Silicij: primjena, kemijska i fizička svojstva

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-17 05:28

Jedan od najčešćih elemenata u prirodi je silicij ili silicij. Ovako široka rasprostranjenost govori o važnosti i značaju ove tvari. To su brzo shvatili i usvojili ljudi koji su naučili kako pravilno koristiti silicij za svoje potrebe. Njegova primjena temelji se na posebnim svojstvima, o kojima ćemo govoriti kasnije.

Silicij je kemijski element

Ako dani element karakteriziramo položajem u periodnom sustavu, možemo identificirati sljedeće važne točke:

1. Redni broj - 14.
2. Razdoblje je treće malo.
3. Grupa - IV.
4. Podgrupa - glavna.
5. Struktura vanjske elektronske ljuske izražena je formulom 3s²3p².
6. Element silicij označen je kemijskim simbolom Si, koji se izgovara kao "silicij".
7. Oksidacijsko stanje pokazuje: -4; +2; +4.
8. Valencija atoma je IV.
9. Atomska masa silicija je 28.086.
10. U prirodi postoje tri stabilna izotopa ovog elementa s masenim brojevima 28, 29 i 30.

Dakle, atomS kemijskog gledišta, silicij je dobro proučen element, opisana su mnoga njegova različita svojstva.

Povijest otkrića

Budući da su različiti spojevi predmetnog elementa vrlo popularni i masivni po sadržaju u prirodi, ljudi su od davnina koristili i znali za svojstva samo mnogih od njih. Čisti silicij dugo je ostao izvan ljudskog znanja u kemiji.

Najpopularniji spojevi koje su narodi drevnih kultura (Egipćani, Rimljani, Kinezi, Rusi, Perzijanci i drugi) koristili u svakodnevnom životu i industriji bili su dragocjeno i ukrasno kamenje na bazi silicijevog oksida. To uključuje:

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

Kvarc i kvarcni pijesak također je uobičajeno koristiti u građevinarstvu od davnina. Međutim, sam elementarni silicij ostao je neotkriven sve do 19. stoljeća, iako su ga mnogi znanstvenici uzaludno pokušavali izolirati od raznih spojeva, koristeći katalizatore, visoke temperature, pa čak i električnu struju. Ovo su bistri umovi poput:

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

Jens Jacobs Berzelius uspio je uspješno nabaviti čisti silicij 1823. godine. Da bi to učinio, proveo je eksperiment fuzije para silicij fluorida i metalnog kalija. Kao rezultat toga, dobio je amorfnu modifikaciju dotičnog elementa. Isti je znanstvenik predložio latinski naziv za otkriveni atom.

Nešto kasnije, 1855., drugi znanstvenik - Saint Clair-Deville - uspio je sintetizirati još jednu alotropsku sortu - kristalni silicij. Od tada je znanje o ovom elementu i njegovim svojstvima počelo vrlo brzo rasti. Ljudi su shvatili da ima jedinstvene značajke koje se mogu vrlo inteligentno koristiti za zadovoljavanje vlastitih potreba. Stoga je danas jedan od najtraženijih elemenata u elektronici i tehnologiji silicij. Njegova upotreba samo proširuje svoje granice svake godine.

Rusko ime za atom dao je znanstvenik Hess 1831. godine. To je ono što se zadržalo do danas.

Sadržano u prirodi

Silicij je drugi najzastupljeniji u prirodi nakon kisika. Njegov postotak u usporedbi s drugim atomima u sastavu zemljine kore iznosi 29,5%. Osim toga, ugljik i silicij su dva posebna elementa koji mogu tvoriti lance spajajući se jedan s drugim. Zato je za potonje poznato više od 400 različitih prirodnih minerala u kojima se nalazi u litosferi, hidrosferi i biomasi.

Gdje se točno nalazi silicij?

1. U dubokim slojevima tla.
2. U stijenama, naslagama i masivima.
3. Na dnu vodenih tijela, posebno mora i oceana.
4. U biljkama i morskom životu životinjskog carstva.
5. Kod ljudi i kopnenih životinja.

Moguće je naznačiti nekoliko najčešćih minerala i stijena, koje sadrže veliku količinusilicij. Njihova kemija je takva da maseni sadržaj čistog elementa u njima doseže 75%. Međutim, konkretna brojka ovisi o vrsti materijala. Dakle, stijene i minerali koji sadrže silicij:

• feldspars;
• mica;
• amfiboli;
• opals;
• kalcedon;
• silikati;
• pješčanici;
• aluminosilikati;
• glina i ostalo.

Akumulirajući se u školjkama i vanjskim kosturima morskih životinja, silicij na kraju stvara snažne naslage silicija na dnu vodenih tijela. Ovo je jedan od prirodnih izvora ovog elementa.

Osim toga, otkriveno je da silicij može postojati u svom čistom izvornom obliku - u obliku kristala. Ali takvi su depoziti vrlo rijetki.

Fizička svojstva silicija

Ako element koji se razmatra karakterizira skupom fizikalnih i kemijskih svojstava, tada prije svega treba navesti fizičke parametre. Evo nekoliko ključnih:

1. Postoji u obliku dvije alotropne modifikacije - amorfne i kristalne, koje se razlikuju po svim svojstvima.
2. Kristalna rešetka je vrlo slična onoj dijamanta, jer su ugljik i silicij u tom pogledu gotovo isti. Međutim, udaljenost između atoma je različita (silicija ima više), pa je dijamant puno tvrđi i jači. Vrsta rešetke - kubična sredina lica.
3. Tvar je vrlo krhka, postaje plastična na visokim temperaturama.
4. Točka topljenja je 1415˚C.
5. Temperaturavrelište - 3250˚S.
6. Gustoća materije - 2,33 g/cm³.
7. Boja spoja je srebrno-siva, s karakterističnim metalnim sjajem.
8. Posjeduje dobra poluvodička svojstva, koja mogu varirati s dodatkom određenih agenasa.
9. Netopljivo u vodi, organskim otapalima i kiselinama.
10. Posebno topiv u lužinama.

Određena fizička svojstva silicija omogućuju ljudima da ga kontroliraju i koriste za stvaranje različitih proizvoda. Na primjer, upotreba čistog silicija u elektronici temelji se na svojstvima poluvodljivosti.

Kemijska svojstva

Kemijska svojstva silicija vrlo su ovisna o reakcijskim uvjetima. Ako govorimo o čistoj tvari pri standardnim parametrima, onda moramo označiti vrlo nisku aktivnost. I kristalni i amorfni silicij su vrlo inertni. Nemojte komunicirati s jakim oksidantima (osim fluora), niti s jakim redukcijskim sredstvima.

To je zbog činjenice da se na površini tvari trenutno formira oksidni film SiO₂, koji sprječava daljnje interakcije. Može nastati pod utjecajem vode, zraka, para.

Ako promijenite standardne uvjete i zagrijete silicij na temperaturu iznad 400˚S, tada će se njegova kemijska aktivnost uvelike povećati. U ovom slučaju, reagirat će sa:

• kisik;
• sve vrste halogena;
• vodik.

S daljnjim povećanjem temperature moguće je stvaranje proizvoda nainterakcija s borom, dušikom i ugljikom. Od posebne je važnosti karborund - SiC, jer je dobar abrazivni materijal.

Također, kemijska svojstva silicija jasno se vide u reakcijama s metalima. U odnosu na njih, to je oksidacijsko sredstvo, pa se proizvodi nazivaju silicidi. Slični spojevi poznati su po:

• alkalna;
• alkalna zemlja;
• prijelazni metali.

Neobična svojstva imaju spoj dobiven fuzijom željeza i silicija. Zove se ferosilicij keramika i uspješno se koristi u industriji.

Silicij ne stupa u interakciju sa složenim tvarima, stoga se od svih njihovih varijanti može otopiti samo u:

• kraljevska votka (mješavina dušične i klorovodične kiseline);
• kaustične lužine.

U ovom slučaju, temperatura otopine treba biti najmanje 60˚S. Sve to još jednom potvrđuje fizičku osnovu tvari - stabilnu kristalnu rešetku nalik dijamantu, koja joj daje snagu i inertnost.

Načini dobivanja

Dobivanje čistog silicija je ekonomski prilično skup proces. Osim toga, zbog svojih svojstava, bilo koja metoda daje samo 90-99% čistog proizvoda, dok nečistoće u obliku metala i ugljika ostaju iste. Dakle, samo dobivanje tvari nije dovoljno. Također ga treba kvalitetno očistiti od stranih elemenata.

Općenito, proizvodnja silicija se provodi na dva glavna načina:

1. Iz bijelog pijeskakoji je čisti silicij oksid SiO₂. Kad se kalcinira aktivnim metalima (najčešće magnezijem), nastaje slobodni element u obliku amorfne modifikacije. Čistoća ove metode je visoka, proizvod se dobiva s prinosom od 99,9 posto.
2. Raširenija metoda u industrijskim razmjerima je sinteriranje rastaljenog pijeska s koksom u specijaliziranim termalnim pećima. Ovu metodu razvio je ruski znanstvenik Beketov N. N.

Daljnja obrada se sastoji u podvrgavanju proizvoda metodama čišćenja. Za to se koriste kiseline ili halogeni (klor, fluor).

Amorfni silicij

Karakterizacija silicija bit će nepotpuna ako ne razmotrimo zasebno svaku njegovu alotropsku modifikaciju. Prvi je amorfan. U tom stanju, tvar koju razmatramo je smeđe-smeđi prah, fino raspršen. Ima visok stupanj higroskopnosti, pokazuje dovoljno visoku kemijsku aktivnost kada se zagrijava. U standardnim uvjetima može komunicirati samo s najjačim oksidacijskim sredstvom - fluorom.

Nije sasvim ispravno nazivati amorfni silicij raznolikošću kristalnog silicija. Njegova rešetka pokazuje da je ova tvar samo oblik fino raspršenog silicija koji postoji u obliku kristala. Stoga su, kao takve, ove modifikacije isti spoj.

Međutim, njihova svojstva se razlikuju, stoga je uobičajeno govoriti o alotropiji. Sam po sebi, amorfni silicij imavisok kapacitet apsorpcije svjetlosti. Osim toga, pod određenim uvjetima, ovaj pokazatelj je nekoliko puta veći od kristalnog oblika. Stoga se koristi u tehničke svrhe. U razmatranom obliku (prašak), spoj se lako nanosi na bilo koju površinu, bilo da je plastična ili staklena. Stoga je amorfni silicij tako prikladan za korištenje. Aplikacija se temelji na proizvodnji solarnih panela različitih veličina.

Iako je trošenje ove vrste baterija prilično brzo, što je povezano s habanjem tankog filma tvari, međutim, upotreba i potražnja samo raste. Doista, čak iu kratkom vijeku trajanja, solarne ćelije na bazi amorfnog silicija mogu osigurati energiju cijelim poduzećima. Osim toga, proizvodnja takve tvari je bez otpada, što je čini vrlo ekonomičnom.

Nabavite ovu modifikaciju smanjenjem spojeva s aktivnim metalima, kao što su natrij ili magnezij.

Kristalni silicij

Srebrno siva sjajna modifikacija predmetnog elementa. Upravo je ovaj oblik najčešći i najtraženiji. To je zbog skupa kvalitativnih svojstava koje ova tvar posjeduje.

Obilježje silicija s kristalnom rešetkom uključuje klasifikaciju njegovih tipova, budući da ih ima nekoliko:

1. Elektronska kvaliteta - najčišća i najkvalitetnija. Upravo se ovaj tip koristi u elektronici za izradu posebno osjetljivih uređaja.
2. Sunčana kvaliteta. Sam nazivdefinira područje upotrebe. Također je silicij visoke čistoće čija je upotreba neophodna za stvaranje visokokvalitetnih i dugotrajnih solarnih ćelija. Fotonaponski pretvarači stvoreni na bazi kristalne strukture kvalitetniji su i trajniji od onih koji su napravljeni amorfnom modifikacijom taloženjem na različite vrste podloga.
3. Tehnički silicij. Ova sorta uključuje one uzorke tvari koji sadrže oko 98% čistog elementa. Sve ostalo ide na razne vrste nečistoća:

• bor;
• aluminij;
• hlor;
• ugljik;
• fosfor i drugi.

Posljednja vrsta dotične tvari koristi se za dobivanje polikristala silicija. Za to se provode procesi rekristalizacije. Kao rezultat toga, u pogledu čistoće, dobivaju se proizvodi koji se mogu pripisati skupinama solarne i elektroničke kvalitete.

Po prirodi, polisilicij je međuproizvod između amorfne i kristalne modifikacije. Ova opcija je lakša za rad, bolje se reciklira i čisti fluorom i klorom.

Rezultirajući proizvodi mogu se klasificirati na sljedeći način:

• multicilicon;
• monokristalni;
• profilirani kristali;
• otpaci silikona;
• tehnički silicij;
• proizvodni otpad u obliku fragmenata i ostataka materije.

Svaki od njih nalazi primjenu u industriji i koristi seosoba potpuno. Stoga se proizvodni procesi koji uključuju silicij smatraju bez otpada. To uvelike smanjuje njegovu ekonomsku cijenu bez utjecaja na kvalitetu.

Upotreba čistog silicija

Proizvodnja silicija u industriji je prilično dobro uspostavljena, a razmjeri su joj prilično opsežni. To je zbog činjenice da je ovaj element, kako čisti tako i u obliku različitih spojeva, široko rasprostranjen i tražen u raznim granama znanosti i tehnologije.

Gdje se koristi čisti kristalni i amorfni silicij?

1. U metalurgiji kao legirajući aditiv koji može promijeniti svojstva metala i njihovih legura. Dakle, koristi se u taljenju čelika i željeza.
2. Različite vrste tvari koriste se za izradu čišće verzije - polisilicij.
3. Spojevi silicija s organskim tvarima - ovo je cijela kemijska industrija koja je danas stekla posebnu popularnost. Silikonski materijali se koriste u medicini, u proizvodnji posuđa, alata i još mnogo toga.
4. Proizvodnja raznih solarnih panela. Ova metoda dobivanja energije jedna je od najperspektivnijih u budućnosti. Ekološki prihvatljiv, isplativ i izdržljiv - glavne prednosti takve proizvodnje električne energije.
5. Silicij se jako dugo koristi u upaljačima. Čak iu davna vremena ljudi su koristili kremen za stvaranje iskre prilikom paljenja vatre. Ovaj princip je temelj za proizvodnju upaljača raznih vrsta. Danas postoje vrste u kojimakremen se zamjenjuje legurom određenog sastava, što daje još brži rezultat (iskrenje).
6. Elektronika i solarna energija.
7. Proizvodnja ogledala u plinskim laserskim uređajima.

Dakle, čisti silicij ima mnogo korisnih i posebnih svojstava koja mu omogućuju da se koristi za stvaranje važnih i potrebnih proizvoda.

Primjena silicijevih spojeva

Uz jednostavnu tvar, koriste se i razni spojevi silicija, i to vrlo široko. Postoji cijela grana industrije koja se zove silikat. Ona se temelji na korištenju raznih tvari, koje uključuju ovaj nevjerojatan element. Koji su to spojevi i što proizvode?

1. Kvarc, ili riječni pijesak - SiO₂. Koristi se za proizvodnju građevinskih i ukrasnih materijala kao što su cement i staklo. Gdje se ti materijali koriste, svi znaju. Nijedna konstrukcija nije potpuna bez ovih komponenti, što potvrđuje važnost silicijevih spojeva.
2. Silikatna keramika, koja uključuje materijale kao što su fajansa, porculan, cigla i proizvodi na njihovoj osnovi. Ove komponente se koriste u medicini, u proizvodnji posuđa, ukrasnih ukrasa, kućanskih predmeta, u građevinarstvu i drugim kućanskim područjima ljudske djelatnosti.
3. Silikonski spojevi - silikoni, silika gelovi, silikonska ulja.
4. Silikatno ljepilo - koristi se kao pribor za pisanje, u pirotehnici i građevinarstvu.

Silicij čija cijena varira na svjetskom tržištu, ali ne prelaziod vrha do dna, oznaka od 100 rubalja Ruske Federacije po kilogramu (po kristalini), je tražena i vrijedna tvar. Naravno, spojevi ovog elementa također su široko rasprostranjeni i primjenjivi.

Biološka uloga silicija

S stajališta značaja za tijelo, silicij je važan. Njegov sadržaj i raspodjela tkiva je kako slijedi:

• 0, 002% - mišićav;
• 0, 000017% - kost;
• krv - 3,9 mg/l.

Svaki dan oko jedan gram silicija bi trebao ući unutra, inače će se bolesti početi razvijati. Među njima nema smrtonosnih, međutim, dugotrajno gladovanje silikonom dovodi do:

• gubitak kose;
• pojava akni i prištića;
• krhkost i lomljivost kostiju;
• laka propusnost kapilara;
• umor i glavobolje;
• pojava brojnih modrica i modrica.

Za biljke, silicij je važan element u tragovima neophodan za normalan rast i razvoj. Eksperimenti na životinjama pokazali su da pojedinci koji dnevno konzumiraju dovoljno silicija najbolje rastu.