – номер группы в периодической системе. N В то же время – наибольшая положительная валентность. В четвертой группе углерод (алмаз), кремний, германий и серое олово имеют так называемую «алмазную» кубическую структуру, в которой атомы обладают координационным числом четыре, т.е. каждый атом имеет четырех соседей, расположенных в вершинах тетраэдра Атомы, расположенные на близком расстоянии, связаны ковалентной связью, т.е. между двумя атомами образуются мостики из пары электронов, принадлежащих обоим атомам (и имеющих обратные «спины»).

Группы атомов связаны иным образом, так называемой молекулярной связью, когда между молекулами имеются промежутки, в которых отсутствуют электроны, либо металлической связью, отличающейся равномерным распределением электронов в пространстве между атомными ядрами.

В четвертой группе периодической системы, как и в других группах, с увеличением атомного веса возрастает металлический характер связи – от алмаза к кремнию, германию и олову, что является следствием экранирующего действия электронных оболочек.

Элементарный кристалл кремния представляет собой куб с ребром длиной 5,417 ?. Атомы кремния находятся в вершинах куба в центре каждой грани и в вершинах тетраэдра, расположенного внутри куба. В то же время можно считать, что в такой решетке каждый атом кремния находится внутри тетраэдра, в вершинах которого расположены четыре других атома кремния (четыре «соседа»), а один электрон находится в электронных оболочках четырех смежных атомов. Атомный радиус при этом оказывается равным 1,34 ?. Атомный объем 12,07 см³/г-атом. Удельный вес кремния 2,37*. Предел прочности 9,47 кг/мм². Удельная теплоемкость кремния при 25° равна 0,18 кал/град, при 0° – 0,16 кал/град. Атомная теплоемкость до 900° (1173° К)

* По Хорну [43] плотность монокристаллического чистого кремния при 25,3° равна 2.331 и параметр решетки а = 5,4285 ?.

а выше, вплоть до температуры плавления

Серебренников и П.В. Гельд, определявшие теплосодержание и теплоемкость кремния [42] в зависимости от температуры (до 1283°), предложили следующее уравнение:

для жидкого кремния

Теплопроводность кремния при 10^э равна 0,26 кал/см • сек. град, быстро уменьшаясь с повышением температуры.

Энтропия твердого кремния при 25° составляет 4,47 кал/град, энтропия плавления 5,61 кал/град, энтропия газообразного кремния 40,13 кал/град. Теплота плавления 9470 кал/моль (по [6] – 11,1 ккал/моль). Теплопроводность при комнатной температуре 0,20 кал • см/см² • сек • град. По измерениям П.В. Гельда и др. [38] поверхностное натяжение жидкого кремния ? 280 эрг/см².

Упругость пара жидкого кремния

Кубашевский и Эванс [6] придали уравнению вид:

Давление пара кремния в 0,1 ат достигается при 2057°, кипение при 2287° (по-видимому, формула занижает 1° кипения). Теплота возгонки кремния – средняя из данных 1926 г. (Руфф и Коншак) и 1934 г. (Баур и Брунер) – ? = 90000 кал/г-атом, по Кубашевскому и Эвансу [6] – 72,6 ккал/г-атом, по другим источникам 100 – 105 ккал/г-атом.

Кремний имеет светло-серый цвет и блестящий излом, в кусковом виде он не боится влаги и может храниться как угодно долго.