خواص فیزیکی سیلیکون سیلیکون در طبیعت (25.8٪ در پوسته زمین). در بدن انسان

به عنوان یک عنصر شیمیایی مستقل، سیلیکون تنها در سال 1825 برای بشر شناخته شد. که البته مانع استفاده از ترکیبات سیلیکون در بسیاری از زمینه ها نشد که فهرست کردن مواردی که این عنصر در آنها استفاده نمی شود آسان تر است. این مقاله به بررسی خواص فیزیکی، مکانیکی و شیمیایی مفید سیلیکون و ترکیبات و کاربردهای آن می پردازد و همچنین در مورد چگونگی تأثیر سیلیکون بر خواص فولاد و سایر فلزات صحبت خواهیم کرد.

ابتدا به ویژگی های کلی سیلیکون نگاه می کنیم. از 27.6 تا 29.5 درصد از جرم پوسته زمین سیلیکون است. در آب دریا، غلظت عنصر نیز قابل توجه است - تا 3 میلی گرم در لیتر.

از نظر فراوانی در لیتوسفر، سیلیکون بعد از اکسیژن در رتبه دوم قرار دارد. با این حال، معروف ترین شکل آن، سیلیس، یک دی اکسید است و این خواص آن است که اساس چنین استفاده گسترده ای شده است.

این ویدیو به شما می گوید که سیلیکون چیست:

مفهوم و ویژگی ها

سیلیکون یک غیر فلز است، اما در شرایط مختلف می تواند هم خاصیت اسیدی و هم خاصیت بازی از خود نشان دهد. این یک نیمه هادی معمولی است و به طور گسترده ای در مهندسی برق استفاده می شود. خواص فیزیکی و شیمیایی آن تا حد زیادی توسط حالت آلوتروپیک آن تعیین می شود. اغلب آنها با فرم کریستالی سروکار دارند، زیرا کیفیت آن در اقتصاد ملی بیشتر مورد تقاضا است.

سیلیکون یکی از درشت عناصر اساسی در بدن انسان است. کمبود آن بر وضعیت بافت استخوانی، مو، پوست و ناخن تأثیر مخربی دارد. علاوه بر این، سیلیکون بر عملکرد سیستم ایمنی بدن تأثیر می گذارد.
در پزشکی، این عنصر یا ترکیبات آن اولین کاربرد خود را دقیقاً در این ظرفیت یافتند. آب چاه های پوشیده از سیلیکون نه تنها تمیز بود، بلکه تأثیر مثبتی بر مقاومت در برابر بیماری های عفونی داشت. امروزه ترکیبات با سیلیکون به عنوان پایه ای برای داروهای ضد سل، تصلب شرایین و آرتریت عمل می کنند.
به طور کلی، نافلز کم فعال است، اما یافتن آن به شکل خالص آن دشوار است. این به این دلیل است که در هوا به سرعت توسط یک لایه دی اکسید غیرفعال می شود و واکنش را متوقف می کند. هنگامی که گرم می شود، فعالیت شیمیایی افزایش می یابد. در نتیجه، بشریت به جای خود، با ترکیبات ماده آشناتر است.

بنابراین، سیلیکون آلیاژهایی را با تقریباً تمام فلزات - سیلیسیدها تشکیل می دهد. همه آنها با نسوز و سختی مشخص می شوند و در مناطق مناسب استفاده می شوند: توربین های گازی، بخاری های کوره.

نافلز در جدول D.I Mendeleev در گروه 6 به همراه کربن و ژرمانیوم قرار گرفته است که نشان دهنده اشتراک خاصی با این مواد است. بنابراین، وجه اشتراک آن با کربن توانایی آن در تشکیل ترکیبات آلی است. در عین حال، سیلیکون، مانند ژرمانیوم، می تواند خواص یک فلز را در برخی واکنش های شیمیایی نشان دهد که در سنتز استفاده می شود.

مزایا و معایب

مانند هر ماده دیگری از نظر استفاده در اقتصاد ملی، سیلیسیم دارای خواص مفید یا نه چندان مفیدی است. آنها دقیقاً برای تعیین منطقه استفاده مهم هستند.

مزیت قابل توجه این ماده آن است دسترسی. در طبیعت، درست است که به صورت آزاد یافت نمی شود، اما با این وجود، فناوری تولید سیلیکون چندان پیچیده نیست، اگرچه انرژی گیر است.
دومین مزیت مهم این است تشکیل بسیاری از ترکیباتبا خواص غیرمعمول مفید اینها شامل سیلان ها، سیلیسیدها، دی اکسید و البته طیف وسیعی از سیلیکات ها هستند. توانایی سیلیکون و ترکیبات آن برای تشکیل محلول‌های جامد پیچیده تقریباً بی‌نهایت است که به دست آوردن طیف گسترده‌ای از انواع شیشه، سنگ و سرامیک را امکان‌پذیر می‌سازد.
خواص نیمه هادیغیر فلزی به عنوان ماده پایه در مهندسی برق و رادیو جایگاهی برای آن فراهم می کند.
غیر فلزی است غیر سمی، که امکان استفاده در هر صنعتی را فراهم می کند و در عین حال فرآیند فناوری را به یک فرآیند بالقوه خطرناک تبدیل نمی کند.

معایب مواد فقط شامل شکنندگی نسبی با سختی خوب است. سیلیکون برای سازه های باربر استفاده نمی شود، اما این ترکیب اجازه می دهد تا سطح کریستال ها به درستی پردازش شود، که برای ساخت ابزار مهم است.

بیایید اکنون در مورد خواص اساسی سیلیکون صحبت کنیم.

خواص و خصوصیات

از آنجایی که سیلیکون کریستالی بیشتر در صنعت مورد استفاده قرار می گیرد، این خواص آن است که اهمیت بیشتری دارد و در مشخصات فنی ذکر شده است. خواص فیزیکی این ماده به شرح زیر است:

نقطه ذوب - 1417 C.
نقطه جوش - 2600 C؛
چگالی 2.33 گرم در مکعب است. سانتی متر که نشان دهنده شکنندگی است.
ظرفیت گرمایی، و همچنین هدایت حرارتی، حتی در خالص‌ترین نمونه‌ها نیز ثابت نیست: 800 ژول/(کیلوگرم کلوین)، یا 0.191 کالری/(گرم درجه) و 84-126 وات/(متر K) یا 0.20-0، 30 کالری / (سانتی متر · ثانیه · درجه) به ترتیب.
تابش مادون قرمز شفاف به موج بلند، که در اپتیک مادون قرمز استفاده می شود.
ثابت دی الکتریک - 1.17؛
سختی در مقیاس Mohs - 7.

خواص الکتریکی یک نافلز به شدت به ناخالصی ها بستگی دارد. در صنعت از این ویژگی با تعدیل نوع نیمه هادی مورد نظر استفاده می شود. در دماهای معمولی، سیلیکون شکننده است، اما وقتی بالای 800 درجه سانتیگراد گرم شود، تغییر شکل پلاستیک ممکن است.

خواص سیلیکون آمورف به طور قابل توجهی متفاوت است: بسیار مرطوب است و حتی در دماهای معمولی بسیار فعال تر واکنش نشان می دهد.

ساختار و ترکیب شیمیایی و همچنین خواص سیلیکون در ویدئوی زیر مورد بحث قرار گرفته است:

ترکیب و ساختار

سیلیکون به دو شکل آلوتروپیک وجود دارد که در دماهای معمولی به یک اندازه پایدار هستند.

کریستالظاهر یک پودر خاکستری تیره دارد. این ماده، اگرچه دارای یک شبکه کریستالی الماس مانند است، اما به دلیل پیوندهای بیش از حد طولانی بین اتم ها، شکننده است. ویژگی های نیمه هادی آن قابل توجه است.
در فشارهای بسیار بالا می توانید دریافت کنید شش ضلعیاصلاح با چگالی 2.55 g/cu. با این حال، این مرحله هنوز اهمیت عملی پیدا نکرده است.
بی شکل- پودر قهوه ای قهوه ای. بر خلاف شکل کریستالی، واکنش بسیار فعالتری نشان می دهد. این به دلیل بی اثر بودن شکل اول نیست، بلکه به این دلیل است که در هوا این ماده با یک لایه دی اکسید پوشیده شده است.

علاوه بر این، لازم است نوع دیگری از طبقه بندی مربوط به اندازه کریستال سیلیکون را در نظر گرفت که با هم ماده را تشکیل می دهند. شبکه کریستالی، همانطور که شناخته شده است، نه تنها نظم اتم ها، بلکه همچنین ساختارهایی را که این اتم ها تشکیل می دهند - به اصطلاح نظم دوربرد، پیش فرض می گیرد. هرچه بزرگتر باشد، خواص ماده همگن تر خواهد بود.

تک کریستالی- نمونه یک کریستال است. ساختار آن حداکثر مرتب شده است، خواص آن همگن و به خوبی قابل پیش بینی است. این ماده ای است که بیشترین تقاضا را در مهندسی برق دارد. با این حال، از آنجایی که فرآیند به دست آوردن آن پیچیده و سرعت رشد پایین است، یکی از گران ترین گونه ها نیز می باشد.
چند کریستالی- نمونه از تعدادی دانه بلوری بزرگ تشکیل شده است. مرزهای بین آنها سطوح نقص اضافی را تشکیل می دهد که عملکرد نمونه را به عنوان یک نیمه هادی کاهش می دهد و منجر به سایش سریعتر می شود. فن آوری برای رشد چند بلور ساده تر است، و بنابراین مواد ارزان تر است.
پلی کریستال- شامل تعداد زیادی دانه است که به طور تصادفی نسبت به یکدیگر قرار گرفته اند. این خالص ترین نوع سیلیکون صنعتی است که در میکروالکترونیک و انرژی خورشیدی استفاده می شود. اغلب به عنوان ماده خام برای رشد کریستال های چند و تک استفاده می شود.
سیلیکون آمورف نیز در این طبقه بندی جایگاه جداگانه ای را اشغال می کند. در اینجا ترتیب اتم ها فقط در کوتاه ترین فاصله ها حفظ می شود. با این حال، در مهندسی برق هنوز هم به صورت لایه های نازک استفاده می شود.

تولید غیر فلزی

با توجه به بی اثر بودن ترکیبات آن و نقطه ذوب بالای اکثر آنها، بدست آوردن سیلیکون خالص چندان آسان نیست. در صنعت، آنها اغلب به کاهش با کربن از دی اکسید متوسل می شوند. این واکنش در کوره های قوس الکتریکی در دمای 1800 درجه سانتیگراد انجام می شود و به این ترتیب نافلزی با خلوص 99.9 درصد به دست می آید که برای استفاده از آن کافی نیست.

ماده به دست آمده برای تولید کلریدها و هیدروکلرایدها کلر می شود. سپس ترکیبات با تمام روش های ممکن از ناخالصی ها خالص شده و با هیدروژن احیا می شوند.

این ماده را می توان با به دست آوردن سیلیسید منیزیم نیز خالص کرد. سیلیسید در معرض اسید کلریدریک یا استیک قرار می گیرد. سیلان به دست می آید و دومی با روش های مختلف - جذب، تصحیح و غیره خالص می شود. سپس سیلان در دمای 1000 درجه سانتیگراد به هیدروژن و سیلیکون تجزیه می شود. در این حالت ماده ای با کسر ناخالصی 10 -8 -10 -6٪ به دست می آید.

کاربرد ماده

برای صنعت، ویژگی های الکتروفیزیکی یک نافلز بیشترین علاقه را دارد. شکل تک کریستالی آن یک نیمه هادی شکاف غیر مستقیم است. خواص آن توسط ناخالصی ها تعیین می شود که به دست آوردن کریستال های سیلیکون با خواص مشخص را امکان پذیر می کند. بنابراین، افزودن بور و ایندیم امکان رشد کریستالی با رسانایی سوراخ را فراهم می کند و ورود فسفر یا آرسنیک امکان رشد کریستالی با رسانایی الکترونیکی را فراهم می کند.

سیلیکون به معنای واقعی کلمه اساس مهندسی برق مدرن است. ترانزیستورها، فتوسل ها، مدارهای مجتمع، دیودها و غیره از آن ساخته می شوند. علاوه بر این، عملکرد دستگاه تقریباً همیشه فقط توسط لایه نزدیک به سطح کریستال تعیین می شود که الزامات بسیار خاصی را برای درمان سطح تعیین می کند.
در متالورژی، سیلیکون فنی هم به عنوان اصلاح کننده آلیاژ استفاده می شود - استحکام بیشتری می بخشد و هم به عنوان یک جزء - به عنوان مثال و به عنوان یک عامل اکسید کننده - در تولید چدن.
مواد متالورژی فوق خالص و خالص اساس انرژی خورشیدی را تشکیل می دهند.
دی اکسید غیر فلزی در طبیعت به اشکال مختلف وجود دارد. انواع کریستالی آن - عقیق، عقیق، کارنلین، آمتیست، کریستال سنگ - جای خود را در جواهرات پیدا کرده اند. تغییراتی که در ظاهر چندان جذاب نیستند - سنگ چخماق، کوارتز - در متالورژی، ساخت و ساز و رادیو الکترونیک استفاده می شوند.
ترکیبی از یک غیر فلز با کربن، کاربید، در متالورژی، ابزارسازی و صنایع شیمیایی استفاده می شود. این یک نیمه هادی با شکاف گسترده است که با سختی بالا - 7 در مقیاس Mohs و استحکام مشخص می شود که به آن اجازه می دهد به عنوان یک ماده ساینده استفاده شود.
سیلیکات ها - یعنی نمک های اسید سیلیسیک. ناپایدار، به راحتی تحت تأثیر دما تجزیه می شود. ویژگی قابل توجه آنها این است که نمک های متعدد و متنوعی را تشکیل می دهند. اما موارد اخیر مبنای تولید شیشه، سرامیک، سفال، کریستال و غیره هستند. به جرات می توان گفت که ساخت و ساز مدرن بر اساس انواع سیلیکات ها است.
شیشه جالب ترین مورد را در اینجا نشان می دهد. اساس آن آلومینوسیلیکات ها است، اما افزودنی های ناچیز سایر مواد - معمولاً اکسیدها - به مواد خواص مختلفی از جمله رنگ می دهد. -، سفالی، چینی، در واقع فرمول یکسانی دارد، البته با نسبت اجزای متفاوت و تنوع آن نیز شگفت انگیز است.
غیرفلز یک توانایی دیگر هم دارد: ترکیباتی مانند ترکیبات کربنی به شکل زنجیره بلندی از اتم های سیلیکون. چنین ترکیباتی را ترکیبات ارگانوسیلیسیون می نامند. دامنه کاربرد آنها کمتر شناخته شده نیست - اینها سیلیکون ها، درزگیرها، روان کننده ها و غیره هستند.

سیلیکون یک عنصر بسیار رایج است و در بسیاری از زمینه‌های اقتصاد ملی از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است. علاوه بر این، نه تنها خود ماده، بلکه از تمام ترکیبات مختلف و متعدد آن به طور فعال استفاده می شود.

این ویدیو در مورد خواص و کاربردهای سیلیکون به شما می گوید:

سیلیکون در سال 1823 توسط شیمیدان سوئدی ینس یاکوب برزلیوس کشف و به دست آمد.

دومین عنصر فراوان در پوسته زمین پس از اکسیژن (27.6 درصد جرمی). در ترکیبات یافت می شود.

ساختار یک اتم سیلیکون در حالت پایه

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

ساختار یک اتم سیلیکون در حالت برانگیخته

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

حالت های اکسیداسیون: +4، -4.

آلوتروپی سیلیکون

سیلیکون آمورف و کریستالی شناخته شده است.

سیلیکون پلی کریستالی

کریستال - ماده خاکستری تیره با درخشش فلزی، سختی بالا، شکننده، نیمه هادی. ρ = 2.33 g/cm 3، t°pl. =1415 درجه سانتیگراد; جوشاندن = 2680 درجه سانتی گراد

ساختاری شبیه الماس دارد و پیوندهای کووالانسی قوی ایجاد می کند. بی اثر.

بی شکل - پودر قهوه ای، رطوبت سنجی، ساختار الماس مانند، ρ = 2 g/cm 3، واکنش پذیرتر.

گرفتن سیلیکون

1) صنعت - حرارت دادن زغال سنگ با ماسه:

2C + SiO 2 t ˚ → Si + 2CO

2) آزمایشگاه - حرارت دادن ماسه با منیزیم:

آزمایش 2Mg + SiO 2 t ˚ → Si + 2MgO

خواص شیمیایی

یک غیر فلزی معمولی، بی اثر.

به عنوان یک عامل کاهش دهنده:

1) با اکسیژن

Si 0 + O 2 t ˚ → Si +4 O 2

2) با فلوئور (بدون حرارت)

Si 0 + 2F 2 → SiF 4

3) با کربن

Si 0 + C t ˚ → Si +4 C

(SiC - carborundum - سخت؛ برای اشاره و سنگ زنی استفاده می شود)

4) با هیدروژن برهمکنش ندارد.

سیلان (SiH 4) از تجزیه سیلیسیدهای فلزی با اسید به دست می آید:

Mg 2 Si + 2H 2 SO 4 → SiH 4 + 2MgSO 4

5) با اسیدها واکنش نمی دهد (تیفقط با اسید هیدروفلوریک سی+4 HF= SiF 4 +2 اچ 2 )

فقط در مخلوطی از اسیدهای نیتریک و هیدروفلوئوریک حل می شود:

3Si + 4HNO3 + 18HF → 3H2 + 4NO + 8H2O

6) با مواد قلیایی (هنگام گرم شدن):

به عنوان یک عامل اکسید کننده:

7) با فلزات (سیلیسیدها تشکیل می شوند):

Si 0 + 2Mg t˚ →Mg 2 Si -4

سیلیکون به طور گسترده در الکترونیک به عنوان نیمه هادی استفاده می شود. افزودن سیلیکون به آلیاژها باعث افزایش مقاومت در برابر خوردگی آنها می شود. سیلیکات ها، آلومینوسیلیکات ها و سیلیس مواد اولیه اصلی برای تولید شیشه و سرامیک و همچنین برای صنعت ساختمان هستند.
سیلیکون در تکنولوژی
کاربرد سیلیکون و ترکیبات آن

سیلان - SiH 4

مشخصات فیزیکی: گاز بی رنگ، سمی، mp. = -185 درجه سانتیگراد، درجه جوش. = -112 درجه سانتیگراد.

تهیه اسید سیلیسیک

اثر اسیدهای قوی بر سیلیکات ها - Na 2 SiO 3 + 2HCl → 2NaCl + H 2 SiO 3 ↓

خواص شیمیایی:

هنگامی که گرم می شود، تجزیه می شود: H 2 SiO 3 t ˚ → H 2 O + SiO 2

نمک های اسید سیلیسیک - سیلیکات ها.

1) با اسیدها

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

2) با نمک

Na 2 SiO 3 + CaCl 2 = 2 NaCl + CaSiO 3 ↓

3) سیلیکات های تشکیل دهنده مواد معدنی در شرایط طبیعی تحت تأثیر آب و مونوکسید کربن (IV) از بین می روند - هوازدگی سنگ ها:

(K 2 O Al 2 O 3 6SiO 2) (فلدسپات) + CO 2 + 2H 2 O → (Al 2 O 3 2SiO 2 2H 2 O) (کائولینیت (رس)) + 4SiO 2 (سیلیکا (ماسه)) + K2CO3

کاربرد ترکیبات سیلیکون

ترکیبات سیلیکونی طبیعی - ماسه (SiO 2) و سیلیکات ها برای تولید سرامیک، شیشه و سیمان استفاده می شود.

سرامیک

ظروف چینی= کائولن + خاک رس + کوارتز + فلدسپات. زادگاه چینی چین است، جایی که چینی قبلاً در سال 220 شناخته شده بود. در سال 1746 تولید چینی در روسیه تأسیس شد.

فیانس -از نام شهر ایتالیایی فانزا. جایی که صنعت سرامیک در قرن 14 و 15 توسعه یافت. تفاوت ظروف سفالی با ظروف چینی در محتوای رسی بالاتر (85%) و دمای پخت کمتر.

سیلیکون (Si) یک غیر فلز است که از نظر ذخایر و حضور روی زمین بعد از اکسیژن در رتبه دوم قرار دارد (25.8٪ در پوسته زمین). عملاً هرگز به شکل خالص آن یافت نمی شود و عمدتاً به شکل ترکیبات روی کره زمین وجود دارد.

ویژگی های سیلیکون

مشخصات فیزیکی

سیلیکون ماده ای شکننده و خاکستری روشن با رنگ فلزی یا ماده پودری قهوه ای است. ساختار کریستال سیلیکون شبیه الماس است، اما به دلیل تفاوت در طول پیوند بین اتم ها، سختی الماس بسیار بیشتر است.

سیلیکون یک فلز غیر فلزی است که به تابش الکترومغناطیسی دسترسی دارد. به دلیل برخی ویژگی ها در وسط بین غیر فلزات و فلزات قرار می گیرد:

هنگامی که دما به 800 درجه سانتیگراد افزایش می یابد، انعطاف پذیر و پلاستیکی می شود.

هنگامی که تا 1417 درجه سانتیگراد گرم می شود ذوب می شود.

در دمای بالاتر از 2600 درجه سانتیگراد شروع به جوشیدن می کند.

چگالی را در فشار بالا تغییر می دهد.

این خاصیت مغناطیسی شدن در جهت میدان مغناطیسی خارجی (دیامغناطیس) را دارد.

سیلیکون یک نیمه هادی است و ناخالصی های موجود در آلیاژهای آن ویژگی های الکتریکی ترکیبات آینده را تعیین می کند.

خواص شیمیایی

هنگامی که سیلیس گرم می شود، با اکسیژن، برم، ید، نیتروژن، کلر و فلزات مختلف واکنش می دهد. هنگامی که با کربن ترکیب می شود، آلیاژهای سخت با مقاومت حرارتی و شیمیایی به دست می آید.

سیلیکون به هیچ وجه با هیدروژن واکنش نمی دهد، بنابراین تمام مخلوط های ممکن با آن به روشی متفاوت به دست می آیند.

در شرایط عادی با همه مواد به جز گاز فلوئور ضعیف واکنش نشان می دهد. سیلیکون تترا فلوراید SiF4 با آن تشکیل می شود. این عدم فعالیت با این واقعیت توضیح داده می شود که در اثر واکنش با اکسیژن، آب، بخار و هوا، لایه ای از دی اکسید سیلیکون روی سطح غیرفلز تشکیل می شود و آن را می پوشاند. بنابراین، اثر شیمیایی کند و ناچیز است.

برای حذف این لایه از مخلوط اسیدهای هیدروفلوئوریک و نیتریک یا محلول های آبی قلیایی استفاده کنید. برخی از مایعات ویژه برای این کار نیاز به افزودن انیدرید کروم و سایر مواد دارند.

یافتن سیلیکون در طبیعت

سیلیکون برای زمین به اندازه کربن برای گیاهان و حیوانات مهم است. پوسته آن تقریباً نیمی از اکسیژن است و اگر سیلیکون را به آن اضافه کنید 80٪ جرم را بدست می آورید. این اتصال برای حرکت عناصر شیمیایی بسیار مهم است.

75 درصد از لیتوسفر حاوی نمک های مختلف اسیدهای سیلیسیک و مواد معدنی (شن، کوارتزیت، سنگ چخماق، میکا، فلدسپات و غیره) است. در طی تشکیل ماگما و سنگ های آذرین مختلف، سی در گرانیت ها و سنگ های اولترامافیک (پلوتونیک و آتشفشانی) تجمع می یابد.

1 گرم سیلیکون در بدن انسان وجود دارد. بیشتر در استخوان ها، تاندون ها، پوست و مو، غدد لنفاوی، آئورت و نای یافت می شود. در رشد بافت های همبند و استخوانی نقش دارد و همچنین خاصیت ارتجاعی رگ های خونی را حفظ می کند.

میزان مصرف روزانه برای بزرگسالان 5 تا 20 میلی گرم است. بیش از حد باعث سیلیکوزیس می شود.

کاربردهای سیلیکون در صنعت

این غیر فلز از عصر حجر برای انسان شناخته شده است و امروزه نیز به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد.

کاربرد:

این یک عامل کاهنده خوب است، بنابراین در متالورژی برای تولید فلزات استفاده می شود.

تحت شرایط خاصی، سیلیکون می تواند جریان الکتریسیته را هدایت کند، به همین دلیل است که از آن در الکترونیک استفاده می شود.

از اکسید سیلیکون در ساخت شیشه ها و مواد سیلیکات استفاده می شود.

برای تولید دستگاه های نیمه هادی از آلیاژهای خاصی استفاده می شود.

نامگذاری - Si (سیلیکون)؛
دوره - III;
گروه - 14 (IVa);
جرم اتمی - 28.0855;
عدد اتمی - 14;
شعاع اتمی = 132 pm;
شعاع کووالانسی = 111 pm;
توزیع الکترون - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 ;
دمای ذوب = 1412 درجه سانتیگراد;
نقطه جوش = 2355 درجه سانتیگراد؛
الکترونگاتیوی (طبق نظر پاولینگ/طبق نظر آلپرد و روچو) = 1.90/1.74;
حالت اکسیداسیون: +4، +2، 0، -4.
چگالی (شماره) = 2.33 گرم بر سانتی متر مکعب؛
حجم مولی = 12.1 سانتی متر 3 / مول.

ترکیبات سیلیکونی:

سیلیکون برای اولین بار به شکل خالص خود در سال 1811 جدا شد (فرانسوی J. L. Gay-Lussac و L. J. Tenard). سیلیکون عنصری خالص در سال 1825 (سوئدی J. J. Berzelius) بدست آمد. این عنصر شیمیایی نام خود را "سیلیکون" (از یونانی باستان به عنوان کوه ترجمه شده است) در سال 1834 دریافت کرد (شیمیدان روسی G. I. Hess).

سیلیکون رایج ترین (بعد از اکسیژن) عنصر شیمیایی روی زمین است (محتوای پوسته زمین 28 تا 29 درصد وزنی است). در طبیعت، سیلیکون اغلب به شکل سیلیس (ماسه، کوارتز، سنگ چخماق، فلدسپات) و همچنین در سیلیکات ها و آلومینوسیلیکات ها وجود دارد. سیلیکون در شکل خالص خود بسیار کمیاب است. بسیاری از سیلیکات های طبیعی به شکل خالص خود سنگ های قیمتی هستند: زمرد، توپاز، آکواماری - همه اینها سیلیکون است. اکسید سیلیکون کریستالی خالص (IV) به شکل کریستال سنگ و کوارتز وجود دارد. اکسید سیلیکون، که حاوی ناخالصی های مختلف است، سنگ های قیمتی و نیمه قیمتی - آمتیست، عقیق، یاس را تشکیل می دهد.

برنج. ساختار اتم سیلیکون

پیکربندی الکترونیکی سیلیکون 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 است (به ساختار الکترونیکی اتم ها مراجعه کنید). در سطح انرژی بیرونی، سیلیکون دارای 4 الکترون است: 2 الکترون جفت شده در سطح فرعی 3s + 2 جفت نشده در اوربیتال های p. هنگامی که یک اتم سیلیکون به حالت برانگیخته تبدیل می شود، یک الکترون از زیرسطح s جفت خود را "ترک" می کند و به سمت زیرسطح p حرکت می کند، جایی که یک اوربیتال آزاد وجود دارد. بنابراین، در حالت برانگیخته، پیکربندی الکترونیکی اتم سیلیکون به شکل زیر است: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3.

برنج. انتقال اتم سیلیکون به حالت برانگیخته.

بنابراین، سیلیکون در ترکیبات می تواند ظرفیت 4 (اغلب) یا 2 (به ظرفیت رجوع کنید) از خود نشان دهد. سیلیکون (و همچنین کربن)، در واکنش با عناصر دیگر، پیوندهای شیمیایی تشکیل می دهد که در آن می تواند الکترون های خود را رها کند و آنها را بپذیرد، اما توانایی پذیرش الکترون در اتم های سیلیکون کمتر از اتم های کربن است، زیرا سیلیکون بزرگتر است. اتم

حالت های اکسیداسیون سیلیکون:

-4 : SiH 4 (سیلان)، Ca 2 Si، Mg 2 Si (سیلیکات های فلزی);
+4 - پایدارترین: SiO 2 (اکسید سیلیکون)، H 2 SiO 3 (اسید سیلیسیک)، سیلیکات ها و هالیدهای سیلیکون؛
0 : Si (ماده ساده)

سیلیکون به عنوان یک ماده ساده

سیلیکون یک ماده کریستالی خاکستری تیره با درخشندگی فلزی است. سیلیکون کریستالییک نیمه هادی است.

سیلیکون تنها یک تغییر آلوتروپیک شبیه به الماس ایجاد می کند، اما نه به آن قوی، زیرا پیوندهای Si-Si به اندازه مولکول کربن الماس قوی نیستند (به الماس مراجعه کنید).

سیلیکون آمورف- پودر قهوه ای، با نقطه ذوب 1420 درجه سانتی گراد.

سیلیکون کریستالی از سیلیسیم آمورف از طریق تبلور مجدد به دست می آید. برخلاف سیلیکون آمورف که یک ماده شیمیایی نسبتاً فعال است، سیلیکون کریستالی از نظر برهمکنش با سایر مواد بی اثرتر است.

ساختار شبکه کریستالی سیلیکون ساختار الماس را تکرار می کند - هر اتم توسط چهار اتم دیگر که در راس یک چهار وجهی قرار دارند احاطه شده است. اتم ها توسط پیوندهای کووالانسی که به اندازه پیوندهای کربنی در الماس قوی نیستند، کنار هم نگه داشته می شوند. به همین دلیل، حتی در هیچ. برخی از پیوندهای کووالانسی در سیلیکون کریستالی شکسته می شوند و در نتیجه مقداری الکترون آزاد می شوند و باعث می شود سیلیکون رسانایی الکتریکی کمی داشته باشد. با گرم شدن سیلیکون، در نور یا زمانی که ناخالصی های خاصی به آن اضافه می شود، تعداد پیوندهای کووالانسی شکسته افزایش می یابد که در نتیجه تعداد الکترون های آزاد افزایش می یابد و در نتیجه رسانایی الکتریکی سیلیکون نیز افزایش می یابد.

خواص شیمیایی سیلیکون

سیلیکون نیز مانند کربن، بسته به ماده ای که با چه ماده ای واکنش می دهد، می تواند هم عامل کاهنده و هم عامل اکسید کننده باشد.

در شماره سیلیکون فقط با فلوئور برهمکنش می‌کند، که با شبکه کریستالی نسبتاً قوی سیلیکون توضیح داده می‌شود.

سیلیکون با کلر و برم در دمای بیش از 400 درجه سانتیگراد واکنش می دهد.

سیلیکون تنها در دماهای بسیار بالا با کربن و نیتروژن برهمکنش دارد.

در واکنش با نافلزات، سیلیکون به عنوان عمل می کند عامل کاهنده:
- در شرایط عادی، از غیر فلزات، سیلیکون فقط با فلوئور واکنش می دهد و هالید سیلیکون را تشکیل می دهد:
  Si + 2F 2 = SiF 4
- در دماهای بالا، سیلیکون با کلر (400 درجه سانتیگراد)، اکسیژن (600 درجه سانتیگراد)، نیتروژن (1000 درجه سانتیگراد)، کربن (2000 درجه سانتیگراد) واکنش می دهد:
  - Si + 2Cl 2 = SiCl 4 - هالید سیلیکون.
  - Si + O 2 = SiO 2 - اکسید سیلیکون.
  - 3Si + 2N 2 = Si 3 N 4 - نیترید سیلیکون.
  - Si + C = SiC - کاربوراندوم (سیلیکون کاربید)
در واکنش با فلزات، سیلیکون است عامل اکسید کننده(شکل گرفت سالیدی ها:
Si + 2Mg = Mg 2 Si
در واکنش‌هایی با محلول‌های غلیظ قلیایی، سیلیکون با آزاد شدن هیدروژن واکنش می‌دهد و نمک‌های محلول اسید سیلیسیک را تشکیل می‌دهد. سیلیکات ها:
Si + 2NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 2H 2
سیلیکون با اسیدها واکنش نمی دهد (به جز HF).

تهیه و استفاده از سیلیکون

تهیه سیلیکون:

در آزمایشگاه - از سیلیس (آلومینیوم درمانی):
3SiO 2 + 4Al = 3Si + 2Al 2 O 3
در صنعت - با احیای اکسید سیلیکون با کک (سیلیکون از نظر فنی خالص) در دمای بالا:
SiO 2 + 2C = Si + 2CO
خالص ترین سیلیکون از احیای تتراکلرید سیلیکون با هیدروژن (روی) در دمای بالا بدست می آید:
SiCl 4 + 2H 2 = Si + 4HCl

کاربرد سیلیکون:

تولید عناصر رادیویی نیمه هادی؛
به عنوان افزودنی های متالورژیکی در تولید ترکیبات مقاوم در برابر حرارت و مقاوم در برابر اسید؛
در تولید فتوسل برای باتری های خورشیدی؛
به عنوان یکسو کننده های AC

سی پی یو؟ شن؟ چه ارتباطی با این کلمه دارید؟ یا شاید سیلیکون ولی؟
به هر حال ما هر روز با سیلیکون مواجه می شویم و اگر علاقه مندید که بدانید سی چیست و با چه چیزی خورده می شود به گربه مراجعه کنید.

معرفی

به عنوان دانشجوی یکی از دانشگاه های مسکو با تخصص در نانومواد، می خواستم شما خواننده عزیز را با مهمترین عناصر شیمیایی سیاره ما آشنا کنم. من زمان زیادی را صرف انتخاب محل شروع، کربن یا سیلیکون کردم، و همچنان تصمیم گرفتم در Si متوقف شوم، زیرا قلب هر گجت مدرن، البته به اصطلاح، بر اساس آن است. من سعی خواهم کرد افکارم را به روشی بسیار ساده و در دسترس بیان کنم، با نوشتن این مطالب، عمدتاً روی افراد مبتدی حساب می کردم، اما افراد پیشرفته تر نیز می توانند چیزهای جالبی را یاد بگیرند صرفاً برای وسعت بخشیدن به افق علاقه مندان نوشته شده است. پس بیایید شروع کنیم.

سیلیسیم

سیلیسیم (lat. Silicium)، Si، عنصر شیمیایی گروه IV از سیستم تناوبی مندلیف. عدد اتمی 14، جرم اتمی 28.086.
در طبیعت، این عنصر با سه ایزوتوپ پایدار نشان داده می شود: 28Si (92.27٪)، 29Si (4.68٪) و 30Si (3.05٪).
چگالی (در تعداد) 2.33 g/cm³
نقطه ذوب 1688 K

پودر سی

مرجع تاریخی

ترکیبات سیلیکونی که در روی زمین گسترده شده اند، از عصر حجر برای انسان شناخته شده اند. استفاده از ابزار سنگی برای کار و شکار برای چندین هزار سال ادامه یافت. استفاده از ترکیبات سیلیکونی مرتبط با فرآوری آنها - تولید شیشه - در حدود 3000 سال قبل از میلاد آغاز شد. ه. (در مصر باستان). اولین ترکیب سیلیکونی شناخته شده اکسید SiO2 (سیلیکا) است. در قرن هجدهم سیلیس به عنوان یک جامد ساده در نظر گرفته می شد و به عنوان "زمین" طبقه بندی می شد (همانطور که در نام آن منعکس شده است). پیچیدگی ترکیب سیلیس توسط I. Ya. برای اولین بار، در سال 1825، او سیلیکون عنصری را از سیلیکون فلوراید SiF4 به دست آورد و دومی را با فلز پتاسیم کاهش داد. عنصر جدید نام "سیلیکون" (از لاتین silex - سنگ چخماق) داده شد. نام روسی توسط G. I. Hess در سال 1834 معرفی شد.

سیلیکون در طبیعت به عنوان بخشی از ماسه معمولی بسیار رایج است.

توزیع سیلیکون در طبیعت

سیلیکون دومین عنصر فراوان در پوسته زمین (پس از اکسیژن) است که میانگین محتوای آن در لیتوسفر 29.5٪ (بر حسب جرم) است. در پوسته زمین، سیلیکون همان نقش اصلی کربن را در دنیای حیوانات و گیاهان ایفا می کند. برای ژئوشیمی سیلیکون، ارتباط بسیار قوی آن با اکسیژن مهم است. حدود 12 درصد از لیتوسفر را سیلیس SiO2 به شکل کوارتز معدنی و انواع آن تشکیل می دهد. 75 درصد لیتوسفر از سیلیکات ها و آلومینوسیلیکات های مختلف (فلدسپات ها، میکاها، آمفیبول ها و غیره) تشکیل شده است. تعداد کل مواد معدنی حاوی سیلیس بیش از 400 است.

خواص فیزیکی سیلیکون

من فکر می کنم هیچ فایده ای برای اقامت در اینجا وجود ندارد، همه ویژگی های فیزیکی به رایگان در دسترس هستند، اما من ابتدایی ترین آنها را لیست می کنم.
نقطه جوش 2600 درجه سانتی گراد
سیلیکون نسبت به پرتوهای مادون قرمز موج بلند شفاف است
ثابت دی الکتریک 11.7
سختی سیلیکون Mohs 7.0
من می خواهم بگویم که سیلیکون یک ماده شکننده است.
سیلیکون یک نیمه هادی است، به همین دلیل است که به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد. خواص الکتریکی سیلیکون بسیار به ناخالصی ها بستگی دارد.

خواص شیمیایی سیلیکون

البته در اینجا چیزهای زیادی می توان گفت، اما من روی جالب ترین آنها تمرکز می کنم. در ترکیبات Si (مشابه کربن) 4-والنتن.
در هوا، سیلیکون حتی در دماهای بالا به دلیل تشکیل یک لایه اکسید محافظ پایدار است. در اکسیژن با شروع در دمای 400 درجه سانتیگراد اکسید می شود و اکسید سیلیکون (IV) SiO2 را تشکیل می دهد.
سیلیکون در برابر اسیدها مقاوم است و فقط در مخلوطی از اسیدهای نیتریک و هیدروفلوریک حل می شود و با آزاد شدن هیدروژن به راحتی در محلول های قلیایی داغ حل می شود.
سیلیکون 2 گروه سیلان های حاوی اکسیژن را تشکیل می دهد - سیلوکسان ها و سیلوکسن ها. سیلیکون در دمای بالای 1000 درجه سانتیگراد با نیتروژن واکنش می دهد، نیترید Si3N4 که در هوا حتی در دمای 1200 درجه سانتیگراد اکسید نمی شود، در برابر اسیدها (به جز نیتریک) و قلیاها و همچنین فلزات مذاب مقاوم است. سرباره، که آن را ماده ای ارزشمند برای صنایع شیمیایی و همچنین برای تولید مواد نسوز می کند. ترکیبات سیلیکونی با کربن (سیلیکون کاربید SiC) و بور (SiB3، SiB6، SiB12) با سختی بالا و همچنین مقاومت حرارتی و شیمیایی مشخص می شوند.

بدست آوردن سیلیکون

من فکر می کنم این جالب ترین بخش است، بیایید اینجا را دقیق تر نگاه کنیم.
بسته به هدف وجود دارد:
1. سیلیکون با کیفیت الکترونیکی(به اصطلاح "سیلیکون الکترونیکی") - بالاترین کیفیت سیلیکون با محتوای سیلیکون بیش از 99.999٪ وزنی، مقاومت الکتریکی سیلیکون با کیفیت الکترونیکی می تواند در محدوده تقریباً 0.001 تا 150 اهم سانتی متر باشد، اما مقدار مقاومت باید به طور انحصاری از یک ناخالصی خاص اطمینان حاصل شود، یعنی ورود ناخالصی های دیگر به کریستال، حتی اگر مقاومت الکتریکی مشخصی را ایجاد کنند، معمولاً غیرقابل قبول است.
2. سیلیکون درجه خورشیدی(به اصطلاح "سیلیکون خورشیدی") - سیلیکون با محتوای سیلیکون بیش از 99.99٪ وزنی که برای تولید مبدل های فتوولتائیک (باتری های خورشیدی) استفاده می شود.

3. سیلیکون فنی- بلوک های سیلیکونی ساختار پلی کریستالی که با احیای کربوترمیک از ماسه کوارتز خالص به دست می آیند. حاوی 98٪ سیلیکون است، ناخالصی اصلی کربن است که با محتوای بالای عناصر آلیاژی - بور، فسفر، آلومینیوم مشخص می شود. عمدتا برای تولید سیلیکون پلی کریستالی استفاده می شود.

سیلیکون خلوص فنی (95-98٪) در یک قوس الکتریکی با کاهش سیلیس SiO2 بین الکترودهای گرافیتی به دست می آید. در ارتباط با توسعه فناوری نیمه هادی ها، روش هایی برای تولید سیلیکون خالص و بسیار خالص ابداع شده است. این امر مستلزم سنتز اولیه خالص ترین ترکیبات اولیه سیلیکون است که سیلیکون از طریق کاهش یا تجزیه حرارتی استخراج می شود.
سیلیکون پلی کریستالی ("پلی سیلیکون") خالص ترین شکل سیلیکون تولید شده به صورت صنعتی است - یک محصول نیمه تمام که با خالص سازی سیلیکون فنی با استفاده از روش های کلرید و فلوراید به دست می آید و برای تولید سیلیکون تک و چند کریستالی استفاده می شود.
به طور سنتی، سیلیکون پلی کریستالی از سیلیکون فنی با تبدیل آن به سیلان‌های فرار (مونوسیلان، کلروسیلان‌ها، فلوروسیلان‌ها) با جداسازی بعدی سیلان‌های حاصل، خالص‌سازی سیلان انتخابی و احیای سیلان به سیلیکون فلزی به دست می‌آید.
سیلیکون نیمه هادی خالص به دو صورت بدست می آید: پلی کریستالی(کاهش SiCl4 یا SiHCl3 با روی یا هیدروژن، تجزیه حرارتی SiI4 و SiH4) و تک کریستالی(ذوب منطقه بدون بوته و "کشیدن" یک کریستال از سیلیکون مذاب - روش Czochralski).

در اینجا می توانید روند رشد سیلیکون به روش Czochralski را مشاهده کنید.

روش چوکرالسکی- روشی برای رشد کریستال ها با کشیدن آنها از سطح آزاد حجم زیادی از مذاب به سمت بالا با شروع تبلور با قرار دادن یک کریستال دانه (یا چندین کریستال) با ساختار مشخص و جهت کریستالوگرافی در تماس با سطح آزاد مذاب. ذوب شدن.

کاربرد سیلیکون

سیلیکون دوپ شده به طور گسترده به عنوان ماده ای برای ساخت دستگاه های نیمه هادی (ترانزیستورها، ترمیستورها، یکسو کننده های قدرت، تریستورها؛ سلول های فتوولتائیک خورشیدی مورد استفاده در فضاپیماها و همچنین بسیاری از چیزهای دیگر) استفاده می شود.
از آنجایی که سیلیکون در برابر پرتوهای با طول موج 1 تا 9 میکرون شفاف است، در اپتیک مادون قرمز استفاده می شود.
سیلیکون کاربردهای متنوع و گسترده ای دارد. در متالورژی Si
برای حذف اکسیژن محلول در فلزات مذاب (اکسیداسیون) استفاده می شود.
سیلیکون جزء تعداد زیادی آلیاژ آهن و فلزات غیرآهنی است.
به طور معمول، سیلیکون به آلیاژها مقاومت بیشتری در برابر خوردگی می دهد، خواص ریخته گری آنها را بهبود می بخشد و استحکام مکانیکی را افزایش می دهد. با این حال، در سطوح بالاتر سیلیکون می تواند باعث شکنندگی شود.
مهمترین آنها آلیاژهای آهن، مس و آلومینیوم حاوی سیلیکون است.
سیلیس توسط صنایع شیشه، سیمان، سرامیک، برق و سایر صنایع فرآوری می شود.
سیلیکون فوق‌العاده خالص عمدتاً برای تولید دستگاه‌های الکترونیکی منفرد (مثلاً پردازنده رایانه شما) و ریزمدارهای تک تراشه استفاده می‌شود.
سیلیکون خالص، ضایعات سیلیکونی فوق‌العاده خالص، سیلیکون متالورژیکی خالص شده به شکل سیلیکون کریستالی مواد اولیه اصلی انرژی خورشیدی هستند.
سیلیکون تک کریستالی - علاوه بر الکترونیک و انرژی خورشیدی، برای ساخت آینه های لیزری گازی استفاده می شود.

سیلیکون فوق خالص و محصولات آن

سیلیکون در بدن

سیلیکون به شکل ترکیبات مختلفی در بدن یافت می شود که عمدتاً در تشکیل قطعات و بافت های اسکلتی سخت نقش دارند. برخی از گیاهان دریایی (به عنوان مثال، دیاتوم ها) و حیوانات (به عنوان مثال، اسفنج های سیلیسی، رادیولاریان ها) می توانند مقادیر زیادی سیلیکون را جمع آوری کنند و در هنگام مرگ در کف اقیانوس رسوبات غلیظی از اکسید سیلیکون (IV) را تشکیل دهند. در دریاها و دریاچه‌های سرد، لجن‌های بیوژنیک غنی‌شده با سیلیکون در دریاهای استوایی غالب هستند. در میان گیاهان خشکی‌زی، غلات، خارپشت‌ها، درختان خرما و دم اسب‌ها مقدار زیادی سیلیکون جمع‌آوری می‌کنند. در مهره داران، محتوای اکسید سیلیکون (IV) در مواد خاکستر 0.1-0.5٪ است. سیلیکون در بیشترین مقدار در بافت همبند متراکم، کلیه ها و پانکراس یافت می شود. رژیم غذایی روزانه انسان حاوی 1 گرم سیلیکون است. هنگامی که مقدار زیادی گرد و غبار اکسید سیلیکون (IV) در هوا وجود داشته باشد، وارد ریه های انسان شده و باعث بیماری سیلیکوزیس می شود.

نتیجه

خوب، همین، اگر تا آخر بخوانید و کمی عمیق تر شوید، یک قدم به موفقیت نزدیک تر هستید. امیدوارم بیهوده ننوشته باشم و حداقل یکی از این پست خوشش آمده باشد. با تشکر از توجه شما.