Vienas iš labiausiai paplitusių elementų gamtoje yra silicis arba silicis. Toks platus pasiskirstymas rodo šios medžiagos svarbą ir reikšmę. Tai greitai suprato ir išmoko žmonės, kurie išmoko tinkamai naudoti silicį savo tikslams. Jo naudojimas pagrįstas ypatingomis savybėmis, kurias aptarsime toliau.
Silicis – cheminis elementas
Jei tam tikrą elementą apibūdiname pagal vietą periodinėje lentelėje, galime nustatyti šiuos svarbius dalykus:
- Serijos numeris – 14.
- Laikotarpis yra trečias mažas.
- Grupė – IV.
- Pogrupis yra pagrindinis.
- Išorinio elektronų apvalkalo struktūra išreiškiama formule 3s 2 3p 2.
- Elementas silicis pavaizduotas cheminiu simboliu Si, kuris tariamas kaip „silicis“.
- Jame rodomos oksidacijos būsenos: -4; +2; +4.
- Atomo valentingumas yra IV.
- Silicio atominė masė yra 28,086.
- Gamtoje yra trys stabilūs šio elemento izotopai, kurių masės skaičiai yra 28, 29 ir 30.
Taigi, cheminiu požiūriu, silicio atomas yra pakankamai ištirtas elementas, aprašyta daugybė skirtingų jo savybių.
Atradimų istorija
Kadangi įvairūs aptariamo elemento junginiai gamtoje yra labai populiarūs ir gausūs, nuo seno žmonės vartojo ir žinojo daugelio jų savybes. Grynas silicis chemijoje ilgą laiką liko už žmogaus žinių ribų.
Populiariausi senovės kultūrų (egiptiečių, romėnų, kinų, rusų, persų ir kt.) kasdieniame gyvenime ir pramonėje naudojami junginiai buvo silicio oksido pagrindu pagaminti brangakmeniai ir dekoratyviniai akmenys. Jie apima:
- opalas;
- Kalnų krištolas;
- topazas;
- chrizoprazė;
- oniksas;
- chalcedonas ir kiti.
Taip pat nuo seno buvo įprasta statyboje naudoti kvarcą. Tačiau pats elementinis silicis liko neatrastas iki XIX amžiaus, nors daugelis mokslininkų bergždžiai bandė jį izoliuoti nuo įvairių junginių, pasitelkdami katalizatorius, aukštą temperatūrą ir net elektros srovę. Tai tokie šviesūs protai kaip:
- Karlas Scheele;
- Gay-Lussac;
- Tenaras;
- Humphry Davy;
- Antoine'as Lavoisier.
Jensui Jacobsui Berzeliui pavyko gauti gryno silicio 1823 m. Norėdami tai padaryti, jis atliko silicio fluorido ir kalio metalo garų lydymo eksperimentą. Dėl to gavau amorfinę aptariamo elemento modifikaciją. Tie patys mokslininkai pasiūlė atrastam atomui lotynišką pavadinimą.
Kiek vėliau, 1855 m., kitam mokslininkui – Sainte-Clair-Deville – pavyko susintetinti kitą alotropinę atmainą – kristalinį silicį. Nuo tada žinios apie šį elementą ir jo savybes pradėjo labai greitai plėstis. Žmonės suprato, kad jis turi unikalių savybių, kurias galima labai protingai panaudoti savo poreikiams tenkinti. Todėl šiandien vienas populiariausių elektronikos ir technologijų elementų yra silicis. Jo naudojimas kiekvienais metais tik plečia savo ribas.
Rusišką atomo pavadinimą mokslininkas Hessas suteikė 1831 m. Tai išliko iki šių dienų.
Pagal gausą gamtoje silicis užima antrą vietą po deguonies. Jo procentas, palyginti su kitais atomais žemės plutoje, yra 29,5%. Be to, anglis ir silicis yra du specialūs elementai, kurie gali sudaryti grandines, susijungdami vienas su kitu. Štai kodėl pastariesiems žinoma daugiau nei 400 skirtingų natūralių mineralų, kuriuose jo yra litosferoje, hidrosferoje ir biomasėje.
Kur tiksliai randamas silicis?
- Giliuose dirvožemio sluoksniuose.
- Uolose, telkiniuose ir masyvuose.
- Vandens telkinių dugne, ypač jūrų ir vandenynų.
- Gyvūnų karalystės augaluose ir jūrų gyvenime.
- Žmogaus kūne ir sausumos gyvūnuose.
Galime nustatyti keletą labiausiai paplitusių mineralų ir uolienų, kuriuose yra daug silicio. Jų chemija tokia, kad gryno elemento masės kiekis juose siekia 75%. Tačiau konkretus skaičius priklauso nuo medžiagos tipo. Taigi, uolienos ir mineralai, kurių sudėtyje yra silicio:
- lauko špatai;
- žėrutis;
- amfibolai;
- opalai;
- chalcedonas;
- silikatai;
- smiltainiai;
- aliuminio silikatai;
- molis ir kiti.
Silicis, kaupdamasis jūrų gyvūnų kriauklėse ir egzoskeletuose, galiausiai sudaro galingas silicio dioksido nuosėdas vandens telkinių dugne. Tai vienas iš natūralių šio elemento šaltinių.
Be to, buvo nustatyta, kad silicis gali egzistuoti gryna natūralia forma – kristalų pavidalu. Tačiau tokie indėliai yra labai reti.
Fizinės silicio savybės
Jei nagrinėjamą elementą charakterizuojame pagal fizikinių ir cheminių savybių rinkinį, tai pirmiausia reikia nurodyti fizikinius parametrus. Štai keletas pagrindinių:
- Jis egzistuoja dviejų allotropinių modifikacijų – amorfinės ir kristalinės – pavidalu, kurios skiriasi visomis savybėmis.
- Kristalinė gardelė labai panaši į deimantų, nes anglis ir silicis šiuo atžvilgiu yra praktiškai vienodi. Tačiau atstumas tarp atomų yra skirtingas (silicis yra didesnis), todėl deimantas yra daug kietesnis ir tvirtesnis. Grotelių tipas – kubinis į veidą nukreiptas.
- Medžiaga yra labai trapi ir aukštoje temperatūroje tampa plastiška.
- Lydymosi temperatūra yra 1415 ˚C.
- Virimo temperatūra - 3250˚С.
- Medžiagos tankis yra 2,33 g/cm3.
- Mišinio spalva yra sidabriškai pilka, su būdingu metaliniu blizgesiu.
- Jis turi geras puslaidininkines savybes, kurios gali skirtis pridedant tam tikrų medžiagų.
- Netirpus vandenyje, organiniuose tirpikliuose ir rūgštyse.
- Ypač tirpus šarmuose.
Nustatytos fizinės silicio savybės leidžia žmonėms juo manipuliuoti ir panaudoti įvairiems produktams kurti. Pavyzdžiui, gryno silicio naudojimas elektronikoje pagrįstas puslaidumo savybėmis.
Cheminės savybės
Silicio cheminės savybės labai priklauso nuo reakcijos sąlygų. Jei kalbame apie standartinius parametrus, turime nurodyti labai mažą aktyvumą. Tiek kristalinis, tiek amorfinis silicis yra labai inertiški. Jie nesąveikauja su stipriais oksidatoriais (išskyrus fluorą) arba su stipriais reduktoriais.
Taip yra dėl to, kad medžiagos paviršiuje akimirksniu susidaro SiO 2 oksido plėvelė, kuri užkerta kelią tolesnei sąveikai. Jis gali susidaryti veikiant vandeniui, orui ir garams.
Jei pakeisite standartines sąlygas ir pašildysite silicį iki aukštesnės nei 400˚C temperatūros, jo cheminis aktyvumas labai padidės. Tokiu atveju jis reaguos su:
- deguonies;
- visų tipų halogenai;
- vandenilis.
Toliau kylant temperatūrai, sąveikaujant su boru, azotu ir anglimi, gali susidaryti produktai. Karborundas – SiC – yra ypač svarbus, nes yra gera abrazyvinė medžiaga.
Taip pat cheminės silicio savybės aiškiai matomos reakcijose su metalais. Jų atžvilgiu tai yra oksidatorius, todėl produktai vadinami silicidais. Panašūs junginiai yra žinomi dėl:
- šarminis;
- šarminių žemių;
- pereinamieji metalai.
Junginys, gautas lydant geležį ir silicį, turi neįprastų savybių. Jis vadinamas ferosilicio keramika ir sėkmingai naudojamas pramonėje.
Silicis nesąveikauja su sudėtingomis medžiagomis, todėl iš visų jų rūšių jis gali ištirpti tik:
- aqua regia (azoto ir druskos rūgščių mišinys);
- šarminiai šarmai.
Šiuo atveju tirpalo temperatūra turi būti ne žemesnė kaip 60˚C. Visa tai dar kartą patvirtina fizikinį medžiagos pagrindą – deimantą primenančią stabilią kristalinę gardelę, kuri suteikia jai tvirtumo ir inertiškumo.
Gavimo būdai
Gryno silicio gavimas ekonomiškai yra gana brangus procesas. Be to, dėl savo savybių bet koks metodas duoda tik 90-99% grynumo produktą, o priemaišos metalų ir anglies pavidalu išlieka nepakitusios. Todėl vien gauti medžiagą nepakanka. Jis taip pat turi būti kruopščiai nuvalytas nuo pašalinių elementų.
Apskritai silicio gamyba vykdoma dviem pagrindiniais būdais:
- Iš balto smėlio, kuris yra grynas silicio oksidas SiO 2. Kai jis kalcinuojamas aktyviais metalais (dažniausiai magniu), susidaro laisvas elementas amorfinės modifikacijos pavidalu. Šio metodo grynumas yra didelis, produktas gaunamas su 99,9 procentų išeiga.
- Plačiau paplitęs metodas pramoniniu mastu yra išlydyto smėlio sukepinimas su koksu specializuotose šiluminėse krosnyse. Šį metodą sukūrė rusų mokslininkas N. N. Beketovas.
Tolesnis apdorojimas apima produktų gryninimo metodus. Tam naudojamos rūgštys arba halogenai (chloras, fluoras).
Amorfinis silicis
Silicio apibūdinimas bus neišsamus, jei kiekviena jo alotropinė modifikacija nebus nagrinėjama atskirai. Pirmasis iš jų yra amorfinis. Šioje būsenoje medžiaga, kurią svarstome, yra rusvai rudi milteliai, smulkiai išsklaidyti. Jis pasižymi dideliu higroskopiškumu ir gana dideliu cheminiu aktyvumu kaitinant. Standartinėmis sąlygomis jis gali sąveikauti tik su stipriausiu oksidatoriumi – fluoru.
Ne visai teisinga amorfinį silicį vadinti kristalinio silicio rūšimi. Jo grotelės rodo, kad ši medžiaga yra tik smulkiai išsklaidyto silicio forma, egzistuojanti kristalų pavidalu. Todėl šios modifikacijos yra vienas ir tas pats junginys.
Tačiau jų savybės skiriasi, todėl įprasta kalbėti apie alotropiją. Pats amorfinis silicis pasižymi dideliu šviesos sugerties pajėgumu. Be to, tam tikromis sąlygomis šis rodiklis yra kelis kartus didesnis nei kristalinės formos. Todėl jis naudojamas techniniams tikslams. Tokia forma (milteliais) junginys lengvai tepamas ant bet kokio paviršiaus, nesvarbu, ar tai būtų plastikas, ar stiklas. Štai kodėl amorfinį silicį taip patogu naudoti. Taikymas pagal skirtingus dydžius.
Nors tokio tipo baterijos gana greitai susidėvi, o tai siejama su plonos medžiagos plėvelės nutrynimu, jų naudojimas ir paklausa tik auga. Juk net ir per trumpą tarnavimo laiką saulės baterijos, pagamintos iš amorfinio silicio, gali aprūpinti energiją ištisoms įmonėms. Be to, tokios medžiagos gamyba yra be atliekų, todėl ji yra labai ekonomiška.
Ši modifikacija gaunama redukuojant junginius su aktyviais metalais, pavyzdžiui, natriu arba magniu.
Kristalinis silicis
Sidabriškai pilka blizgi nagrinėjamo elemento modifikacija. Ši forma yra labiausiai paplitusi ir paklausiausia. Tai paaiškinama šios medžiagos kokybinių savybių rinkiniu.
Silicio su kristaline gardele charakteristikos apima jo tipų klasifikaciją, nes jų yra keletas:
- Elektroninė kokybė – gryniausia ir aukščiausia kokybė. Šis tipas naudojamas elektronikoje kuriant ypač jautrius įrenginius.
- Saulėta kokybė. Pats pavadinimas nulemia naudojimo sritį. Tai taip pat gana didelio grynumo silicis, kurį naudoti būtina norint sukurti kokybiškus ir ilgaamžius saulės elementus. Fotoelektriniai keitikliai, sukurti kristalinės struktūros pagrindu, yra aukštesnės kokybės ir atsparesni dilimui, nei sukurti naudojant amorfinę modifikaciją, purškiant ant įvairių tipų substratų.
- Techninis silicis. Ši įvairovė apima tuos medžiagos pavyzdžius, kuriuose yra apie 98% gryno elemento. Visa kita patenka į įvairias priemaišas:
- aliuminio;
- chloras;
- anglis;
- fosforas ir kt.
Paskutinis nagrinėjamos medžiagos tipas naudojamas silicio polikristalams gauti. Šiuo tikslu atliekami rekristalizacijos procesai. Dėl to grynumo požiūriu gaunami produktai, kuriuos galima priskirti saulės ir elektroninės kokybės.
Pagal savo pobūdį polisilicis yra tarpinis produktas tarp amorfinių ir kristalinių modifikacijų. Su šia parinktimi lengviau dirbti, ji geriau apdorojama ir valoma fluoru ir chloru.
Gauti produktai gali būti klasifikuojami taip:
- multisilicis;
- monokristalinis;
- profiliuoti kristalai;
- Silicio laužas;
- techninis silicis;
- gamybos atliekos medžiagų skeveldrų ir likučių pavidalu.
Kiekvienas iš jų yra pritaikytas pramonėje ir yra visiškai naudojamas žmonių. Todėl tie, kurie liečiasi su siliciu, laikomi ne atliekomis. Tai žymiai sumažina jo ekonomines išlaidas, nepakenkiant kokybei.
Naudojant gryną silicį
Pramoninė silicio gamyba yra gana gerai žinoma, o jos mastai yra gana dideli. Taip yra dėl to, kad šis elementas, tiek grynas, tiek įvairių junginių pavidalu, yra plačiai paplitęs ir paklausus įvairiose mokslo ir technikos šakose.
Kur naudojamas grynas kristalinis ir amorfinis silicis?
- Metalurgijoje kaip legiravimo priedas, galintis pakeisti metalų ir jų lydinių savybes. Taigi jis naudojamas plieno ir ketaus lydymui.
- Grynesniam variantui – polisiliciui – pagaminti naudojamos skirtingos medžiagų rūšys.
- Silicio junginiai yra visa chemijos pramonė, kuri šiandien įgijo ypatingą populiarumą. Organinės silicio medžiagos naudojamos medicinoje, indų, įrankių gamyboje ir daug daugiau.
- Įvairių saulės baterijų gamyba. Šis energijos gavimo būdas yra vienas perspektyviausių ateityje. Aplinkai nekenksmingas, ekonomiškas ir atsparus nusidėvėjimui yra pagrindiniai šio tipo elektros gamybos privalumai.
- Silicis žiebtuvėliams buvo naudojamas labai ilgą laiką. Net senovėje žmonės kurdami ugnį naudojo titnagą, kad sukurtų kibirkštį. Šis principas yra įvairių tipų žiebtuvėlių gamybos pagrindas. Šiandien yra tokių tipų, kuriuose titnagas pakeičiamas tam tikros sudėties lydiniu, kuris duoda dar greitesnį rezultatą (kibirkščiavimą).
- Elektronika ir saulės energija.
- Veidrodžių gamyba dujiniuose lazeriniuose įrenginiuose.
Taigi grynas silicis turi daug naudingų ir ypatingų savybių, leidžiančių jį naudoti kuriant svarbius ir reikalingus produktus.
Silicio junginių taikymas
Be paprastos medžiagos, naudojami ir įvairūs silicio junginiai, ir labai plačiai. Yra visa pramonė, vadinama silikatu. Jis pagrįstas įvairių medžiagų, kuriose yra šio nuostabaus elemento, naudojimu. Kas yra šie junginiai ir kas iš jų gaminama?
- Kvarcas arba upės smėlis - SiO 2. Naudojamas statybinėms ir dekoratyvinėms medžiagoms, tokioms kaip cementas ir stiklas, gaminti. Visi žino, kur šios medžiagos naudojamos. Jokia statyba negali būti baigta be šių komponentų, o tai patvirtina silicio junginių svarbą.
- Silikatinė keramika, kuri apima tokias medžiagas kaip fajansas, porcelianas, plytos ir gaminiai iš jų. Šie komponentai naudojami medicinoje, indų, dekoratyvinių papuošalų, namų apyvokos daiktų gamyboje, statybose ir kitose kasdienės žmogaus veiklos srityse.
- - silikonai, silikageliai, silikoninės alyvos.
- Silikatiniai klijai – naudojami kaip raštinės reikmenys, pirotechnikoje ir statybose.
Silicis, kurio kaina pasaulinėje rinkoje svyruoja, tačiau iš viršaus į apačią neperžengia 100 Rusijos rublių už kilogramą (vienam kristalui) ribos, yra paklausi ir vertinga medžiaga. Natūralu, kad šio elemento junginiai taip pat yra plačiai paplitę ir pritaikomi.
Biologinis silicio vaidmuo
Silicis yra svarbus savo svarbos organizmui požiūriu. Jo kiekis ir pasiskirstymas audiniuose yra toks:
- 0,002% - raumuo;
- 0,000017% - kaulas;
- kraujo - 3,9 mg/l.
Kasdien reikia suvartoti apie vieną gramą silicio, kitaip pradės vystytis ligos. Nė vienas iš jų nėra mirtinai pavojingas, tačiau užsitęsęs silicio badas sukelia:
- Plaukų slinkimas;
- spuogų ir spuogų atsiradimas;
- kaulų trapumas ir trapumas;
- lengvas kapiliarų pralaidumas;
- nuovargis ir galvos skausmai;
- daugybės mėlynių ir mėlynių atsiradimas.
Augalams silicis yra svarbus mikroelementas, būtinas normaliam augimui ir vystymuisi. Eksperimentai su gyvūnais parodė, kad tie individai, kurie kasdien suvartoja pakankamai silicio, auga geriau.
Silicio aprašymas ir savybės
Silicis – elementas, ketvirta grupė, trečiasis laikotarpis elementų lentelėje. Atominis numeris 14. Silicio formulė- 3s2 3p2. Jis buvo apibrėžtas kaip elementas 1811 m., o 1834 m. vietoj ankstesnio „Sicilija“ gavo rusišką pavadinimą „silicis“. Lydymosi temperatūra 1414ºC, verda 2349ºC.
Jis primena molekulinę struktūrą, bet yra prastesnis už ją kietumu. Gana trapus, kaitinant (mažiausiai 800ºC) tampa plastiškas. Permatomas su infraraudonaisiais spinduliais. Monokristalinis silicis turi puslaidininkių savybių. Pagal kai kurias savybes silicio atomas panaši į anglies atominę struktūrą. Silicio elektronai turi tokį patį valentinį skaičių kaip ir anglies struktūra.
Darbininkai silicio savybės priklauso nuo tam tikro joje esančio turinio turinio. Silicis turi skirtingus laidumo tipus. Visų pirma, tai yra "skylė" ir "elektroniniai" tipai. Norint gauti pirmąjį, į silicį pridedama boro. Jei pridėsite fosforas, silicisįgyja antrojo tipo laidumą. Kai silicis kaitinamas kartu su kitais metalais, susidaro specifiniai junginiai, vadinami „silicidais“, pavyzdžiui, vykstant reakcijai „ magnio silicio«.
Elektronikos reikmėms naudojamas silicis visų pirma vertinamas pagal jo viršutinių sluoksnių charakteristikas. Todėl būtina atkreipti ypatingą dėmesį į jų kokybę, nes tai tiesiogiai veikia bendrą našumą. Nuo jų priklauso pagaminto įrenginio veikimas. Norint gauti priimtiniausias viršutinių silicio sluoksnių charakteristikas, jie apdorojami įvairiais cheminiais metodais arba apšvitinami.
Junginys "siera-silicis" sudaro silicio sulfidą, kuris lengvai sąveikauja su vandeniu ir deguonimi. Reaguojant su deguonimi, esant aukštesnei nei 400º C temperatūrai, paaiškėja silicio dioksidas. Esant tokiai pat temperatūrai, galimos reakcijos su chloru ir jodu, taip pat su bromu, kurių metu susidaro lakiosios medžiagos – tetrahalogenidai.
Tiesioginio kontakto būdu silicio ir vandenilio sujungti nebus įmanoma, tam yra netiesioginiai metodai. Esant 1000 ºC temperatūrai galima reakcija su azotu ir boru, todėl susidaro silicio nitridas ir boridas. Esant tokiai pat temperatūrai, silicį sujungus su anglimi, galima gaminti silicio karbidas, vadinamasis „karborundas“. Ši kompozicija turi tvirtą struktūrą, cheminis aktyvumas yra vangus. Naudojamas kaip abrazyvas.
Ryšium su geležis, silicis sudaro specialų mišinį, todėl šie elementai gali ištirpti, todėl gaunama ferosilicio keramika. Be to, jo lydymosi temperatūra yra daug mažesnė nei tuo atveju, jei jie lydomi atskirai. Esant aukštesnei nei 1200ºC temperatūrai, susidaro silicio oksidas, taip pat tam tikromis sąlygomis paaiškėja silicio hidroksidas. Odinant silicį, naudojami šarminiai vandens tirpalai. Jų temperatūra turi būti ne žemesnė kaip 60ºC.
Silicio telkiniai ir kasyba
Elementas yra antras pagal gausumą planetoje medžiaga. Silicis sudaro beveik trečdalį žemės plutos tūrio. Dažniau pasitaiko tik deguonies. Jį daugiausia išreiškia silicio dioksidas, junginys, kuriame iš esmės yra silicio dioksido. Pagrindiniai silicio dioksido dariniai yra titnagas, įvairūs smėliai, kvarcas ir laukas. Po jų atsiranda silicio silikatiniai junginiai. Gimtumas siliciui yra retas reiškinys.
Silicio programos
Silicis, cheminės savybės kuri nulemia jo taikymo sritį, skirstoma į keletą tipų. Mažiau grynas silicis naudojamas metalurgijos reikmėms: pavyzdžiui, priedams aliuminis, silicis aktyviai keičia savo savybes, deoksidatorius ir kt. Jis aktyviai keičia metalų savybes, pridėdamas jų junginys. Silicis juos legiruoja, keičia darbinę charakteristikos, silicis Pakanka labai mažo kiekio.
Taip pat iš neapdoroto silicio gaminami aukštesnės kokybės dariniai, ypač iš monokristalinio ir polikristalinio silicio, taip pat iš organinio silicio – tai silikonai ir įvairios organinės alyvos. Jis taip pat buvo naudojamas cemento gamybos ir stiklo pramonėje. Ji neaplenkė plytų gamybos, be jos neapsieina ir porcelianą gaminančios gamyklos.
Silicis yra gerai žinomų silikatinių klijų dalis, naudojama remonto darbams, o anksčiau buvo naudojama biuro reikmėms, kol neatsirasdavo praktiškesnių pakaitalų. Kai kuriuose pirotechnikos gaminiuose taip pat yra silicio. Iš jo ir jo geležies lydinių atvirame ore galima gaminti vandenilį.
Kam naudojama geresnė kokybė? silicio? Lėkštės Saulės baterijose taip pat yra silicio, natūraliai netechninio. Šiems poreikiams reikia idealaus grynumo silicio arba bent jau aukščiausio grynumo techninio silicio.
Vadinamasis "elektroninis silicis" kuriame yra beveik 100% silicio, pasižymi daug geresnėmis savybėmis. Todėl jis yra pageidaujamas gaminant itin tikslius elektroninius prietaisus ir sudėtingas mikroschemas. Jų gamybai reikalinga aukštos kokybės produkcija grandinė, silicis kuriems turėtų būti skirta tik aukščiausia kategorija. Šių įrenginių veikimas priklauso nuo to, kiek sudėtyje yra silicio nepageidaujamų priemaišų.
Silicis gamtoje užima svarbią vietą, o daugumai gyvų būtybių jo nuolat reikia. Jiems tai yra savotiška statybinė kompozicija, nes ji nepaprastai svarbi raumenų ir kaulų sistemos sveikatai. Kasdien žmogus pasisavina iki 1 g silicio junginiai.
Ar silicis gali būti kenksmingas?
Taip, dėl to, kad silicio dioksidas yra labai linkęs susidaryti dulkėms. Jis dirgina gleivines kūno paviršius ir gali aktyviai kauptis plaučiuose, sukeldamas silikozę. Šiuo tikslu gamyboje, susijusioje su silicio elementų apdirbimu, respiratorių naudojimas yra privalomas. Jų buvimas ypač svarbus, kai kalbama apie silicio monoksidą.
Silicio kaina
Kaip žinote, visos šiuolaikinės elektroninės technologijos, nuo telekomunikacijų iki kompiuterinių technologijų, yra pagrįstos silicio naudojimu, naudojant jo puslaidininkines savybes. Kiti jo analogai naudojami daug rečiau. Unikalios silicio ir jo darinių savybės dar daug metų yra neprilygstamos. Nepaisant kainų mažėjimo 2001 m silicis, pardavimas greitai grįžo į normalią būseną. O jau 2003 metais prekybos apyvarta siekė 24 tūkst. tonų per metus.
Naujausioms technologijoms, kurioms reikalingas beveik kristalinis silicio grynumas, jo techniniai analogai netinka. O dėl sudėtingos valymo sistemos kaina gerokai išauga. Polikristalinis silicio tipas yra labiau paplitęs, jo monokristalinis prototipas yra šiek tiek mažiau paklausus. Tuo pačiu metu puslaidininkiams naudojamo silicio dalis užima liūto dalį prekybos apyvartos.
Produktų kainos skiriasi priklausomai nuo grynumo ir paskirties silicio, pirkite kuris gali prasidėti nuo 10 centų už kg neapdorotų žaliavų ir iki 10 USD ir daugiau už „elektroninį“ silicį.
(pirmasis elektronas)
(pagal Paulingą)
| Si | 14 |
| 28,0855 | |
| 3s 2 3p 2 | |
| Silicis | |
Istorija
Savo gryniausia forma silicio 1811 m. išskyrė prancūzų mokslininkai Joseph Louis Gay-Lussac ir Louis Jacques Thénard.
vardo kilmė
1825 m. švedų chemikas Jonsas Jakobas Berzelius gavo gryną elementinį silicį, veikiant kalio metalą silicio fluoridui SiF 4. Naujasis elementas buvo pavadintas „silicium“ (iš lot. silex- titnagas). Rusišką pavadinimą „silicis“ 1834 m. įvedė rusų chemikas Germanas Ivanovičius Hessas. Išvertus iš graikų kalbos kremnos- „uola, kalnas“.
Buvimas gamtoje
Pagal paplitimą žemės plutoje silicis užima antrą vietą tarp visų cheminių elementų (po deguonies). Žemės plutos masė yra 27,6-29,5% silicio. Silicis yra kelių šimtų skirtingų natūralių silikatų ir aliumosilikatų komponentas. Labiausiai paplitęs yra silicio dioksidas – daugybė silicio dioksido (IV) SiO2 formų (upių smėlis, kvarcas, titnagas ir kt.), sudarantis apie 12% žemės plutos (pagal masę). Gamtoje silicio nėra laisvos formos, nors vieną ketvirtadalį žemės sudaro silicis.
Kvitas
Pramonėje silicis gaunamas redukuojant SiO 2 lydalą koksu maždaug 1800 °C temperatūroje lankinėse krosnyse. Tokiu būdu gauto silicio grynumas yra apie 99,9%. Kadangi praktiniam naudojimui reikalingas didesnio grynumo silicis, gautas silicis chloruojamas. Susidaro junginiai, kurių sudėtis yra SiCl 4 ir SiCl 3 H. Šie chloridai toliau įvairiais būdais valomi nuo priemaišų ir galutiniame etape redukuojami grynu vandeniliu. Taip pat galima išvalyti silicį pirmiausia gaunant magnio silicidą Mg 2 Si. Tada lakusis monosilanas SiH 4 gaunamas iš magnio silicido, naudojant druskos arba acto rūgštis. Monosilanas toliau gryninamas rektifikacijos, sorbcijos ir kitais metodais, o po to maždaug 1000 °C temperatūroje skaidomas į silicį ir vandenilį. Šiais metodais gautame silicyje priemaišų kiekis sumažinamas iki 10–8–10–6 masės %.
Gryno silicio gavimo metodą sukūrė Nikolajus Nikolajevičius Beketovas. Didžiausias silicio gamintojas Rusijoje yra „OK Rusal“ – silicis gaminamas Kamensko-Uralsko (Sverdlovsko sritis) ir Šelechovo (Irkutsko sritis) gamyklose.
Fizinės savybės
Silicio kristalinė struktūra.
Silicio kristalinė gardelė yra kubinė, centruota, deimantinio tipo, parametras a = 0,54307 nm (buvo gautos kitos polimorfinės silicio modifikacijos esant dideliam slėgiui), tačiau dėl ilgesnio ryšio ilgio tarp Si-Si atomų, palyginti su ilgiu. C-C jungties silicio kietumas yra žymiai mažesnis nei deimanto. Silicis yra trapus, tik kaitinamas virš 800 °C, jis tampa plastikine medžiaga. Įdomu tai, kad silicis yra skaidrus infraraudoniesiems spinduliams, pradedant nuo 1,1 mikrometro bangos ilgio.
Elektrofizinės savybės
Elementarusis silicis yra tipiškas netiesioginio tarpo puslaidininkis. Juostos tarpas kambario temperatūroje yra 1,12 eV, o esant T = 0 K – 1,21 eV. Krūvnešių koncentracija silicyje, kurio vidinis laidumas kambario temperatūroje yra 1,5·10 16 m−3. Kristalinio silicio elektrinėms savybėms didelę įtaką turi jame esančios mikropriemaišos. Norint gauti skylutinio laidumo silicio monokristalius, į silicį įvedami III grupės elementų priedai - boras, aliuminis, galis ir indis; su elektroniniu laidumu - V grupės elementų priedai - fosforas, arsenas arba stibis. Silicio elektrines savybes galima keisti keičiant pavienių kristalų apdorojimo sąlygas, ypač apdorojant silicio paviršių įvairiomis cheminėmis medžiagomis.
- Elektronų judrumas: 1300-1400 cm²/(v*s).
- Skylės mobilumas: 500 cm²/(v*s).
- Juostos tarpas 1,205-2,84*10(^-4)*T
- Elektronų gyvenimo trukmė: 50 - 500 µs
- Vidutinis elektronų laisvas kelias: 0,1 cm
- Skylės laisvo tako ilgis: 0,02 - 0,06 cm
Cheminės savybės
Junginiuose silicio oksidacijos būsena yra +4 arba –4, nes orbitalių sp³-hibridizacijos būsena yra labiau būdinga silicio atomui. Todėl visuose junginiuose, išskyrus silicio (II) oksidą SiO, silicis yra keturiavalentis.
Chemiškai silicis yra neaktyvus. Kambario temperatūroje jis reaguoja tik su fluoro dujomis, todėl susidaro lakus silicio tetrafluoridas SiF 4 . Kaitinamas iki 400–500 °C temperatūros, silicis reaguoja su deguonimi, sudarydamas SiO 2 dioksidą, su chloru, bromu ir jodu – ir susidaro atitinkami labai lakūs tetrahalogenidai SiHal 4.
Silicis su vandeniliu nereaguoja tiesiogiai, silicio junginiai su vandeniliu – silanai, kurių bendra formulė Si nH 2n+2 – gaunami netiesiogiai. Monosilanas SiH 4 (dažnai vadinamas tiesiog silanu) išsiskiria, kai metalų silicidai reaguoja su rūgšties tirpalais, pavyzdžiui:
Ca 2 Si + 4HCl → 2CaCl 2 + SiH 4.
Šioje reakcijoje susidaręs silanas SiH 4 turi kitų silanų, ypač disilano Si 2 H 6 ir trisilano Si 3 H 8, mišinio, kuriame yra silicio atomų grandinė, sujungta viengubomis jungtimis (-Si-Si-Si). —) .
Su azotu silicis maždaug 1000 °C temperatūroje sudaro nitridą Si 3 N 4, su boru - termiškai ir chemiškai stabilius boridus SiB 3, SiB 6 ir SiB 12. Silicio junginys ir artimiausias jo analogas periodinėje lentelėje – anglis – silicio karbidas SiC (karborundas) pasižymi dideliu kietumu ir mažu cheminiu reaktyvumu. Karborundas plačiai naudojamas kaip abrazyvinė medžiaga.
Silicis (Si) yra nemetalas, užimantis 2 vietą po deguonies pagal atsargas ir buvimą Žemėje (25,8 % Žemės plutoje). Gryna jo forma praktiškai niekada nerandama, planetoje daugiausia jo yra junginių pavidalu.
Silicio charakteristikos
Fizinės savybės
Silicis yra trapi, šviesiai pilka medžiaga su metaliniu atspalviu arba rudos spalvos miltelių pavidalo medžiaga. Silicio kristalo struktūra panaši į deimanto, tačiau dėl jungties ilgio skirtumų tarp atomų deimanto kietumas yra daug didesnis.
Silicis yra nemetalas, prieinamas elektromagnetinei spinduliuotei. Dėl kai kurių savybių jis yra viduryje tarp nemetalų ir metalų:
Kai temperatūra pakyla iki 800 °C, ji tampa lanksti ir plastiška;
Kaitinamas iki 1417 °C jis ištirpsta;
Pradeda virti aukštesnėje nei 2600 °C temperatūroje;
Pakeičia tankį esant aukštam slėgiui;
Jis turi savybę būti įmagnetintas prieš išorinio magnetinio lauko (diamagneto) kryptį.
Silicis yra puslaidininkis, o jo lydiniuose esančios priemaišos lemia būsimų junginių elektrines charakteristikas.
Cheminės savybės
Kaitinamas Si reaguoja su deguonimi, bromu, jodu, azotu, chloru ir įvairiais metalais. Sujungus su anglimi, gaunami kietieji lydiniai, pasižymintys šiluminiu ir cheminiu atsparumu.
Silicis niekaip nesąveikauja su vandeniliu, todėl visi įmanomi mišiniai su juo gaunami kitaip.
Normaliomis sąlygomis jis silpnai reaguoja su visomis medžiagomis, išskyrus fluoro dujas. Su juo susidaro silicio tetrafluoridas SiF4. Šis neveiklumas paaiškinamas tuo, kad dėl reakcijos su deguonimi, vandeniu, jo garais ir oru ant nemetalo paviršiaus susidaro silicio dioksido plėvelė, kuri jį apgaubia. Todėl cheminis poveikis yra lėtas ir nereikšmingas.
Norėdami pašalinti šį sluoksnį, naudokite vandenilio fluorido ir azoto rūgščių mišinį arba vandeninius šarmų tirpalus. Į kai kuriuos specialius skysčius reikia pridėti chromo anhidrido ir kitų medžiagų.
Silicio radimas gamtoje
Silicis yra toks pat svarbus Žemei, kaip anglis augalams ir gyvūnams. Jo pluta yra beveik pusė deguonies, o jei į ją pridėsite silicio, gausite 80% masės. Ši jungtis labai svarbi cheminių elementų judėjimui.
75% litosferos yra įvairių silicio rūgščių druskų ir mineralų (smėlio, kvarcitų, titnago, žėručio, lauko špatų ir kt.). Formuojantis magmai ir įvairioms magminėms uolienoms, Si kaupiasi granituose ir ultramafinėse uolienose (plutoninėse ir vulkaninėse).
Žmogaus kūne yra 1 g silicio. Dauguma jų yra kauluose, sausgyslėse, odoje ir plaukuose, limfmazgiuose, aortoje ir trachėjoje. Jis dalyvauja jungiamojo ir kaulinio audinio augime, taip pat palaiko kraujagyslių elastingumą.
Suaugusio žmogaus paros norma yra 5–20 mg. Perteklius sukelia silikozę.
Silicio panaudojimas pramonėje
Šis nemetalas žmonėms buvo žinomas nuo akmens amžiaus ir plačiai naudojamas iki šiol.
Taikymas:
Tai geras reduktorius, todėl naudojamas metalurgijoje metalams gaminti.
Tam tikromis sąlygomis silicis gali pravesti elektrą, todėl jis naudojamas elektronikoje.
Silicio oksidas naudojamas stiklų ir silikatinių medžiagų gamyboje.
Puslaidininkinių įtaisų gamybai naudojami specialūs lydiniai.
Silicis- labai reta mineralų rūšis iš vietinių elementų klasės. Tiesą sakant, stebėtina, kaip retai gryno pavidalo gamtoje randamas cheminis elementas silicis, kuris surištoje formoje sudaro mažiausiai 27,6 % žemės plutos masės. Tačiau silicis stipriai jungiasi su deguonimi ir beveik visada randamas silicio dioksido – silicio dioksido, SiO 2 (kvarco šeima) arba silikatų (SiO 4 4-) pavidalu. Vietinis silicis kaip mineralas buvo rastas vulkaninių garų produktuose ir kaip maži intarpai vietiniame aukse.
Taip pat žiūrėkite:
STRUKTŪRA
Silicio kristalinė gardelė yra kubinio paviršiaus centre kaip deimantas, parametras a = 0,54307 nm (buvo gautos kitos polimorfinės silicio modifikacijos esant dideliam slėgiui), tačiau dėl ilgesnio ryšio ilgio tarp Si-Si atomų, palyginti su silicio ilgiu. C-C jungtis, silicio kietumas yra žymiai mažesnis nei deimanto. Jis turi tūrinę struktūrą. Atomų branduoliai kartu su vidiniuose apvalkaluose esančiais elektronais turi teigiamą 4 krūvį, kurį subalansuoja neigiami išoriniame apvalkale esančių keturių elektronų krūviai. Kartu su gretimų atomų elektronais jie sudaro kovalentinius ryšius ant kristalinės gardelės. Taigi išoriniame apvalkale yra keturi savo elektronai ir keturi elektronai, pasiskolinti iš keturių gretimų atomų. Esant absoliučiai nulinei temperatūrai, visi išoriniuose apvalkaluose esantys elektronai dalyvauja kovalentiniuose ryšiuose. Tuo pačiu metu silicis yra idealus izoliatorius, nes jame nėra laisvųjų elektronų, kurie sukuria laidumą. SAVYBĖS
Silicis yra trapus, tik kaitinamas virš 800 °C, jis tampa plastikine medžiaga. Jis yra skaidrus infraraudoniesiems spinduliams, pradedant nuo 1,1 mikrono bangos ilgio. Krūvnešių vidinė koncentracija 5,81 10 15 m−3 (300 K temperatūrai) Lydymosi temperatūra 1415 °C, virimo temperatūra 2680 °C, tankis 2,33 g/cm3. Jis turi puslaidininkinių savybių, jo varža mažėja didėjant temperatūrai.
Amorfinis silicis yra rudi milteliai, kurių struktūra yra labai netvarkinga, panaši į deimantą. Jis yra reaktyvesnis nei kristalinis silicis.
MORFOLOGIJA
Dažniausiai gamtoje silicis randamas silicio dioksido pavidalu – junginiai, kurių pagrindą sudaro silicio dioksidas (IV) SiO 2 (apie 12 % žemės plutos masės). Pagrindiniai mineralai ir uolienos, kurias sudaro silicio dioksidas, yra smėlis (upė ir kvarcas), kvarcas ir kvarcitai, titnagas, lauko špatai. Antroji labiausiai paplitusi silicio junginių grupė gamtoje yra silikatai ir aliumosilikatai. Pastebėti pavieniai atvejai, kai rasta gryno silicio natūralioje formoje.
KILMĖ
Silicio kiekis žemės plutoje, remiantis įvairiais šaltiniais, yra 27,6-29,5 masės %. Taigi, pagal gausumą žemės plutoje silicis užima antrą vietą po deguonies. Koncentracija jūros vandenyje yra 3 mg/l. Pastebėti pavieniai faktai apie gryno silicio radimą vietinėje formoje – mažyčiai inkliuzai (nanoindividai) Goriačegorsko šarminio gabbro masyvo (Kuzneck Alatau, Krasnojarsko sritis) ijolituose; Karelijoje ir Kolos pusiasalyje (remiantis Kolos supergiliaus gręžinio matematiniu tyrimu); mikroskopiniai kristalai Tolbachiko ir Kudryavy ugnikalnių (Kamčiatkos) fumarolėse.
TAIKYMAS
Itin grynas silicis pirmiausia naudojamas vieno lusto elektroniniams prietaisams (netiesiniams pasyviems elektros grandinių elementams) ir vieno lusto mikroschemų gamybai. Grynas silicis, itin gryno silicio atliekos, išgrynintas metalurginis silicis kristalinio silicio pavidalu yra pagrindinės saulės energijos žaliavos. Monokristalinis silicis – be elektronikos ir saulės energijos, naudojamas dujiniams lazeriniams veidrodžiams gaminti.
Metalų junginiai su siliciu – silicidai – plačiai naudojami pramonėje (pavyzdžiui, elektroninėse ir branduolinėse) medžiagose, turinčiose platų naudingų cheminių, elektrinių ir branduolinių savybių spektrą (atsparumas oksidacijai, neutronams ir kt.). Daugelio elementų silicidai yra svarbios termoelektrinės medžiagos.
Silicio junginiai yra stiklo ir cemento gamybos pagrindas. Silikatų pramonė gamina stiklą ir cementą. Taip pat gamina silikatinę keramiką – plytas, porcelianą, keramiką ir iš jų pagamintus gaminius. Silikatiniai klijai yra plačiai žinomi, naudojami statybose kaip džiovykla, o pirotechnikoje ir buityje popieriui klijuoti. Silikoninės alyvos ir silikonai – medžiagos, kurių pagrindą sudaro organiniai silicio junginiai, tapo plačiai paplitusios.
Techninis silicis randa šias programas:
- žaliavos metalurgijos gamybai: lydinio komponentas (bronza, silumas);
- deoksidatorius (geležies ir plieno lydymui);
- metalo savybių ar legiravimo elemento modifikatorius (pavyzdžiui, transformatorinių plienų gamyboje įpylus tam tikrą silicio kiekį, sumažėja gatavo produkto prievartinė jėga) ir kt.;
- žaliavos grynesnio polikristalinio silicio ir išgryninto metalurginio silicio gamybai (literatūroje „umg-Si“);
- žaliavos silicio organinių medžiagų, silanų gamybai;
- kartais vandeniliui gaminti naudojamas komercinės klasės silicis ir jo lydinys su geležimi (ferosilicis);
- saulės kolektorių gamybai;
- antiblokavimo (priedas nuo lipnumo) plastiko pramonėje.
Silicis – Si
KLASIFIKACIJA
| Strunz (8-asis leidimas) | 1/B.05-10 |
| Nickel-Strunz (10-asis leidimas) | 1.CB.15 |
| Dana (7-asis leidimas) | 1.3.6.1 |
| Dana (8-asis leidimas) | 1.3.7.1 |
| Sveiki, CIM Ref. | 1.28 |