СИЛИЦИЈУМ: ИСТОРИЈА, СВОЈСТВА, СТРУКТУРА, ДОБИЈАЊЕ, УПОТРЕБЕ - ХЕМИЈА - 2026

Силициј је не - метални и Металлоид истовремено елемент представљен хемијски симбол Си. То је полуводич, који је битан део рачунара, калкулатора, мобилних телефона, соларних ћелија, диода итд .; То је практично главна компонента која је омогућила успостављање Дигиталног доба.

Силицијум је одувек био присутан у кварцу и силикатима, а оба минерала чине око 28% масе целокупне земљине коре. Стога је други најбројнији елемент на површини Земље, а пространство пустиња и плажа нуди перспективу колико је обилна.

Пустине су богат природни извор честица или гранита силицијума, заједно са другим минералима. Извор: Пкхере.

Силицијум припада групи 14 периодичне табеле, истој као и угљеник, који се налази испод њега. Зато се овај елемент сматра тетравалентним металоидом; има четири валентна електрона и у теорији може изгубити све те формирајући Си ⁴⁺ катион .

Једна имовина коју дели са угљем је његова способност повезивања; то јест, њихови атоми су ковалентно повезани да дефинирају молекуларне ланце. Такође, силицијум може да формира сопствене „угљоводонице“, назване силане.

Претежна једињења силицијума у ​​природи су познати силикати. У свом чистом облику може се појавити као монокристална, поликристална или аморфна чврста супстанца. То је релативно инертна чврста супстанца, тако да не представља значајне ризике.

Историја

Силицијумски камен

Силицијум је можда један од елемената који је имао највише утицаја у историји човечанства.

Овај елемент је главни лик каменог доба, али и дигиталног доба. Њено порекло датира још од времена када су цивилизације некада радиле са кременом и израђивале сопствене наочаре; И данас је то главна компонента рачунара, лаптопа и паметних телефона.

Силицијум је практично био камен две јасно дефинисане ере у нашој историји.

Изолација

Пошто је силика толико обилна, име настало од кремене стијене, мора да је садржавало изузетно богат елемент у земљиној кори; ово је била права сумња према Антоинеу Лавоисиеру, који 1787. није успео у покушајима да га смањи са хрђе.

Касније, 1808. године, Хумпхри Дави је покушао и дао елементу прво име: „силициум“, што би у пријеводу било „флинт метал“. Односно, силицијум се до тада сматрао металом због недостатка карактеристика.

Тада су 1811. француски хемичари Јосепх Л. Гаи-Луссац и Лоуис Јацкуес Тхенард успели да први пут припреме аморфни силицијум. За то су реаговали тетрафлуорид силицијума са металним калијумом. Међутим, они нису прочистили или окарактерисали добијени производ, тако да нису закључили да је реч о силицијуму новог елемента.

Шведски хемичар Јацоб Берзелиус тек је 1823. године добио аморфни силицијум довољне чистоће да га препозна као силицијум; име које је дао 1817. године шкотски хемичар Тхомас Тхомсон кад га је сматрао неметалним елементом. Берзелиус је извршио реакцију између калијум флуоросиликата и растаљеног калијума, чиме се добио овај силицијум.

Кристални силицијум

Кристални силицијум је први пут припремио 1854. године француски хемичар Хенри Девилле. Да би то постигао, Девилле је извршио електролизу смеше алуминијума и натријум хлорида, чиме је добио кристале силицијума прекривене слојем алуминијум силикона, које је уклонио (очигледно) испирањем воде.

Физичка и хемијска својства

Физичка присутност

Елементарни силицијум који има метални сјај, али је заправо металоид. Извор: Хи-Рес слике хемијских елемената

Силицијум у свом чистом или елементарном облику састоји се од сивкасто-плавкасто-црне чврсте грађе (горња слика), која иако није метал, има сјајна лица као да заиста јесте.

То је тврда, али крхка чврста супстанца која такође има љускаву површину ако је састављена од поликристала. Аморфни силицијум, с друге стране, изгледа као тамно смеђа прашкаста чврста супстанца. Захваљујући томе, лако је идентификовати и разликовати једну врсту силицијума (кристални или поликристални) од друге (аморфни).

Моларна маса

28.085 г / мол

Атомски број (З)

14 ( ₁₄ Да)

Тачка топљења

1414 ° Ц

Тачка кључања

3265 ºЦ

Густина

-На собној температури: 2,33 г / мЛ

-Рад код талишта: 2,57 г / мЛ

Имајте на уму да је течни силицијум гушћи од чврстог силицијума; што значи да ће његови кристали лебдети у течној фази истог, као што се то дешава са системом лед-вода. Објашњење је због чињенице да је међуратомски простор између Си атома у његовом кристалу већи (мање густ) од одговарајућег у течности (гушћи).

Топлина фузије

50,21 кЈ / мол

Топлина испаравања

383 кЈ / мол

Моларни топлотни капацитет

19.789 Ј / (мол К)

Електронегативност

1,90 по Паулинг-овој скали

Енергије јонизације

-Прво: 786,5 кЈ / мол

-Секунда: 1577,1 кЈ / мол

-Треће: 3231,6 кЈ / мол

Атомски радио

111 пм (мерено на њиховим дијамантским кристалима)

Топлотна проводљивост

149 В / (м К)

Електрична отпорност

2,3 · 10 ³ Ω · м на 20 ºЦ

Мохсова тврдоћа

6.5

Спајање

Атоми силицијума имају способност да формирају једноставне везе Си-Си, које на крају дефинишу ланац (Си-Си-Си …).

Ово својство се такође манифестује угљеником и сумпором; Међутим, СП ³ хибридизације силицијума су сиромашније у поређењу са друга два елемента и, штавише, њихови 3п орбитале дифузнији, тако да преклоп добијеног сп ³ орбитала је слабија.

Просечне енергије Си-Си и ЦЦ ковалентне везе су 226 кЈ / мол и 356 кЈ / мол, респективно. Због тога су Си-Си везе слабије. Због тога силицијум није камен темељац живота (а ни сумпор није). У ствари, најдужи ланац или костур који силицијум може да формира је обично четверочлани (Си ₄ ).

Оксидациони бројеви

Силицијум може имати било који од следећих бројева оксидације, претпостављајући у сваком од њих постојање јона са одговарајућим набојима: -4 (Си ^4- ), -3 (Си ^3- ), -2 (Си ^2- ), -1 (Си ^- ), +1 (Си ⁺ ), +2 (Си ²⁺ ), +3 (Си ³⁺ ) и +4 (Си ⁴⁺ ). Од свих њих најважније су -4 и +4.

На пример, -4 се претпоставља у силикоидима (Мг ₂ Си или Мг ₂ ²⁺ Си ^4- ); док ће одговара оној силике +4 (СиО ₂ или Си ⁴⁺ О _2. ^2- ).

Реактивност

Силицијум је потпуно нерастворљив у води, као и јаке киселине или базе. Међутим, раствара се у концентрованој смеши азотне и флуороводоничне киселине (ХНО ₃ -ХФ). Исто тако, раствара се у врућем алкалном раствору, следеће хемијске реакције:

Си (с) + 2НаОХ (ак) + Х ₂ О (л) => На ₂ СиО ₃ (ак) + 2Х ₂ (г)

Натријумова метасилицате со, На ₂ СиО ₃ , се такође формира када се силицон раствори у растопљеном натријум карбоната:

Си (с) + На ₂ ЦО ₃ (л) => На ₂ СиО ₃ (л) + Ц (с)

На собној температури не реагује уопште са кисеоником, ни на 900 ºЦ, када заштитни стаклени слој СиО ₂ почиње да се формира ; а затим на 1400 ºЦ су силицијума реагује са азота у ваздуху да би се формирала смеша нитрида, грех и Си ₃ Н ₄ .

Силицијум такође реагује на високим температурама са металима да формира силиконе метала:

2Мг (с) + Си (с) => Мг ₂ Си (с)

2Цу (с) + Си (с) => Цу ₂ Си (с)

На собној температури реагује експлозивно и директно са халогенима (не постоји слој СиО ₂ који би га заштитио од тога). На пример, имамо реакцију формирања СиФ ₄ :

Си (с) + 2Ф ₂ (г) => СиФ ₄ (г)

И мада је силицијум нерастворљив у води, он реагира црвено врућим млазом паре:

Си (с) + Х ₂ О (г) => СиО ₂ (с) + 2Х ₂ (г)

Структура и електронска конфигурација

Кристална структура силикона или јединична ћелија представљена моделом сфера и шипки. Извор: Бењах-бмм27

Горња слика приказује кубичну структуру фокусирану на лице (фцц), исту као и дијаманти, за кристал силицијум. Сивкасте сфере одговарају Си атомима који су, као што се види, ковалентно повезани једни са другима; осим тога, они заузврат имају тетраедарско окружење које се репродукује дуж кристала.

Силиконски кристал је фцц, јер се примећује Си атом смјештен на свакој од страна коцке (6 × 1/2). Исто тако, на врховима коцке налази се осам Си атома (8 × 1/8), а унутар њега су четири (они који показују добро дефинисан тетраедар око њих, 4 × 1).

Уз то, свака ћелија јединице има укупно осам атома силицијума (3 + 1 + 4, бројеви наведени у горњем одељку); карактеристика која помаже да се објасни његова висока тврдоћа и крутост, јер је чисти силицијум ковалентни кристал попут дијаманта.

Ковалентни карактер

Овај ковалентни карактер настаје због чињенице да, попут угљеника, и силицијум има четири валентна електрона у складу са својом електроничком конфигурацијом:

3с ² 3п ²

За повезивање, чисте 3с и 2п орбитале су бескорисне. Зато је атом ствара четири сп ³ хибридне орбитале , са којима могу формирати четири Си-Си ковалентне везе и на тај начин, савлада Валентност октет за два атома силицијума.

Силиконски кристал се затим визуализује као тродимензионална ковалентна решетка састављена од међусобно повезаних тетраедра.

Међутим, ова мрежа није савршена, јер има недостатке и границе зрна, који раздвајају и одређују један кристал од другог; а када су такви кристали веома мали и бројни, говоримо о поликристалној чврстој супстанци идентификованој по њеном хетерогеном сјају (слично сребрном мозаику или љускастој површини).

Електрична проводљивост

Си-Си везе, са својим добро лоцираним електронима, у принципу се разликују од онога што се очекује од метала: море електрона „мокри“ његове атоме; барем је тако на собној температури.

Када се температура ипак повећа, силицијум почиње да спроводи електричну енергију и на тај начин се понаша попут метала; то јест, полуводички металоидни елемент.

Аморфни силицијум

Силицијум тетраедри не прихватају увек структурални образац, али се могу поређати неуредно; чак и са силиконским атомима чији хибридизације изгледају не сп ³ но сп ² , што доприноси даљим повећањем степена поремећаја. Стога говоримо о аморфном и некристалном силицијуму.

У аморфном силицијуму постоје електронска слободна места, где неки од његових атома имају орбиту са непарним електроном. Захваљујући томе, његова чврста супстанца може да се хидрогенише, што доводи до стварања хидрогенизованог аморфног силицијума; то јест, има Си-Х везе, са којима су тетраедри комплетирани у нередовитим и произвољним положајима.

Овај одељак се затим закључује речима да се силицијум може представити у три врсте чврстих материја (без навођења њиховог степена чистоће): кристалној, поликристалној и аморфној.

Сваки од њих има свој начин производње или поступак, као и своје примјене и компромисе приликом одлучивања коју од три употребити, знајући њене предности и недостатке.

Где се могу наћи и набавити

Кварцни (кремени) кристали су један од главних и најнеобичнијих минерала где се налази силицијум. Извор: Јамес Ст. Јохн (хттпс://ввв.флицкр.цом/пхотос/јсјгеологи/22437758830)

Силицијум је седми најбројнији елемент универзума, а други у Земљиној кори, који такође обогаћује Земљин плашт својом огромном породицом минерала. Овај елемент се изузетно добро повезује са кисеоником, стварајући широк спектар оксида; међу њима су силика, СО ₂ и силикати (различитог хемијског састава).

Силицијум се може видети голим оком у пустињама и плажама, пошто се песак углавном састоји од СиО ₂ . Заузврат, овај оксид се може појавити у неколико полиморфа, од којих су најчешћи: кварц, аметист, ахат, кристобалит, триполи, коесит, стишит и тридимит. Поред тога, може се наћи у аморфним чврстим материјама као што су опали и дијатомејска земља.

У међувремену, силикати су структурно и хемијски богатији. Неки од силикатних минерала укључују: азбест (бели, браон и плавкаст), фелдспар, глина, мицас, оливини, алуминосиликати, зеолити, амфиболи и пирокксени.

Готово све стене сачињене су од силицијума и кисеоника, са својим стабилним Си-О везама, и њиховим силицијумима и силикатима помешаним са оксидима метала и неорганским врстама.

- Смањивање силике

Проблем са добијањем силицијума је у прекиду Си-О везе, за коју су потребне посебне пећи и добра стратегија редукције. Сировина за овај поступак је силицијум диоксид у облику кремена, који се претходно меље док не постане фин прах.

Из овог млевеног силицијума се може припремити или аморфни или поликристални силицијум.

Аморфни силицијум

У малом обиму, извршено у лабораторији и уз одговарајуће мере, силицијум-диоксид се помеша са магнезијумовим прахом у лонцу и спаљује у недостатку ваздуха. Следи следећа реакција:

СиО ₂ (с) + Мг (с) => 2МгО (с) + Си (с)

Магнезијум и његов оксид се уклањају разблаженим раствором хлороводоничне киселине. Затим преостали чврсти производ се третира са флуороводоничне киселином, тако да вишак СиО ₂ финисхес реаговање ; у супротном, вишак магнезијума погодује стварању одговарајућег силицида, Мг ₂ Си, непожељног једињења за тај поступак.

СиО ₂ се трансформише у нестабилном гас СИФ ₄ , која одваја за друге хемијске синтезе. Коначно, аморфна силицијумска маса се суши под струјом водоничног гаса.

Сличан метод да се добију аморфног силицијума чине коришћењем истог СИФ ₄ раније производиле или СиЦл ₄ (претходно стечена). Паре ових халогенида силицијума се преносе преко течног натријума у ​​инертној атмосфери, тако да се редукција гаса може одвијати без присуства кисеоника:

СиЦл ₄ (г) + 4На (л) => Си (с) + 4НаЦл (л)

Занимљиво је да се аморфни силицијум користи за прављење енергетски ефикасних соларних панела.

Кристални силицијум

Полазећи поново од уситњеног силицијума или кварца, преносе се у електролучну пећ, где реагују с коксом. На тај начин, редуктивно средство више није метал, већ угљенични материјал високе чистоће:

СиО ₂ (с) + 2Ц (с) => Си (с) + 2ЦО (г)

Реакција такође производи силицијум карбид, СИЦ, која је неутрализована са вишком СиО ₂ (поново кварцни у вишак):

2СиЦ (с) + СиО ₂ (с) => 3Си (с) + 2ЦО (г)

Друга метода за припрему кристалног силицијума је употреба алуминијума као редукционог средства:

3СиО ₂ (с) + 4Ал (л) => 3Си (с) + 2Ал ₂ О ₃ (с)

А полазећи од калијумове соли хекафлуоруросилицате, К ₂ , такође се реагује са металним алуминијумом или калијум да би се произвео исти производ:

К ₂ (л) + 4Ал (л) => 3Си (с) + 6КФ (л) + 4АлФ ₃ (г)

Силицијум се одмах раствара у растопљеном алуминијуму, а када се систем охлади, први се кристализира и одваја од другог; то јест, стварају се силиконски кристали који изгледају сивкасто.

Поликристални силицијум

За разлику од осталих синтезе или продукције, да би се добило поликристална силиција, почиње са силанским гасној фази, СИХ ₄ . Овај гас је подвргнут пиролизи изнад 500 ° Ц, тако да долази до термичке разградње и на тај начин се од почетних испарења поликристал силицијума одлаже на површину полуводича.

Следећа хемијска једначина показује реакцију која се одвија:

СиХ ₄ (г) => Си (с) + Х ₂ (г)

Очигледно, у комори не би требало да постоји кисеоник, јер би реаговао са СиХ ₄ :

СиХ ₄ (г) + 2О ₂ (г) => СиО ₂ (с) + 2Х ₂ О (г)

А таква је спонтаност реакције сагоревања да се она брзо одвија на собној температури уз минимално излагање силана ваздуху.

Други начин синтезе за производњу ове врсте силицијума почиње од кристалног силицијума као сировине. Они чине да реагује са хлороводоником на температури око 300 ° Ц, тако да се на тај начин формира трихлоросилан:

Си (с) + 3ХЦл (г) => СиЦл ₃ Х (г) + Х ₂ (г)

А СиЦл ₃ Х реагује на 1100 ºЦ и регенерише силицијум, али сада је поликристални:

4СиЦл ₃ Х (г) => Си (с) + 3СиЦл ₄ (г) + 2Х ₂ (г)

Само погледајте једнаџбе да бисте добили представу о раду и ригорозним производним параметрима који се морају узети у обзир.

Изотопи

Силицијум се јавља природно и углавном као изотоп ²⁸ Си, са обиљем од 92,23%.

Поред овога, постоје још два изотопа која су стабилна и стога не подлежу радиоактивном распадању: ²⁹ Си, са обиљем од 4,67%; и ³⁰ Да, са обиљем од 3,10%. ²⁸ Си је толико обилан да не чуди што је атомска тежина силицијума 28.084 у.

Силицијум се такође може наћи у различитим радиоизотопима, међу којима су ³¹ Си (т _1/2 = 2.62 сата) и ³² Си (т _1/2 = 153 године). Остали ( ²² Си - ⁴⁴ Си) имају врло кратак или кратак т _1/2 (мање од стотине секунде).

Ризици

Чисти силицијум је релативно инертна супстанца, тако да се обично не акумулира у било којем органу или ткиву све док је изложеност њему мала. У облику праха, може надражити очи, узрокујући залијевање или црвенило, а додиром може изазвати нелагодност коже, свраб и љуштење.

Када је изложеност врло велика, силицијум може оштетити плућа; али без последица, осим ако количина није довољна да изазове гушење. Међутим, то није случај са кременом, који је повезан са карциномом плућа и болестима попут бронхитиса и емфизема.

Исто тако, чисти силицијум је веома ретка у природи, а његова једињења, тако обилна у земљиној кори, не представљају ризик за животну средину.

Сада, што се тиче органосиликона, оне би могле бити токсичне; Али пошто их има много, то зависи од тога о коме се размишља, као и од других фактора (реактивност, пХ, механизам деловања итд.).

Апликације

Грађевинска индустрија

Минерали силицијума представљају „камен“ којим се граде зграде, куће или споменици. На пример, цементи, бетони, штукатуре и ватрогасне конструкције састоје се од чврстих смеша на бази силиката. Из овог приступа може се замислити корисност овог елемента у градовима и у архитектури.

Стакло и керамика

Кристали који се користе у оптичким уређајима могу се начинити од силикагела, било да су то изолатори, ћелије за узорковање, спектрофотометри, пиезоелектрични кристали или пуне леће.

Такође, када је материјал припремљен са више додатака, претвара се у аморфну ​​чврсту супстанцу, добро познату као стакло; а планине песка су обично извор силике или кварца који су неопходни за његову производњу. С друге стране, од силиката се израђују керамички материјали и порцулан.

Преплетајући идеје, силицијум је присутан и у занатима и украсима.

Легуре

Атоми силицијума могу се кохезирати и мешати са металном матрицом, чинећи то додатком за многе легуре или метале; на пример, челик за прављење магнетних језгара; бронзе, за производњу телефонских каблова; и алуминијума, у производњи легуре алуминијума-силицијума намењене лаким аутомобилским деловима.

Стога се не може наћи само у „камену“ зграда, већ и у металима њихових стубова.

Средства за сушење

Желатинозне силикатне куглице, које се користе као средство за сушење. Извор: Средства за сушење

Силицијум, у облику гела или аморфног облика, омогућава производњу чврстих материја које делују као средство за сушење средства, хватајући молекуле воде које улазе у посуду и одржавају њену унутрашњост сувом.

Електронска индустрија

За израду соларних панела користе се поликристални и аморфни силицијум. Извор: Пкхере.

Слојеви силицијума различите дебљине и боја део су рачунарских чипова, као што су и њихови чврсти (кристални или аморфни), интегрисани склопови и соларне ћелије.

Будући да је полуводич, он садржи атоме са мање (Ал, Б, Га) или више електрона (П, Ас, Сб) да би их трансформисао у полуводиче типа пон. Са спојницама два силикона, једног н и другог п, праве се светлосне диоде.

Силиконски полимери

Чувени силиконски лепак састоји се од органског полимера подржаног стабилношћу ланаца Си-О-Си веза … Ако су ови ланци веома дугачки, кратки или умрежени, својства силиконског полимера се мењају, као и њихова крајња примена. .

Међу његовим употребама, наведеним у даљем тексту, могу се поменути:

-Лепак или лепак, не само за спајање папира, већ и грађевинске блокове, гуме, стаклене плоче, камење итд.

-Мазива у хидрауличким кочним системима

-Ојачава боје и побољшава светлину и интензитет њихових боја, истовремено омогућавајући да се одупру температурним променама без пуцања или једења

-Користе се као водоотпорни спрејеви, који одржавају неке површине или предмете сувим

-Онашима за личну хигијену (пасте за зубе, шампони, гелови, креме за бријање итд.) Дају осећај свиленканости

-Јони премази штите електронске компоненте осјетљивих уређаја, попут микропроцесора, од топлоте и влаге

- Са силиконским полимерима направљено је неколико гумених куглица које се одбијају чим се спусте на под.

Референце

1. Схивер & Аткинс. (2008). Неорганска хемија . (Четврто издање). Мц Грав Хилл.
2. Википедиа. (2019). Силицијум. Опоравак од: ен.википедиа.орг
3. МицроЦхемицалс. (сф) Кристалографија силицијума. Опоравак од: мицроцхемицалс.цом
4. Леннтецх БВ (2019). Периодна табела: силицијум. Опоравак од: леннтецх.цом
5. Маркуес Мигуел. (сф) Појава силицијума. Опоравак од: наутилус.фис.уц.пт
6. Море Хемант. (05.11.2017). Силицијум. Опоравак од: хемантморе.орг.ин
7. Пилгаард Мицхаел. (22. августа 2018.). Силицијум: Појава, изолација и синтеза. Опоравак од: пилгаарделементс.цом
8. Др Доуг Стеварт. (2019). Чињенице елемената силицијума. Цхемицоол. Опоравак од: цхемицоол.цом
9. Цхристиана Хонсберг и Стуарт Бовден. (2019). Збирка ресурса за фотонапонске васпитаче. ПВедуцатион. Опоравак са: пведуцатион.орг
10. Америцан Цхемистри Цоунцил, Инц. (2019). Силикони у свакодневном животу. Опоравак од: сехсц.америцанцхемистри.цом