Silicij: primjena, hemijska i fizička svojstva

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-17 05:19

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

Silicij je hemijski element

Ako okarakteriziramo dati element pozicijom u periodičnom sistemu, možemo identificirati sljedeće važne tačke:

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

Dakle, atomSa hemijske tačke gledišta, silicijum je dobro proučavan element, opisana su mnoga njegova različita svojstva.

Historija otkrića

Budući da su različiti spojevi elementa koji se razmatraju veoma popularni i masovni po sadržaju u prirodi, ljudi su od davnina koristili i znali za svojstva samo mnogih od njih. Čisti silicijum je dugo ostao izvan ljudskog znanja u hemiji.

Najpopularnija jedinjenja koja su u svakodnevnom životu i industriji koristili narodi drevnih kultura (Egipćani, Rimljani, Kinezi, Rusi, Perzijanci i drugi) bila su dragocjeno i ukrasno kamenje na bazi silicijum-oksida. Ovo uključuje:

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

Kvarc i kvarcni pijesak također je uobičajeno koristiti u građevinarstvu od davnina. Međutim, sam elementarni silicijum ostao je neotkriven sve do 19. veka, iako su mnogi naučnici uzalud pokušavali da ga izoluju od raznih jedinjenja, 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 silicijum 1823. godine. Da bi to učinio, proveo je eksperiment fuzije para silicijum fluorida i metalnog kalijuma. Kao rezultat toga, dobio je amorfnu modifikaciju dotičnog elementa. Isti naučnik je predložio latinski naziv za otkriveni atom.

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

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

Sadržano u prirodi

Silicij je drugi najzastupljeniji u prirodi nakon kisika. Njegov procenat u poređenju sa drugim atomima u sastavu zemljine kore je 29,5%. Osim toga, ugljik i silicijum su dva posebna elementa koji mogu formirati lance povezujući se jedan s drugim. Zbog toga je za potonje poznato više od 400 različitih prirodnih minerala u kojima se nalazi u litosferi, hidrosferi i biomasi.

Gdje se tačno nalazi silicij?

1. U dubokim slojevima tla.
2. U stijenama, naslagama i masivima.
3. Na dnu vodenih površina, posebno mora i okeana.
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 količinusilicijum. Njihova hemija je takva da maseni sadržaj čistog elementa u njima dostiže 75%. Međutim, konkretna brojka ovisi o vrsti materijala. Dakle, kamenje i minerali koji sadrže silicijum:

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

Akumulirajući se u školjkama i vanjskim skeletima morskih životinja, silicijum na kraju formira snažne naslage silicijum dioksida na dnu vodenih tijela. Ovo je jedan od prirodnih izvora ovog elementa.

Pored toga, otkriveno je da silicijum može postojati u svom čistom prirodnom obliku - u obliku kristala. Ali takvi depoziti su vrlo rijetki.

Fizička svojstva silicijuma

Ako element koji se razmatra karakterizira skupom fizičkih 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 kod dijamanta, jer su ugljenik i silicijum skoro isti u tom pogledu. Međutim, razmak između atoma je drugačiji (silicijum ima više), pa je dijamant mnogo tvrđi i jači. Vrsta rešetke - kubična centrirana lica.
3. Tvar je vrlo krta, postaje plastična na visokim temperaturama.
4. Tačka topljenja je 1415˚C.
5. Temperaturatačka ključanja - 3250˚S.
6. Gustoća materije - 2,33 g/cm³.
7. Boja spoja je srebrno-siva, sa karakterističnim metalnim sjajem.
8. Posjeduje dobra svojstva poluprovodnika, koja mogu varirati s dodatkom određenih agenasa.
9. Nerastvorljivo u vodi, organskim rastvaračima i kiselinama.
10. Posebno rastvorljiv u alkalijama.

Određena fizička svojstva silicijuma omogućavaju ljudima da ga kontrolišu i koriste za kreiranje različitih proizvoda. Na primjer, upotreba čistog silicijuma u elektronici zasniva se na svojstvima poluprovodljivosti.

Hemijska svojstva

Hemijska svojstva silicijuma veoma zavise od uslova reakcije. Ako govorimo o čistoj tvari pri standardnim parametrima, onda trebamo označiti vrlo nisku aktivnost. I kristalni i amorfni silicijum su veoma inertni. Nemojte komunicirati sa jakim oksidantima (osim fluora), niti sa jakim redukcionim agensima.

To je zbog činjenice da se na površini supstance trenutno formira oksidni film SiO₂, koji sprečava dalje interakcije. Može nastati pod uticajem vode, vazduha, para.

Ako promenite standardne uslove i zagrejete silicijum na temperaturu iznad 400˚S, tada će se njegova hemijska aktivnost znatno povećati. U ovom slučaju, reagirat će sa:

• kisik;
• sve vrste halogena;
• vodonik.

Daljnjim povećanjem temperature moguće je formiranje proizvoda nainterakcija s borom, dušikom i ugljikom. Od posebnog značaja je karborund - SiC, jer je dobar abrazivni materijal.

Takođe, hemijska svojstva silicijuma se jasno vide u reakcijama sa metalima. U odnosu na njih, to je oksidant, pa se proizvodi nazivaju silicidi. Slična jedinjenja su poznata po:

• alkalna;
• alkalna zemlja;
• prijelazni metali.

Neobična svojstva ima jedinjenje dobijeno fuzijom gvožđa i silicijuma. Zove se ferosilicij keramika i uspješno se koristi u industriji.

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

• kraljevska votka (mješavina dušične i hlorovodonične kiseline);
• kaustične alkalije.

U ovom slučaju, temperatura rastvora treba da bude najmanje 60˚S. Sve ovo još jednom potvrđuje fizičku osnovu supstance - stabilnu kristalnu rešetku nalik dijamantu, koja joj daje snagu i inertnost.

Načini dobijanja

Dobijanje čistog silicijuma 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 dobijanje supstance nije dovoljno. Takođe treba kvalitetno očistiti od stranih elemenata.

Uopšteno govoreći, proizvodnja silicijuma se odvija na dva glavna načina:

1. Iz bijelog pijeskakoji je čisti silicijum oksid SiO₂. Kada se kalcinira aktivnim metalima (najčešće magnezijem), nastaje slobodni element u obliku amorfne modifikacije. Čistoća ove metode je visoka, proizvod se dobija sa prinosom od 99,9 posto.
2. Više rasprostranjena metoda u industrijskim razmjerima je sinterovanje rastopljenog pijeska sa koksom u specijalizovanim termalnim pećima. Ovu metodu je razvio ruski naučnik Beketov N. N.

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

Amorfni silicij

Karakterizacija silicijuma će biti nepotpuna ako ne razmotrimo posebno svaku njegovu alotropsku modifikaciju. Prvi je amorfan. U ovom stanju, tvar koju razmatramo je smeđe-smeđi prah, fino raspršen. Ima visok stepen higroskopnosti, pokazuje dovoljno visoku hemijsku aktivnost kada se zagreva. U standardnim uslovima, može da komunicira samo sa najjačim oksidacionim agensom - fluorom.

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

Međutim, njihova svojstva se razlikuju, pa je uobičajeno govoriti o alotropiji. Sam po sebi, amorfni silicijum 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 (prah), smjesa se lako nanosi na bilo koju površinu, bilo da je plastična ili staklena. Stoga je amorfni silicijum tako zgodan za upotrebu. Aplikacija se zasniva na proizvodnji solarnih panela različitih veličina.

Iako je trošenje ovog tipa baterija prilično brzo, što je povezano sa habanjem tankog filma supstance, međutim, upotreba i potražnja samo raste. Zaista, čak iu kratkom vijeku trajanja, solarne ćelije bazirane na amorfnom silicijumu mogu obezbijediti energiju cijelim preduzećima. Osim toga, proizvodnja takve tvari je bez otpada, što je čini vrlo ekonomičnom.

Nabavite ovu modifikaciju smanjenjem jedinjenja sa aktivnim metalima, kao što su natrijum ili magnezijum.

Crystal silicon

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

Karakteristika silicijuma sa kristalnom rešetkom uključuje klasifikaciju njegovih tipova, pošto ih ima nekoliko:

1. Elektronski kvalitet - najčistiji i najviši kvalitet. Upravo se ovaj tip koristi u elektronici za kreiranje posebno osjetljivih uređaja.
2. Sunčana kvaliteta. Sam nazivdefiniše područje upotrebe. To je također silicij visoke čistoće, čija je upotreba neophodna za stvaranje visokokvalitetnih i dugotrajnih solarnih ćelija. Fotonaponski pretvarači stvoreni na bazi kristalne strukture kvalitetniji su i izdržljiviji od onih napravljenih amorfnom modifikacijom taloženjem na različite vrste supstrata.
3. Tehnički silikon. Ova sorta uključuje one uzorke tvari koji sadrže oko 98% čistog elementa. Sve ostalo ide na razne vrste nečistoća:

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

Posljednja varijanta dotične supstance se koristi za dobijanje polikristala silicijuma. Za to se provode procesi rekristalizacije. Kao rezultat toga, u pogledu čistoće, dobijaju se proizvodi koji se mogu pripisati grupama solarnog i elektronskog kvaliteta.

Po prirodi, polisilicijum je međuproizvod između amorfne i kristalne modifikacije. Sa ovom opcijom je lakše raditi, bolje se reciklira i čisti fluorom i hlorom.

Rezultirajući proizvodi se mogu klasificirati na sljedeći način:

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

Svaki od njih nalazi primenu u industriji i koristi seosoba u potpunosti. Stoga se proizvodni procesi koji uključuju silicijum smatraju bez otpada. Ovo uvelike smanjuje njegovu ekonomsku cijenu bez utjecaja na kvalitet.

Upotreba čistog silicija

Proizvodnja silicijuma u industriji je prilično dobro uspostavljena, a njene razmjere su prilično obimne. To je zbog činjenice da je ovaj element, kako čist tako i u obliku različitih jedinjenja, široko rasprostranjen i tražen u raznim granama nauke i tehnologije.

Gdje se koristi čisti kristalni i amorfni silicijum?

1. U metalurgiji kao legirajući aditiv koji može promijeniti svojstva metala i njihovih legura. Dakle, koristi se za topljenje čelika i gvožđa.
2. Različite vrste supstanci se koriste za izradu čistije verzije - polisilicijum.
3. Sjedinjenja silicijuma sa organskim supstancama - ovo je čitava hemijska 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. Ovaj način dobijanja energije jedan je od najperspektivnijih u budućnosti. Ekološki prihvatljiv, isplativ i izdržljiv - glavne prednosti takve proizvodnje električne energije.
5. Silicij se koristi u upaljačima jako dugo. Čak iu davna vremena ljudi su koristili kremen za stvaranje iskre prilikom paljenja vatre. Ovaj princip je osnova za proizvodnju upaljača raznih vrsta. Danas postoje vrste u kojimakremen se zamjenjuje legurom određenog sastava, što daje još brži rezultat (varničenje).
6. Elektronika i solarna energija.
7. Proizvodnja ogledala u gasnim laserskim uređajima.

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

Primjena silicijumskih jedinjenja

Pored jednostavne supstance, koriste se i razna jedinjenja silicijuma, i to veoma široko. Postoji čitava grana industrije koja se zove silikat. Ona se zasniva na upotrebi različitih supstanci, koje uključuju ovaj nevjerovatni element. Šta su to jedinjenja i šta proizvode?

1. Kvarc, ili riječni pijesak - SiO₂. Koristi se za proizvodnju građevinskih i dekorativnih materijala kao što su cement i staklo. Gdje se ovi materijali koriste, svi znaju. Nijedna konstrukcija nije potpuna bez ovih komponenti, što potvrđuje važnost silicijumskih jedinjenja.
2. Silikatna keramika, koja uključuje materijale kao što su fajanca, porculan, cigla i proizvodi na njihovoj osnovi. Ove komponente se koriste u medicini, u proizvodnji posuđa, ukrasnih ukrasa, predmeta za domaćinstvo, u građevinarstvu i drugim kućnim područjima ljudske djelatnosti.
3. Silikonske smjese - silikoni, silika gelovi, silikonska ulja.
4. Silikatno ljepilo - koristi se kao kancelarijski materijal, 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 kristalu), je tražena i vrijedna supstanca. Naravno, jedinjenja ovog elementa su takođe široko rasprostranjena i primenljiva.

Biološka uloga silicija

Sa stanovišta značaja za organizam, silicijum je važan. Njegov sadržaj i distribucija tkiva je kako slijedi:

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

Svaki dan oko jedan gram silicijuma treba da uđe unutra, inače će bolesti početi da se razvijaju. Među njima nema smrtonosnih, međutim, produženo silicijumsko gladovanje dovodi do:

• gubitak kose;
• pojava akni i bubuljica;
• krhkost i lomljivost kostiju;
• laka kapilarna permeabilnost;
• umor i glavobolje;
• pojava brojnih modrica i modrica.

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