суббота, 22 сентября 2007 г.

Кремний. Немного химии

Нахождение в природе. Кремний после кислорода - самый распространенный элемент в земной коре. В отличие от углерода в свободном состоянии кремний в природе не встречается. Наиболее распространенными его соединениями являются оксид кремния (IV) SiO2 и соли кремниевых кислот - силикаты. Они образуют оболочку земной коры. Соединения кремния содержатся в организмах растений и животных.

Природные силикаты имеют сложный состав и строение. Вот состав некоторых природных силикатов: полевой шпат К2О× Аl2O3× 6SiO2, асбест 3MgО× 2SiO2× 2H2O, cлюда К2О× 3Аl2O6SiO2× 2H2O, каолинит 3Аl2O3× 2SiO2× 2H2O.

Силикаты, содержащие в своем составе также оксид алюминия, называются алюмосиликатами. Из названных выше силикатов алюмосиликатами являются полевой шпат, каолинит и слюда. В природе наиболее распространены именно алюмосиликаты, например полевые шпаты. Распространены также смеси различных силикатов. Так, горные породы - граниты и гнейсы - состоят из кристалликов кварца, полевого шпата и слюды.
Основным продуктом разрушения является минерал каолинит — главная составная часть белой глины. В результате выветривания горных пород образовались залежи глины, песка и солей.
Получение. В промышленности кремний получают восстановлением SiO2 коксом в электрических печах:
В промышленности кремний получают восстановлением SiO2 коксом в электрических печах: SiO2+2C=Si+2CO. В лаборатории в качестве восстановителей используют магний или алюминий: SiO2+2Mg=Si+2MgO или
3SiO2+4Al=3Si+2Al2O3
Наиболее чистый кремний получают восстановлением тетрахлорида кремния парами цинка: SiCl4+2Zng=Si+2ZnCl2

Кроме солнечной энергетики, кремний используют в металлургии для получения кремнистых сталей, обладающих высокой жаростойкостью и кислотоупорностью.

Физические свойства. Кристаллический кремний — вещество темно-серого цвета со стальным блеском. Структура кремния аналогична структуре алмаза. В его кристалле каждый атом окружен тетраэдрически четырьмя другими и связан с ними ковалентной связью, которая значительно слабее, чем между атомами углерода в алмазе. В кристалле кремния даже при обычных условиях часть ковалентных связей разрушается. Поэтому в нем имеются свободные электроны, которые обусловливают небольшую электрическую проводимость. При освещении и нагревании увеличивается число разрушаемых связей, а значит, увеличивается число свободных электронов и возрастает электрическая проводимость. Этим и объясняются полупроводниковые свойства кремния.
Кремний очень хрупок, его плотность 2,33 г/см3. Как и уголь, относится к тугоплавким веществам. Кремний состоит из трех стабильных изотопов: 2814Si (92,27%), 2914Si (4,68%) и 3014Si (3,05%).

Химические свойства. По химическим свойствам кремний, как и углерод, является неметаллом, но его неметалличность выражена слабее, так как он имеет больший атомный радиус. Поскольку у атомов кремния на внешнем энергетическом уровне находится 4 электрона, то для кремния характерна степень окисления как -4, так и +4 (известно соединение кремния, где его степень окисления равна +2).
Кремний при обычных условиях довольно инертен, что следует объяснить прочностью его кристаллической решетки. Непосредственно он взаимодействует только со фтором: Si+F2=SiF4

Кислоты (кроме смеси плавиковой HF и азотной HNO3) на кремний не действуют. Однако он растворяется в гидроксидах щелочных металлов, образуя силикат и водород: Si+2OH-+H2O=SiO32-+2H2 8
Из двух аллотропных модификаций кремния — кристаллической и аморфной — химически более активным является аморфный кремний. Он реагирует с кислородом при нагревании, образуя SiO2: Si+O2=SiO2 , а также со всеми галогенами, например:
Si+Cl2=SiCl4
При высокой температуре кремний соединяется с углеродом, образуя карборунд SiC:
Si+C=SiC
Карборунд имеет алмазоподобную кристаллическую решетку, в которой каждый атом кремния окружен четырьмя атомами углерода и наоборот, а ковалентные связи очень прочны, как в алмазе. Поэтому по твердости он близок к алмазу. Из карбида кремния изготовляют точильные камни и шлифовальные круги.
Силицид магния. В реакциях с активными металлами, протекающих с образованием силицидов, кремний выступает в роли окислителя:
В реакциях с активными металлами, протекающих с образованием силицидов, кремний выступает в роли окислителя:
2Mg+Si=Mg2Si
При высоких температурах кремний восстанавливает многие металлы из их оксидов.
Силан. При действии на силициды соляной кислоты получают простейшее водородное соединение кремния силан SiH4: Mg2Si+4HCl=2MgCl2+SiH4 Силан — ядовитый газ с неприятным запахом, самовоспламеняется на воздухе:
SiH4+2O2=SiO2+2H2O
Оксид кремния (IV) называют также кремнеземом. Это твердое тугоплавкое вещество (температура плавления 1700°С), широко распространенное в природе в двух видах: 1) кристаллический кремнезем — в виде минерала кварца и его разновидностей (горный хрусталь, халцедон, агат, яшма, кремень); кварц составляет основу кварцевых песков, широко используемых в строительстве и в силикатной промышленности; — в виде минерала кварца и его разновидностей (горный хрусталь, халцедон, агат, яшма, кремень); кварц составляет основу кварцевых песков, широко используемых в строительстве и в силикатной промышленности; 2) аморфный кремнезем — в виде минерала опала состава SiO — в виде минерала опала состава SiO2× п H2O; землистыми формами аморфного кремнезема являются диатомит, трепел (инфузорная земля); примером искусственного аморфного безводного кремнезема может служить силикагель, который получается из метасиликата натрия: Na2SiO3+2HCl=2NaCl+H2SiO3, H2SiO3=H2O+SiO2

Силикагель имеет развитую поверхность, а поэтому хорошо адсорбирует влагу. При 1710° кварц плавится. При быстром охлаждении расплавленной массы образуется кварцевое стекло. Оно имеет очень малый коэффициент расширения, благодаря чему раскаленное кварцевое стекло не трескается при быстром охлаждении водой. Из кварцевого стекла изготовляют лабораторную посуду и приборы для научных исследований. Простейшая формула оксида кремния (IV) SO2 аналогична формуле оксида углерода (IV) СO2. Между тем физические свойства их резко отличаются (SiO2 - твердое вещество, CO2 - газ). Это различие объясняется строением кристаллических решеток. С02 кристаллизуется в молекулярной решетке, SiO2 - в атомной. Структуру SiO2 в плоскостном изображении можно представить так:

Координационное число атома углерода в твердом СO2 равно 2, а кремния в SiO2 равно 4. Каждый атом кремния заключен в тетраэдр из 4 атомов кислорода. При этом атом кремния находится в центре, а по вершинам тетраэдра расположены атомы кислорода. Весь кусок кремнезема можно рассматривать как кристалл, формула которого (SiO2)n. Такое строение оксида кремния (IV) обусловливает его высокую твердость и тугоплавкость.

По химическим свойствам оксид кремния (IV) SiO2 относится к кислотным оксидам. При сплавлении его с твердыми щелочами, основными оксидами и карбонатами образуются соли кремниевой кислоты: SiO2+CaO=CaSiO3, SiO2+NaCO3=Na2SiO3+CO2 8
С оксидом кремния (IV) взаимодействует только плавиковая кислота:
SiO2+4HF=SiF3+2H2O
С помощью этой реакции производится травление стекла.
В воде оксид кремния (IV) не растворяется и с ней химически не взаимодействует. Поэтому кремниевую кислоту получают косвенным путем, действуя кислотой на раствор силиката калия или натрия:
SiO32-+2H+=H2SiO3
При этом кремниевая кислота (в зависимости от концентрации исходных растворов соли и кислоты) может быть получена как в виде студнеобразной массы, содержащей воду, так и в виде коллоидного раствора (золя).
Кремниевые кислоты. SiO2 является ангидридом ряда кремниевых кислот, состав которых можно выразить общей формулой xSiO2 × yH2O, где х и у — целые числа:
1) х = 1, у = 1: SiO2 × H2O, т. е. H2SiO3
метакремниевая кислота;
2) х = 1, у = 2: SiO2 × 2H2O, т. е. H4SiO4 — ортокремниевая кислота;
(в зависимости от концентрации исходных растворов соли и кислоты) может быть получена как в виде студнеобразной массы, содержащей воду, так и в виде коллоидного раствора (золя).
SiO2 является ангидридом ряда кремниевых кислот, состав которых можно выразить общей формулой xSiO2 × yH2O, где х и у — целые числа:
3) х = 2, у = 1: = 2, у = 1: 2SiO2 × H2O, т. е. H2Si2O5 — двуметакремниевая кислота.
Кремниевая кислота построена из тетраэдрических структурных звеньев (в каждом таком звене атом кремния находится в центре тетраэдра, а по вершинам расположены атомы кислорода). Структурные звенья, объединяясь в цепи, образуют более устойчивые поликремниевые кислоты:
Состав такого соединения можно выразить формулой (H2SiO3)n. Однако обычно кремниевую кислоту изображают формулой H2SiO3. H2SiO3

— кислота очень слабая, в воде мало растворима. При нагревании легко распадается аналогично угольной кислоте: H2SiO3=H2O+SiO2

Все кремниевые кислоты очень слабые (слабее угольной).
Силикаты. Соли всех кремниевых кислот называют силикатами, хотя, как правило, в учебной литературе под силикатами подразумевают соли метакремниевой кислоты. Их состав обычно изображают формулой в виде соединений оксидов элементов. Например, силикат кальция CaSiO3 можно выразить так: СаО× SiO2.
Силикаты состава R2О× nSiO2, где R2O — оксиды натрия или калия, называются растворимым стеклом, а их концентрированные водные растворы — жидким стеклом. Наибольшее значение имеет натриевое растворимое стекло.
При стоянии на воздухе растворы силикатов мутнеют, так как находящийся в воздухе оксид углерода (IV) вытесняет кремниевую кислоту из ее солей: Na2SiO3+CO2+H2O=Na2CO3+H2SiO3

Кремниевая кислота практически нерастворима в воде — это свойство используют как качественную реакцию на ион SiO32- .

Силикаты получают сплавлением оксида кремния с щелочами или карбонатами: SiO2+2NaOH=Na2SiO2+H2O
Применение
силикатов. Наиболее широко используются силикаты натрия и калия. Концентрированные растворы этих солей называют жидким стеклом; они имеют сильнощелочную реакцию вследствие гидролиза. Жидкое стекло используют при изготовлении клея и водонепроницаемых тканей. Жидкое стекло применяется в качестве связующего при изготовлении кислотоупорных бетонов, а также для изготовления замазок, конторского клея. Им пропитывают ткани, дерево и бумагу для придания им огнестойкости и водонепроницаемости.

четверг, 20 сентября 2007 г.

Silicon wires cost



Сегодня утром пришло сообщение от одного менеджера о ценах на кремниевые пластины (silicon wires) в Китае. Итак, одна пластинка размерами 125х125 мм стоит 6,7$ плюс затраты на самовывоз из Китая. Существенные скидки при поставках от 100 000 шт. ежемесячно. Для начала забудем о скидке и добавим к стоимости пластины затраты на перевозку в размере 1 $. И то, если не платить за растаможку. Итого около 8 $ за псевдоквадрат 125х125 мм. Посчитаем стоимость квадратного метра ~= (1000/125) * (1000/125) =~ 64 пластины * 8$ = 512 $. Нда, результат превзошел ожидания не в лучшую сторону. Продолжая исследования вычислим стоимость исходного сырья, кремния, входящего в состав пластин. Итак, плотность поликремния равна 2,33 г/см3, объём пластины составляет 125х125=~5,5см3, отсюда её вес равен 12,815 грамм что в переводе на $ означает 522 $ за 1кг поликремния в пластине. Но это первое приближение, которое нельзя применить к расчету стоимости 1кг кремния в болванке ввиду отсутствия поправки на потерю кремния при резке и затрат на саму нарезку пластин.

Как ни крути, а выгоду от использования солнечной энергетики возможно получить, только в случае нахождения дешевого производства поликремния солнечного качества.

вторник, 18 сентября 2007 г.

Мощность солнца

А вы знаете, что мощность солнечного излучения на землю такова, что если площадь равную с Аральскому морю заполнить солнечными батареями, то этого будет достаточно для покрытия всей потребности землян в электрической энергии!!! И все это достижимо при существующем КПД солнечных батарей. Т.е. при увеличении КПД массовых солнечных батарей до 40-60 % эту площадь можно сократить в разы. И вообще я думаю, что сжигание углеводородного топлива сегодня лобируется соответсвующими компаниями, которые свой куш не упустят точно.

Solar cost 3


Так из чего же складывается стоимость солнечной батареи и на чем можно сэкономить? Главная составляющая солнечной батареи это фотоэлектрический преобразователь или проще - солнечный элемент, состоящий из специально изготовленной и обработанной кремниевой пластин на металлической основе. Сверху солнечные элементы закрываются защитным стеклом с антибликовым покрытием, а вся конструкция, как правило, обрамляется металлической рамкой. Это основная вариация изготовления, коих множество. Учитывая что стоимость металлической основы, обрамляющей рамки и собственно работы составляет небольшую часть, то достижение допустимой стоимости солнечных батарей возможно только при снижении стоимости солнечных элементов, а именно кремниевых пластин (silicon wires) их составляющих. Кремниевые пластины толщиной 200-350 нм нарезаются из болванок исходного кремния чистоты или марки N4-7. Чем чище кремний тем он, как вы понимаете, дороже. Стоимость самой нарезки кремни на пластины также высока, т.к. это высоко технологичный процесс (как правило это бесконечные алмазные ленточные пилы). Но самым дорогим является чистый кремний, снижение себестоимости которого и приведет к снижению стоимости батарей и всеобщему экологическому счастью.

Solar cost 2


Например модель батареи Evergreen 180 компании Evergreen Solar при стоимости 815 $ USD (в США) и размере 1,277 кв.метра вырабатывает 180 Вт эл. энергии что вполне сопоставимо с нашими расчетами: 815 / 180 = 4,52 $ за 1 Вт. Однако налицо небольшое превышение стоимости, которая станет еще больше при транспортировке батареии в Россию, уплате таможенных пошлин и прочих расходах.

понедельник, 17 сентября 2007 г.

Solar cost 1


Итак, какова же должна быть стоимость материалов, чтобы их можно было применять в производстве солнечной электро-энгергии? Прикинем. Срок службы солнечной батареи ориентировочно составляет 20 лет. Но если мы прикинем что 20-и летняя стоимость вырабатываемой батареей энергии должна будет приближаться к стоимости батареи, мы совершим инвестиционную ошибку, получится, что мы просто купим оптом кучу энергии по стоимости ее единицы. Для положительного экономического эффекта стоимость солнечной батареии должна составлять макссимум стоимость 10-и летней выработки эл.энергии, а то и еще меньше. Возьмем за основу 10-и летную выработку. При стоимости эл. энергии скажем в Краснодарском крае России в размере 2 рублей за 1 Квт/час и расчетной выработке эл.энергии 1-им кв. метром батарии в размере 60 Вт, стоимость батареи должна составлять: 60 Вт * 100 час = 6 Квт/час; 100 ч. ~= 4 суток или 7 световых дней; т.е. за 1 неделю батарея произведет 6 Квт/час эл.энергии; в году 52 недели * 6Квт/час = 312 Квт/час; 312 * 10 = 3120 Квт/час; и умножив результат на стоимость Квт/часа получим сумму 6240 рублей. Итак по моим расчетам стоимость 1 квадратного метра солнечной батареии не должна превышать ~ 6250 рублей или 6250/26= 240 $ USD долларов США. Или, при переводе на стоимость 1 Вт, не более 4 долларов за 1 Вт. Данный показатель, а также анализ ситуации на рынке говорит о том, что солнечная энергетика перестала быть фантастикой, она вполне осуществима!

Монокристаллический кремний


В продолжение темы, высокая стоимость производства солнечных батарей обусловлена высокой ценой на солнечные элементы, которые, в свою очередь, дороги вследствие сложности производства исходного для них материала - монокристаллического кремния солнечного качества. Дефицит монокристаллического кремния огромен, а его стоимость доходит до 300 $ за 1 кг. Сегодня только нашел в сети предложение поставки болванок кремния за 267$ кг., при поставке от 50 кг в месяц. С любой стороны дело выгодное, особенно если построить фабрику по новой технологии, удешевляющей себестоимость конечного продукта.

Альпы


Продолжение темы экологии :). Чтобы не показаться мрачным пришлось рисовать радужную картинку, ситуацию, которая будет продолжаться в случае, если человечество одумается. Такие пейзажи станут возможными если мы перестанем сжигать углеводородное сырье. Мы ведь не готовим пищу на костре у себя в квартире, так почему мы продолжаем спокойно смотреть как из труб заводов идет дым, как наши дети дышат выхлопными газами в городе? Странное человечество, занимается своими меркантильными проблемками, тогда как проблемы глобального характера, рано или поздно, сделают любую суету напрасной!

Экология и лес


Отличная програмка ArtRage 2.5, найденная мной в интернете, похоже полностью удовлетворяет мои творческие (живописные) амбиции на домашнем ПК :). Позволяет рисовать кистью, карандашем, аэрографом, пастелью, фломастером и много еще чем. Имитирует настоящее живое письмо на бумаге. Вот смотрите что получается, например эта картина - не что иное как земля, в том случае, если человечество не перейдет на возобновляемые источники питания и не перестанет сжигать углеводородное сырье, загрязняя окружающую среду! Мрачно, но заставляет еще раз задуматься о проблеме.


суббота, 8 сентября 2007 г.

Солнечный ветер


Идея не нова, она давно преследует меня. А после последнй поездки в Краснодар в августе 2007 года, я снова начал задумываться над ней. Когда-то, живя в далеком сибирском городе меня не оставляла идея освоения даровой энергии ветра, но цена такого электричества была не такой уж дешевой в пересчете на затраты по обслуживанию системы и её возведению. К тому же цена электроэнергии в Сибири сравнительно не высокая, что переводило саму идею реализации ветряного проекта в разряд утопических или, если хотите, лабороторных. однако мир меняется, электроэнергия дорожает, углеводородное сырьё переходит в разряд не только экологиски вредного и экономически тяжелого, но и не модного. Меняется не только мир, но и мысли, идеи. Так я стал задумываться о том, что выгодно не только использование ветра, но и солнца, являющегося первопричиной образования и ветра в том числе. Поизучав рынок солнечных батарей можно прийти к выводу, что он ещё сыроват. Местные производители делают продукт недостаточного качества, а зарубежные производители предлагают солнечные установки по заоблачным ценам. В среднем цена 1 Вт. градируется от 1,4 до 5 $ у местных и от 3 до 15 $ у импортных батарей. (1вт. = 1 А / 1 В). Т.е. цена за киловат мощности установки от 1500$ до 15000$ американских рублей.

пятница, 7 сентября 2007 г.

Мысль дня

Экологический бизнес - способ предпринимательской деятельности, приносящие доход и позволяющие жить в гармонии с Природой.

вторник, 4 сентября 2007 г.

HTC Touch



Наконец-то я купил себе смартфон। Долго я выбирал и вот остановился на топовой модельке от HTC. Элегантный тонкий корпус, ничего лишнего, очень функционален. Windows Mobile 6. Просто супер. К смартфону я сразу же взял небольшое устройство – GPS трансивер HOLUX GPSlim240 работающий по USB и Bluetooth, ловит 24 спутника, что вполне достаточно для точного определения координат. Отличный гаджет, уже внес в него весь контактный лист из Outlook, писать смс и письма е-майл одно удовольствие! Кстати, уже попробовал писать блоги на нем и отправлять их на сайт। Очень удобно!

ХАМ

Это человек который говорит и говорит, когда вам хочется, чтобы он вас слушал.