Silicon (element chimic): proprietăți, caracteristici, formulă. Istoria descoperirii siliciului

Multe aparate și aparate tehnologice moderne au fost create datorită proprietăților unice ale substanțelor care sunt în natură. Omenirea studiază experimental și cu atenție elementele înconjurătoare, modernizând în mod constant propriile invenții - acest proces se numește progres tehnologic. Se bazează pe elemente elementare, accesibile tuturor celor care ne înconjoară în viața de zi cu zi. De exemplu, nisip: ce poate fi surprinzător și neobișnuit în el? Oamenii de stiinta au putut separa de el siliciul - un element chimic, fara de care nu ar exista nici o tehnologie de calculatoare. Domeniul aplicației sale diferă în varietate și se extinde constant. Acest lucru se datorează proprietăților unice ale atomului de siliciu, structurii sale și posibilității compușilor cu alte substanțe simple.

trăsătură

În sistem periodic, dezvoltat de DI Mendeleev, siliciu (element chimic) este notat de Si. Se referă la nemetale, se află în al patrulea grup principal din a treia perioadă, are un număr atomic de 14. Apropierea sa de carbon nu este accidentală: în multe privințe, proprietățile lor sunt comparabile. În natură, nu apare în formă pură, deoarece este un element activ și are legături puternice cu oxigen. Substanța principală este silicea, care este un oxid, și silicații (nisip). În acest caz, siliciul (compușii săi naturali) este unul dintre cele mai comune elemente chimice de pe Pământ. Conținutul în masă se situează pe locul doi după oxigen (mai mult de 28%). Stratul superior al crustei pământului conține siliciu sub formă de dioxid (acesta este cuarț), diferite tipuri de argile și nisip. Al doilea grup cel mai comun este silicatul. La o adâncime de aproximativ 35 km de suprafață există straturi de depuneri de granit și bazalt, care conțin compuși silicați. Procentajul conținutului din miezul Pământului nu a fost încă calculat, însă straturile cele mai apropiate ale mantalei (până la 900 km) conțin silicați. În compoziția apei de mare, concentrația de siliciu este de 3 mg / l, solul lunar 40% constă din compușii săi. Spațiul expansiv, pe care umanitatea la studiat până în prezent, conține acest element chimic în cantități mari. De exemplu, analiză spectrală meteoriții care se apropiau de Pământ la o distanță accesibilă cercetătorilor, au arătat că acestea constau în 20% siliciu. Există o probabilitate de a forma viața pe baza acestui element din galaxia noastră.

Procesul de cercetare

Istoria descoperirii elementului chimic al siliciului are mai multe etape. Multe dintre substanțele sistematizate de Mendeleev au fost folosite de omenire de secole. În același timp, elementele au fost într-o formă naturală, adică în compuși care nu au fost supuși unui tratament chimic și toate proprietățile lor nu erau cunoscute de oameni. În procesul de a studia toate trăsăturile substanței, a avut noi utilizări. Proprietățile de siliciu pentru astăzi nu au fost studiate până la capăt - acest element, cu o gamă suficient de largă și diversă de aplicații, lasă loc pentru noi descoperiri pentru generațiile viitoare de oameni de știință. Tehnologiile moderne vor accelera foarte mult acest proces. În secolul al XIX-lea, mulți chimisti celebri au încercat să obțină siliciu în forma sa pură. Aceasta a fost prima dată făcută de L. Tenar și G. Gay-Lussac în 1811, dar descoperirea elementului aparține lui J. Berzelius, care nu numai că putea să izoleze substanța, ci și să o descrie. Un chimist din Suedia a primit siliciu în 1823, pentru că el folosea potasiu metalic și sare de potasiu. Reacția a avut loc la catalizator ca o temperatură ridicată. Substanța simplă gri-brună rezultată a fost siliciul amorf. Un element pur cristalin a fost obținut în 1855 de către Saint Clair Deville. Complexitatea izolării este direct legată de înaltă rezistență a legăturilor atomice. În ambele cazuri, reacția chimică este îndreptată spre procesul de purificare din impurități, în timp ce modelele amorfe și cristaline au proprietăți diferite.

Silicon: pronunția unui element chimic

Primul nume al pulberii primite - kizel - a fost propus de Berzelius. În Regatul Unit și Statele Unite, siliciul este denumit în continuare Siliciu sau Silicon. Termenul provine din latinescul cuvântul „Cremene“ (sau „piatră“), iar în cele mai multe cazuri este legat de conceptul de „pământ“ din cauza unei larg răspândite în natură. Pronunția rusească a acestui produs chimic este diferită, totul depinde de sursă. El a fost numit de silice (Zaharov aplicat termenul în 1810), Sicilia (1824, Dvigubsky, Soloviov), dioxid de siliciu (1825, frica), și numai în 1834, chimistul rus Germain Henri Hess introduce un nume care până în prezent folosit în majoritatea surselor - siliciu. În sistemul periodic al lui Mendeleev este marcat de simbolul Si. Cum poate fi citit elementul chimic al siliciului? Mulți oameni de știință din țările vorbitoare de limbă engleză pronunță numele său ca "si" sau folosesc cuvântul "silicon". De aici vine numele de renume mondial al văii, care este un sit de cercetare și producție pentru echipamente informatice. Populația vorbitoare de limbă rusă numește elementul siliciu (din cuvântul grecesc "stâncă, munte").

Găsirea în natură: depozite

Sisteme muntoase întregi compuse din compuși de siliciu, care nu se găsește într-o formă pură, deoarece toate mineralele cunoscute sunt dioxizi sau silicați (aluminosilicați). Frumusetea uimitoare a pietrelor folosite de oameni ca un material ornamental - acesta Opalul, ametiste, tip de cuarț, jasp, calcedonie, agat, cristal de rocă, carneol și multe altele. Ele sunt formate din cauza apariției diferiților compuși de siliciu care au determinat densitatea, structura, culoarea și direcția de utilizare. Examinați lumea anorganică pot fi asociate cu același element chimic, în care mediul formează legături puternice cu metale sau metale (zinc, magneziu, calciu, mangan, titan și așa mai departe. D.). Prin comparație cu alte substanțe, siliciu destul de ușor accesibile pentru extracție la scară industrială: se găsește în cele mai multe tipuri de minereuri și minerale. Prin urmare, depozitele minate în mod activ sunt legate de sursele cele mai accesibile de energie decât clusterele teritoriale ale materiei. Cuarț și nisip de cuarț sunt în toate țările lumii. Cei mai mari producători și furnizori de siliciu sunt: ​​China, Franța, Norvegia, Statele Unite ale Americii (West Virginia, Ohio, Alabama, New York), Australia, Africa de Sud, Canada, Brazilia. Toți producătorii folosesc o varietate de moduri, care depind de tipul de produs (tehnic, semiconductor, de mare siliciu). Element chimic îmbogățit suplimentar sau alternativ, purificate din toate tipurile de impurități are proprietăți individuale de care depinde de utilizarea sa ulterioară. Aceasta se aplică acestei substanțe. Structura siliciului determină domeniul de aplicare al aplicației sale.

Istoricul utilizării

Foarte adesea, din cauza asemănării numelor, oamenii confundă siliciul și flintul, dar aceste concepte nu sunt identice. Să clarificăm. Așa cum am menționat deja, în natură, siliciul nu se găsește în forma sa pură, ceea ce nu poate fi spus pentru compușii săi (aceeași silice). Principalele minerale și roci formate din dioxidul substanței pe care o considerăm sunt nisipul (râul și cuarțul), cuarțul și cuarții, feldspat și flint. Despre ultimul auzit trebuie să fie totul, pentru că se acordă o mare importanță în istoria dezvoltării omenirii. Cu această piatră, sunt asociate primele instrumente ale muncii create de oameni în timpul epocii de piatră. Marginile sale ascuțite care rezultă din Chipping a rocii, facilitează foarte mult activitatea gospodinele vechi, precum și posibilitatea de pilire - vânători și pescari. Flint nu avea puterea produselor metalice, dar instrumentele eșuate erau ușor înlocuite cu altele noi. Utilizarea sa ca pietre a continuat timp de mai multe secole - până la inventarea surselor alternative.

În ceea ce privește realitățile moderne, proprietățile siliciului vă permit să exploatați substanța pentru decorarea încăperilor sau pentru a crea mâncăruri ceramice, în timp ce, în plus față de aspectul estetic frumos, are multe calități funcționale excelente. O direcție separată a aplicării sale este asociată cu inventarea sticlei cu aproximativ 3000 de ani în urmă. Acest eveniment a făcut posibilă crearea de oglinzi, vase, vitralii de mozaic din compuși conținând siliciu. Formula substanței inițiale a fost completată cu componentele necesare, ceea ce a permis transmiterea culorii dorite produsului și a influențat rezistența sticlei. Surprinzător în frumusețea și varietatea operelor de artă au fost făcute de om din minerale și pietre care conțin siliciu. Proprietățile de vindecare ale acestui element au fost descrise de oamenii de știință din antichitate și folosiți de-a lungul istoriei omenirii. Ei au pus puțuri pentru apă potabilă, depozite pentru depozitarea alimentelor, folosite în viața de zi cu zi și în medicină. Pulberea obținută ca urmare a măcinării a fost aplicată la răni. O atenție deosebită a fost acordată apei, care a fost infuzată în vase fabricate din compuși conținând siliciu. Elementul chimic a interacționat cu compoziția sa, ceea ce a făcut posibilă distrugerea unui număr de bacterii și microorganisme patogene. Și nu toate ramurile în care substanța pe care o analizăm este foarte, foarte solicitată. Structura siliciului determină multifuncționalitatea sa.

proprietăţi

Pentru o cunoaștere mai detaliată a caracteristicilor substanței, trebuie să se țină seama de toate proprietățile posibile. Planul pentru caracteristicile elementului chimic al siliciului include proprietățile fizice, indicii electrofizici, studiul compușilor, reacțiile și condițiile de trecere a acestora etc. Siliconul sub formă cristalină are un gri închis cu un flux de metal metalic. O latură cubică orientată spre față seamănă cu o latură de carbon (diamant), dar datorită lungimilor lungi de legătură nu este atât de puternică. Plasticul face încălzirea până la 800 ^despreC, în alte cazuri rămâne fragilă. Proprietățile fizice ale siliciului fac ca această substanță să fie cu adevărat unică: este transparentă pentru radiațiile infraroșii. Punct de topire: 1410 ° C ⁰C, punctul de fierbere - 2600 ⁰C, densitate în condiții normale - 2330 kg / m³. Conductivitatea termică nu este constantă, pentru eșantioane diferite se ia la o valoare aproximativă de 25 ⁰C. Proprietățile atomului de siliciu fac posibilă utilizarea acestuia ca semiconductor. Această direcție de aplicare este cea mai solicitată în lumea modernă. Cantitatea de conductivitate electrică este afectată de compoziția siliciului și de elementele care sunt în legătură cu acesta. Astfel, pentru creșterea conductivității electronice, se utilizează antimoniu, arsenic, fosfor, pentru aluminiu perforat, galiu, bor și indiu. Atunci când se creează dispozitive cu siliciu ca conductor, se folosește un tratament de suprafață cu un anumit agent, care influențează funcționarea aparatului.

Proprietățile siliciului ca dirijor excelent sunt utilizate pe scară largă în realizarea instrumentelor moderne. Este deosebit de importantă utilizarea sa în fabricarea de echipamente complexe (de exemplu, dispozitive moderne de calcul, computere).

Silicon: caracteristic pentru un element chimic

În cele mai multe cazuri, siliciul este tetravalent, există și legături în care acesta poate avea o valoare de +2. În condiții normale, este inactiv, are compuși puternici, la temperatura camerei poate reacționa numai cu fluor în stare agregată gazoasă. Aceasta se datorează efectului de blocare a suprafeței filmului cu dioxid de carbon, care se observă atunci când interacționează cu oxigenul înconjurător sau apa. Pentru a stimula reacțiile, este necesar să se utilizeze un catalizator: o creștere a temperaturii este ideală pentru o substanță cum ar fi siliciul. Elementul chimic interacționează cu oxigenul la 400-500 ⁰C, ca urmare, filmul cu dioxid de carbon crește, procesul de oxidare continuă. Cu o creștere a temperaturii la 50 ⁰Se observă reacția C cu brom, clor, iod, rezultând formarea de tetrahalogenuri volatile. Cu acizii, siliciul nu interacționează, cu excepția faptului că este un amestec de hidrofluoric și nitric, cu orice alcalină în stare încălzită fiind un solvent. Sulfurile de hidrogen se formează numai prin descompunerea silicidelor, nu intră în reacție cu hidrogenul. Cea mai mare rezistență și pasivitate chimică se disting prin compușii cu bor și carbon. Rezistența ridicată la alcalii și acizi are un compus cu azot, care are loc la temperaturi de peste 1000 ⁰C. Silicidele se obțin prin reacția cu metale, caz în care valența, care arată siliciul, depinde de elementul adițional. Formula unei substanțe formate cu participarea unui metal de tranziție este rezistentă la acizi. Structura atomului de siliciu afectează direct proprietățile sale și capacitatea de a interacționa cu alte elemente. Procesul de formare a legăturilor în natură și sub influența asupra materiei (în condiții de laborator, industriale) diferă semnificativ. Structura siliciului implică activitatea sa chimică.

structură

Structura atomului de siliciu are propriile particularități. Încărcarea nucleului este +14, care corespunde numărului ordinal din tabelul periodic. Numărul de particule încărcate: protoni - electroni 14 - 14- neutroni - 14. Structura circuitului de atomi de siliciu este următoarea: Si +14) 2) 8) 4. La ultimul nivel de electroni (extern) sunt 4 care determină gradul de oxidare cu un semn "+" Sau ";". Oxidul de siliciu are formula SiO₂ (valența 4+), compus hidrogen volatil - SiH₄ (valența -4). Volumul mare al atomului de siliciu permite ca unii compuși să aibă un număr de coordonare de 6, de exemplu, atunci când sunt combinați cu fluor. Masa molară este 28, raza atomului este de 132 pm, configurația carcasei de electroni este 1S²2S²2P⁶3S²3P².

cerere

Surfactanți sau siliciu complet dopat este utilizat ca semiconductor la crearea multora, inclusiv de precizie, dispozitive (de exemplu, celule solare, tranzistori, redresor și t. D.). Super siliciul pur este folosit pentru a crea celule solare (energie). O vizualizare cu un singur cristal este utilizată pentru a realiza oglinzi și un laser cu gaz. De compuși de siliciu, sunt fabricate sticlă, plăci ceramice, vase, porțelan și faianță. Varietatea tipurilor de bunuri primite este dificil de descris, exploatarea lor are loc la nivelul cotidian, în artă și știință și în producție. Cimentul rezultat servește ca materie primă pentru construcția mortarelor și cărămizilor și a materialelor de finisare. Propagarea uleiurilor, lubrifianților pe bază de compuși organo-siliciu poate reduce semnificativ forța de frecare în părțile în mișcare ale multor mecanisme. Silicide datorită proprietăților unice în domeniul combaterii mediilor agresive (acizi, temperaturi) sunt utilizate pe scară largă în industrie. Indicatorii lor electrici, nucleari și chimici iau în considerare specialiștii în industriile complexe, nu cel puțin din care este structura atomului de siliciu.

Am enumerat domeniile cu cea mai mare intensitate a cunoașterii și avansate până acum. Cele mai frecvente, fabricate în volume mari de siliciu tehnic, sunt utilizate în mai multe moduri:

1. Ca materie primă pentru producerea unei substanțe mai curate.
2. Pentru alierea aliajelor în industria metalurgică: prezența siliconului crește refractarea, crește rezistența la coroziune și rezistența mecanică (cu un exces al acestui element, aliajul poate fi prea fragil).
3. Ca un deoxidant pentru eliminarea excesului de oxigen din metal.
4. Materii prime pentru fabricarea silanelor (compuși ai siliciului cu substanțe organice).
5. Pentru producerea de hidrogen din aliaj de siliciu cu fier.
6. Fabricarea panourilor solare.

Valoarea acestei substanțe este de asemenea mare pentru funcționarea normală a corpului uman. Structura siliciului, proprietățile sale sunt, în acest caz, decisive. Cu toate acestea, o suprasolicitare sau o lipsă a acesteia duce la boli grave.

În corpul uman

Medicina a folosit mult timp siliciul ca agent bactericid și antiseptic. Dar pentru toate beneficiile aplicării externe, acest element trebuie reînnoit în mod constant în corpul uman. Nivelul normal al conținutului său va îmbunătăți viața în general. În cazul lipsei sale, mai mult de 70 de microelemente și vitamine nu vor fi absorbite de organism, ceea ce va reduce în mod semnificativ rezistența la o varietate de boli. Cel mai mare procentaj de siliciu este observat în oase, piele și tendoane. Acesta joacă rolul unui element structural care menține forța și dă elasticitate. Toate țesuturile scheletice sunt formate de compușii săi. Ca rezultat al studiilor recente, a fost detectat conținutul de siliciu în rinichi, pancreas și țesuturi conjunctive. Rolul acestor organe în funcționarea organismului este suficient de mare, astfel încât reducerea conținutului său va fi dezastruoasă pentru mulți indicatori de bază ai susținerii vieții. A doua zi, cu alimente și corp de apă ar trebui să primească un gram de siliciu - acest lucru va ajuta la evitarea bolilor posibile, cum ar fi inflamația pielii, înmuierea oaselor, formarea de pietre în ficat, rinichi, vedere încețoșată, părului și a condițiilor de unghii, ateroscleroza. La un nivel suficient al conținutului acestui element, crește imunitatea, procesele metabolice sunt normalizate și se îmbunătățește asimilarea multor elemente necesare pentru sănătatea umană. Cea mai mare cantitate de siliciu - în cereale, ridiche, hrisca. Beneficii semnificative vor proveni din apa de siliciu. Pentru a determina numărul și frecvența utilizării sale, este mai bine să consultați un specialist.