A szilícium fizikai tulajdonságai. Szilícium a természetben (25,8% a földkéregben). Az emberi testben

A szilícium önálló kémiai elemként csak 1825-ben vált ismertté az emberiség előtt. Ami persze nem akadályozta meg a szilíciumvegyületek alkalmazását annyi területen, hogy könnyebb felsorolni azokat, ahol nem használják az elemet. Ez a cikk a szilícium és vegyületeinek fizikai, mechanikai és hasznos kémiai tulajdonságaira, felhasználási területeire világít rá, és szó lesz arról is, hogy a szilícium hogyan befolyásolja az acél és más fémek tulajdonságait.

Először nézzük meg a szilícium általános jellemzőit. A földkéreg tömegének 27,6-29,5%-a szilícium. A tengervízben az elem koncentrációja is jelentős - akár 3 mg/l is lehet.

A litoszférában a szilícium a második helyen áll az oxigén után. Leghíresebb formája, a szilícium-dioxid azonban egy dioxid, és ennek tulajdonságai váltak az ilyen széles körű felhasználás alapjává.

Ez a videó megmutatja, mi az a szilícium:

Koncepció és jellemzők

A szilícium nem fém, de különböző körülmények között savas és bázikus tulajdonságokat is mutathat. Ez egy tipikus félvezető, és rendkívül széles körben használják az elektrotechnikában. Fizikai és kémiai tulajdonságait nagymértékben meghatározza allotróp állapota. Leggyakrabban a kristályos formával foglalkoznak, mivel ennek minősége iránti kereslet a nemzetgazdaságban.

• A szilícium az emberi szervezet egyik alapvető makroeleme. Hiánya károsan hat a csontszövet, a haj, a bőr és a köröm állapotára. Ezenkívül a szilícium befolyásolja az immunrendszer teljesítményét.
• Az orvostudományban az elem, vagy inkább vegyületei pontosan ebben a minőségben találták meg első alkalmazásukat. A szilíciummal bélelt kutak vize nemcsak tiszta volt, hanem pozitívan hatott a fertőző betegségekkel szembeni ellenállásra is. Ma a szilíciumot tartalmazó vegyületek a tuberkulózis, az érelmeszesedés és az ízületi gyulladás elleni gyógyszerek alapjául szolgálnak.
• Általában a nemfém alacsony aktivitású, de nehéz megtalálni tiszta formájában. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy levegőben gyorsan passziválja egy dioxid réteg, és leáll a reakciója. Melegítéskor a kémiai aktivitás nő. Ennek eredményeként az emberiség sokkal jobban ismeri az anyag vegyületeit, nem pedig önmagát.

Így a szilícium szinte minden fémmel - szilicidekkel - ötvözetet képez. Mindegyiket tűzállóság és keménység jellemzi, és megfelelő területeken használják: gázturbinák, kemencefűtők.

A nemfém D. I. Mengyelejev táblázatában a 6. csoportba került a szénnel és a germániummal együtt, ami bizonyos közös vonást jelez ezekkel az anyagokkal. Így a szénnel közös az a képessége, hogy szerves típusú vegyületeket képez. Ugyanakkor a szilícium, akárcsak a germánium, bizonyos kémiai reakciókban a fém tulajdonságait mutathatja fel, amelyeket a szintézisben használnak fel.

Előnyök és hátrányok

Mint minden más anyag a nemzetgazdasági felhasználás szempontjából, a szilíciumnak is vannak bizonyos hasznos vagy nem túl hasznos tulajdonságai. Pontosan a felhasználási terület meghatározásához fontosak.

• Az anyag jelentős előnye az elérhetőség. A természetben igaz, hogy nem található meg szabad formában, de ennek ellenére a szilícium előállításának technológiája nem olyan bonyolult, bár energiaigényes.
• A második legfontosabb előny az számos vegyület képződése szokatlanul hasznos tulajdonságokkal. Ide tartoznak a szilánok, szilicidek, dioxidok és természetesen a szilikátok sokfélesége. A szilícium és vegyületeinek komplex szilárd oldatok képzésére való képessége szinte végtelen, ami lehetővé teszi az üveg, a kő és a kerámia legkülönbözőbb változatainak végtelenségig történő előállítását.
• A félvezető tulajdonságai a nem fém alapanyagként helyet biztosít neki az elektro- és rádiótechnikában.
• A nem fém az nem mérgező, amely bármely iparágban lehetővé teszi a felhasználást, ugyanakkor nem teszi potenciálisan veszélyessé a technológiai folyamatot.

Az anyag hátrányai közé tartozik csak a viszonylagos törékenység és jó keménység. A szilíciumot teherhordó szerkezetekhez nem használják, de ez a kombináció lehetővé teszi a kristályok felületének megfelelő feldolgozását, ami a műszerkészítés szempontjából fontos.

Most beszéljünk a szilícium alapvető tulajdonságairól.

Tulajdonságok és jellemzők

Mivel a kristályos szilíciumot leggyakrabban az iparban használják fel, ezért a tulajdonságai a fontosabbak, és ezeket a műszaki leírás tartalmazza. Az anyag fizikai tulajdonságai a következők:

• olvadáspont – 1417 C;
• forráspont – 2600 C;
• sűrűsége 2,33 g/cu. cm, ami a törékenységet jelzi;
• a hőkapacitás, valamint a hővezető képesség a legtisztább mintákon sem állandó: 800 J/(kg K), vagy 0,191 cal/(g deg) és 84-126 W/(m K), vagy 0,20-0, 30 cal/(cm·sec·deg) rendre;
• átlátszó a hosszú hullámú infravörös sugárzásra, amelyet az infravörös optikában használnak;
• dielektromos állandó – 1,17;
• keménység a Mohs-skálán – 7.

A nemfém elektromos tulajdonságai nagymértékben függenek a szennyeződésektől. Az iparban ezt a funkciót a kívánt típusú félvezető modulálásával használják. Normál hőmérsékleten a szilícium törékeny, de 800 C fölé hevítve képlékeny deformáció lehetséges.

Az amorf szilícium tulajdonságai feltűnően eltérőek: erősen higroszkópos és sokkal aktívabban reagál még normál hőmérsékleten is.

A szilícium szerkezetét és kémiai összetételét, valamint tulajdonságait az alábbi videó tárgyalja:

Összetétel és szerkezet

A szilícium két allotróp formában létezik, amelyek normál hőmérsékleten egyformán stabilak.

• Kristály sötétszürke por megjelenésű. Az anyag, bár gyémántszerű kristályrácsa van, az atomok közötti túl hosszú kötések miatt törékeny. Érdekesek a félvezető tulajdonságai.
• Nagyon magas nyomáson kaphat hatszögletű módosítása 2,55 g/cu sűrűséggel. Ez a fázis azonban még nem talált gyakorlati jelentőségre.
• Amorf– barna-barna por. A kristályos formától eltérően sokkal aktívabban reagál. Ez nem annyira az első forma tehetetlenségének köszönhető, hanem annak, hogy a levegőben az anyagot dioxid réteg borítja.

Ezenkívül figyelembe kell venni egy másik osztályozási típust is, amely a szilíciumkristály méretéhez kapcsolódik, amelyek együttesen alkotják az anyagot. A kristályrács, mint ismeretes, nemcsak az atomok rendjét feltételezi, hanem az atomok által alkotott szerkezetek rendjét is - az úgynevezett hosszú távú rendet. Minél nagyobb, annál homogénebb lesz az anyag tulajdonságai.

• Monokristályos– a minta egy kristály. Szerkezete maximálisan rendezett, tulajdonságai homogének, jól kiszámíthatóak. Ez az az anyag, amelyre a legnagyobb a kereslet az elektrotechnikában. Ugyanakkor ez is az egyik legdrágább faj, mivel a beszerzési folyamat összetett és a növekedési ütem alacsony.
• Multikristályos– a minta számos nagyméretű kristályos szemcséből áll. A köztük lévő határvonalak további hibaszinteket képeznek, ami csökkenti a minta félvezető teljesítményét és gyorsabb kopáshoz vezet. A multikristályok termesztésének technológiája egyszerűbb, ezért az anyag olcsóbb.
• Polikristályos– nagyszámú, egymáshoz képest véletlenszerűen elhelyezkedő szemből áll. Ez a legtisztább ipari szilícium, amelyet a mikroelektronikában és a napenergiában használnak. Elég gyakran használják nyersanyagként több- és egykristályok termesztéséhez.
• Az amorf szilícium ebben az osztályozásban is külön helyet foglal el. Itt az atomok sorrendje csak a legrövidebb távolságokon marad fenn. Az elektrotechnikában azonban még mindig vékony filmek formájában használják.

Nem fém gyártás

A tiszta szilícium beszerzése nem olyan egyszerű, tekintettel vegyületeinek tehetetlenségére és legtöbbjük magas olvadáspontjára. Az iparban leggyakrabban szén-dioxiddal történő redukcióhoz folyamodnak. A reakciót ívkemencékben, 1800 C-os hőmérsékleten hajtjuk végre. Ily módon 99,9%-os tisztaságú nemfémet kapunk, ami nem elegendő a felhasználáshoz.

A kapott anyagot klórozva kloridokat és hidrokloridokat állítanak elő. Ezután a vegyületeket minden lehetséges módszerrel megtisztítják a szennyeződésektől és hidrogénnel redukálják.

Az anyag magnézium-szilicid előállításával is tisztítható. A szilicidet sósavval vagy ecetsavval kezeljük. Szilánt nyernek, és az utóbbit különféle módszerekkel tisztítják - szorpció, rektifikálás stb. Ezután a szilánt hidrogénre és szilíciumra bontják 1000 C hőmérsékleten. Ebben az esetben 10 -8 -10 -6% szennyeződésű anyagot kapunk.

Az anyag alkalmazása

Az ipar számára a nemfém elektrofizikai jellemzői a legérdekesebbek. Egykristály formája egy közvetett rés félvezető. Tulajdonságait a szennyeződések határozzák meg, ami lehetővé teszi meghatározott tulajdonságú szilíciumkristályok előállítását. Így a bór és az indium hozzáadása lehetővé teszi lyukas vezetőképességű kristályok termesztését, foszfor vagy arzén bevitele pedig elektronikus vezetőképességű kristály növesztését.

• A szilícium szó szerint a modern elektrotechnika alapjaként szolgál. Tranzisztorok, fotocellák, integrált áramkörök, diódák stb. Ráadásul az eszköz működőképességét szinte mindig csak a kristály felületközeli rétege határozza meg, ami nagyon specifikus követelményeket határoz meg a felületkezeléssel szemben.
• A kohászatban a műszaki szilíciumot ötvözetmódosítóként - nagyobb szilárdságot ad - és komponensként - például, deoxidálószerként - használják az öntöttvas gyártásában.
• Az ultratiszta és tisztított kohászati ​​anyagok képezik a napenergia alapját.
• A nemfémes dioxid a természetben sokféle formában fordul elő. Kristályfajtái - opál, achát, karneol, ametiszt, hegyikristály - megtalálták a helyüket az ékszerekben. A megjelenésben nem túl vonzó módosításokat - kovakő, kvarc - a kohászatban, az építőiparban és a rádióelektronikában alkalmazzák.
• Egy nem fém szénnel alkotott vegyületét, a karbidot a kohászatban, a műszergyártásban és a vegyiparban használják. Ez egy széles sávú félvezető, amelyet nagy keménység - 7 a Mohs-skálán - és szilárdság jellemez, ami lehetővé teszi, hogy csiszolóanyagként használják.
• Szilikátok - azaz kovasav sói. Instabil, könnyen lebomlik a hőmérséklet hatására. Figyelemre méltó tulajdonságuk, hogy számos és változatos sót képeznek. De ez utóbbiak az alapjai az üveg, kerámia, cserép, kristály stb. gyártásának. Nyugodtan kijelenthetjük, hogy a modern építés sokféle szilikáton alapul.
• Az üveg képviseli itt a legérdekesebb esetet. Alapját alumínium-szilikátok képezik, de más anyagok - általában oxidok - jelentéktelen keverékei nagyon sokféle tulajdonságot adnak az anyagnak, beleértve a színt is. -, a cserépedények, a porcelánok valójában ugyanazt a formulát tartalmazzák, bár más összetevők arányával, és a változatossága is elképesztő.
• A nemfémnek van még egy képessége: olyan vegyületeket képez, mint a szén, hosszú szilícium atomok láncaként. Az ilyen vegyületeket szerves szilíciumvegyületeknek nevezzük. Alkalmazási körük nem kevésbé ismert - ezek a szilikonok, tömítőanyagok, kenőanyagok stb.

A szilícium nagyon elterjedt elem, és szokatlanul nagy jelentősége van a nemzetgazdaság számos területén. Sőt, nemcsak magát az anyagot, hanem annak minden különféle és számos vegyületét is aktívan használják.

Ez a videó a szilícium tulajdonságairól és felhasználásáról szól:

A szilíciumot Jens Jacob Berzelius svéd vegyész fedezte fel és szerezte meg 1823-ban.

A földkéregben a második legnagyobb mennyiségben előforduló elem az oxigén után (27,6 tömeg%). Vegyületekben található.

A szilícium atom szerkezete alapállapotban 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2

A szilícium atom szerkezete gerjesztett állapotban 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3 Oxidációs állapotok: +4, -4.

A szilícium allotrópiája

Ismeretes amorf és kristályos szilícium.

Polikristályos szilícium

Kristály – sötétszürke fémes fényű, nagy keménységű, törékeny, félvezető anyag; ρ = 2,33 g/cm3, t°pl. = 1415 °C; t°forraljuk. = 2680 °C.

Gyémántszerű szerkezetű és erős kovalens kötéseket képez. Inert.

Amorf - barna por, higroszkópos, gyémántszerű szerkezet, ρ = 2 g/cm 3, reaktívabb.

Szilícium beszerzése

1) Ipar – szén melegítése homokkal:

2C + SiO 2 t ˚ → Si + 2CO

2) Laboratórium – melegítő homok magnéziummal:

2Mg + SiO 2 t ˚ → Si + 2MgO Kísérlet

Kémiai tulajdonságok

Egy tipikus nem fém, inert.

Redukálószerként:

1) Oxigénnel

Si 0 + O 2 t ˚ → Si +4 O 2

2) Fluorral (fűtés nélkül)

Si 0 + 2F 2 → SiF 4

3) Szénnel

Si 0 + C t ˚ → Si +4 C

(SiC - karborundum - kemény; hegyezésre és köszörülésre használják)

4) Nem lép kölcsönhatásba hidrogénnel.

A szilánt (SiH 4) fém-szilicidek savval történő lebontásával nyerik:

Mg 2 Si + 2H 2 SO 4 → SiH 4 + 2 MgSO 4

5) Nem lép reakcióba savakkal (Tcsak fluorsavval Si+4 HF= Szelektív azonosítási jelleg 4 +2 H 2 )

Csak salétromsav és hidrogén-fluorid keverékében oldódik:

3Si + 4HNO3 + 18HF → 3H2 + 4NO + 8H2O

6) Lúgokkal (hevítve):

Oxidálószerként:

7) Fémekkel (szilicidek képződnek):

Si 0 + 2Mg t ˚ →Mg 2 Si -4

A szilíciumot széles körben használják az elektronikában félvezetőként. Az ötvözetekhez szilícium hozzáadása növeli azok korrózióállóságát. A szilikátok, alumínium-szilikátok és szilícium-dioxid az üveg- és kerámiagyártás, valamint az építőipar fő nyersanyagai.
Szilícium a technológiában
Szilícium és vegyületeinek alkalmazása

Szilán – SiH 4

Fizikai tulajdonságok: Színtelen gáz, mérgező, olvadáspont. = -185 °C, forráspont. = -112 °C.

Kovasav előállítása

Erős savak hatása szilikátokra - Na 2 SiO 3 + 2HCl → 2NaCl + H 2 SiO 3 ↓

Kémiai tulajdonságok:

Melegítve lebomlik: H 2 SiO 3 t ˚ → H 2 O + SiO 2

kovasav sók - szilikátok.

1) savakkal

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

2) sókkal

Na 2 SiO 3 +CaCl 2 =2NaCl+CaSiO 3 ↓

3) Az ásványokat alkotó szilikátok természetes körülmények között víz és szén-monoxid (IV) hatására elpusztulnak - a kőzetek mállása:

(K 2 O Al 2 O 3 6SiO 2) (földpát) + CO 2 + 2H 2 O → (Al 2 O 3 2SiO 2 2H 2 O) (kaolinit (agyag)) + 4SiO 2 (szilika (homok)) + K2CO3

Szilíciumvegyületek alkalmazása

A természetes szilíciumvegyületeket - homokot (SiO 2) és szilikátokat kerámia, üveg és cement gyártásához használják.

Kerámia
Porcelán= kaolin + agyag + kvarc + földpát. A porcelán szülőföldje Kína, ahol már 220-ban ismerték a porcelánt. 1746-ban Oroszországban megkezdték a porcelángyártást.	Fajansz - az olaszországi Faenza város nevéből. Ahol a kerámiaipar a 14. és 15. században fejlődött ki. A cserépedény magasabb agyagtartalmában (85%) és alacsonyabb égetési hőmérsékletében különbözik a porcelántól.

A szilícium (Si) egy nemfém, amely a 2. helyen áll az oxigén után a készletek és a földi jelenlét tekintetében (25,8% a földkéregben). Tiszta formájában gyakorlatilag soha nem található meg, főleg vegyületek formájában van jelen a bolygón.

A szilícium jellemzői

Fizikai tulajdonságok

A szilícium törékeny, világosszürke anyag, fémes árnyalattal vagy barna porszerű anyag. A szilíciumkristály szerkezete hasonló a gyémánthoz, de az atomok közötti kötéshosszbeli különbségek miatt a gyémánt keménysége sokkal nagyobb.

A szilícium egy nem fém, amely az elektromágneses sugárzás számára hozzáférhető. Bizonyos tulajdonságok miatt középen helyezkedik el a nemfémek és a fémek között:

Amikor a hőmérséklet 800 °C-ra emelkedik, rugalmassá és képlékenysé válik;

1417 °C-ra melegítve megolvad;

2600 °C feletti hőmérsékleten forrni kezd;

Megváltoztatja a sűrűséget nagy nyomáson;

Megvan az a tulajdonsága, hogy egy külső mágneses mező (diamágnes) irányával szemben mágnesezett.

A szilícium félvezető, és az ötvözeteiben lévő szennyeződések meghatározzák a jövőbeni vegyületek elektromos jellemzőit.

Kémiai tulajdonságok

Hevítéskor a Si reakcióba lép oxigénnel, brómmal, jóddal, nitrogénnel, klórral és különféle fémekkel. Szénnel kombinálva hő- és vegyszerálló keményötvözeteket kapunk.

A szilícium semmilyen módon nem lép kölcsönhatásba a hidrogénnel, így minden lehetséges keveréket más módon kapunk.

Normál körülmények között a fluorgáz kivételével minden anyaggal gyengén reagál. Szilícium-tetrafluorid SiF4 keletkezik vele. Ezt az inaktivitást az magyarázza, hogy az oxigénnel, vízzel, annak gőzével és levegővel való reakció következtében a nemfém felületén szilícium-dioxid filmréteg képződik, és beborítja azt. Ezért a kémiai hatás lassú és jelentéktelen.

Ennek a rétegnek az eltávolításához használjon hidrogén-fluorid és salétromsav keverékét vagy lúgok vizes oldatát. Néhány speciális folyadék ehhez króm-anhidrid és más anyagok hozzáadása szükséges.

Szilícium megtalálása a természetben

A szilícium ugyanolyan fontos a Föld számára, mint a szén a növények és állatok számára. Kérge majdnem fele oxigén, és ha ehhez szilíciumot adunk, akkor a tömeg 80%-át kapjuk. Ez a kapcsolat nagyon fontos a kémiai elemek mozgásához.

A litoszféra 75%-a kovasavak és ásványi anyagok (homok, kvarcitok, kovakő, csillám, földpát stb.) különféle sóit tartalmazza. A magma és különféle magmás kőzetek képződése során a Si felhalmozódik gránitokban és ultramafikus kőzetekben (plutonikus és vulkáni).

Az emberi szervezetben 1 g szilícium található. Legtöbbjük a csontokban, az inakban, a bőrben és a hajban, a nyirokcsomókban, az aortában és a légcsőben található. Részt vesz a kötő- és csontszövetek növekedésében, valamint fenntartja az erek rugalmasságát.

A napi beviteli arány egy felnőtt számára 5-20 mg. A túlzott mennyiség szilikózist okoz.

A szilícium alkalmazása az iparban

Ezt a nemfémet a kőkorszak óta ismeri az ember, és ma is széles körben használják.

Alkalmazás:

Jó redukálószer, ezért a kohászatban fémek előállítására használják.

Bizonyos körülmények között a szilícium képes vezetni az elektromosságot, ezért használják az elektronikában.

A szilícium-oxidot üvegek és szilikát anyagok gyártásához használják.

A félvezető eszközök gyártásához speciális ötvözeteket használnak.

• Megnevezés - Si (Szilícium);
• Időszak - III;
• csoport - 14 (IVa);
• Atomtömeg - 28,0855;
• Atomszám - 14;
• Atomsugár = 132 pm;
• Kovalens sugár = 111 pm;
• Elektroneloszlás - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 ;
• olvadáspont: 1412 °C;
• forráspont = 2355 °C;
• Elektronegativitás (Pauling szerint/Alred és Rochow szerint) = 1,90/1,74;
• Oxidációs állapot: +4, +2, 0, -4;
• Sűrűség (sz.) = 2,33 g/cm3;
• Moláris térfogat = 12,1 cm 3 /mol.

Szilíciumvegyületek:

A szilíciumot először 1811-ben izolálták tiszta formájában (a francia J. L. Gay-Lussac és L. J. Tenard). A tiszta elemi szilíciumot 1825-ben nyerték (svéd J. J. Berzelius). A kémiai elem 1834-ben kapta a „szilícium” nevet (az ógörögből hegynek fordítják) (G. I. Hess orosz kémikus).

A szilícium a leggyakoribb (az oxigén után) kémiai elem a Földön (a földkéreg tartalma 28-29 tömegszázalék). A természetben a szilícium leggyakrabban szilícium-dioxid (homok, kvarc, kovakő, földpát) formájában, valamint szilikátokban és alumínium-szilikátokban van jelen. Tiszta formájában a szilícium rendkívül ritka. Sok természetes szilikát tiszta formájában drágakő: smaragd, topáz, akvamárium - mindez szilícium. A tiszta kristályos szilícium(IV)-oxid hegyikristály és kvarc formájában fordul elő. A szilícium-oxid, amely különféle szennyeződéseket tartalmaz, drágaköveket és féldrágaköveket képez - ametiszt, achát, jáspis.

Rizs. A szilícium atom szerkezete.

A szilícium elektronikus konfigurációja 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 (lásd: Az atomok elektronszerkezete). A külső energiaszinten a szilíciumnak 4 elektronja van: 2 párosítva a 3s alszinten + 2 párosítatlan a p-pályákon. Amikor egy szilícium atom gerjesztett állapotba lép, az s-alszintről egy elektron „elhagyja” a párját, és a p-alszintre kerül, ahol egy szabad pálya van. Így gerjesztett állapotban a szilícium atom elektronkonfigurációja a következő alakot ölti: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3.

Rizs. Szilícium atom átmenete gerjesztett állapotba.

Így a vegyületekben lévő szilícium vegyértéke 4 (leggyakrabban) vagy 2 (lásd vegyérték). A szilícium (valamint a szén) más elemekkel reagálva kémiai kötéseket hoz létre, amelyekben elektronjait feladni és befogadni is tudja, de a szilícium atomokban a nagyobb szilícium miatt kevésbé kifejezett az elektronok befogadási képessége, mint a szénatomokban. atom.

A szilícium oxidációs állapotai:

• -4 : SiH 4 (szilán), Ca 2 Si, Mg 2 Si (fémszilikátok);
• +4 - a legstabilabbak: SiO 2 (szilícium-oxid), H 2 SiO 3 (kovasav), szilikátok és szilícium-halogenidek;
• 0 : Si (egyszerű anyag)

A szilícium mint egyszerű anyag

A szilícium egy sötétszürke kristályos anyag, fémes fényű. Kristályos szilícium egy félvezető.

A szilícium csak egy allotróp módosulatot képez, hasonlóan a gyémánthoz, de nem olyan erős, mivel a Si-Si kötések nem olyan erősek, mint a gyémánt szénmolekulájában (lásd Gyémánt).

Amorf szilícium- barna por, olvadáspontja 1420°C.

A kristályos szilíciumot amorf szilíciumból nyerik átkristályosítással. Az amorf szilíciummal ellentétben, amely meglehetősen aktív vegyi anyag, a kristályos szilícium inertebb a más anyagokkal való kölcsönhatás szempontjából.

A szilícium kristályrácsának szerkezete megismétli a gyémánt szerkezetét - minden atomot négy másik atom vesz körül, amelyek egy tetraéder csúcsaiban helyezkednek el. Az atomokat kovalens kötések tartják össze, amelyek nem olyan erősek, mint a gyémánt szénkötései. Emiatt még a sz. A kristályos szilícium néhány kovalens kötése megszakad, aminek következtében egyes elektronok szabadulnak fel, aminek következtében a szilíciumnak csekély elektromos vezetőképessége van. A szilícium felmelegedésével, fényben vagy bizonyos szennyeződések hozzáadásával megnő a megszakadt kovalens kötések száma, aminek következtében megnő a szabad elektronok száma, így a szilícium elektromos vezetőképessége is megnő.

A szilícium kémiai tulajdonságai

A szénhez hasonlóan a szilícium is lehet redukálószer és oxidálószer is, attól függően, hogy milyen anyaggal reagál.

sz. a szilícium csak a fluorral lép kölcsönhatásba, ami a szilícium meglehetősen erős kristályrácsával magyarázható.

A szilícium klórral és brómmal reagál 400°C feletti hőmérsékleten.

A szilícium csak nagyon magas hőmérsékleten lép kölcsönhatásba a szénnel és a nitrogénnel.

• A nemfémekkel való reakciókban a szilícium úgy működik, mint redukálószer:
  • normál körülmények között a nem fémekből a szilícium csak fluorral reagál, szilícium-halogenidet képezve:
    Si + 2F 2 = SiF 4
  • magas hőmérsékleten a szilícium reakcióba lép klórral (400°C), oxigénnel (600°C), nitrogénnel (1000°C), szénnel (2000°C):
    • Si + 2Cl 2 = SiCl 4 - szilícium-halogenid;
    • Si + O 2 = SiO 2 - szilícium-oxid;
    • 3Si + 2N 2 = Si 3N 4 - szilícium-nitrid;
    • Si + C = SiC - karborund (szilícium-karbid)
• Fémekkel való reakcióban a szilícium az oxidálószer(alakított szalicidek:
  Si + 2Mg = Mg 2 Si
• A tömény lúgoldatokkal való reakciók során a szilícium hidrogén felszabadulásával reagál, így a kovasav oldható sói, ún. szilikátok:
  Si + 2NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 2H 2
• A szilícium nem lép reakcióba savakkal (kivéve a HF-et).

Szilícium előkészítése és felhasználása

Szilícium beszerzése:

• laboratóriumban - szilícium-dioxidból (alumínium terápia):
  3SiO 2 + 4Al = 3Si + 2Al 2 O 3
• az iparban - szilícium-oxid koksszal (technikailag tiszta szilícium) való redukálásával magas hőmérsékleten:
  SiO 2 + 2C = Si + 2CO
• A legtisztább szilíciumot a szilícium-tetraklorid hidrogénnel (cinkkel) történő redukálásával kapják magas hőmérsékleten:
  SiCl4+2H2=Si+4HCl

Szilícium alkalmazás:

• félvezető rádióelemek gyártása;
• kohászati ​​adalékanyagként hőálló és saválló vegyületek előállításához;
• napelemekhez való fotocellák gyártásában;
• mint AC egyenirányítók.

CPU? Homok? Milyen asszociációid vannak ezzel a szóval? Vagy talán a Szilícium-völgy?
Bárhogy is legyen, nap mint nap találkozunk szilíciummal, és ha érdekel, hogy mi az a Si, és mivel eszik, kérjük, forduljon a macskához.

Bevezetés

Az egyik moszkvai egyetem nanoanyag szakos hallgatójaként szerettem volna bemutatni Önnek, kedves olvasó, bolygónk legfontosabb kémiai elemeit. Sokáig választottam, hogy hol kezdjem, karbont vagy szilíciumot, és mégis úgy döntöttem, hogy megállok a Si-nél, mert természetesen minden modern kütyü szíve erre épül. Megpróbálom rendkívül egyszerű és közérthető módon kifejezni a gondolataimat.Az anyag megírásakor elsősorban a kezdőkre számítottam, de a haladóbbak is tanulhatnak majd valami érdekeset.Azt is szeretném elmondani, hogy a cikk kizárólag az érdeklődők látókörének szélesítése céljából íródott. Tehát kezdjük.

Szilícium

Szilícium (lat. Szilícium), Si, Mengyelejev periódusos rendszerének IV. csoportjába tartozó kémiai elem; atomszáma 14, atomtömege 28,086.
A természetben az elemet három stabil izotóp képviseli: 28Si (92,27%), 29Si (4,68%) és 30Si (3,05%).
Sűrűség (számnál) 2,33 g/cm³
Olvadáspont 1688 K


Por Si

Történelmi hivatkozás

A földön elterjedt szilíciumvegyületeket a kőkorszak óta ismeri az ember. A kőeszközök munkához és vadászathoz való felhasználása több évezredig folytatódott. A feldolgozással – üveggyártással – kapcsolatos szilíciumvegyületek felhasználása Kr.e. 3000 körül kezdődött. e. (az ókori Egyiptomban). A legkorábbi ismert szilíciumvegyület a SiO2-oxid (szilícium-dioxid). A 18. században a szilícium-dioxidot egyszerű szilárd anyagnak tekintették, és a „földnek” minősítették (ahogy a nevében is tükröződik). A szilícium-dioxid összetételének összetettségét I. Ya. Berzelius állapította meg. Először 1825-ben nyert elemi szilíciumot szilícium-fluorid SiF4-ből, ez utóbbit fémkáliummal redukálta. Az új elem a „szilícium” nevet kapta (a latin silex - kovakő). Az orosz nevet G. I. Hess vezette be 1834-ben.

A szilícium nagyon elterjedt a természetben a közönséges homok részeként.

A szilícium eloszlása ​​a természetben

A szilícium a második legnagyobb mennyiségben előforduló elem a földkéregben (az oxigén után), a litoszférában átlagosan 29,5 tömegszázalék. A földkéregben a szilícium ugyanazt az elsődleges szerepet tölti be, mint a szén az állat- és növényvilágban. A szilícium geokémiája szempontjából fontos az oxigénnel való rendkívül erős kapcsolata. A litoszféra körülbelül 12%-a szilícium-dioxid SiO2 ásványi kvarc és fajtái formájában. A litoszféra 75%-át különféle szilikátok és aluminoszilikátok (földpátok, csillámok, amfibolok stb.) teszik ki. A szilícium-dioxidot tartalmazó ásványok teljes száma meghaladja a 400-at.

A szilícium fizikai tulajdonságai

Szerintem nincs értelme itt lakni, minden fizikai tulajdonság szabadon elérhető, de a legalapvetőbbeket felsorolom.
Forráspont 2600 °C
A szilícium átlátszó a hosszú hullámú infravörös sugaraknak
Dielektromos állandó 11.7
Szilícium Mohs keménység 7.0
Szeretném elmondani, hogy a szilícium rideg anyag, észrevehető képlékeny deformáció kezdődik 800°C felett.
A szilícium félvezető, ezért széles körben használják. A szilícium elektromos tulajdonságai nagymértékben függenek a szennyeződésektől.

A szilícium kémiai tulajdonságai

Természetesen sok mindent el lehetne itt mondani, de én a legérdekesebbre fogok koncentrálni. Si-vegyületekben (hasonlóan a szénhez) 4-valentén.
Levegőben a szilícium még magasabb hőmérsékleten is stabil, mivel védő oxidfilm képződik. Oxigénben 400 °C-tól kezdve oxidálódik, és szilícium-oxid (IV) SiO2 keletkezik.
A szilícium ellenáll a savaknak, és csak salétromsav és hidrogén-fluorid keverékében oldódik, forró lúgos oldatokban pedig hidrogén felszabadulásával könnyen oldódik.
A szilícium 2 oxigéntartalmú sziláncsoportot alkot - sziloxánokat és sziloxéneket. A szilícium 1000 °C feletti hőmérsékleten reagál a nitrogénnel Nagy gyakorlati jelentőséggel bír a Si3N4 nitrid, amely még 1200 °C-on sem oxidálódik levegőn, ellenáll a savaknak (kivéve a salétrom) és a lúgoknak, valamint az olvadt fémeknek, ill. salakok, ami miatt értékes anyag a vegyiparban, valamint a tűzálló anyagok előállításában. A szénnel (szilícium-karbid SiC) és bórral (SiB3, SiB6, SiB12) rendelkező szilíciumvegyületeket nagy keménység, valamint hő- és vegyszerállóság jellemzi.

Szilícium beszerzése

Szerintem ez a legérdekesebb rész, nézzük meg itt közelebbről.
A céltól függően vannak:
1. Elektronikus minőségű szilícium(ún. „elektronikus szilícium”) - a legjobb minőségű szilícium 99,999 tömegszázalék feletti szilíciumtartalommal, az elektronikus minőségű szilícium elektromos fajlagos ellenállása körülbelül 0,001-150 Ohm cm-es tartományban lehet, de az ellenállás értékét meg kell adni. Kizárólag egy adott szennyeződés biztosítható, azaz más szennyeződések bejutása a kristályba, még akkor is, ha adott elektromos ellenállást biztosítanak, általában elfogadhatatlan.
2. Napelemes szilícium(ún. „szoláris szilícium”) - 99,99 tömegszázalékot meghaladó szilíciumtartalmú szilícium, amelyet fotovoltaikus átalakítók (napelemek) gyártásához használnak.


3. Műszaki szilícium- tiszta kvarchomokból karbotermikus redukcióval nyert polikristályos szerkezetű szilíciumtömbök; 98% szilíciumot tartalmaz, a fő szennyeződés a szén, amelyet ötvözőelemek - bór, foszfor, alumínium - magas tartalma jellemez; főleg polikristályos szilícium előállítására használják.

A műszaki tisztaságú szilíciumot (95-98%) elektromos ívben kapják a szilícium-dioxid SiO2 redukálásával a grafitelektródák között. A félvezető technológia fejlődéséhez kapcsolódóan a tiszta és a nagy tisztaságú szilícium előállítására szolgáló módszereket dolgoztak ki. Ehhez a legtisztább kiindulási szilíciumvegyületek előzetes szintézisére van szükség, amelyekből redukcióval vagy hőbontással nyerik ki a szilíciumot.
A polikristályos szilícium („poliszilícium”) az iparilag előállított szilícium legtisztább formája – félkész termék, amelyet a műszaki szilícium kloridos és fluoridos módszerekkel történő tisztításával állítanak elő, és mono- és többkristályos szilícium előállítására használnak.
Hagyományosan a polikristályos szilíciumot műszaki szilíciumból nyerik úgy, hogy illékony szilánokká (monoszilánok, klórszilánok, fluor-szilánok) alakítják át, majd a keletkező szilánokat elválasztják, a kiválasztott szilánt rektifikációs tisztítással és a szilán fémes szilíciummá redukálják.
A tiszta félvezető szilíciumot kétféle formában állítják elő: polikristályos(SiCl4 vagy SiHCl3 redukálása cinkkel vagy hidrogénnel, SiI4 és SiH4 termikus lebontása) és monokristályos(tégelymentes zóna olvasztása és egykristály „kihúzása” olvadt szilíciumból - Czochralski-módszer).

Itt láthatja a szilícium termesztésének folyamatát Czochralski módszerrel.

Czochralski módszer- kristályok termesztésének módszere nagy térfogatú olvadék szabad felületéről felfelé húzva a kristályosodás megindításával úgy, hogy egy adott szerkezetű és krisztallográfiai orientációjú oltókristályt (vagy több kristályt) érintkezésbe hoznak az olvadék szabad felületével. olvad.

A szilícium alkalmazása

A speciálisan adalékolt szilíciumot széles körben használják félvezető eszközök (tranzisztorok, termisztorok, teljesítmény-egyenirányítók, tirisztorok; űrjárművekben használt fotovoltaikus napelemek és sok más) gyártásában.
Mivel a szilícium átlátszó az 1-9 mikron hullámhosszúságú sugaraknak, az infravörös optikában használják.
A szilícium változatos és bővülő alkalmazási területekkel rendelkezik. A kohászatban Si
az olvadt fémekben oldott oxigén eltávolítására szolgál (deoxidáció).
A szilícium számos vas- és színesfémötvözet alkotóeleme.
A szilícium jellemzően megnöveli az ötvözetek korrózióállóságát, javítja az öntési tulajdonságaikat és növeli a mechanikai szilárdságot; magasabb szinten azonban a szilícium ridegséget okozhat.
A legfontosabbak a szilíciumot tartalmazó vas-, réz- és alumíniumötvözetek.
A szilícium-dioxidot üveg-, cement-, kerámia-, elektromos és más iparágak dolgozzák fel.
Az ultratiszta szilíciumot elsősorban egyedi elektronikus eszközök (például számítógépes processzor) és egychipes mikroáramkörök gyártására használják.
A tiszta szilícium, az ultratiszta szilíciumhulladék, a tisztított kohászati ​​szilícium kristályos szilícium formájában a napenergia fő nyersanyaga.
A monokristályos szilíciumot - az elektronika és a napenergia mellett gázlézeres tükrök készítésére használják.

Ultratiszta szilícium és termékei

Szilícium a testben

A szilícium a szervezetben különféle vegyületek formájában található, főként a kemény vázrészek és szövetek kialakításában. Egyes tengeri növények (például kovaalgák) és állatok (például szilícium-szivacsok, radioláriumok) különösen nagy mennyiségű szilíciumot halmozhatnak fel, vastag szilícium-oxid (IV) lerakódásokat képezve, amikor elpusztulnak az óceán fenekén. A hideg tengerekben és tavakban a szilíciummal dúsított biogén iszapok, a trópusi tengerekben az alacsony szilíciumtartalmú meszes iszapok dominálnak. A szárazföldi növények közül a gabonafélék, a sások, a pálmafák és a zsurlófélék sok szilíciumot halmoznak fel. Gerinceseknél a szilícium (IV)-oxid tartalma a hamuanyagban 0,1-0,5%. A szilícium a legnagyobb mennyiségben a sűrű kötőszövetben, a vesékben és a hasnyálmirigyben található. A napi emberi étrend legfeljebb 1 g szilíciumot tartalmaz. Ha nagy mennyiségű szilícium-oxid (IV)-oxid por van a levegőben, az bejut az emberi tüdőbe, és szilikózist okoz.

Következtetés

Nos, ez minden, ha a végéig elolvasod, és egy kicsit mélyebbre ásol, akkor egy lépéssel közelebb kerülsz a sikerhez. Remélem nem hiába írtam és legalább valakinek tetszett a bejegyzés. Köszönöm a figyelmet.