Silicij: uporaba, kemične in fizikalne lastnosti

2024 Avtor: Angel Austin | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-17 05:41

Eden najpogostejših elementov v naravi je silicij ali silicij. Tako široka razširjenost govori o pomenu in pomenu te snovi. To so hitro razumeli in sprejeli ljudje, ki so se naučili pravilno uporabljati silicij za svoje namene. Njegova uporaba temelji na posebnih lastnostih, o katerih bomo govorili kasneje.

Silicij je kemični element

Če dani element označimo s položajem v periodnem sistemu, lahko prepoznamo naslednje pomembne točke:

1. Redna številka - 14.
2. Obdobje je tretja majhna.
3. Skupina - IV.
4. Podskupina - glavna.
5. Struktura zunanje elektronske lupine je izražena s formulo 3s²3p².
6. Element silicij je označen s kemičnim simbolom Si, ki se izgovarja kot "silicij".
7. Oksidacijsko stanje kaže: -4; +2; +4.
8. Valenca atoma je IV.
9. Atomska masa silicija je 28,086.
10. V naravi obstajajo trije stabilni izotopi tega elementa z masnimi številkami 28, 29 in 30.

Torej atomS kemičnega vidika je silicij dobro raziskana snov, opisane so številne njegove različne lastnosti.

zgodovina odkritij

Ker so različne spojine obravnavanega elementa v naravi zelo priljubljene in množične vsebine, so ljudje že od antičnih časov uporabljali in vedeli za lastnosti le mnogih od njih. Čisti silicij je dolgo časa ostal zunaj človeškega znanja v kemiji.

Najbolj priljubljene spojine, ki so jih v vsakdanjem življenju in industriji uporabljali ljudje starih kultur (Egipčani, Rimljani, Kitajci, Rusi, Perzijci in drugi), so bili dragi in okrasni kamni na osnovi silicijevega oksida. Ti vključujejo:

• opal;
• rhinestone;
• topaz;
• krizopraza;
• onyx;
• kalcedon in drugi.

Že od antičnih časov je bilo v gradbeništvu običajno uporabljati kremen in kremenčev pesek. Vendar je elementarni silicij sam ostal neodkrit vse do 19. stoletja, čeprav so ga številni znanstveniki zaman poskušali izolirati iz različnih spojin s pomočjo katalizatorjev, visokih temperatur in celo električnega toka. To so bistri umi, kot so:

• Karl Scheele;
• Gay-Lussac;
• Tenar;
• Humphry Davy;
• Antoine Lavoisier.

Jens Jacobs Berzelius je leta 1823 uspel uspešno pridobiti čisti silicij. Da bi to naredil, je izvedel poskus fuzije hlapov silicijevega fluorida in kovinskega kalija. Kot rezultat, je prejel amorfno modifikacijo zadevnega elementa. Isti znanstvenik je predlagal latinsko ime za odkriti atom.

Malo kasneje, leta 1855, je drugemu znanstveniku - Saint Clair-Devilleu - uspelo sintetizirati drugo alotropno sorto - kristalni silicij. Od takrat je znanje o tem elementu in njegovih lastnostih začelo zelo hitro rasti. Ljudje so spoznali, da ima edinstvene lastnosti, ki jih je mogoče zelo inteligentno uporabiti za zadovoljevanje lastnih potreb. Zato je danes eden najbolj zahtevanih elementov v elektroniki in tehnologiji silicij. Njegova uporaba vsako leto le širi svoje meje.

Rusko ime atomu je leta 1831 dal znanstvenik Hess. To je tisto, kar se je zadržalo do danes.

V naravi

Silicij je za kisikom drugi najbolj razširjen v naravi. Njegov odstotek v primerjavi z drugimi atomi v sestavi zemeljske skorje je 29,5%. Poleg tega sta ogljik in silicij dva posebna elementa, ki lahko tvorita verige tako, da se med seboj povežeta. Zato je za slednjega znanih več kot 400 različnih naravnih mineralov, v katerih se nahaja v litosferi, hidrosferi in biomasi.

Kje točno se nahaja silicij?

1. V globokih plasteh zemlje.
2. V kamninah, nahajališčih in masivih.
3. Na dnu vodnih teles, zlasti morij in oceanov.
4. V rastlinah in morskem življenju živalskega kraljestva.
5. Pri ljudeh in kopenskih živalih.

Možno je označiti več najpogostejših mineralov in kamnin, ki vsebujejo veliko količinosilicij. Njihova kemija je taka, da masna vsebnost čistega elementa v njih doseže 75%. Vendar je specifična številka odvisna od vrste materiala. Torej, kamnine in minerali, ki vsebujejo silicij:

• feldspars;
• mica;
• amfibole;
• opals;
• kalcedon;
• silikati;
• peščenci;
• aluminosilikati;
• glina in drugi.

Ko se kopiči v lupinah in zunanjih okostjih morskih živali, silicij sčasoma tvori močne usedline silicijevega dioksida na dnu vodnih teles. To je eden od naravnih virov tega elementa.

Poleg tega je bilo ugotovljeno, da silicij lahko obstaja v svoji čisti naravni obliki - v obliki kristalov. Toda takšni depoziti so zelo redki.

Fizikalne lastnosti silicija

Če obravnavani element označite z nizom fizikalnih in kemijskih lastnosti, potem je treba najprej navesti fizične parametre. Tukaj je nekaj ključnih:

1. Obstoji v obliki dveh alotropnih modifikacij - amorfne in kristalne, ki se razlikujeta po vseh lastnostih.
2. Kristalna mreža je zelo podobna diamantni, ker sta ogljik in silicij v tem pogledu skoraj enaka. Vendar je razdalja med atomi različna (silicij ima več), zato je diamant veliko trši in močnejši. Vrsta rešetke - kubična obrazna sredina.
3. Snov je zelo krhka, pri visokih temperaturah postane plastična.
4. Tališče je 1415˚C.
5. Temperaturavrelišče - 3250˚С.
6. Gostota snovi - 2,33 g/cm³.
7. Barva priključka je srebrno siva z značilnim kovinskim sijajem.
8. Ima dobre polprevodniške lastnosti, ki se lahko razlikujejo z dodatkom določenih sredstev.
9. Netopen v vodi, organskih topilih in kislinah.
10. Posebno topen v alkalijah.

Določene fizične lastnosti silicija omogočajo ljudem, da ga nadzorujejo in uporabljajo za ustvarjanje različnih izdelkov. Na primer, uporaba čistega silicija v elektroniki temelji na lastnostih polprevodnosti.

Kemijske lastnosti

Kemijske lastnosti silicija so zelo odvisne od reakcijskih pogojev. Če govorimo o čisti snovi pri standardnih parametrih, potem moramo označiti zelo nizko aktivnost. Tako kristalni kot amorfni silicij sta zelo inertna. Ne komunicirajte z močnimi oksidanti (razen fluora) niti z močnimi redukcijskimi sredstvi.

To je posledica dejstva, da se na površini snovi takoj oblikuje oksidni film SiO₂, ki preprečuje nadaljnje interakcije. Lahko nastane pod vplivom vode, zraka, hlapov.

Če spremenite standardne pogoje in silicij segrejete na temperaturo nad 400˚С, se bo njegova kemična aktivnost močno povečala. V tem primeru se bo odzval z:

• kisik;
• vse vrste halogenov;
• vodik.

Z nadaljnjim dvigom temperature je možno nastajanje izdelkov priinterakcija z borom, dušikom in ogljikom. Posebej pomemben je karborund - SiC, saj je dober abrazivni material.

Prav tako se kemijske lastnosti silicija jasno vidijo pri reakcijah s kovinami. V zvezi z njimi je oksidant, zato se izdelki imenujejo silicidi. Podobne spojine so znane po:

• alkalna;
• alkalna zemlja;
• prehodne kovine.

Nenavadne lastnosti ima spojina, pridobljena s spajanjem železa in silicija. Imenuje se ferosilicijeva keramika in se uspešno uporablja v industriji.

Silicij ne sodeluje s kompleksnimi snovmi, zato se lahko od vseh njihovih vrst raztopi le v:

• kraljevska vodka (mešanica dušikove in klorovodikove kisline);
• kavstične alkalije.

V tem primeru mora biti temperatura raztopine najmanj 60˚С. Vse to še enkrat potrjuje fizično osnovo snovi - diamantu podobna stabilna kristalna mreža, ki ji daje moč in inertnost.

Načini pridobivanja

Pridobivanje čistega silicija je ekonomsko precej drag proces. Poleg tega zaradi svojih lastnosti vsaka metoda daje le 90-99% čistega produkta, medtem ko nečistoče v obliki kovin in ogljika ostanejo enake. Torej samo pridobivanje snovi ni dovolj. Prav tako mora biti kakovostno očiščen tujih elementov.

Na splošno se proizvodnja silicija izvaja na dva glavna načina:

1. Iz belega peskaki je čisti silicijev oksid SiO₂. Pri žganju z aktivnimi kovinami (najpogosteje z magnezijem) nastane prosti element v obliki amorfne modifikacije. Čistost te metode je visoka, izdelek dobimo z 99,9-odstotnim izkoristkom.
2. Bolj razširjena metoda v industrijskem obsegu je sintranje staljenega peska s koksom v specializiranih termičnih pečeh. To metodo je razvil ruski znanstvenik Beketov N. N.

Nadaljnja obdelava vključuje čiščenje izdelkov. Za to se uporabljajo kisline ali halogeni (klor, fluor).

Amorfni silicij

Karakterizacija silicija bo nepopolna, če ne bomo ločeno obravnavali vsake njegove alotropne modifikacije. Prvi je amorfen. V tem stanju je snov, ki jo obravnavamo, rjavo-rjav prah, fino razpršen. Ima visoko stopnjo higroskopnosti, pri segrevanju kaže dovolj visoko kemično aktivnost. V standardnih pogojih lahko komunicira samo z najmočnejšim oksidantom - fluorom.

Ni povsem pravilno, da amorfni silicij imenujemo vrsta kristalnega silicija. Njegova mreža kaže, da je ta snov le oblika fino razpršenega silicija, ki obstaja v obliki kristalov. Zato so te modifikacije kot take enake spojine.

Vendar se njihove lastnosti razlikujejo, zato je običajno govoriti o alotropiji. Sam po sebi ima amorfni silicijvisoka sposobnost absorpcije svetlobe. Poleg tega je pod določenimi pogoji ta indikator nekajkrat višji od indikatorja kristalne oblike. Zato se uporablja v tehnične namene. V obravnavani obliki (prah) se spojina zlahka nanese na katero koli površino, naj bo to plastika ali steklo. Zato je amorfni silicij tako priročen za uporabo. Aplikacija temelji na izdelavi solarnih panelov različnih velikosti.

Čeprav je obraba tovrstnih baterij precej hitra, kar je povezano z obrabo tankega filma snovi, pa uporaba in povpraševanje le rasteta. Pravzaprav lahko sončne celice na osnovi amorfnega silicija celo v kratki življenski dobi zagotavljajo energijo celotnim podjetjem. Poleg tega je proizvodnja takšne snovi brez odpadkov, zaradi česar je zelo ekonomična.

Pridobite to spremembo z redukcijo spojin z aktivnimi kovinami, kot sta natrij ali magnezij.

kristalni silicij

srebrno siva svetleča modifikacija zadevnega elementa. Prav ta oblika je najpogostejša in najbolj povpraševana. To je posledica niza kvalitativnih lastnosti, ki jih ima ta snov.

Značilnost silicija s kristalno mrežo vključuje klasifikacijo njegovih vrst, saj jih je več:

1. Elektronska kakovost - najčistejša in najvišja kakovost. Prav ta vrsta se uporablja v elektroniki za ustvarjanje posebej občutljivih naprav.
2. Sončna kakovost. Samo imedoloča področje uporabe. Je tudi silicij visoke čistosti, katerega uporaba je potrebna za ustvarjanje visokokakovostnih in dolgotrajnih sončnih celic. Fotovoltaični pretvorniki, ustvarjeni na osnovi kristalne strukture, so kakovostnejši in bolj trpežni od tistih, ki so ustvarjeni z amorfno modifikacijo z nanosom na različne vrste substratov.
3. Tehnični silicij. Ta sorta vključuje tiste vzorce snovi, ki vsebujejo približno 98 % čistega elementa. Vse ostalo gre za različne vrste nečistoč:

• bor;
• aluminij;
• klor;
• ogljik;
• fosfor in drugi.

Zadnja vrsta zadevne snovi se uporablja za pridobivanje silicijevih polikristalov. Za to se izvajajo postopki rekristalizacije. Kot rezultat, glede na čistost dobimo izdelke, ki jih lahko pripišemo skupinam sončne in elektronske kakovosti.

Po naravi je polisilicij vmesni produkt med amorfno in kristalno modifikacijo. S to možnostjo je lažje delati, bolje je reciklirati in očistiti s fluorom in klorom.

Nastale izdelke lahko razvrstimo na naslednji način:

• multicilicon;
• monokristalni;
• profilirani kristali;
• ostanki silicija;
• tehnični silicij;
• proizvodni odpadki v obliki drobcev in ostankov snovi.

Vsak od njih najde uporabo v industriji in se uporabljaoseba popolnoma. Zato se proizvodni procesi, ki vključujejo silicij, štejejo za brez odpadkov. To močno zmanjša njegove ekonomske stroške, ne da bi vplivalo na kakovost.

Uporaba čistega silicija

Proizvodnja silicija v industriji je precej dobro uveljavljena in njen obseg je precej obsežen. To je posledica dejstva, da je ta element, tako čist kot v obliki različnih spojin, zelo razširjen in povpraševan v različnih vejah znanosti in tehnologije.

Kje se uporablja čisti kristalni in amorfni silicij?

1. V metalurgiji kot legirni dodatek, ki lahko spremeni lastnosti kovin in njihovih zlitin. Torej se uporablja pri taljenju jekla in železa.
2. Za izdelavo čistejše različice se uporabljajo različne vrste snovi - polisilicij.
3. Spojine silicija z organskimi snovmi - to je cela kemična industrija, ki je danes pridobila posebno popularnost. Silikonski materiali se uporabljajo v medicini, pri izdelavi posode, orodja in še veliko več.
4. Proizvodnja različnih solarnih panelov. Ta način pridobivanja energije je eden najbolj obetavnih v prihodnosti. Okolju prijazen, stroškovno učinkovit in vzdržljiv - glavne prednosti takšne proizvodnje električne energije.
5. Silicij se v vžigalnikih uporablja že zelo dolgo. Že v starih časih so ljudje uporabljali kremen za ustvarjanje iskre pri prižiganju ognja. To načelo je osnova za proizvodnjo vžigalnikov različnih vrst. Danes obstajajo vrste, v katerihkremen se nadomesti z zlitino določene sestave, kar daje še hitrejši rezultat (iskrenje).
6. Elektronika in sončna energija.
7. Izdelava ogledal v plinskih laserskih napravah.

Tako ima čisti silicij veliko ugodnih in posebnih lastnosti, ki omogočajo, da se uporablja za ustvarjanje pomembnih in potrebnih izdelkov.

Uporaba silicijevih spojin

Poleg preproste snovi se uporabljajo tudi različne silicijeve spojine, in to zelo široko. Obstaja cela veja industrije, imenovana silikat. Prav ona temelji na uporabi različnih snovi, ki vključujejo ta neverjeten element. Kaj so te spojine in kaj proizvajajo?

1. Quartz ali rečni pesek - SiO₂. Uporablja se za izdelavo gradbenih in dekorativnih materialov, kot sta cement in steklo. Kje se ti materiali uporabljajo, vsi vedo. Nobena konstrukcija ni popolna brez teh komponent, kar potrjuje pomen silicijevih spojin.
2. Silikatna keramika, ki vključuje materiale, kot so fajansa, porcelan, opeka in izdelki na njihovi osnovi. Te komponente se uporabljajo v medicini, pri izdelavi posode, okrasnih okraskov, gospodinjskih predmetov, v gradbeništvu in drugih gospodinjskih področjih človeške dejavnosti.
3. Silikonske spojine - silikoni, silikageli, silikonska olja.
4. Silikatno lepilo - uporablja se kot pisarniški material, v pirotehniki in gradbeništvu.

Silicij, katerega cena se na svetovnem trgu razlikuje, vendar ne presežeod zgoraj navzdol, oznaka 100 rubljev Ruske federacije na kilogram (na kristalin), je iskana in dragocena snov. Seveda so tudi spojine tega elementa zelo razširjene in uporabne.

Biološka vloga silicija

Z vidika pomena za telo je silicij pomemben. Njegova vsebina in porazdelitev tkiva je naslednja:

• 0, 002% - mišičast;
• 0, 000017% - kost;
• kri - 3,9 mg/l.

Vsak dan bi moral priti notri približno en gram silicija, sicer se bodo začele razvijati bolezni. Med njimi ni smrtonosnih, vendar dolgotrajno silicijevo stradanje vodi v:

• izpadanje las;
• videz aken in mozoljev;
• krhkost in krhkost kosti;
• lahka kapilarna prepustnost;
• utrujenost in glavoboli;
• pojav številnih modric in modric.

Za rastline je silicij pomemben element v sledovih, potreben za normalno rast in razvoj. Poskusi na živalih so pokazali, da posamezniki, ki dnevno zaužijejo dovolj silicija, najbolje rastejo.