Physikalische Eigenschaften von Silizium. Silizium in der Natur (25,8 % in der Erdkruste). Im menschlichen Körper

Als eigenständiges chemisches Element wurde Silizium der Menschheit erst im Jahr 1825 bekannt. Was natürlich den Einsatz von Siliziumverbindungen in so vielen Bereichen nicht verhindert, dass es einfacher ist, diejenigen aufzulisten, in denen das Element nicht verwendet wird. Dieser Artikel beleuchtet die physikalischen, mechanischen und nützlichen chemischen Eigenschaften von Silizium und seinen Verbindungen sowie Anwendungen und wir werden auch darüber sprechen, wie Silizium die Eigenschaften von Stahl und anderen Metallen beeinflusst.

Schauen wir uns zunächst die allgemeinen Eigenschaften von Silizium an. 27,6 bis 29,5 % der Masse der Erdkruste besteht aus Silizium. Auch im Meerwasser ist die Konzentration des Elements beträchtlich – bis zu 3 mg/l.

In Bezug auf die Häufigkeit in der Lithosphäre steht Silizium nach Sauerstoff an zweiter Stelle. Seine bekannteste Form, Kieselsäure, ist jedoch ein Dioxid, und seine Eigenschaften sind die Grundlage für eine so weit verbreitete Verwendung.

In diesem Video erfahren Sie, was Silizium ist:

Konzept und Funktionen

Silizium ist ein Nichtmetall, kann aber unter verschiedenen Bedingungen sowohl saure als auch basische Eigenschaften aufweisen. Es ist ein typischer Halbleiter und wird in der Elektrotechnik äußerst häufig eingesetzt. Seine physikalischen und chemischen Eigenschaften werden weitgehend durch seinen allotropen Zustand bestimmt. Am häufigsten handelt es sich um die kristalline Form, da ihre Eigenschaften in der Volkswirtschaft stärker gefragt sind.

Silizium ist eines der grundlegenden Makroelemente im menschlichen Körper. Sein Mangel wirkt sich nachteilig auf den Zustand von Knochengewebe, Haaren, Haut und Nägeln aus. Darüber hinaus beeinflusst Silizium die Leistungsfähigkeit des Immunsystems.
In der Medizin fanden das Element bzw. seine Verbindungen genau in dieser Eigenschaft ihre erste Anwendung. Wasser aus mit Silizium ausgekleideten Brunnen war nicht nur sauber, sondern wirkte sich auch positiv auf die Widerstandskraft gegen Infektionskrankheiten aus. Verbindungen mit Silizium dienen heute als Grundlage für Medikamente gegen Tuberkulose, Arteriosklerose und Arthritis.
Im Allgemeinen ist das Nichtmetall wenig aktiv, es ist jedoch schwierig, es in reiner Form zu finden. Dies liegt daran, dass es an der Luft schnell durch eine Dioxidschicht passiviert wird und nicht mehr reagiert. Beim Erhitzen nimmt die chemische Aktivität zu. Dadurch ist die Menschheit viel besser mit den Zusammensetzungen der Materie vertraut als mit sich selbst.

So bildet Silizium mit fast allen Metallen Legierungen – Silizide. Sie alle zeichnen sich durch Feuerfestigkeit und Härte aus und werden in entsprechenden Bereichen eingesetzt: Gasturbinen, Ofenheizungen.

Das Nichtmetall wird in der Tabelle von D. I. Mendeleev zusammen mit Kohlenstoff und Germanium in Gruppe 6 eingeordnet, was auf eine gewisse Gemeinsamkeit mit diesen Stoffen hinweist. Was es also mit Kohlenstoff gemeinsam hat, ist seine Fähigkeit, organische Verbindungen zu bilden. Gleichzeitig kann Silizium wie Germanium bei einigen chemischen Reaktionen die Eigenschaften eines Metalls aufweisen, das in der Synthese verwendet wird.

Vorteile und Nachteile

Wie jeder andere Stoff hat auch Silizium im Hinblick auf seine volkswirtschaftliche Nutzung bestimmte nützliche oder nicht sehr nützliche Eigenschaften. Sie sind gerade für die Bestimmung des Einsatzgebietes wichtig.

Ein wesentlicher Vorteil des Stoffes ist sein Verfügbarkeit. In der Natur kommt es zwar nicht in freier Form vor, dennoch ist die Technologie zur Herstellung von Silizium nicht so kompliziert, wenn auch energieaufwendig.
Der zweitwichtigste Vorteil ist Bildung vieler Verbindungen mit ungewöhnlich nützlichen Eigenschaften. Dazu gehören Silane, Silizide, Dioxide und natürlich verschiedenste Silikate. Die Fähigkeit von Silizium und seinen Verbindungen, komplexe feste Lösungen zu bilden, ist nahezu unbegrenzt, was es ermöglicht, unendlich viele Variationen von Glas, Stein und Keramik zu erhalten.
Halbleitereigenschaften Nichtmetall verschafft ihm einen Platz als Grundmaterial in der Elektro- und Funktechnik.
Nichtmetall ist ungiftig, was den Einsatz in jeder Branche ermöglicht und gleichzeitig den technologischen Prozess nicht zu einem potenziell gefährlichen macht.

Zu den Nachteilen des Materials gehört nur die relative Zerbrechlichkeit bei guter Härte. Silizium wird nicht für tragende Strukturen verwendet, aber diese Kombination ermöglicht eine ordnungsgemäße Bearbeitung der Oberfläche der Kristalle, was für den Instrumentenbau wichtig ist.

Lassen Sie uns nun über die grundlegenden Eigenschaften von Silizium sprechen.

Eigenschaften und Eigenschaften

Da kristallines Silizium in der Industrie am häufigsten verwendet wird, sind seine Eigenschaften wichtiger, und diese werden in den technischen Spezifikationen angegeben. Die physikalischen Eigenschaften des Stoffes sind wie folgt:

Schmelzpunkt – 1417 °C;
Siedepunkt – 2600 °C;
Die Dichte beträgt 2,33 g/cu. cm, was auf Zerbrechlichkeit hinweist;
Die Wärmekapazität sowie die Wärmeleitfähigkeit sind selbst bei den reinsten Proben nicht konstant: 800 J/(kg K) oder 0,191 cal/(g Grad) und 84-126 W/(m K) oder 0,20-0, jeweils 30 cal/(cm·s·grad);
transparent für langwellige Infrarotstrahlung, die in der Infrarotoptik verwendet wird;
Dielektrizitätskonstante – 1,17;
Härte auf der Mohs-Skala – 7.

Die elektrischen Eigenschaften eines Nichtmetalls hängen stark von Verunreinigungen ab. In der Industrie wird diese Funktion durch Modulation des gewünschten Halbleitertyps genutzt. Bei normalen Temperaturen ist Silizium spröde, bei Erwärmung über 800 °C ist jedoch eine plastische Verformung möglich.

Die Eigenschaften von amorphem Silizium sind auffallend anders: Es ist stark hygroskopisch und reagiert bereits bei normalen Temperaturen deutlich aktiver.

Die Struktur und chemische Zusammensetzung sowie die Eigenschaften von Silizium werden im folgenden Video erläutert:

Zusammensetzung und Struktur

Silizium kommt in zwei allotropen Formen vor, die bei normalen Temperaturen gleichermaßen stabil sind.

Kristall hat das Aussehen eines dunkelgrauen Pulvers. Obwohl die Substanz ein diamantartiges Kristallgitter aufweist, ist sie aufgrund der zu langen Bindungen zwischen den Atomen zerbrechlich. Interessant sind seine Halbleitereigenschaften.
Bei sehr hohen Drücken können Sie erreichen sechseckig Modifikation mit einer Dichte von 2,55 g/cu. cm. Diese Phase hat jedoch noch keine praktische Bedeutung gefunden.
Amorph– braunbraunes Pulver. Im Gegensatz zur kristallinen Form reagiert es viel aktiver. Dies liegt nicht so sehr an der Trägheit der ersten Form, sondern daran, dass die Substanz an der Luft mit einer Dioxidschicht bedeckt ist.

Darüber hinaus muss eine andere Art der Klassifizierung berücksichtigt werden, die sich auf die Größe der Siliziumkristalle bezieht, die zusammen den Stoff bilden. Ein Kristallgitter setzt bekanntlich eine Ordnung nicht nur der Atome voraus, sondern auch der Strukturen, die diese Atome bilden – die sogenannte Fernordnung. Je größer es ist, desto homogener sind die Eigenschaften des Stoffes.

Monokristallin– Die Probe besteht aus einem Kristall. Seine Struktur ist maximal geordnet, seine Eigenschaften sind homogen und gut vorhersagbar. Dies ist der Werkstoff, der in der Elektrotechnik am meisten nachgefragt wird. Allerdings handelt es sich auch um eine der teuersten Arten, da der Gewinnungsprozess komplex und die Wachstumsrate gering ist.
Multikristallin– Die Probe besteht aus einer Reihe großer kristalliner Körner. Die Grenzen zwischen ihnen bilden zusätzliche Defektebenen, was die Leistung der Probe als Halbleiter verringert und zu einem schnelleren Verschleiß führt. Die Technologie zur Züchtung von Multikristallen ist einfacher und daher das Material billiger.
Polykristallin– besteht aus einer großen Anzahl von Körnern, die zufällig relativ zueinander angeordnet sind. Dies ist die reinste Art von Industriesilizium, das in der Mikroelektronik und Solarenergie verwendet wird. Wird häufig als Rohstoff für die Züchtung von Multi- und Einkristallen verwendet.
Auch amorphes Silizium nimmt in dieser Klassifizierung eine gesonderte Stellung ein. Dabei bleibt die Ordnung der Atome nur bei kürzesten Abständen erhalten. In der Elektrotechnik wird es jedoch immer noch in Form dünner Schichten eingesetzt.

Nichtmetallische Produktion

Die Gewinnung von reinem Silizium ist aufgrund der Trägheit seiner Verbindungen und des hohen Schmelzpunkts der meisten von ihnen nicht so einfach. In der Industrie greifen sie am häufigsten auf die Reduzierung mit Kohlendioxid aus Kohlendioxid zurück. Die Reaktion wird in Lichtbogenöfen bei einer Temperatur von 1800 °C durchgeführt. Auf diese Weise wird ein Nichtmetall mit einer Reinheit von 99,9 % erhalten, was für seine Verwendung nicht ausreicht.

Das resultierende Material wird chloriert, um Chloride und Hydrochloride zu erzeugen. Anschließend werden die Verbindungen mit allen möglichen Methoden von Verunreinigungen gereinigt und mit Wasserstoff reduziert.

Die Substanz kann auch durch Gewinnung von Magnesiumsilizid gereinigt werden. Das Silizid wird Salz- oder Essigsäure ausgesetzt. Es wird Silan gewonnen und dieses durch verschiedene Methoden gereinigt – Sorption, Rektifikation usw. Anschließend wird das Silan bei einer Temperatur von 1000 °C in Wasserstoff und Silizium zersetzt. Dabei entsteht ein Stoff mit einem Verunreinigungsanteil von 10 -8 -10 -6 %.

Anwendung des Stoffes

Für die Industrie sind die elektrophysikalischen Eigenschaften eines Nichtmetalls von größtem Interesse. Seine Einkristallform ist ein Halbleiter mit indirekter Lücke. Seine Eigenschaften werden durch Verunreinigungen bestimmt, wodurch es möglich ist, Siliziumkristalle mit bestimmten Eigenschaften zu erhalten. So ermöglicht die Zugabe von Bor und Indium die Züchtung eines Kristalls mit Lochleitfähigkeit, und die Zugabe von Phosphor oder Arsen ermöglicht die Züchtung eines Kristalls mit elektronischer Leitfähigkeit.

Silizium dient im wahrsten Sinne des Wortes als Grundlage der modernen Elektrotechnik. Daraus werden Transistoren, Fotozellen, integrierte Schaltkreise, Dioden usw. hergestellt. Darüber hinaus wird die Funktionalität des Geräts fast immer nur durch die oberflächennahe Schicht des Kristalls bestimmt, die ganz spezifische Anforderungen an die Oberflächenbehandlung stellt.
In der Metallurgie wird technisches Silizium sowohl als Legierungsmodifikator – es verleiht eine höhere Festigkeit – als auch als Bestandteil – beispielsweise und als Desoxidationsmittel – bei der Herstellung von Gusseisen verwendet.
Hochreine und gereinigte metallurgische Materialien bilden die Grundlage der Solarenergie.
Nichtmetallisches Dioxid kommt in der Natur in vielen verschiedenen Formen vor. Seine Kristallarten – Opal, Achat, Karneol, Amethyst, Bergkristall – haben ihren Platz im Schmuck gefunden. Modifikationen, die optisch nicht so attraktiv sind – Feuerstein, Quarz – werden in der Metallurgie, im Bauwesen und in der Radioelektronik verwendet.
Eine Verbindung eines Nichtmetalls mit Kohlenstoff, Karbid, wird in der Metallurgie, im Instrumentenbau und in der chemischen Industrie verwendet. Es handelt sich um einen Breitbandhalbleiter, der sich durch eine hohe Härte (7 auf der Mohs-Skala) und eine Festigkeit auszeichnet, die den Einsatz als Schleifmaterial ermöglicht.
Silikate – also Salze der Kieselsäure. Instabil, zersetzt sich leicht unter Temperatureinfluss. Ihr bemerkenswertes Merkmal ist, dass sie zahlreiche und vielfältige Salze bilden. Letztere sind jedoch die Grundlage für die Herstellung von Glas, Keramik, Steingut, Kristall usw. Wir können mit Sicherheit sagen, dass modernes Bauen auf einer Vielzahl von Silikaten basiert.
Glas stellt hier den interessantesten Fall dar. Seine Basis sind Alumosilikate, aber geringfügige Beimischungen anderer Stoffe – meist Oxide – verleihen dem Material viele verschiedene Eigenschaften, darunter auch Farbe. -, Steingut, Porzellan hat tatsächlich die gleiche Formel, allerdings mit einem anderen Verhältnis der Komponenten, und auch seine Vielfalt ist erstaunlich.
Das Nichtmetall hat noch eine weitere Fähigkeit: Es bildet kohlenstoffähnliche Verbindungen in Form einer langen Kette von Siliziumatomen. Solche Verbindungen werden Organosiliciumverbindungen genannt. Nicht weniger bekannt ist ihr Anwendungsbereich – das sind Silikone, Dichtstoffe, Schmierstoffe und so weiter.

Silizium ist ein sehr verbreitetes Element und hat in vielen Bereichen der Volkswirtschaft eine ungewöhnlich große Bedeutung. Darüber hinaus wird nicht nur der Stoff selbst, sondern alle seine verschiedenen und zahlreichen Verbindungen aktiv genutzt.

In diesem Video erfahren Sie mehr über die Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten von Silizium:

Silizium wurde 1823 vom schwedischen Chemiker Jens Jacob Berzelius entdeckt und gewonnen.

Das zweithäufigste Element in der Erdkruste nach Sauerstoff (27,6 Masse-%). In Verbindungen gefunden.

Struktur eines Siliziumatoms im Grundzustand

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2

Struktur eines Siliziumatoms im angeregten Zustand

1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3

Oxidationsstufen: +4, -4.

Allotropie von Silizium

Es sind amorphes und kristallines Silizium bekannt.

Polykristallines Silizium

Kristall – dunkelgraue Substanz mit metallischem Glanz, hohe Härte, zerbrechlich, Halbleiter; ρ = 2,33 g/cm 3, t°pl. =1415°C; t°kochen. = 2680°C.

Es hat eine diamantartige Struktur und bildet starke kovalente Bindungen. Untätig.

Amorph - braunes Pulver, hygroskopisch, diamantartige Struktur, ρ = 2 g/cm 3, reaktiver.

Silizium bekommen

1) Industrie – Kohle mit Sand erhitzen:

2C + SiO 2 t ˚ → Si + 2CO

2) Labor – Erhitzen von Sand mit Magnesium:

2Mg + SiO 2 t ˚ → Si + 2MgO Experiment

Chemische Eigenschaften

Ein typisches Nichtmetall, inert.

Als Reduktionsmittel:

1) Mit Sauerstoff

Si 0 + O 2 t ˚ → Si +4 O 2

2) Mit Fluor (ohne Erhitzen)

Si 0 + 2F 2 → SiF 4

3) Mit Kohlenstoff

Si 0 + C t ˚ → Si +4 C

(SiC – Karborund – hart; wird zum Anspitzen und Schleifen verwendet)

4) Interagiert nicht mit Wasserstoff.

Silan (SiH 4) wird durch Zersetzung von Metallsiliziden mit Säure gewonnen:

Mg 2 Si + 2H 2 SO 4 → SiH 4 + 2MgSO 4

5) Reagiert nicht mit Säuren (Tnur mit Flusssäure Si+4 HF= SiF 4 +2 H 2 )

Löst sich nur in einer Mischung aus Salpeter- und Flusssäure:

3Si + 4HNO3 + 18HF →3H2 + 4NO + 8H2O

6) Mit Laugen (beim Erhitzen):

Als Oxidationsmittel:

7) Bei Metallen (es entstehen Silizide):

Si 0 + 2Mg t ˚ →Mg 2 Si -4

Silizium wird in der Elektronik häufig als Halbleiter verwendet. Zusätze von Silizium zu Legierungen erhöhen deren Korrosionsbeständigkeit. Silikate, Alumosilikate und Kieselsäure sind die Hauptrohstoffe für die Herstellung von Glas und Keramik sowie für die Bauindustrie.
Silizium in der Technologie
Anwendung von Silizium und seinen Verbindungen

Silan - SiH 4

Physikalische Eigenschaften: Farbloses Gas, giftig, Schmp. = -185°C, T°Sieden. = -112°C.

Zubereitung aus Kieselsäure

Die Wirkung starker Säuren auf Silikate - Na 2 SiO 3 + 2HCl → 2NaCl + H 2 SiO 3 ↓

Chemische Eigenschaften:

Beim Erhitzen zersetzt es sich: H 2 SiO 3 t ˚ → H 2 O + SiO 2

Kieselsäuresalze - Silikate.

1) mit Säuren

Na 2 SiO 3 +H 2 O+CO 2 =Na 2 CO 3 +H 2 SiO 3

2) mit Salzen

Na 2 SiO 3 +CaCl 2 =2NaCl+CaSiO 3 ↓

3) Silikate, aus denen Mineralien bestehen, werden unter natürlichen Bedingungen unter dem Einfluss von Wasser und Kohlenmonoxid (IV) zerstört – Verwitterung von Gesteinen:

(K 2 O Al 2 O 3 6SiO 2)(Feldspat) + CO 2 + 2H 2 O → (Al 2 O 3 2SiO 2 2H 2 O)(Kaolinit (Ton)) + 4SiO 2 (Siliciumdioxid (Sand)) + K2CO3

Anwendung von Siliziumverbindungen

Natürliche Siliziumverbindungen – Sand (SiO 2) und Silikate – werden zur Herstellung von Keramik, Glas und Zement verwendet.

Keramik

Porzellan= Kaolin + Ton + Quarz + Feldspat. Der Geburtsort des Porzellans ist China, wo Porzellan bereits im Jahr 220 bekannt war. Im Jahr 1746 wurde in Russland die Porzellanproduktion gegründet.

Fayence - vom Namen der italienischen Stadt Faenza. Hier entwickelte sich im 14. und 15. Jahrhundert das Keramikhandwerk. Steingut unterscheidet sich von Porzellan durch seinen höheren Tongehalt (85 %) und die niedrigere Brenntemperatur.

Silizium (Si) ist ein Nichtmetall, das hinsichtlich der Reserven und der Präsenz auf der Erde (25,8 % in der Erdkruste) nach Sauerstoff an zweiter Stelle steht. Es kommt praktisch nie in reiner Form vor, sondern kommt auf dem Planeten hauptsächlich in Form von Verbindungen vor.

Eigenschaften von Silizium

Physikalische Eigenschaften

Silizium ist ein sprödes, hellgraues Material mit metallischem Farbton oder ein braunes, pulverförmiges Material. Die Struktur eines Siliziumkristalls ähnelt der von Diamant, aufgrund der unterschiedlichen Bindungslängen zwischen den Atomen ist die Härte von Diamant jedoch viel höher.

Silizium ist ein für elektromagnetische Strahlung zugängliches Nichtmetall. Aufgrund einiger Eigenschaften liegt es in der Mitte zwischen Nichtmetallen und Metallen:

Bei einer Temperaturerhöhung auf 800 °C wird es flexibel und plastisch;

Beim Erhitzen auf 1417 °C schmilzt es;

Beginnt bei Temperaturen über 2600 °C zu sieden;

Ändert die Dichte bei hohem Druck;

Es hat die Eigenschaft, entgegen der Richtung eines äußeren Magnetfeldes magnetisiert zu werden (Diamagnet).

Silizium ist ein Halbleiter und die in seinen Legierungen enthaltenen Verunreinigungen bestimmen die elektrischen Eigenschaften zukünftiger Verbindungen.

Chemische Eigenschaften

Beim Erhitzen reagiert Si mit Sauerstoff, Brom, Jod, Stickstoff, Chlor und verschiedenen Metallen. In Kombination mit Kohlenstoff entstehen harte Legierungen mit thermischer und chemischer Beständigkeit.

Silizium interagiert in keiner Weise mit Wasserstoff, daher werden alle möglichen Mischungen damit auf unterschiedliche Weise erhalten.

Unter normalen Bedingungen reagiert es schwach mit allen Substanzen außer Fluorgas. Dabei entsteht Siliziumtetrafluorid SiF4. Diese Inaktivität erklärt sich dadurch, dass sich durch die Reaktion mit Sauerstoff, Wasser, dessen Dampf und Luft ein Film aus Siliziumdioxid auf der Oberfläche des Nichtmetalls bildet und dieses umhüllt. Daher ist die chemische Wirkung langsam und unbedeutend.

Um diese Schicht zu entfernen, verwenden Sie eine Mischung aus Flusssäure und Salpetersäure oder wässrige Lösungen von Alkalien. Einige spezielle Flüssigkeiten erfordern hierfür die Zugabe von Chromsäureanhydrid und anderen Stoffen.

Silizium in der Natur finden

Silizium ist für die Erde genauso wichtig wie Kohlenstoff für Pflanzen und Tiere. Seine Kruste besteht fast zur Hälfte aus Sauerstoff, und wenn man dazu Silizium hinzufügt, erhält man 80 % der Masse. Diese Verbindung ist für die Bewegung chemischer Elemente sehr wichtig.

75 % der Lithosphäre enthalten verschiedene Salze von Kieselsäuren und Mineralien (Sand, Quarzite, Feuerstein, Glimmer, Feldspäte usw.). Bei der Bildung von Magma und verschiedenen magmatischen Gesteinen reichert sich Si in Graniten und ultramafischen Gesteinen (Plutongestein und Vulkangestein) an.

Im menschlichen Körper gibt es 1 g Silizium. Die meisten kommen in Knochen, Sehnen, Haut und Haaren, Lymphknoten, Aorta und Luftröhre vor. Es ist am Wachstum von Binde- und Knochengewebe beteiligt und erhält außerdem die Elastizität der Blutgefäße.

Die tägliche Aufnahmemenge für einen Erwachsenen beträgt 5 - 20 mg. Überschuss verursacht Silikose.

Anwendungen von Silizium in der Industrie

Dieses Nichtmetall ist dem Menschen seit der Steinzeit bekannt und wird auch heute noch häufig verwendet.

Anwendung:

Es ist ein gutes Reduktionsmittel und wird daher in der Metallurgie zur Herstellung von Metallen verwendet.

Silizium kann unter bestimmten Bedingungen Strom leiten und wird daher in der Elektronik eingesetzt.

Siliziumoxid wird bei der Herstellung von Gläsern und Silikatmaterialien verwendet.

Für die Herstellung von Halbleiterbauelementen werden spezielle Legierungen verwendet.

Bezeichnung - Si (Silizium);
Zeitraum - III;
Gruppe - 14 (IVa);
Atommasse - 28,0855;
Ordnungszahl - 14;
Atomradius = 132 pm;
Kovalenter Radius = 111 pm;
Elektronenverteilung - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 ;
Schmelztemperatur = 1412°C;
Siedepunkt = 2355°C;
Elektronegativität (nach Pauling/nach Alpred und Rochow) = 1,90/1,74;
Oxidationsstufe: +4, +2, 0, -4;
Dichte (Anzahl) = 2,33 g/cm3;
Molvolumen = 12,1 cm 3 /mol.

Siliziumverbindungen:

Silizium wurde erstmals 1811 in reiner Form isoliert (die Franzosen J. L. Gay-Lussac und L. J. Tenard). Reines elementares Silizium wurde 1825 gewonnen (Schwede J. J. Berzelius). Das chemische Element erhielt seinen Namen „Silizium“ (übersetzt aus dem Altgriechischen als Berg) im Jahr 1834 (russischer Chemiker G. I. Hess).

Silizium ist (nach Sauerstoff) das häufigste chemische Element auf der Erde (Gehalt in der Erdkruste beträgt 28-29 Gew.-%). In der Natur kommt Silizium am häufigsten in Form von Kieselsäure (Sand, Quarz, Feuerstein, Feldspat) sowie in Silikaten und Alumosilikaten vor. In reiner Form ist Silizium äußerst selten. Viele natürliche Silikate in reiner Form sind Edelsteine: Smaragd, Topas, Aquamarin – das alles ist Silizium. Reines kristallines Silizium(IV)oxid kommt in Form von Bergkristall und Quarz vor. Siliziumoxid, das verschiedene Verunreinigungen enthält, bildet Edel- und Halbedelsteine – Amethyst, Achat, Jaspis.

Reis. Struktur des Siliziumatoms.

Die elektronische Konfiguration von Silizium ist 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 (siehe Elektronische Struktur von Atomen). Auf der äußeren Energieebene hat Silizium 4 Elektronen: 2 gepaarte in der 3s-Unterebene + 2 ungepaarte in p-Orbitalen. Wenn ein Siliziumatom in einen angeregten Zustand übergeht, „verlässt“ ein Elektron aus der s-Unterebene sein Paar und bewegt sich zur p-Unterebene, wo es ein freies Orbital gibt. Somit nimmt die elektronische Konfiguration des Siliziumatoms im angeregten Zustand die folgende Form an: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3.

Reis. Übergang eines Siliziumatoms in einen angeregten Zustand.

Daher kann Silizium in Verbindungen eine Wertigkeit von 4 (am häufigsten) oder 2 (siehe Wertigkeit) aufweisen. Silizium (wie auch Kohlenstoff) bildet bei der Reaktion mit anderen Elementen chemische Bindungen, in denen es seine Elektronen sowohl abgeben als auch aufnehmen kann. Allerdings ist die Fähigkeit, Elektronen aufzunehmen, bei Siliziumatomen aufgrund des größeren Siliziums weniger ausgeprägt als bei Kohlenstoffatomen Atom.

Oxidationsstufen von Silizium:

-4 : SiH 4 (Silan), Ca 2 Si, Mg 2 Si (Metallsilikate);
+4 - am stabilsten: SiO 2 (Siliziumoxid), H 2 SiO 3 (Kieselsäure), Silikate und Siliziumhalogenide;
0 : Si (einfache Substanz)

Silizium als einfacher Stoff

Silizium ist eine dunkelgraue kristalline Substanz mit metallischem Glanz. Kristallines Silizium ist ein Halbleiter.

Silizium bildet nur eine allotrope Modifikation, ähnlich wie Diamant, jedoch nicht so stark, da die Si-Si-Bindungen nicht so stark sind wie im Diamant-Kohlenstoffmolekül (siehe Diamant).

Amorphes Silizium- braunes Pulver mit einem Schmelzpunkt von 1420°C.

Kristallines Silizium wird durch Rekristallisation aus amorphem Silizium gewonnen. Im Gegensatz zu amorphem Silizium, das eine ziemlich aktive Chemikalie ist, ist kristallines Silizium im Hinblick auf die Wechselwirkung mit anderen Substanzen inert.

Die Struktur des Kristallgitters von Silizium wiederholt die Struktur von Diamant – jedes Atom ist von vier anderen Atomen umgeben, die sich an den Spitzen eines Tetraeders befinden. Die Atome werden durch kovalente Bindungen zusammengehalten, die nicht so stark sind wie die Kohlenstoffbindungen im Diamant. Aus diesem Grund auch bei Nr. Einige kovalente Bindungen im kristallinen Silizium werden aufgebrochen, was zur Freisetzung einiger Elektronen führt, wodurch Silizium eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufweist. Durch die Erwärmung von Silizium, durch Licht oder durch die Zugabe bestimmter Verunreinigungen nimmt die Zahl der aufgebrochenen kovalenten Bindungen zu, wodurch die Zahl der freien Elektronen und damit auch die elektrische Leitfähigkeit von Silizium zunimmt.

Chemische Eigenschaften von Silizium

Silizium kann wie Kohlenstoff sowohl ein Reduktionsmittel als auch ein Oxidationsmittel sein, je nachdem, mit welchem Stoff es reagiert.

Bei Nr. Silizium interagiert nur mit Fluor, was durch das ziemlich starke Kristallgitter von Silizium erklärt wird.

Silizium reagiert bei Temperaturen über 400 °C mit Chlor und Brom.

Silizium interagiert nur bei sehr hohen Temperaturen mit Kohlenstoff und Stickstoff.

Bei Reaktionen mit Nichtmetallen fungiert Silizium als Reduktionsmittel:
- Unter normalen Bedingungen reagiert Silizium aus Nichtmetallen nur mit Fluor und bildet Siliziumhalogenid:
  Si + 2F 2 = SiF 4
- Bei hohen Temperaturen reagiert Silizium mit Chlor (400 °C), Sauerstoff (600 °C), Stickstoff (1000 °C), Kohlenstoff (2000 °C):
  - Si + 2Cl 2 = SiCl 4 – Siliziumhalogenid;
  - Si + O 2 = SiO 2 – Siliziumoxid;
  - 3Si + 2N 2 = Si 3 N 4 – Siliziumnitrid;
  - Si + C = SiC – Carborundum (Siliziumcarbid)
Bei Reaktionen mit Metallen kommt es zu Silizium Oxidationsmittel(gebildet Salizide:
Si + 2Mg = Mg 2 Si
Bei Reaktionen mit konzentrierten Alkalilösungen reagiert Silizium unter Freisetzung von Wasserstoff und bildet lösliche Salze der Kieselsäure, sogenannte Silikate:
Si + 2NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 2H 2
Silizium reagiert nicht mit Säuren (außer HF).

Herstellung und Verwendung von Silizium

Gewinnung von Silizium:

im Labor - aus Kieselsäure (Aluminiumtherapie):
3SiO 2 + 4Al = 3Si + 2Al 2 O 3
in der Industrie – durch Reduktion von Siliziumoxid mit Koks (technisch reines Silizium) bei hoher Temperatur:
SiO 2 + 2C = Si + 2CO
Das reinste Silizium wird durch die Reduktion von Siliziumtetrachlorid mit Wasserstoff (Zink) bei hoher Temperatur gewonnen:
SiCl 4 +2H 2 = Si+4HCl

Siliziumanwendung:

Herstellung von Halbleiter-Radioelementen;
als metallurgische Zusatzstoffe bei der Herstellung hitzebeständiger und säurebeständiger Verbindungen;
bei der Herstellung von Fotozellen für Solarbatterien;
als Wechselstromgleichrichter.

CPU? Sand? Welche Assoziationen haben Sie mit diesem Wort? Oder vielleicht Silicon Valley?
Wie dem auch sei, wir begegnen Silizium jeden Tag, und wenn Sie wissen möchten, was Si ist und womit es gegessen wird, wenden Sie sich bitte an die Katze.

Einführung

Als Student an einer der Moskauer Universitäten mit Spezialisierung auf Nanomaterialien wollte ich Ihnen, lieber Leser, die wichtigsten chemischen Elemente unseres Planeten vorstellen. Ich habe lange darüber nachgedacht, wo ich anfangen soll, Kohlenstoff oder Silizium, und habe mich trotzdem entschieden, bei Si aufzuhören, weil das Herzstück jedes modernen Geräts sozusagen natürlich darauf basiert. Ich werde versuchen, meine Gedanken auf äußerst einfache und zugängliche Weise auszudrücken. Beim Schreiben dieses Materials habe ich hauptsächlich auf Anfänger gesetzt, aber auch Fortgeschrittene werden in der Lage sein, etwas Interessantes zu lernen. Ich möchte auch sagen, dass der Artikel war ausschließlich geschrieben, um den Horizont der Interessierten zu erweitern. Also lasst uns anfangen.

Silizium

Silizium (lat. Silicium), Si, chemisches Element der Gruppe IV des Periodensystems von Mendelejew; Ordnungszahl 14, Atommasse 28.086.
In der Natur wird das Element durch drei stabile Isotope repräsentiert: 28Si (92,27 %), 29Si (4,68 %) und 30Si (3,05 %).
Dichte (bei Nr.) 2,33 g/cm³
Schmelzpunkt 1688 K

Pulver Si

Historische Referenz

Die auf der Erde weit verbreiteten Siliziumverbindungen sind dem Menschen bereits seit der Steinzeit bekannt. Der Einsatz von Steinwerkzeugen für Arbeit und Jagd wurde mehrere Jahrtausende lang fortgesetzt. Die Verwendung von Siliziumverbindungen im Zusammenhang mit deren Verarbeitung – der Glasherstellung – begann etwa 3000 v. Chr. e. (im alten Ägypten). Die früheste bekannte Siliziumverbindung ist SiO2-Oxid (Kieselsäure). Im 18. Jahrhundert galt Kieselsäure als einfacher Feststoff und wurde als „Erde“ klassifiziert (wie der Name schon sagt). Die Komplexität der Zusammensetzung von Kieselsäure wurde von I. Ya. Berzelius festgestellt. 1825 gewann er erstmals elementares Silizium aus Siliziumfluorid SiF4, indem er dieses mit Kaliummetall reduzierte. Das neue Element erhielt den Namen „Silizium“ (vom lateinischen Silex – Feuerstein). Der russische Name wurde 1834 von G. I. Hess eingeführt.

Silizium kommt in der Natur sehr häufig als Bestandteil von gewöhnlichem Sand vor.

Verbreitung von Silizium in der Natur

Silizium ist das zweithäufigste Element in der Erdkruste (nach Sauerstoff), sein durchschnittlicher Gehalt in der Lithosphäre beträgt 29,5 % (bezogen auf die Masse). Silizium spielt in der Erdkruste die gleiche wichtige Rolle wie Kohlenstoff in der Tier- und Pflanzenwelt. Für die Geochemie von Silizium ist seine extrem starke Verbindung mit Sauerstoff wichtig. Etwa 12 % der Lithosphäre besteht aus Siliziumdioxid SiO2 in Form des Minerals Quarz und seiner Varianten. 75 % der Lithosphäre bestehen aus verschiedenen Silikaten und Alumosilikaten (Feldspäte, Glimmer, Amphibole usw.). Die Gesamtzahl der Mineralien, die Kieselsäure enthalten, übersteigt 400.

Physikalische Eigenschaften von Silizium

Ich denke, es hat keinen Sinn, hier zu verweilen, alle physischen Eigenschaften sind frei verfügbar, aber ich werde die grundlegendsten auflisten.
Siedepunkt 2600 °C
Silizium ist für langwellige Infrarotstrahlen transparent
Dielektrizitätskonstante 11,7
Silizium Mohshärte 7,0
Ich möchte sagen, dass Silizium ein sprödes Material ist; bei Temperaturen über 800 °C beginnt eine spürbare plastische Verformung.
Silizium ist ein Halbleiter und wird daher häufig verwendet. Die elektrischen Eigenschaften von Silizium hängen stark von Verunreinigungen ab.

Chemische Eigenschaften von Silizium

Natürlich könnte man hier viel sagen, aber ich werde mich auf das Interessanteste konzentrieren. In Si-Verbindungen (ähnlich wie Kohlenstoff) 4-valent.
An der Luft ist Silizium aufgrund der Bildung eines schützenden Oxidfilms auch bei erhöhten Temperaturen stabil. In Sauerstoff oxidiert es ab 400 °C zu Siliziumoxid (IV) SiO2.
Silizium ist säurebeständig und löst sich nur in einer Mischung aus Salpeter- und Flusssäure und löst sich leicht in heißen Alkalilösungen unter Freisetzung von Wasserstoff.
Silizium bildet 2 Gruppen sauerstoffhaltiger Silane – Siloxane und Siloxene. Silizium reagiert mit Stickstoff bei Temperaturen über 1000 °C. Von großer praktischer Bedeutung ist das Nitrid Si3N4, das auch bei 1200 °C an der Luft nicht oxidiert, beständig gegen Säuren (außer Salpetersäure) und Laugen sowie gegen geschmolzene Metalle ist Schlacken, was es zu einem wertvollen Material für die chemische Industrie sowie für die Herstellung von Feuerfestmaterialien macht. Siliziumverbindungen mit Kohlenstoff (Siliziumkarbid SiC) und Bor (SiB3, SiB6, SiB12) zeichnen sich durch eine hohe Härte sowie thermische und chemische Beständigkeit aus.

Beschaffung von Silizium

Ich denke, das ist der interessanteste Teil, schauen wir uns das hier genauer an.
Je nach Zweck gibt es:
1. Silizium in elektronischer Qualität(sogenanntes „elektronisches Silizium“) – Silizium höchster Qualität mit einem Siliziumgehalt von über 99,999 Gew.-%. Der spezifische elektrische Widerstand von Silizium elektronischer Qualität kann im Bereich von etwa 0,001 bis 150 Ohm cm liegen, der Widerstandswert muss jedoch sichergestellt werden, dass ausschließlich eine bestimmte Verunreinigung vorliegt, d. h. das Eindringen anderer Verunreinigungen in den Kristall, selbst wenn sie einen bestimmten elektrischen Widerstand bereitstellen, ist in der Regel nicht akzeptabel.
2. Silizium in Solarqualität(sogenanntes „Solarsilizium“) – Silizium mit einem Siliziumgehalt von über 99,99 Gew.-%, das zur Herstellung von Photovoltaik-Wandlern (Solarbatterien) verwendet wird.

3. Technisches Silizium- Siliziumblöcke mit polykristalliner Struktur, die durch carbothermische Reduktion aus reinem Quarzsand gewonnen werden; enthält 98 % Silizium, die Hauptverunreinigung ist Kohlenstoff, gekennzeichnet durch einen hohen Gehalt an Legierungselementen - Bor, Phosphor, Aluminium; Wird hauptsächlich zur Herstellung von polykristallinem Silizium verwendet.

Silizium technischer Reinheit (95-98 %) wird im Lichtbogen durch Reduktion von Siliziumdioxid SiO2 zwischen Graphitelektroden gewonnen. Im Zusammenhang mit der Entwicklung der Halbleitertechnologie wurden Verfahren zur Herstellung von reinem und hochreinem Silizium entwickelt. Dies erfordert die Vorsynthese reinster Silizium-Ausgangsverbindungen, aus denen durch Reduktion oder thermische Zersetzung Silizium gewonnen wird.
Polykristallines Silizium („Polysilizium“) ist die reinste Form industriell hergestellten Siliziums – ein Halbzeug, das durch Reinigung von technischem Silizium mittels Chlorid- und Fluoridverfahren gewonnen und zur Herstellung von mono- und multikristallinem Silizium verwendet wird.
Traditionell wird polykristallines Silizium aus technischem Silizium durch Umwandlung in flüchtige Silane (Monosilan, Chlorsilane, Fluorsilane) mit anschließender Abtrennung der resultierenden Silane, rektifizierender Reinigung des ausgewählten Silans und Reduktion des Silans zu metallischem Silizium gewonnen.
Reines Halbleitersilizium wird in zwei Formen gewonnen: polykristallin(Reduktion von SiCl4 oder SiHCl3 mit Zink oder Wasserstoff, thermische Zersetzung von SiI4 und SiH4) und monokristallin(Tiegelfreies Zonenschmelzen und „Ziehen“ eines Einkristalls aus geschmolzenem Silizium – Czochralski-Methode).

Hier sehen Sie den Prozess der Siliziumzüchtung nach der Czochralski-Methode.

Czochralski-Methode- eine Methode zum Züchten von Kristallen, indem man sie von der freien Oberfläche eines großen Schmelzvolumens nach oben zieht, wobei die Kristallisation eingeleitet wird, indem ein Impfkristall (oder mehrere Kristalle) einer bestimmten Struktur und kristallographischen Ausrichtung mit der freien Oberfläche der Schmelze in Kontakt gebracht werden schmelzen.

Anwendung von Silizium

Speziell dotiertes Silizium wird häufig als Material für die Herstellung von Halbleiterbauelementen (Transistoren, Thermistoren, Leistungsgleichrichter, Thyristoren; Solarfotozellen für Raumfahrzeuge und viele andere Dinge) verwendet.
Da Silizium für Strahlen mit Wellenlängen von 1 bis 9 Mikrometern durchlässig ist, wird es in der Infrarotoptik verwendet.
Silizium hat vielfältige und wachsende Anwendungen. In der Metallurgie Si
Wird verwendet, um in geschmolzenen Metallen gelösten Sauerstoff zu entfernen (Desoxidation).
Silizium ist Bestandteil zahlreicher Legierungen aus Eisen und Nichteisenmetallen.
Typischerweise verleiht Silizium Legierungen eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit, verbessert ihre Gusseigenschaften und erhöht die mechanische Festigkeit; Bei höheren Konzentrationen kann Silizium jedoch zu Sprödigkeit führen.
Am wichtigsten sind siliziumhaltige Eisen-, Kupfer- und Aluminiumlegierungen.
Silizium wird in der Glas-, Zement-, Keramik-, Elektro- und anderen Industrie verarbeitet.
Hochreines Silizium wird hauptsächlich für die Herstellung einzelner elektronischer Geräte (z. B. Ihres Computerprozessors) und Einzelchip-Mikroschaltungen verwendet.
Reines Silizium, hochreine Siliziumabfälle und gereinigtes metallurgisches Silizium in Form von kristallinem Silizium sind die Hauptrohstoffe für Solarenergie.
Monokristallines Silizium wird neben Elektronik und Solarenergie zur Herstellung von Gaslaserspiegeln verwendet.

Hochreines Silizium und seine Produkte

Silizium im Körper

Silizium kommt im Körper in Form verschiedener Verbindungen vor und ist hauptsächlich an der Bildung harter Skelettteile und Gewebe beteiligt. Einige Meerespflanzen (z. B. Kieselalgen) und Tiere (z. B. Kieselschwämme, Radiolarien) können besonders große Mengen Silizium ansammeln und beim Absterben auf dem Meeresboden dicke Ablagerungen von Silizium(IV)-oxid bilden. In kalten Meeren und Seen überwiegen mit Silizium angereicherte biogene Schlicke, in tropischen Meeren kalkhaltige Schlicke mit geringem Siliziumgehalt. Unter den Landpflanzen reichern Getreide, Seggen, Palmen und Schachtelhalme viel Silizium an. Bei Wirbeltieren beträgt der Gehalt an Silizium(IV)-oxid in Aschesubstanzen 0,1–0,5 %. Silizium kommt in den größten Mengen im dichten Bindegewebe, in den Nieren und in der Bauchspeicheldrüse vor. Die tägliche menschliche Ernährung enthält bis zu 1 g Silizium. Bei einem hohen Gehalt an Silizium(IV)-oxid-Staub in der Luft gelangt dieser in die menschliche Lunge und verursacht die Krankheit Silikose.

Abschluss

Nun, das ist alles, wenn Sie bis zum Ende lesen und etwas tiefer eintauchen, dann sind Sie dem Erfolg einen Schritt näher. Ich hoffe, ich habe nicht umsonst geschrieben und zumindest hat der Beitrag jemandem gefallen. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.