Proprietățile fizice ale siliciului. Siliciu în natură (25,8% în scoarța terestră). În corpul uman

Ca element chimic independent, siliciul a devenit cunoscut omenirii abia în 1825. Ceea ce, desigur, nu a împiedicat utilizarea compușilor de siliciu în atât de multe domenii încât este mai ușor să le enumerați pe cele în care elementul nu este utilizat. Acest articol va face lumină asupra proprietăților fizice, mecanice și chimice utile ale siliciului și ale compușilor săi, aplicații și vom vorbi, de asemenea, despre modul în care siliciul afectează proprietățile oțelului și ale altor metale.

În primul rând, să ne uităm la caracteristicile generale ale siliciului. De la 27,6 la 29,5% din masa scoarței terestre este siliciu. În apa de mare, concentrația elementului este de asemenea considerabilă - până la 3 mg/l.

În ceea ce privește abundența în litosferă, siliciul ocupă locul al doilea după oxigen. Cu toate acestea, forma sa cea mai faimoasă, siliciul, este un dioxid, iar proprietățile sale au devenit baza unei utilizări atât de răspândite.

Acest videoclip vă va spune ce este siliciul:

Concept și caracteristici

Siliciul este un nemetal, dar în diferite condiții poate prezenta atât proprietăți acide, cât și bazice. Este un semiconductor tipic și este extrem de utilizat pe scară largă în inginerie electrică. Proprietățile sale fizice și chimice sunt în mare măsură determinate de starea sa alotropică. Cel mai adesea se ocupă de forma cristalină, deoarece calitățile sale sunt mai solicitate în economia națională.

Siliciul este unul dintre macroelementele de bază ale corpului uman. Deficiența sa are un efect dăunător asupra stării țesutului osos, părului, pielii și unghiilor. În plus, siliciul afectează performanța sistemului imunitar.
În medicină, elementul, sau mai degrabă compușii săi, și-au găsit prima aplicare tocmai în această calitate. Apa din fântânile căptușite cu siliciu nu era doar curată, dar avea și un efect pozitiv asupra rezistenței la boli infecțioase. Astăzi, compușii cu siliciu servesc drept bază pentru medicamentele împotriva tuberculozei, aterosclerozei și artritei.
În general, nemetalul este slab activ, dar este dificil să îl găsești în forma sa pură. Acest lucru se datorează faptului că în aer este pasivizat rapid de un strat de dioxid și nu mai reacționează. Când este încălzit, activitatea chimică crește. Drept urmare, omenirea este mult mai familiarizată cu compușii materiei, mai degrabă decât cu ea însăși.

Astfel, siliciul formează aliaje cu aproape toate metalele - siliciuri. Toate acestea se caracterizează prin refractaritate și duritate și sunt utilizate în zone adecvate: turbine cu gaz, încălzitoare de cuptor.

Nemetalul este plasat în tabelul lui D.I. Mendeleev, în grupa 6, împreună cu carbonul și germaniul, ceea ce indică o anumită asemănare cu aceste substanțe. Astfel, ceea ce are în comun cu carbonul este capacitatea sa de a forma compuși de tip organic. În același timp, siliciul, precum germaniul, poate prezenta proprietățile unui metal în unele reacții chimice, care este utilizat în sinteză.

Avantaje și dezavantaje

Ca orice altă substanță din punct de vedere al utilizării în economia națională, siliciul are anumite calități utile sau nu foarte utile. Ele sunt importante tocmai pentru determinarea zonei de utilizare.

Un avantaj semnificativ al substanței este ea disponibilitate. În natură, este adevărat că nu se găsește în formă liberă, dar totuși, tehnologia de producere a siliciului nu este atât de complicată, deși este consumatoare de energie.
Al doilea cel mai important avantaj este formarea multor compusi cu proprietăți neobișnuit de utile. Acestea includ silani, siliciuri, dioxid și, desigur, o mare varietate de silicați. Capacitatea siliciului și a compușilor săi de a forma soluții solide complexe este aproape infinită, ceea ce face posibilă obținerea la nesfârșit a unei game largi de variații de sticlă, piatră și ceramică.
Proprietăți semiconductoare nemetalul îi oferă un loc ca material de bază în ingineria electrică și radio.
Nemetal este netoxice, care permite utilizarea în orice industrie și, în același timp, nu transformă procesul tehnologic într-unul potențial periculos.

Dezavantajele materialului includ doar fragilitatea relativă cu duritate bună. Siliciul nu este utilizat pentru structuri portante, dar această combinație permite ca suprafața cristalelor să fie prelucrată corespunzător, ceea ce este important pentru fabricarea instrumentelor.

Să vorbim acum despre proprietățile de bază ale siliciului.

Proprietăți și caracteristici

Deoarece siliciul cristalin este cel mai des folosit în industrie, proprietățile sale sunt cele mai importante și sunt date în specificațiile tehnice. Proprietățile fizice ale substanței sunt următoarele:

punct de topire – 1417 C;
punctul de fierbere – 2600 C;
densitatea este de 2,33 g/cu. cm, ceea ce indică fragilitate;
capacitatea termică, precum și conductibilitatea termică, nu sunt constante nici măcar pe cele mai pure probe: 800 J/(kg K), sau 0,191 cal/(g deg) și 84-126 W/(m K), sau 0,20-0, respectiv 30 cal/(cm·sec·deg);
radiația infraroșie transparentă până la unde lungi, care este utilizată în optica infraroșie;
constanta dielectrică – 1,17;
duritate pe scara Mohs – 7.

Proprietățile electrice ale unui nemetalic sunt foarte dependente de impurități. În industrie, această caracteristică este utilizată prin modularea tipului dorit de semiconductor. La temperaturi normale, siliciul este casant, dar atunci când este încălzit peste 800 C, este posibilă deformarea plastică.

Proprietățile siliciului amorf sunt izbitor de diferite: este foarte higroscopic și reacționează mult mai activ chiar și la temperaturi normale.

Structura și compoziția chimică, precum și proprietățile siliciului sunt discutate în videoclipul de mai jos:

Compoziție și structură

Siliciul există în două forme alotrope, care sunt la fel de stabile la temperaturi normale.

Cristal are aspectul unei pulberi de culoare gri închis. Substanța, deși are o rețea cristalină asemănătoare unui diamant, este fragilă din cauza legăturilor excesiv de lungi dintre atomi. De interes sunt proprietățile sale semiconductoare.
La presiuni foarte mari poți obține hexagonal modificare cu o densitate de 2,55 g/cu. cm.Totuși, această fază nu și-a găsit încă semnificație practică.
Amorf– pulbere maro-brun. Spre deosebire de forma cristalină, ea reacționează mult mai activ. Acest lucru se datorează nu atât inerției primei forme, cât și faptului că în aer substanța este acoperită cu un strat de dioxid.

În plus, este necesar să se țină cont de un alt tip de clasificare legat de dimensiunea cristalului de siliciu, care împreună formează substanța. O rețea cristalină, așa cum se știe, presupune ordinea nu numai a atomilor, ci și a structurilor pe care le formează acești atomi - așa-numita ordine pe distanță lungă. Cu cât este mai mare, cu atât substanța va fi mai omogenă în proprietăți.

Monocristalin– proba este un singur cristal. Structura sa este ordonată maxim, proprietățile sale sunt omogene și bine previzibile. Acesta este materialul cel mai solicitat în inginerie electrică. Cu toate acestea, este și una dintre cele mai scumpe specii, deoarece procesul de obținere a acesteia este complex, iar rata de creștere este scăzută.
Multicristalin– proba constă dintr-un număr de boabe cristaline mari. Granițele dintre ele formează niveluri suplimentare de defect, ceea ce reduce performanța probei ca semiconductor și duce la o uzură mai rapidă. Tehnologia de creștere a multicristalelor este mai simplă și, prin urmare, materialul este mai ieftin.
Policristalină– constă dintr-un număr mare de boabe situate aleatoriu unul față de celălalt. Acesta este cel mai pur tip de siliciu industrial, folosit în microelectronică și energia solară. Destul de des folosit ca materie primă pentru creșterea cristalelor multiple și simple.
Siliciul amorf ocupă, de asemenea, o poziție separată în această clasificare. Aici ordinea atomilor se mentine doar la cele mai scurte distante. Cu toate acestea, în inginerie electrică este încă folosit sub formă de pelicule subțiri.

Producția nemetalică

Obținerea siliciului pur nu este atât de ușoară, având în vedere inerția compușilor săi și punctul de topire ridicat al majorității acestora. În industrie, ei recurg cel mai adesea la reducerea cu carbon din dioxid. Reacția se realizează în cuptoare cu arc la o temperatură de 1800 C. În acest fel, se obține un nemetal cu o puritate de 99,9%, ceea ce nu este suficient pentru utilizarea sa.

Materialul rezultat este clorurat pentru a produce cloruri și clorhidrati. Apoi compușii sunt purificați prin toate metodele posibile de impurități și reducți cu hidrogen.

Substanța poate fi purificată și prin obținerea siliciurului de magneziu. Siliciul este expus la acid clorhidric sau acetic. Se obține silan, iar acesta din urmă este purificat prin diferite metode - sorbție, rectificare și așa mai departe. Apoi silanul se descompune în hidrogen și siliciu la o temperatură de 1000 C. În acest caz, se obține o substanță cu o fracție de impurități de 10 -8 -10 -6%.

Aplicarea substanței

Pentru industrie, caracteristicile electrofizice ale unui nemetalic sunt de cel mai mare interes. Forma sa de un singur cristal este un semiconductor cu gol indirect. Proprietățile sale sunt determinate de impurități, ceea ce face posibilă obținerea de cristale de siliciu cu proprietăți specificate. Astfel, adăugarea de bor și indiu face posibilă creșterea unui cristal cu conductivitate în găuri, iar introducerea fosforului sau a arsenului face posibilă creșterea unui cristal cu conductivitate electronică.

Siliciul servește literalmente ca bază a ingineriei electrice moderne. Din el sunt fabricate tranzistori, fotocelule, circuite integrate, diode și așa mai departe. Mai mult decât atât, funcționalitatea dispozitivului este aproape întotdeauna determinată doar de stratul aproape de suprafață al cristalului, ceea ce determină cerințe foarte specifice pentru tratarea suprafeței.
În metalurgie, siliciul tehnic este utilizat atât ca modificator de aliaj - dă o rezistență mai mare, cât și ca component - în, de exemplu, și ca agent de dezoxidare - în producția de fontă.
Materialele metalurgice ultrapure și purificate formează baza energiei solare.
Dioxidul nemetalic apare în natură sub multe forme diferite. Varietățile sale de cristale - opal, agat, carnelian, ametist, cristal de stâncă - și-au găsit locul în bijuterii. Modificările care nu sunt atât de atractive ca aspect - silex, cuarț - sunt folosite în metalurgie, construcții și radio-electronică.
Un compus dintr-un nemetal cu carbon, carbură, este utilizat în metalurgie, fabricarea de instrumente și industria chimică. Este un semiconductor cu bandă largă, caracterizat prin duritate mare - 7 pe scara Mohs și rezistență, ceea ce îi permite să fie folosit ca material abraziv.
Silicați - adică săruri ale acidului silicic. Instabil, se descompune ușor sub influența temperaturii. Caracteristica lor remarcabilă este că formează săruri numeroase și variate. Dar acestea din urmă stau la baza producției de sticlă, ceramică, faianță, cristal etc. Putem spune cu siguranță că construcția modernă se bazează pe o varietate de silicați.
Sticla reprezintă cel mai interesant caz aici. Baza sa este aluminosilicații, dar amestecurile nesemnificative ale altor substanțe - de obicei oxizi - dau materialului o mulțime de proprietăți diferite, inclusiv culoarea. -, faianta, portelanul, de fapt, are aceeasi formula, desi cu un raport diferit de componente, iar diversitatea sa este si ea uimitoare.
Nemetalul mai are o abilitate: formează compuși precum cei de carbon, sub forma unui lanț lung de atomi de siliciu. Astfel de compuși se numesc compuși organosiliciici. Domeniul de aplicare al acestora nu este mai puțin cunoscut - acestea sunt siliconi, etanșanți, lubrifianți și așa mai departe.

Siliciul este un element foarte comun și are o importanță neobișnuit de mare în multe domenii ale economiei naționale. În plus, nu numai substanța în sine, ci toți compușii săi diferiți și numeroși sunt utilizați în mod activ.

Acest videoclip vă va spune despre proprietățile și utilizările siliciului:

Siliciul a fost descoperit și obținut în 1823 de chimistul suedez Jens Jacob Berzelius.

Al doilea element cel mai abundent din scoarța terestră după oxigen (27,6% din masă). Se găsește în compuși.

Structura unui atom de siliciu în starea fundamentală

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

Structura unui atom de siliciu în stare excitată

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

Stari de oxidare: +4, -4.

Alotropia siliciului

Se cunosc siliciul amorf si cristalin.

Siliciu policristalin

Cristal – substanță gri închis cu un luciu metalic, duritate mare, fragilă, semiconductor; ρ = 2,33 g/cm 3, t°pl. =1415°C; t°fierbe. = 2680°C.

Are o structură asemănătoare unui diamant și formează legături covalente puternice. Inert.

Amorf - pulbere brună, higroscopică, cu structură de tip diamant, ρ = 2 g/cm 3, mai reactivă.

Obține siliciu

1) Industrie – încălzirea cărbunelui cu nisip:

2C + SiO 2 t ˚ → Si + 2CO

2) Laborator – incalzire nisip cu magneziu:

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

Proprietăți chimice

Un tipic nemetal, inert.

Ca agent reducător:

1) Cu oxigen

Si 0 + O 2 t ˚ → Si +4 O 2

2) Cu fluor (fără încălzire)

Si 0 + 2F 2 →SiF 4

3) Cu carbon

Si 0 + C t ˚ → Si +4 C

(SiC - carborundum - dur; folosit pentru îndreptare și șlefuire)

4) Nu interacționează cu hidrogenul.

Silanul (SiH 4) se obține prin descompunerea siliciurilor metalice cu acid:

Mg2Si + 2H2S04 → SiH4 + 2MgS04

5) Nu reacționează cu acizii (Tnumai cu acid fluorhidric Si+4 HF= SiF 4 +2 H 2 )

Se dizolvă numai într-un amestec de acizi azotic și fluorhidric:

3Si + 4HNO3 + 18HF →3H2 + 4NO + 8H2O

6) Cu alcalii (când este încălzit):

Ca agent oxidant:

7) Cu metale (se formează siliciuri):

Si 0 + 2Mg t ˚ →Mg 2 Si -4

Siliciul este utilizat pe scară largă în electronică ca semiconductor. Adăugările de siliciu la aliaje cresc rezistența la coroziune. Silicații, aluminosilicații și silicea sunt principalele materii prime pentru producția de sticlă și ceramică, precum și pentru industria construcțiilor.
Siliciu în tehnologie
Aplicarea siliciului și a compușilor acestuia

Silan - SiH 4

Proprietăți fizice: Gaz incolor, otrăvitor, mp. = -185°C, t°fierbe. = -112°C.

Prepararea acidului silicic

Efectul acizilor tari asupra silicaților - Na 2 SiO 3 + 2HCl → 2NaCl + H 2 SiO 3 ↓

Proprietăți chimice:

Când este încălzit, se descompune: H 2 SiO 3 t ˚ → H 2 O + SiO 2

Săruri de acid silicic - silicati.

1) cu acizi

Na2SiO3+H2O+CO2=Na2CO3+H2SiO3

2) cu săruri

Na 2 SiO 3 +CaCl 2 =2NaCl+CaSiO 3 ↓

3) Silicații care alcătuiesc mineralele sunt distruși în condiții naturale sub influența apei și a monoxidului de carbon (IV) - intemperii rocilor:

(K 2 O Al 2 O 3 6SiO 2)(feldspat) + CO 2 + 2H 2 O → (Al 2 O 3 2SiO 2 2H 2 O)(caolinit (argilă)) + 4SiO 2 (silice (nisip)) + K2CO3

Aplicarea compușilor de siliciu

Compuși naturali de siliciu - nisip (SiO 2) și silicați sunt utilizați pentru producția de ceramică, sticlă și ciment.

Ceramică

Porţelan= caolin + argilă + cuarț + feldspat. Locul de naștere al porțelanului este China, unde porțelanul era cunoscut deja în 220. În 1746, producția de porțelan a fost stabilită în Rusia.

Faianta - de la numele orașului italian Faenza. Unde s-a dezvoltat meșteșugul ceramicii în secolele al XIV-lea și al XV-lea. Faianta se deosebește de porțelan prin conținutul mai mare de argilă (85%) și temperatura de ardere mai scăzută.

Siliciul (Si) este un nemetal care ocupă locul 2 după oxigen în ceea ce privește rezervele și prezența pe Pământ (25,8% în scoarța terestră). Practic, nu se găsește niciodată în forma sa pură; este prezent în principal pe planetă sub formă de compuși.

Caracteristicile siliciului

Proprietăți fizice

Siliciul este un material fragil, de culoare gri deschis, cu o nuanță metalică sau un material sub formă de pulbere maro. Structura unui cristal de siliciu este similară cu cea a diamantului, dar din cauza diferențelor de lungime a legăturii dintre atomi, duritatea diamantului este mult mai mare.

Siliciul este un nemetal accesibil radiațiilor electromagnetice. Datorită unor calități, se află la mijloc între nemetale și metale:

Când temperatura crește la 800 °C, devine flexibilă și plastică;

Când este încălzită la 1417 °C, se topește;

Începe să fiarbă la temperaturi peste 2600 °C;

Modifică densitatea la presiune mare;

Are proprietatea de a fi magnetizat împotriva direcției unui câmp magnetic extern (diamagnet).

Siliciul este un semiconductor, iar impuritățile incluse în aliajele sale determină caracteristicile electrice ale compușilor viitori.

Proprietăți chimice

Când este încălzit, Si reacționează cu oxigen, brom, iod, azot, clor și diferite metale. Atunci când sunt combinate cu carbon, se obțin aliaje dure cu rezistență termică și chimică.

Siliciul nu interacționează cu hidrogenul în niciun fel, așa că toate amestecurile posibile cu acesta sunt obținute într-un mod diferit.

În condiții normale, reacționează slab cu toate substanțele, cu excepția gazului fluor. Cu ea se formează tetrafluorura de siliciu SiF4. Această inactivitate se explică prin faptul că, datorită reacției cu oxigenul, apa, vaporii acesteia și aerul, pe suprafața nemetalului se formează o peliculă de dioxid de siliciu și o învăluie. Prin urmare, efectul chimic este lent și nesemnificativ.

Pentru a îndepărta acest strat, utilizați un amestec de acizi fluorhidric și azotic sau soluții apoase de alcali. Unele lichide speciale pentru aceasta necesită adăugarea de anhidridă cromică și alte substanțe.

Găsirea siliciului în natură

Siliciul este la fel de important pentru Pământ precum carbonul pentru plante și animale. Crusta sa este aproape jumătate de oxigen, iar dacă adăugați siliciu la acesta, obțineți 80% din masă. Această legătură este foarte importantă pentru mișcarea elementelor chimice.

75% din litosferă conține diverse săruri de acizi silicici și minerale (nisip, cuarțite, silex, mica, feldspați etc.). În timpul formării magmei și diferitelor roci magmatice, Si se acumulează în granite și roci ultramafice (plutonice și vulcanice).

Există 1 g de siliciu în corpul uman. Cele mai multe se găsesc în oase, tendoane, piele și păr, ganglioni limfatici, aortă și trahee. Este implicat în creșterea țesuturilor conjunctive și osoase și, de asemenea, menține elasticitatea vaselor de sânge.

Rata zilnică de aport pentru un adult este de 5 - 20 mg. Excesul cauzează silicoză.

Aplicații ale siliciului în industrie

Acest non-metal este cunoscut omului încă din epoca de piatră și este încă folosit pe scară largă astăzi.

Aplicație:

Este un bun agent reducător, deci este folosit în metalurgie pentru a produce metale.

În anumite condiții, siliciul poate conduce electricitatea, motiv pentru care este folosit în electronică.

Oxidul de siliciu este utilizat la fabricarea sticlelor și a materialelor silicate.

Aliajele speciale sunt utilizate pentru producerea de dispozitive semiconductoare.

Denumire - Si (Siliciu);
Perioada - III;
Grupa - 14 (IVa);
Masa atomică - 28,0855;
Numărul atomic - 14;
Raza atomică = 132 pm;
Raza covalentă = 111 pm;
Distribuția electronilor - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 ;
temperatura de topire = 1412°C;
punct de fierbere = 2355°C;
Electronegativitatea (după Pauling/după Alpred și Rochow) = 1,90/1,74;
Stare de oxidare: +4, +2, 0, -4;
Densitatea (nr.) = 2,33 g/cm3;
Volumul molar = 12,1 cm3/mol.

Compuși de siliciu:

Siliciul a fost izolat pentru prima dată în forma sa pură în 1811 (francezii J. L. Gay-Lussac și L. J. Tenard). Siliciul elementar pur a fost obținut în 1825 (suedezul J. J. Berzelius). Elementul chimic și-a primit numele „siliciu” (tradus din greaca veche ca munte) în 1834 (chimistul rus G. I. Hess).

Siliciul este cel mai comun element chimic (după oxigen) de pe Pământ (conținutul în scoarța terestră este de 28-29% în greutate). În natură, siliciul este prezent cel mai adesea sub formă de silice (nisip, cuarț, silex, feldspați), precum și în silicați și aluminosilicați. În forma sa pură, siliciul este extrem de rar. Mulți silicați naturali în forma lor pură sunt pietre prețioase: smarald, topaz, acvamar - toate acestea sunt siliciu. Oxidul de siliciu (IV) cristalin pur apare sub formă de cristal de rocă și cuarț. Oxidul de siliciu, care conține diverse impurități, formează pietre prețioase și semiprețioase - ametist, agat, jasp.

Orez. Structura atomului de siliciu.

Configurația electronică a siliciului este 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 (vezi Structura electronică a atomilor). La nivelul de energie exterior, siliciul are 4 electroni: 2 perechi în subnivelul 3s + 2 nepereche în orbitalii p. Când un atom de siliciu trece la o stare excitată, un electron de la subnivelul s „părăsește” perechea sa și se deplasează la subnivelul p, unde există un orbital liber. Astfel, în starea excitată, configurația electronică a atomului de siliciu ia următoarea formă: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3.

Orez. Tranziția unui atom de siliciu la o stare excitată.

Astfel, siliciul din compuși poate prezenta o valență de 4 (cel mai des) sau 2 (vezi Valența). Siliciul (precum și carbonul), reacționând cu alte elemente, formează legături chimice în care poate atât să renunțe la electroni, cât și să îi accepte, dar capacitatea de a accepta electroni în atomii de siliciu este mai puțin pronunțată decât în atomii de carbon, datorită siliciului mai mare. atom.

Starile de oxidare a siliciului:

-4 : SiH4 (silan), Ca2Si, Mg2Si (silicaţi metalici);
+4 - cele mai stabile: SiO 2 (oxid de siliciu), H 2 SiO 3 (acid silicic), silicati si halogenuri de siliciu;
0 : Si (substanță simplă)

Siliciul ca o substanță simplă

Siliciul este o substanță cristalină de culoare gri închis, cu un luciu metalic. Siliciu cristalin este un semiconductor.

Siliciul formează o singură modificare alotropică, similară cu diamantul, dar nu la fel de puternică, deoarece legăturile Si-Si nu sunt la fel de puternice ca în molecula de carbon din diamant (vezi Diamond).

Siliciu amorf- pulbere maro, cu punct de topire de 1420°C.

Siliciul cristalin se obține din siliciu amorf prin recristalizare. Spre deosebire de siliciul amorf, care este o substanță chimică destul de activă, siliciul cristalin este mai inert în ceea ce privește interacțiunea cu alte substanțe.

Structura rețelei cristaline de siliciu repetă structura diamantului - fiecare atom este înconjurat de alți patru atomi situati la vârfurile unui tetraedru. Atomii sunt ținuți împreună prin legături covalente, care nu sunt la fel de puternice ca legăturile de carbon din diamant. Din acest motiv, chiar și la nr. Unele legături covalente din siliciul cristalin sunt rupte, ducând la eliberarea unor electroni, ceea ce face ca siliciul să aibă o conductivitate electrică mică. Pe măsură ce siliciul se încălzește, la lumină sau când se adaugă anumite impurități, crește numărul de legături covalente rupte, drept urmare numărul de electroni liberi crește și, prin urmare, crește și conductibilitatea electrică a siliciului.

Proprietățile chimice ale siliciului

Ca și carbonul, siliciul poate fi atât un agent reducător, cât și un agent oxidant, în funcție de substanța cu care reacționează.

La nr. siliciul interacționează numai cu fluorul, ceea ce se explică prin rețeaua cristalină destul de puternică a siliciului.

Siliciul reacționează cu clorul și bromul la temperaturi care depășesc 400°C.

Siliciul interacționează cu carbonul și azotul numai la temperaturi foarte ridicate.

În reacțiile cu nemetale, siliciul acționează ca agent de reducere:
- în condiții normale, din nemetale, siliciul reacționează numai cu fluor, formând halogenură de siliciu:
  Si + 2F 2 = SiF 4
- la temperaturi ridicate, siliciul reacţionează cu clorul (400°C), oxigenul (600°C), azotul (1000°C), carbonul (2000°C):
  - Si + 2Cl2 = SiCl4 - halogenură de siliciu;
  - Si + O 2 = SiO 2 - oxid de siliciu;
  - 3Si + 2N2 = Si3N4 - nitrură de siliciu;
  - Si + C = SiC - carborundum (carbură de siliciu)
În reacțiile cu metale, siliciul este agent oxidant(format salicide:
Si + 2Mg = Mg2Si
În reacțiile cu soluții concentrate de alcalii, siliciul reacţionează cu eliberarea de hidrogen, formând săruri solubile ale acidului silicic, numite silicati:
Si + 2NaOH + H20 = Na2SiO3 + 2H2
Siliciul nu reacționează cu acizii (cu excepția HF).

Pregătirea și utilizarea siliciului

Obținerea siliciului:

în laborator - din silice (terapie cu aluminiu):
3SiO2 + 4Al = 3Si + 2Al2O3
în industrie - prin reducerea oxidului de siliciu cu cocs (siliciu pur din punct de vedere tehnic) la temperatură ridicată:
Si02 + 2C = Si + 2CO
Cel mai pur siliciu se obține prin reducerea tetraclorurii de siliciu cu hidrogen (zinc) la temperatură ridicată:
SiCI4 +2H2 = Si+4HCI

Aplicație silicon:

producerea de radioelemente semiconductoare;
ca aditivi metalurgici în producția de compuși rezistenți la căldură și acizi;
în producția de fotocelule pentru baterii solare;
ca redresoare de curent alternativ.

CPU? Nisip? Ce asocieri ai cu acest cuvânt? Sau poate Silicon Valley?
Oricum ar fi, întâlnim zilnic siliciu, iar dacă ești interesat să afli ce este Si și cu ce se mănâncă, te rog să te referi la pisică.

Introducere

În calitate de student la una dintre universitățile din Moscova cu specialitate în Nanomateriale, am vrut să vă prezint, dragă cititor, cele mai importante elemente chimice ale planetei noastre. Am petrecut mult timp alegând de unde să încep, carbon sau siliciu, și totuși am decis să mă opresc la Si, pentru că inima oricărui gadget modern se bazează pe el, ca să zic așa, desigur. Voi încerca să-mi exprim gândurile într-un mod extrem de simplu și accesibil.Scriind acest material, m-am bazat în principal pe începători, dar și cei mai avansați vor putea învăța ceva interesant.Aș vrea să mai spun că articolul a fost scris doar pentru a lărgi orizonturile celor interesați. Asadar, haideti sa începem.

Siliciu

Siliciu (lat. Siliciu), Si, element chimic din grupa IV a sistemului periodic al lui Mendeleev; numărul atomic 14, masa atomică 28.086.
În natură, elementul este reprezentat de trei izotopi stabili: 28Si (92,27%), 29Si (4,68%) și 30Si (3,05%).
Densitate (la nr.) 2,33 g/cm³
Punct de topire 1688 K

Pulbere Si

Referință istorică

Compușii de siliciu, larg răspândiți pe pământ, sunt cunoscuți omului încă din epoca de piatră. Folosirea uneltelor de piatră pentru muncă și vânătoare a continuat timp de câteva milenii. Utilizarea compușilor de siliciu asociați cu prelucrarea lor - producția de sticlă - a început în jurul anului 3000 î.Hr. e. (în Egiptul Antic). Cel mai vechi compus cunoscut de siliciu este oxidul de SiO2 (silice). În secolul al XVIII-lea, siliciul era considerat un solid simplu și clasificat drept „pământ” (așa cum se reflectă în numele său). Complexitatea compoziției silicei a fost stabilită de I. Ya. Berzelius. Pentru prima dată, în 1825, a obținut siliciu elementar din fluorură de siliciu SiF4, reducându-l pe acesta din urmă cu potasiu metal. Noului element i s-a dat numele de „siliciu” (din latinescul silex - silex). Numele rusesc a fost introdus de G. I. Hess în 1834.

Siliciul este foarte comun în natură ca parte a nisipului obișnuit.

Distribuția siliciului în natură

Siliciul este al doilea element cel mai abundent din scoarța terestră (după oxigen), conținutul său mediu în litosferă este de 29,5% (din masă). În scoarța terestră, siliciul joacă același rol principal ca și carbonul în lumea animală și vegetală. Pentru geochimia siliciului, legătura sa extrem de puternică cu oxigenul este importantă. Aproximativ 12% din litosferă este silice SiO2 sub formă de cuarț mineral și soiurile sale. 75% din litosferă este compusă din diverși silicați și aluminosilicați (feldspați, mica, amfiboli etc.). Numărul total de minerale care conțin silice depășește 400.

Proprietățile fizice ale siliciului

Cred că nu are rost să locuim aici, toate proprietățile fizice sunt disponibile gratuit, dar le voi enumera pe cele mai elementare.
Punct de fierbere 2600 °C
Siliciul este transparent la razele infraroșii cu unde lungi
Constanta dielectrica 11.7
Duritate Silicon Mohs 7.0
Aș dori să spun că siliciul este un material fragil; deformarea plastică vizibilă începe la temperaturi peste 800°C.
Siliciul este un semiconductor, motiv pentru care este utilizat pe scară largă. Proprietățile electrice ale siliciului sunt foarte dependente de impurități.

Proprietățile chimice ale siliciului

Sunt multe de spus aici, desigur, dar mă voi concentra pe cele mai interesante. În compușii Si (similar cu carbonul) 4-valentenă.
În aer, siliciul este stabil chiar și la temperaturi ridicate datorită formării unei pelicule de oxid de protecție. În oxigen se oxidează începând de la 400 °C, formând oxid de siliciu (IV) SiO2.
Siliciul este rezistent la acizi și se dizolvă numai într-un amestec de acizi azotic și fluorhidric și se dizolvă ușor în soluții alcaline fierbinți cu eliberarea de hidrogen.
Siliciul formează 2 grupe de silani care conțin oxigen - siloxani și siloxeni. Siliciul reacționează cu azotul la temperaturi peste 1000 ° C. De mare importanță practică este nitrura Si3N4, care nu se oxidează în aer nici la 1200 ° C, este rezistentă la acizi (cu excepția azotului) și alcalii, precum și la metalele topite și zgură, ceea ce o face să fie un material valoros pentru industria chimică, precum și pentru producția de materiale refractare. Compușii de siliciu cu carbon (carbură de siliciu SiC) și bor (SiB3, SiB6, SiB12) se caracterizează prin duritate ridicată, precum și rezistență termică și chimică.

Obținerea Siliciului

Cred că aceasta este cea mai interesantă parte, haideți să aruncăm o privire mai atentă aici.
In functie de scop exista:
1. Siliciu electronic de calitate(așa-numitul „siliciu electronic”) - siliciul de cea mai bună calitate cu un conținut de siliciu de peste 99,999% din greutate, rezistivitatea electrică a siliciului de calitate electronică poate fi în intervalul de aproximativ 0,001 până la 150 Ohm cm, dar valoarea rezistenței trebuie să fie să se asigure exclusiv o anumită impuritate, adică intrarea altor impurități în cristal, chiar dacă acestea asigură o rezistivitate electrică dată, este, de regulă, inacceptabilă.
2. Siliciu de calitate solară(așa-numitul „siliciu solar”) - siliciu cu un conținut de siliciu de peste 99,99% din greutate, utilizat pentru producția de convertoare fotovoltaice (baterii solare).

3. Siliciu tehnic- blocuri de siliciu cu structura policristalina obtinute prin reducere carbotermica din nisip cuarcios pur; conține 98% siliciu, principala impuritate este carbonul, caracterizat printr-un conținut ridicat de elemente de aliere - bor, fosfor, aluminiu; folosit în principal pentru a produce siliciu policristalin.

Siliciul de puritate tehnică (95-98%) se obține într-un arc electric prin reducerea silicei SiO2 între electrozii de grafit. În legătură cu dezvoltarea tehnologiei semiconductoarelor, au fost dezvoltate metode pentru producerea de siliciu pur și foarte pur. Aceasta necesită sinteza preliminară a celor mai puri compuși inițiali de siliciu, din care siliciul este extras prin reducere sau descompunere termică.
Siliciul policristalin („polisiliciul”) este cea mai pură formă de siliciu produs industrial - un produs semifabricat obținut prin purificarea siliciului tehnic prin metode cu clorură și fluorură și utilizat pentru producerea siliciului mono- și multicristalin.
În mod tradițional, siliciul policristalin este obținut din siliciul tehnic prin transformarea acestuia în silani volatili (monosilan, clorosilani, fluorosilani) cu separarea ulterioară a silanilor rezultați, purificarea prin rectificare a silanului selectat și reducerea silanului la silan metalic.
Siliciul semiconductor pur se obține în două forme: policristalin(reducerea SiCl4 sau SiHCl3 cu zinc sau hidrogen, descompunerea termică a SiI4 și SiH4) și monocristalină(topirea zonei fără creuzet și „tragerea” unui singur cristal din siliciu topit - metoda Czochralski).

Aici puteți vedea procesul de creștere a siliciului folosind metoda Czochralski.

metoda Czochralski- o metodă de creștere a cristalelor prin tragerea lor în sus de pe suprafața liberă a unui volum mare de topitură cu inițierea cristalizării prin punerea în contact a unui cristal semințe (sau a mai multor cristale) cu o structură dată și orientare cristalografică în contact cu suprafața liberă a cristalului; topi.

Aplicarea siliconului

Siliciul dopat special este utilizat pe scară largă ca material pentru fabricarea dispozitivelor semiconductoare (tranzistoare, termistoare, redresoare de putere, tiristoare; celule solare fotovoltaice utilizate în nave spațiale, precum și multe alte lucruri).
Deoarece siliciul este transparent la razele cu lungimi de undă de la 1 la 9 microni, este utilizat în optică în infraroșu.
Siliciul are aplicații diverse și în expansiune. In metalurgie Si
folosit pentru îndepărtarea oxigenului dizolvat în metalele topite (dezoxidare).
Siliciul este o componentă a unui număr mare de aliaje de fier și metale neferoase.
De obicei, Siliciul conferă aliajelor rezistență sporită la coroziune, îmbunătățește proprietățile lor de turnare și crește rezistența mecanică; cu toate acestea, la niveluri mai mari, siliciul poate provoca fragilitate.
Cele mai importante sunt aliajele de fier, cupru și aluminiu care conțin siliciu.
Siliciul este prelucrat de sticlă, ciment, ceramică, electrică și alte industrii.
Siliciul ultra-pur este utilizat în principal pentru producerea de dispozitive electronice individuale (de exemplu, procesorul computerului) și microcircuite cu un singur cip.
Siliciul pur, deșeurile de siliciu ultrapur, siliciul metalurgic purificat sub formă de siliciu cristalin sunt principalele materii prime pentru energia solară.
Siliciul monocristalin – pe lângă electronică și energia solară, este folosit pentru a face oglinzi cu laser cu gaz.

Siliciu ultrapur și produsele sale

Siliciu în corp

Siliciul se găsește în organism sub formă de diferiți compuși, implicați în principal în formarea părților dure ale scheletului și a țesuturilor. Unele plante marine (de exemplu, diatomee) și animale (de exemplu, bureți siliciu, radiolari) pot acumula cantități deosebit de mari de siliciu, formând depozite groase de oxid de siliciu (IV) atunci când mor pe fundul oceanului. În mările și lacurile reci predomină nămolurile biogene îmbogățite cu siliciu; în mările tropicale predomină nămolurile calcaroase cu conținut scăzut de siliciu. Printre plantele terestre, cerealele, rogojii, palmierii și coada-calului acumulează mult siliciu. La vertebrate, conținutul de oxid de siliciu (IV) în substanțele de cenușă este de 0,1-0,5%. Siliciul se găsește în cantități mari în țesutul conjunctiv dens, rinichi și pancreas. Dieta zilnică a omului conține până la 1 g de siliciu. Când există un conținut ridicat de praf de oxid de siliciu (IV) în aer, acesta pătrunde în plămânii oamenilor și provoacă boala silicoză.

Concluzie

Ei bine, asta-i tot, dacă citești până la sfârșit și aprofundezi puțin, atunci ești cu un pas mai aproape de succes. Sper ca nu am scris degeaba si macar cuiva i-a placut postarea. Vă mulțumim pentru atenție.