Mnogi moderni tehnološki uređaji i uređaji stvoreni su zahvaljujući jedinstvenim svojstvima tvari koje se nalaze u prirodi. Čovječanstvo eksperimentiranjem i pomnim proučavanjem elemenata oko nas neprestano modernizira vlastite izume – taj se proces naziva tehnički napredak. Temelji se na elementarnim, svima dostupnim stvarima koje nas okružuju u svakodnevnom životu. Na primjer, pijesak: što može biti iznenađujuće i neobično u njemu? Znanstvenici su iz njega uspjeli izolirati silicij – kemijski element bez kojeg računalna tehnologija ne bi postojala. Opseg njegove primjene je raznolik i stalno se širi. To se postiže zbog jedinstvenih svojstava atoma silicija, njegove strukture i sposobnosti kombiniranja s drugim jednostavnim tvarima.
Karakteristika
U periodičnom sustavu koji je razvio D. I. Mendelejev, silicij (kemijski element) je označensimbol Si. Spada u nemetale, nalazi se u glavnoj četvrtoj skupini trećeg razdoblja, ima atomski broj 14. Njegova blizina ugljiku nije slučajna: u mnogim aspektima njihova svojstva su usporediva. Ne pojavljuje se u prirodi u svom čistom obliku, jer je aktivni element i ima prilično jake veze s kisikom. Glavna tvar je silicij, koji je oksid, i silikati (pijesak). Istovremeno, silicij (njegovi prirodni spojevi) jedan je od najčešćih kemijskih elemenata na Zemlji. Po masenom udjelu sadržaja zauzima drugo mjesto nakon kisika (više od 28%). Gornji sloj zemljine kore sadrži silicijev dioksid (ovo je kvarc), razne vrste gline i pijeska. Druga najčešća skupina su njegovi silikati. Na dubini od oko 35 km od površine nalaze se slojevi naslaga granita i baz alta, koji uključuju silicijske spojeve. Postotak sadržaja u zemljinoj jezgri još nije izračunat, ali slojevi plašta koji su najbliži površini (do 900 km) sadrže silikate. U sastavu morske vode koncentracija silicija je 3 mg / l, lunarno tlo je 40% sastavljeno od njegovih spojeva. Svemirska prostranstva koja je čovječanstvo proučavala do danas sadrže ovaj kemijski element u velikim količinama. Primjerice, spektralna analiza meteorita koji su se približili Zemlji na udaljenosti dostupnu istraživačima pokazala je da se oni sastoje od 20% silicija. Postoji mogućnost formiranja života na temelju ovog elementa u našoj galaksiji.
Proces istraživanja
Povijest otkrića kemijskog elementa silicija ima nekoliko faza. Mnoge tvari koje je Mendeljejev sistematizirao čovječanstvo je koristilo stoljećima. Pritom su elementi bili u svom prirodnom obliku, t.j. u spojevima koji nisu bili podvrgnuti kemijskoj obradi, a sva njihova svojstva ljudima nisu bila poznata. U procesu proučavanja svih značajki tvari pojavili su se novi smjerovi upotrebe. Svojstva silicija do danas nisu u potpunosti proučena – ovaj element, s prilično širokim i raznolikim rasponom primjene, ostavlja prostora za nova otkrića budućim generacijama znanstvenika. Suvremene tehnologije značajno će ubrzati ovaj proces. U 19. stoljeću mnogi poznati kemičari pokušavali su dobiti čisti silicij. L. Tenard i J. Gay-Lussac su to prvi put uspjeli učiniti 1811. godine, ali otkriće elementa pripada J. Berzeliusu, koji je bio u stanju ne samo izolirati tvar, već je i opisati. Švedski je kemičar dobio silicij 1823. koristeći metalni kalij i kalijevu sol. Reakcija se odvijala s katalizatorom u obliku visoke temperature. Dobivena jednostavna sivo-smeđa tvar bio je amorfni silicij. Kristalni čisti element dobio je 1855. St. Clair Deville. Složenost izolacije izravno je povezana s visokom čvrstoćom atomskih veza. U oba slučaja, kemijska reakcija je usmjerena na proces pročišćavanja od nečistoća, dok amorfni i kristalni modeli imaju različita svojstva.
Silicijski izgovor kemijskog elementa
Imedobiveni prah - kisel - predložio je Berzelius. U Velikoj Britaniji i SAD-u silicij se još uvijek naziva ništa drugo nego silicij (Silicium) ili silikon (Silicon). Pojam dolazi od latinskog "kremen" (ili "kamen"), a u većini slučajeva vezan je uz pojam "zemlje" zbog svoje široke rasprostranjenosti u prirodi. Ruski izgovor ove kemikalije je drugačiji, sve ovisi o izvoru. Zvao se silicij (Zaharov je upotrijebio ovaj izraz 1810.), sicilija (1824., Dvigubski, Solovjov), silicij (1825., Strahov), a tek 1834. ruski kemičar German Ivanovič Hess uvodi naziv koji se i danas koristi. većina izvora - silicij. U Mendeljejevljevom periodičnom sustavu označava se simbolom Si. Kako se čita kemijski element silicij? Mnogi znanstvenici u zemljama engleskog govornog područja njegovo ime izgovaraju kao "si" ili koriste riječ "silicone". Odavde potječe svjetski poznato ime doline, koja je istraživačko i proizvodno mjesto računalne tehnologije. Stanovništvo koje govori ruski naziva element silicij (od starogrčke riječi za "stijena, planina").
Pronalaženje u prirodi: depoziti
Cijeli planinski sustavi sastoje se od spojeva silicija, koji se ne nalaze u svom čistom obliku, jer su svi poznati minerali dioksidi ili silikati (aluminosilikati). Kamenje nevjerojatne ljepote ljudi koriste kao ukrasni materijal - to su opali, ametisti, razne vrste kvarca, jaspis, kalcedon, ahat, gorski kristal, karneol i mnogi drugi. Nastali su zbog uključivanja raznih tvari u sastav silicija, što je odredilo njihovu gustoću, strukturu, boju i smjer upotrebe. Cijeli anorganski svijet može se povezati s ovim kemijskim elementom koji u prirodnom okruženju stvara čvrste veze s metalima i nemetalima (cink, magnezij, kalcij, mangan, titan itd.). U usporedbi s drugim tvarima, silicij je lako dostupan za rudarenje u industrijskim razmjerima: nalazi se u većini vrsta ruda i minerala. Stoga su aktivno razvijena ležišta vezana za raspoložive izvore energije, a ne za teritorijalne nakupine tvari. Kvarciti i kvarcni pijesci nalaze se u svim zemljama svijeta. Najveći proizvođači i dobavljači silicija su: Kina, Norveška, Francuska, SAD (Zapadna Virginija, Ohio, Alabama, New York), Australija, Južna Afrika, Kanada, Brazil. Svi proizvođači koriste različite metode, koje ovise o vrsti proizvoda koji se proizvodi (tehnički, poluvodički, visokofrekventni silicij). Kemijski element, dodatno obogaćen ili, obrnuto, pročišćen od svih vrsta nečistoća, ima pojedinačna svojstva o kojima ovisi njegova daljnja upotreba. To vrijedi i za ovu tvar. Struktura silicija određuje opseg njegove primjene.
Povijest upotrebe
Vrlo često, zbog sličnosti imena, ljudi brkaju silicij i kremen, ali ti pojmovi nisu identični. Unesimo jasnoću. Kao što je već spomenuto, silicij se u svom čistom obliku ne pojavljuje u prirodi, što se ne može reći o njemuspojevi (isti silicij). Glavni minerali i stijene koje nastaje dioksidom tvari koju razmatramo su pijesak (riječni i kvarc), kvarc i kvarciti, feldspati i kremen. Sigurno su svi čuli za potonje, jer mu se pridaje velika važnost u povijesti razvoja čovječanstva. Prvi alati koje su ljudi stvorili tijekom kamenog doba vezani su uz ovaj kamen. Njegovi oštri rubovi, nastali prilikom odvajanja od glavne stijene, uvelike su olakšali rad starim domaćicama, a mogućnost oštrenja - lovcima i ribarima. Kremen nije imao snagu metalnih proizvoda, ali je neuspjele alate bilo lako zamijeniti novim. Njegova upotreba kao pokretača vatre nastavila se stoljećima - sve do izuma alternativnih izvora.
S obzirom na suvremenu stvarnost, svojstva silicija omogućuju korištenje tvari za uređenje interijera ili izradu keramičkog posuđa, a osim lijepog estetskog izgleda, ima i mnoge izvrsne funkcionalne kvalitete. Zaseban smjer njegove primjene povezan je s izumom stakla prije oko 3000 godina. Ovaj događaj omogućio je stvaranje ogledala, posuđa, mozaičkih vitraža od spojeva koji sadrže silicij. Formula početne tvari dopunjena je potrebnim komponentama, što je omogućilo da proizvod dobije potrebnu boju i utjecalo na čvrstoću stakla. Umjetnička djela nevjerojatne ljepote i raznolikosti načinio je čovjek od minerala i kamenja koji sadrži silicij. Ljekovita svojstva ovog elementa opisali su antički znanstvenici i korištena su u cijelompovijest čovječanstva. Postavili su bunare za pitku vodu, ostave za spremanje hrane, koja se koristila i u svakodnevnom životu i u medicini. Prašak dobiven kao rezultat mljevenja nanosio se na rane. Posebna pažnja bila je posvećena vodi, koja se ulijevala u posuđe napravljeno od spojeva koji sadrže silicij. Kemijski element stupio je u interakciju s njegovim sastavom, što je omogućilo uništavanje niza patogenih bakterija i mikroorganizama. A to je daleko od svih industrija u kojima je supstanca koju razmatramo vrlo, vrlo tražena. Struktura silicija određuje njegovu svestranost.
Svojstva
Za detaljnije upoznavanje s karakteristikama tvari, mora se razmotriti uzimajući u obzir sva moguća svojstva. Plan karakterizacije kemijskog elementa silicija uključuje fizikalna svojstva, elektrofizičke pokazatelje, proučavanje spojeva, reakcija i uvjeta za njihov prolaz itd. Silicij u kristalnom obliku ima tamno sivu boju s metalnim sjajem. Kubična rešetka usmjerena na lice slična je ugljičnoj (dijamantnoj), ali zbog dužih veza nije toliko jaka. Zagrijavanje do 800 oS čini ga plastičnim, u drugim slučajevima ostaje krhak. Fizička svojstva silicija čine ovu tvar uistinu jedinstvenom: prozirna je za infracrveno zračenje. Točka topljenja - 1410 0S, točka ključanja - 2600 0S, gustoća u normalnim uvjetima - 2330 kg/m3. Toplinska vodljivost nije konstantna, za različite uzorke se uzimapribližna vrijednost od 25 0S. Svojstva atoma silicija omogućuju da se koristi kao poluvodič. Ovaj smjer primjene je najtraženiji u suvremenom svijetu. Na veličinu električne vodljivosti utječe sastav silicija i elementi koji su s njim u kombinaciji. Dakle, za povećanu elektroničku vodljivost koriste se antimon, arsen, fosfor, za perforirane - aluminij, galij, bor, indij. Pri izradi uređaja sa silicijem kao vodičem koristi se površinska obrada određenim sredstvom, što utječe na rad uređaja.
Svojstva silicija kao izvrsnog vodiča naširoko se koriste u modernoj instrumentaciji. Posebno je relevantna njegova upotreba u proizvodnji složene opreme (na primjer, modernih računalnih uređaja, računala).
Silicij: karakteristike kemijskog elementa
U većini slučajeva silicij je četverovalentan, postoje i veze u kojima može imati vrijednost +2. U normalnim uvjetima je neaktivan, ima jake spojeve, a na sobnoj temperaturi može reagirati samo s fluorom koji je u plinovitom agregacijskom stanju. To je zbog efekta blokiranja površine s filmom dioksida, koji se opaža pri interakciji s okolnim kisikom ili vodom. Za poticanje reakcija mora se koristiti katalizator: podizanje temperature idealno je za tvar kao što je silicij. Kemijski element stupa u interakciju s kisikom na 400-500 0S, kao rezultat toga, film dioksida se povećava, procesoksidacija. Kada temperatura poraste na 50 0S, uočava se reakcija s bromom, klorom, jodom, što rezultira stvaranjem hlapljivih tetrahalida. Silicij ne stupa u interakciju s kiselinama, s izuzetkom mješavine fluorovodične i dušične kiseline, dok je svaka lužina u zagrijanom stanju otapalo. Silicij vodik nastaje samo razgradnjom silicida, ne reagira s vodikom. Spojevi s borom i ugljikom odlikuju se najvećom snagom i kemijskom pasivnošću. Visoka otpornost na lužine i kiseline ima vezu s dušikom, što se javlja na temperaturama iznad 1000 0S. Silicidi se dobivaju reakcijom s metalima, a u ovom slučaju valencija koju silicij pokazuje ovisi o dodatnom elementu. Formula tvari formirane uz sudjelovanje prijelaznog metala otporna je na kiseline. Struktura atoma silicija izravno utječe na njegova svojstva i sposobnost interakcije s drugim elementima. Proces stvaranja veza u prirodi i pod utjecajima na tvar (u laboratorijskim, industrijskim uvjetima) značajno se razlikuje. Struktura silicija sugerira njegovu kemijsku aktivnost.
Zgrada
Struktura atoma silicija ima svoje karakteristike. Naboj jezgre je +14, što odgovara serijskom broju u periodnom sustavu. Broj nabijenih čestica: protoni - 14; elektrona - 14; neutrona - 14. Shema strukture atoma silicija ima sljedeći oblik: Si +14) 2) 8) 4. Na posljednjoj (vanjskoj) razini nalaze se 4elektron, koji određuje oksidacijsko stanje sa znakom "+" ili "-". Silicij oksid ima formulu SiO2 (valencija 4+), hlapljivi vodikov spoj je SiH4 (valencija -4). Veliki volumen atoma silicija omogućuje u nekim spojevima koordinacijski broj od 6, na primjer, u kombinaciji s fluorom. Molarna masa - 28, atomski radijus - 132 pm, konfiguracija elektronske ljuske: 1S22S22P6 3S23P2.
Prijava
Površinski ili potpuno dopirani silicij koristi se kao poluvodič u stvaranju mnogih, uključujući visokoprecizne, uređaje (na primjer, solarne fotoćelije, tranzistori, ispravljači, itd.). Ultra čisti silicij koristi se za stvaranje solarnih ćelija (energije). Monokristalni tip koristi se za izradu zrcala i plinskog lasera. Od silicijevih spojeva dobivaju se staklo, keramičke pločice, posuđe, porculan, fajansa. Teško je opisati raznolikost vrsta dobivenih dobara, njihov rad se odvija na razini kućanstva, u umjetnosti i znanosti te u proizvodnji. Dobiveni cement služi kao sirovina za izradu građevinskih smjesa i cigle, završnih materijala. Širenje ulja, maziva na bazi organosilicijevih spojeva može značajno smanjiti silu trenja u pokretnim dijelovima mnogih mehanizama. Silicidi se široko koriste u industriji zbog svojih jedinstvenih svojstava u području otpornosti na agresivne medije (kiseline, temperature). Njihove električne, nuklearne i kemijske karakteristike uzimaju u obzir stručnjaci u složenim industrijama,ne posljednju ulogu igra struktura atoma silicija.
Naveli smo najnaprednije aplikacije do danas. Najčešći tehnički silicij velike količine koristi se u raznim primjenama:
- Kao sirovina za proizvodnju čistije tvari.
- Za legiranje legura u metalurškoj industriji: prisutnost silicija povećava vatrostalnost, povećava otpornost na koroziju i mehaničku čvrstoću (višak ovog elementa može učiniti leguru previše krhkom).
- Kao deoksidans za uklanjanje viška kisika iz metala.
- Sirovina za proizvodnju silana (spojevi silicija s organskim tvarima).
- Za proizvodnju vodika iz legure silicija i željeza.
- Proizvodnja solarnih panela.
Važnost ove tvari također je velika za normalno funkcioniranje ljudskog tijela. Struktura silicija, njegova svojstva su odlučujuća u ovom slučaju. Istovremeno, njegov višak ili nedostatak dovodi do ozbiljnih bolesti.
U ljudskom tijelu
Medicina dugo koristi silicij kao baktericidno i antiseptičko sredstvo. Ali uz sve prednosti vanjske uporabe, ovaj element se mora stalno obnavljati u ljudskom tijelu. Normalna razina njegovog sadržaja poboljšat će život općenito. U slučaju njegovog nedostatka, više od 70 elemenata u tragovima i vitamina neće se apsorbirati u tijelo, što će značajno smanjitiotpornost na niz bolesti. Najveći postotak silicija uočen je u kostima, koži, tetivama. Igra ulogu strukturnog elementa koji održava čvrstoću i daje elastičnost. Sva tvrda tkiva skeleta formirana su od njegovih spojeva. Kao rezultat nedavnih studija, sadržaj silicija pronađen je u bubrezima, gušterači i vezivnom tkivu. Uloga ovih organa u funkcioniranju tijela prilično je velika, pa će smanjenje njegovog sadržaja imati štetan učinak na mnoge osnovne pokazatelje održavanja života. Tijelo bi trebalo dnevno unositi 1 gram silicija s hranom i vodom – to će pomoći da se izbjegnu moguće bolesti, kao što su upala kože, omekšavanje kostiju, stvaranje kamenaca u jetri, bubrezima, oštećenje vida, kose i nokti, ateroskleroza. Uz dovoljnu razinu ovog elementa, imunitet se povećava, metabolički procesi se normaliziraju, a asimilacija mnogih elemenata potrebnih za ljudsko zdravlje poboljšava se. Najveća količina silicija je u žitaricama, rotkvi, heljdi. Silikonska voda će donijeti značajne prednosti. Da biste odredili količinu i učestalost njegove uporabe, bolje je konzultirati se sa stručnjakom.
