Mnogi moderni tehnološki uređaji i uređaji stvoreni su zahvaljujući jedinstvenim svojstvima supstanci koje se nalaze u prirodi. Čovječanstvo, eksperimentiranjem i pažljivim proučavanjem elemenata oko nas, neprestano modernizuje vlastite izume - ovaj proces se naziva tehnički napredak. Zasnovan je na elementarnim, svima dostupnim stvarima koje nas okružuju u svakodnevnom životu. Na primjer, pijesak: šta u njemu može biti iznenađujuće i neobično? Naučnici su iz njega uspjeli izolovati silicijum - hemijski element bez kojeg kompjuterska tehnologija ne bi postojala. Opseg njegove primjene je raznolik i stalno se širi. Ovo se postiže zahvaljujući jedinstvenim svojstvima atoma silicijuma, njegovoj strukturi i sposobnosti kombinovanja sa drugim jednostavnim supstancama.
Karakteristika
U periodičnom sistemu koji je razvio D. I. Mendeljejev, silicijum (hemijski element) je označensimbol Si. Spada u nemetale, nalazi se u glavnoj četvrtoj grupi trećeg perioda, ima atomski broj 14. Njegova blizina ugljiku nije slučajna: u mnogim aspektima njihova svojstva su uporediva. Ne pojavljuje se u prirodi u svom čistom obliku, jer je aktivan element i ima prilično jake veze s kisikom. Glavna tvar je silicijum, koji je oksid, i silikati (pijesak). Istovremeno, silicijum (njegova prirodna jedinjenja) je jedan od najčešćih hemijskih elemenata na Zemlji. Po masenom udjelu sadržaja zauzima drugo mjesto nakon kisika (više od 28%). Gornji sloj zemljine kore sadrži silicijum dioksid (ovo je kvarc), razne vrste gline i pijeska. Druga najčešća grupa su njegovi silikati. Na dubini od oko 35 km od površine nalaze se slojevi naslaga granita i baz alta, koji uključuju silicijumska jedinjenja. Procenat sadržaja u zemljinoj jezgri još nije izračunat, ali slojevi omotača 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. Prostori svemira koje je čovječanstvo do danas proučavalo sadrže ovaj kemijski element u velikim količinama. Na primjer, spektralna analiza meteorita koji su se približili Zemlji na udaljenosti dostupnoj istraživačima pokazala je da se oni sastoje od 20% silicija. Postoji mogućnost formiranja života na osnovu ovog elementa u našoj galaksiji.
Proces istraživanja
Istorija otkrića hemijskog elementa silicijum ima nekoliko faza. Mnoge supstance koje je sistematizirao Mendeljejev čovječanstvo je koristilo vekovima. Istovremeno, elementi su bili u svom prirodnom obliku, tj. u jedinjenjima koja nisu bila podvrgnuta hemijskoj obradi, a sva njihova svojstva nisu bila poznata ljudima. U procesu proučavanja svih karakteristika tvari, pojavili su se novi pravci upotrebe. Svojstva silicijuma do danas nisu u potpunosti proučavana - ovaj element, sa prilično širokim i raznolikim spektrom primjena, ostavlja prostora za nova otkrića budućim generacijama naučnika. Moderne tehnologije značajno će ubrzati ovaj proces. U 19. veku mnogi poznati hemičari pokušavali su da dobiju čisti silicijum. L. Tenard i J. Gay-Lussac su to po prvi put uspjeli učiniti 1811. godine, ali otkriće elementa pripada J. Berzelijusu, koji je bio u stanju ne samo da izoluje supstancu, već i da je opiše. Švedski hemičar je 1823. godine dobio silicijum koristeći metalni kalijum i kalijumovu so. Reakcija se odvijala sa katalizatorom u obliku visoke temperature. Dobivena jednostavna sivo-smeđa supstanca je amorfni silicijum. Kristalni čisti element dobio je 1855. St. Clair Deville. Složenost izolacije direktno je povezana sa visokom čvrstoćom atomskih veza. U oba slučaja, hemijska reakcija je usmerena na proces prečišćavanja od nečistoća, dok amorfni i kristalni modeli imaju različita svojstva.
Silicijumski izgovor hemijskog elementa
Imedobiveni prah - kisel - predložio je Berzelius. U Velikoj Britaniji i SAD-u silicij se još uvijek naziva ništa drugo do silicij (Silicium) ili silikon (Silicon). Termin dolazi od latinskog "kremen" (ili "kamen"), a u većini slučajeva vezan je za koncept "zemlje" zbog svoje široke rasprostranjenosti u prirodi. Ruski izgovor ove hemikalije je drugačiji, sve zavisi od izvora. Zvao se silicijum (Zaharov je koristio ovaj izraz 1810.), Sicilija (1824., Dvigubski, Solovjov), silicijum (1825., Strahov), a tek 1834. godine ruski hemičar German Ivanovič Hes uvodi naziv koji se i danas koristi. većina izvora - silicijum. U Mendeljejevljevom periodičnom sistemu, označava se simbolom Si. Kako se čita hemijski element silicijum? Mnogi naučnici u zemljama engleskog govornog područja njegovo ime izgovaraju kao "si" ili koriste riječ "silicone". Odavde dolazi i svjetski poznato ime doline, koja je istraživačko i proizvodno mjesto za kompjutersku tehnologiju. Stanovništvo koje govori ruski naziva element silicijum (od starogrčke reči za "stena, planina").
Pronalaženje u prirodi: depoziti
Cijeli planinski sistemi se sastoje od silicijumskih jedinjenja, koja se ne nalaze u svom čistom obliku, jer su svi poznati minerali dioksidi ili silikati (aluminosilikati). Kamenje neverovatne 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 različitih supstanci u sastav silicijuma, što je odredilo njihovu gustoću, strukturu, boju i smjer upotrebe. Čitav anorganski svijet može se povezati sa ovim hemijskim elementom koji u prirodnom okruženju stvara jake veze sa metalima i nemetalima (cink, magnezij, kalcijum, mangan, titan, itd.). U poređenju sa drugim supstancama, silicijum je lako dostupan za rudarstvo u industrijskim razmerama: nalazi se u većini vrsta ruda i minerala. Stoga su aktivno razvijena ležišta vezana za raspoložive izvore energije, a ne za teritorijalne akumulacije materije. Kvarcita i kvarcnog pijeska ima u svim zemljama svijeta. Najveći proizvođači i dobavljači silicijuma su: Kina, Norveška, Francuska, SAD (Zapadna Virdžinija, Ohajo, Alabama, Njujork), Australija, Južna Afrika, Kanada, Brazil. Svi proizvođači koriste različite metode, koje zavise od vrste proizvoda koji se proizvodi (tehnički, poluprovodnički, visokofrekventni silicijum). Hemijski element, dodatno obogaćen ili, obrnuto, pročišćen od svih vrsta nečistoća, ima pojedinačna svojstva od kojih zavisi njegova dalja upotreba. To se odnosi i na ovu supstancu. Struktura silicijuma određuje obim njegove primjene.
Historija upotrebe
Vrlo često, zbog sličnosti imena, ljudi brkaju silicijum i kremen, ali ti pojmovi nisu identični. Hajde da razjasnimo. Kao što je već spomenuto, silicijum u svom čistom obliku ne postoji u prirodi, što se ne može reći o njemuspojeva (isti silicijum). Glavni minerali i stijene koje nastaje dioksidom tvari koju razmatramo su pijesak (riječni i kvarcni), kvarc i kvarciti, feldspat i kremen. Svi su sigurno čuli za ovo drugo, jer mu se pridaje veliki značaj u istoriji razvoja čovečanstva. Prvi alati koje su ljudi stvorili u kamenom dobu povezuju se sa ovim kamenom. Njegove oštre ivice nastale prilikom odvajanja od glavne stijene uvelike su olakšale rad starim domaćicama, a mogućnost oštrenja - lovcima i ribarima. Kremen nije imao snagu metalnih proizvoda, ali je neispravno oruđe bilo lako zamijeniti novim. Njegova upotreba kao pokretača vatre nastavljena je vekovima - sve do pronalaska alternativnih izvora.
S obzirom na modernu stvarnost, svojstva silicijuma omogućavaju upotrebu ove supstance za uređenje enterijera ili izradu keramičkog posuđa, dok pored lepog estetskog izgleda ima i mnoge odlične funkcionalne kvalitete. Poseban pravac njegove primjene vezan je za pronalazak stakla prije oko 3000 godina. Ovaj događaj omogućio je stvaranje ogledala, posuđa, mozaičkih vitraža od spojeva koji sadrže silicijum. Formula početne tvari dopunjena je potrebnim komponentama, što je omogućilo da se proizvodu da potrebna boja i utjecalo na čvrstoću stakla. Umjetnička djela zadivljujuće ljepote i raznolikosti načinio je čovjek od minerala i kamenja koji sadrži silicijum. Ljekovita svojstva ovog elementa opisali su antički naučnici i korištena su u cijelom svijetuistorije čovečanstva. Postavili su bunare za vodu za piće, ostave za čuvanje hrane, koja se koristila kako u svakodnevnom životu tako iu medicini. Prašak dobiven mljevenjem nanosio se na rane. Posebna pažnja bila je posvećena vodi, koja se ulijevala u posuđe napravljeno od spojeva koji sadrže silicijum. Hemijski element stupio je u interakciju s njegovim sastavom, što je omogućilo uništavanje niza patogenih bakterija i mikroorganizama. A ovo je daleko od svih industrija u kojima je supstanca koju razmatramo veoma, veoma tražena. Struktura silicijuma određuje njegovu svestranost.
Properties
Za detaljnije upoznavanje sa karakteristikama supstance, mora se razmotriti uzimajući u obzir sva moguća svojstva. Plan za karakterizaciju hemijskog elementa silicijuma uključuje fizička svojstva, elektrofizičke pokazatelje, proučavanje jedinjenja, reakcije i uslove za njihovo prolazak itd. Silicijum u kristalnom obliku ima tamno sivu boju sa metalnim sjajem. Kubična rešetka usmjerena na lice je slična ugljičnoj (dijamantu), ali zbog dužih veza nije tako jaka. Zagrijavanje do 800 oS čini ga plastičnim, u drugim slučajevima ostaje krhak. Fizička svojstva silicijuma čine ovu supstancu zaista jedinstvenom: prozirna je za infracrveno zračenje. Tačka topljenja - 1410 0S, tačka ključanja - 2600 0S, gustina u normalnim uslovima - 2330 kg/m3. Toplotna provodljivost nije konstantna, za različite uzorke se uzimapribližna vrijednost od 25 0S. Svojstva atoma silicijuma omogućavaju mu da se koristi kao poluprovodnik. Ovaj smjer primjene je najtraženiji u modernom svijetu. Na veličinu električne provodljivosti utiče sastav silicijuma i elementi koji su sa njim u kombinaciji. Dakle, za povećanu elektronsku provodljivost koriste se antimon, arsen, fosfor, za perforirane - aluminijum, galijum, bor, indijum. Prilikom izrade uređaja sa silicijumom kao provodnikom koristi se površinska obrada određenim sredstvom, što utiče na rad uređaja.
Svojstva silicijuma kao odličnog provodnika se široko koriste u modernoj instrumentaciji. Posebno je relevantna njegova upotreba u proizvodnji složene opreme (na primjer, savremenih računarskih uređaja, računara).
Silicij: karakteristike hemijskog elementa
U većini slučajeva silicijum je četverovalentan, postoje i veze u kojima može imati vrijednost +2. U normalnim uslovima je neaktivan, ima jaka jedinjenja, a na sobnoj temperaturi može da reaguje samo sa fluorom koji je u gasovitom agregacionom stanju. To je zbog efekta blokiranja površine dioksidnim filmom, koji se opaža pri interakciji s okolišnim kisikom ili vodom. Da bi se stimulirale reakcije, mora se koristiti katalizator: podizanje temperature idealno je za supstancu kao što je silicijum. Hemijski 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 sa bromom, hlorom, jodom, što rezultira stvaranjem isparljivih tetrahalida. Silicijum ne stupa u interakciju s kiselinama, osim mješavine fluorovodonične i dušične kiseline, dok je svaka alkalija u zagrijanom stanju rastvarač. Silicijum vodonik nastaje samo razgradnjom silicida, ne reaguje sa vodonikom. Spojevi s borom i ugljikom odlikuju se najvećom snagom i kemijskom pasivnošću. Visoku otpornost na alkalije i kiseline ima veza sa azotom, što se javlja na temperaturama iznad 1000 0S. Silicidi se dobijaju reakcijom sa metalima, a u ovom slučaju valencija koju silicijum pokazuje zavisi od dodatnog elementa. Formula tvari formirane uz sudjelovanje prijelaznog metala otporna je na kiseline. Struktura atoma silicijuma direktno utiče na njegova svojstva i sposobnost interakcije sa drugim elementima. Proces stvaranja veza u prirodi i pod uticajima na supstancu (u laboratorijskim, industrijskim uslovima) značajno se razlikuje. Struktura silicijuma ukazuje na njegovu hemijsku aktivnost.
Zgrada
Struktura atoma silicijuma ima svoje karakteristike. Naelektrisanje jezgra je +14, što odgovara serijskom broju u periodičnom sistemu. Broj naelektrisanih čestica: protona - 14; elektrona - 14; neutrona - 14. Šema strukture atoma silicijuma ima sledeći oblik: Si +14) 2) 8) 4. Na poslednjem (eksternom) nivou ima 4elektron, koji određuje oksidaciono stanje sa znakom "+" ili "-". Silicijum oksid ima formulu SiO2 (valencija 4+), isparljivo jedinjenje vodonika je SiH4 (valencija -4). Velika zapremina atoma silicijuma omogućava u nekim jedinjenjima da imaju koordinacioni broj od 6, na primer, kada se kombinuju sa fluorom. Molarna masa - 28, atomski radijus - 132 pm, konfiguracija elektronske ljuske: 1S22S22P6 3S23P2.
Prijava
Površinski ili potpuno dopirani silicijum se koristi kao poluprovodnik u stvaranju mnogih, uključujući i visokoprecizne uređaje (na primjer, solarne fotoćelije, tranzistori, ispravljači, itd.). Ultra čisti silicijum se koristi za stvaranje solarnih ćelija (energije). Monokristalni tip se koristi za izradu ogledala i gasnog lasera. Od silicijumskih jedinjenja dobijaju se staklo, keramičke pločice, posuđe, porculan, fajansa. Teško je opisati raznolikost vrsta robe koja se dobija, njihov rad se odvija na nivou domaćinstva, u umetnosti i nauci, iu proizvodnji. Dobiveni cement služi kao sirovina za izradu građevinskih mješavina i cigle, završnih materijala. Širenje ulja, maziva na bazi organosilicijumskih 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 hemijske karakteristike uzimaju u obzir stručnjaci u složenim industrijama,ne posljednju ulogu igra struktura atoma silicija.
Naveli smo najsavremenije i najnaprednije aplikacije do danas. Najčešći tehnički silicij velike količine koristi se u raznim aplikacijama:
- Kao sirovina za proizvodnju čistije supstance.
- Za legiranje legura u metalurškoj industriji: prisustvo silicijuma povećava vatrostalnost, povećava otpornost na koroziju i mehaničku čvrstoću (višak ovog elementa može učiniti leguru previše lomljivom).
- Kao deoksidant za uklanjanje viška kiseonika iz metala.
- Sirovina za proizvodnju silana (slicij jedinjenja sa organskim materijama).
- Za proizvodnju vodonika iz legure silicijuma i gvožđa.
- Proizvodnja solarnih panela.
Važnost ove supstance je takođe velika za normalno funkcionisanje ljudskog tela. Struktura silicijuma, njegova svojstva su odlučujući u ovom slučaju. Istovremeno, njegov višak ili nedostatak dovodi do ozbiljnih bolesti.
U ljudskom tijelu
Medicina dugo koristi silicijum kao baktericidno i antiseptično sredstvo. Ali uz sve prednosti vanjske upotrebe, ovaj element se mora stalno obnavljati u ljudskom tijelu. Normalan nivo njegovog sadržaja će poboljšati život uopšte. 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 procenat silicijuma je uočen u kostima, koži, tetivama. Igra ulogu strukturnog elementa koji održava snagu i daje elastičnost. Sva tvrda tkiva skeleta su formirana od njegovih spojeva. Kao rezultat nedavnih studija, sadržaj silicija je pronađen u bubrezima, gušterači i vezivnom tkivu. Uloga ovih organa u funkcioniranju tijela je prilično velika, pa će smanjenje njegovog sadržaja imati štetan učinak na mnoge osnovne pokazatelje održavanja života. Organizam treba da dobije 1 gram silicijuma dnevno s hranom i vodom – to će pomoći da se izbjegnu moguće bolesti, kao što su upala kože, omekšavanje kostiju, stvaranje kamenca 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 silicijuma je u žitaricama, rotkvi, heljdi. Silicijumska voda će doneti značajne koristi. Da biste utvrdili količinu i učestalost njegove upotrebe, bolje je konsultovati se sa specijalistom.
