Silicon: aplicație, proprietăți chimice și fizice

Unul dintre cele mai comune elemente din natură este siliciul sau siliciul. O astfel de dispersie largă vorbește despre importanța și importanța acestei substanțe. Acest lucru a fost rapid înțeles și învățat de oameni care au învățat cum să utilizeze în mod corespunzător siliciul pentru propriile scopuri. Aplicarea sa se bazează pe proprietăți speciale, despre care vom vorbi mai departe.

Siliconul este un element chimic

Dacă dăm o caracteristică a acestui element prin poziția în sistemul periodic, putem desemna următoarele puncte importante:

1. Numărul de serie este 14.
2. Perioada este a treia mică.
3. Grup - IV.
4. Subgrupul este principalul subgrup.
5. Structura carcasei de electroni exterioare este exprimată prin formula 3s²3p².
6. Elementul de siliciu este notat cu simbolul chimic Si, care se pronunță "siliciu".
7. Gradul de oxidare pe care îl prezintă: -4- + 2-4.
8. Valența atomului este IV.
9. Masa atomică de siliciu este 28,086.
10. În natură, există trei izotopi stabili ai acestui element cu numerele de masă 28, 29 și 30.

Astfel, atomul de siliciu din punct de vedere chimic este un element suficient studiat, multe dintre proprietățile sale diferite fiind descrise.

Istoria descoperirii

Din moment ce natura este foarte populară și mulțumită masiv de diferiții compuși ai elementului în cauză, oamenii l-au folosit din când în când și știau despre proprietățile multora dintre ele. Silicul pur pentru o lungă perioadă de timp a rămas dincolo de cunoașterea omului în chimie.

Cele mai populare compuși care au fost folosite în viața de zi cu zi și industrie oameni de culturi antice (egipteni, romani, chinezi, ruși vechi, perși, și altele) au fost pietre prețioase și semiprețioase, pe baza de oxid de siliciu. Acestea includ:

• opal;
• cristal de cristal;
• topaz;
• chrysoprase;
• onix;
• calcedonia și altele.

De asemenea, a fost folosit din timpuri străvechi pentru a utiliza cuarț și cuarț nisip în industria construcțiilor. Cu toate acestea, siliconul elementar în sine a rămas neschimbat până în secolul al XIX-lea, deși mulți oameni de știință au încercat în zadar să-l izoleze de compuși diferiți, folosind în acest scop catalizatori, temperaturi ridicate și chiar curent electric. Acestea sunt minți atât de strălucitoare ca:

• Carl Scheele;
• Gay-Lussac;
• Tenar;
• Humphry Davy;
• Antoine Lavoisier.

Obținerea cu succes a siliciului în forma sa pură a fost realizată de Jens Jacobs Berzelius în 1823. Pentru aceasta a efectuat un experiment privind fuziunea fluorurii de siliciu și a vaporilor metalici de potasiu. Ca urmare, sa obținut modificarea amorfă a elementului în cauză. Aceluiași om de știință a fost oferit un nume latin pentru atomul deschis.

Puțin mai târziu, în 1855, un alt om de știință - Saint Clair-Deville - a reușit să sintetizeze un alt tip alotropic - siliciu cristalin. De atunci, cunoștințele despre acest element și proprietățile sale au devenit foarte repede reumplete. Oamenii și-au dat seama că au caracteristici unice care pot fi utilizate foarte competent pentru a-și satisface nevoile. Prin urmare, astăzi unul dintre elementele cele mai solicitate în electronică și inginerie este siliciul. Aplicarea sa extinde limitele sale în fiecare an.

Numele rus a fost dat atomului de către omul de știință Hess în 1831. Acesta este cel care a fost fixat până în prezent.

Conținutul în natură

Conform prevalenței în natură, siliciul ocupă locul doi după oxigen. Raportul său procentual în comparație cu alți atomi din compoziția crustei pământului este de 29,5%. În plus, carbonul și siliciul sunt două elemente speciale capabile să formeze lanțuri care se conectează unul cu celălalt. Acesta este motivul pentru care acesta din urmă este cunoscut pentru mai mult de 400 de minerale naturale diferite, în care este conținut în litosferă, hidrosferă și biomasă.

Unde este exact conținutul de siliciu?

1. În straturi adânci de sol.
2. În roci, depozite și masive.
3. La baza corpurilor de apă, în special a mărilor și a oceanelor.
4. În plante și locuitori ai regnului animal.
5. În corpul uman și animalele terestre.

Puteți identifica câteva dintre cele mai comune minerale și roci, în care există un număr mare de siliciu. Chimia lor este astfel încât conținutul în masă al unui element pur în ele ajunge la 75%. Cu toate acestea, cifra specifică depinde de tipul de material. Deci, roci și minerale cu conținut de siliciu:

• feldspat;
• mica;
• amfibole;
• Opalul;
• calcedonie;
• silicați;
• gresii;
• silicați de aluminiu;
• lut și altele.

Acumulând în cochilii și scheletul exterior al animalelor marine, siliciul formează eventual depuneri puternice de silice pe fundul rezervoarelor. Aceasta este una dintre sursele naturale ale acestui element.

În plus, sa constatat că silicidul poate exista în formă pură - sub formă de cristale. Dar aceste depozite sunt foarte rare.

Proprietățile fizice ale siliciului

Dacă dăm o caracteristică a elementului examinat în termenii unui set de proprietăți fizico-chimice, atunci parametrii fizici ar trebui să fie desemnați în primul rând. Iată câteva exemple de bază:

1. Există două modificări alotrope - amorfe și cristaline, care diferă în toate proprietățile.
2. Grinzile de cristal sunt foarte asemănătoare cu cele ale unui diamant, deoarece carbonul și siliciul sunt aproape identice în acest sens. Cu toate acestea, distanța dintre atomi este diferită (siliciul are mai mult), deci diamantul este mult mai greu și mai puternic. Tipul de zăbrele este centrat pe față.
3. Substanța este foarte fragilă, devine plastic la temperaturi ridicate.
4. Punctul de topire este 1415 ° C.
5. Punctul de fierbere este de 3250 ° C.
6. Densitatea substanței - 2,33 g / cm³.
7. Culoarea articulației este gri-argintiu, se exprimă un luciu metalic caracteristic.
8. Are proprietăți semiconductoare bune, care pot varia în funcție de adăugarea anumitor agenți.
9. Nu se dizolvă în apă, solvenți organici și acizi.
10. Este în mod particular solubil în alcalii.

Proprietățile fizice desemnate ale siliciului permit oamenilor să o administreze și să o aplice pentru a crea produse diferite. De exemplu, utilizarea siliciului pur în electronică se bazează pe proprietățile semiconductivității.

Proprietăți chimice

Proprietățile chimice ale siliciului depind foarte mult de condițiile de reacție. Dacă vorbim despre substanța pură cu parametrii standard, atunci este necesar să se desemneze o activitate foarte scăzută. Atât siliciul cristalin și amorf sunt foarte inerte. Nu interacționați cu nici un oxidant puternic (cu excepția fluorului), nici cu agenți reducători puternici.

Acest lucru se datorează faptului că pe suprafața substanței se folosește un film de oxid de SiO₂, care previne interacțiunile ulterioare. Este capabil să se formeze sub influența apei, a aerului și a vaporilor.

Dacă condițiile standard sunt schimbate și siliciul este încălzit la o temperatură de peste 400 ° C, activitatea sa chimică va crește semnificativ. În acest caz, el va reacționa cu:

• oxigen;
• toate tipurile de halogeni;
• hidrogen.

Cu o creștere suplimentară a temperaturii, este posibil să se formeze produse atunci când se interacționează cu bor, azot și carbon. O importanță deosebită este Carborundum - SiC, deoarece este un material abraziv bun.

De asemenea, proprietățile chimice ale siliciului sunt clar evidențiate în timpul reacțiilor cu metalele. În legătură cu acestea, este un oxidant, deci produsele sunt denumite silicide. Astfel de compuși sunt cunoscuți pentru:

• alcalin;
• pământ alcalin;
• metale tranzitorii.

Proprietățile neobișnuite au un compus obținut prin topirea fierului și a siliciului. Se numește ceramică ferosiliciu și se utilizează cu succes în industrie.

Cu substanțe complexe, siliciul nu intră în interacțiune, prin urmare, din toate varietățile sale, este posibilă numai dizolvarea în:

• vodca regală (un amestec de acizi azotați și acid clorhidric);
• alcaline caustice.

În acest caz, temperatura soluției trebuie să fie de cel puțin 60 ° C. Toate acestea confirmă încă o dată baza fizică a substanței - o latură de cristal stabilă în formă de diamant, care îi conferă forță și inerție.

Metode de obținere

Obținerea siliciului în forma sa pură este un proces costisitor economic. În plus, datorită proprietăților sale, orice metodă oferă numai 90-99% produs pur, în timp ce impuritățile sub formă de metale și carbon rămân aceleași. Deci, doar obtinerea de lucruri nu este de ajuns. De asemenea, ar trebui să fie curățat calitativ din elemente străine.

În general, producția de siliciu se realizează în două moduri principale:

1. Din nisip alb, care este SiO2 pur₂. Când este aprins cu metale active (cel mai adesea cu magneziu), un element liber se formează sub forma unei modificări amorfe. Puritatea acestei metode este ridicată, produsul fiind obținut cu un randament de 99,9%.
2. O metodă mai răspândită la scară industrială este sinterizarea unei topituri de nisip cu cocs în cuptoare termice specializate pentru prăjire. Această metodă a fost dezvoltată de omologul rus N. Beketov.

Procesarea ulterioară constă în expunerea produselor la metodele de curățare. Pentru aceasta, se folosesc acizi sau halogeni (clor, fluor).

Siliciu amorf

Caracteristica siliciului va fi incompletă dacă nu se iau în considerare separat fiecare dintre modificările sale alotropice. Primul dintre acestea este amorf. În această stare, substanța pe care o considerăm este o pulbere maronie maronie, fin dispersată. Are un grad ridicat de higroscopicitate, prezintă o activitate chimică destul de ridicată atunci când este încălzită. În condiții standard, este capabil să interacționeze numai cu cel mai puternic oxidant - fluor.

A numi siliciul amorf exact un fel de cristalină nu este complet corect. Grilajul său arată că această substanță este doar o formă de siliciu fin dispersat, care există sub formă de cristale. Prin urmare, ca atare, aceste modificări sunt aceeași conexiune.

Cu toate acestea, proprietățile lor sunt diferite și, prin urmare, este obișnuit să se vorbească despre alotropie. În sine, siliciul amorf are o capacitate mare de absorbție a luminii. În plus, în anumite condiții, acest indicator este de câteva ori mai mare decât cel al unei forme cristaline. Prin urmare, este utilizat în scopuri tehnice. În forma luată în considerare (pulbere), compusul este ușor aplicat pe orice suprafață, fie din material plastic, fie din sticlă. Prin urmare, siliciul amorf este atât de convenabil pentru utilizare. Cererea se bazează pe fabricarea panourilor solare diferite dimensiuni.

Deși deteriorarea bateriilor de acest tip este destul de rapidă, care este asociată cu abraziunea unui film subțire de materie, totuși, cererea și cererea sunt doar în creștere. La urma urmei, chiar și într-o perioadă scurtă de timp, celulele solare bazate pe siliciu amorf pot furniza energie întregilor întreprinderi. În plus, producția unei astfel de substanțe nu este deșeu, ceea ce o face foarte economică.

O astfel de modificare este obținută prin reducerea compușilor cu metale active, de exemplu sodiu sau magneziu.

Siliciu cristalin

Argintiu-gri modificarea stralucitoare a elementului în cauză. Această formă este cea mai comună și mai populară. Acest lucru se explică prin setul de proprietăți calitative pe care această substanță le posedă.

Caracteristica siliciului cu o latură de cristal include clasificarea speciei sale, deoarece există mai multe dintre ele:

1. Calitatea electronică - cea mai curată și cea mai înaltă calitate. Acest tip este utilizat în electronică pentru a crea instrumente deosebit de sensibile.
2. Calitatea solară. Numele în sine definește domeniul de utilizare. De asemenea, este destul de mare în siliciu de puritate, a cărui utilizare este necesară pentru a crea celule solare de înaltă calitate și care funcționează de mult timp. convertoare fotoelectrici care se bazează pe structura de cristal este mai calitativ și rezistent la uzură decât cele realizate folosind modificarea amorfe prin împroșcarea pe diverse tipuri de substrat.
3. Silicon tehnic. În acest soi, sunt incluse probele unei substanțe care conține aproximativ 98% dintr-un element pur. Restul se cheltuiește pe diferite tipuri de impurități:

• bor;
• aluminiu;
• clor;
• carbon;
• fosfor și altele.

Ultima varietate a substanței în cauză este utilizată pentru producerea de policristaline de siliciu. Procesele de recristalizare se desfășoară în acest scop. Ca o consecință, din punct de vedere al purității, se obțin produse care se pot referi la grupuri de calitate solară și electronică.

Prin natura sa, polisiliciul este un produs intermediar între modificarea amorfă și modificarea cristalină. Cu această opțiune este mai ușor de lucrat, este mai bine prelucrat și curățat cu fluor și clor.

Produsele care rezultă din aceasta pot fi clasificate după cum urmează:

• multi-siliciu;
• cristal unic;
• în formă de cristale;
• resturi de siliciu;
• siliciu tehnic;
• deșeuri sub formă de resturi și deșeuri.

Fiecare dintre ele găsește o aplicație în industrie și este utilizată de om complet. prin urmare procesele de producție, legate de siliciu, sunt considerate ne-deșeuri. Aceasta reduce semnificativ valoarea sa economică, fără a afecta calitatea.

Utilizarea siliciului pur

Producția de siliciu în industrie este bine stabilită, iar amploarea acesteia este destul de extinsă. Acest lucru se datorează faptului că acest element, atât pur, cât și sub formă de diferiți compuși, este larg distribuit și în cerere în diverse ramuri ale științei și tehnologiei.

Unde este siliciul cristalin și amorf utilizat în formă pură?

1. În metalurgie ca aditiv de aliere, capabil să schimbe proprietățile metalelor și aliajelor lor. Deci, este utilizat în topirea oțelului și a fontei.
2. Diferite tipuri de substanțe sunt cheltuite pentru a face o versiune mai curată - polisilicon.
3. Compuși de siliciu cu substanțe organice - aceasta este o industrie chimică integrată, care a câștigat astăzi o popularitate deosebită. Materialele silicon-organice sunt utilizate în medicină, în fabricarea vesela, uneltelor și multe altele.
4. Producerea de diverse baterii solare. Această metodă de obținere a energiei este una dintre cele mai promițătoare în viitor. Ecologic curat, profitabil din punct de vedere economic și rezistent la uzură - principalele avantaje ale obținerii de energie electrică.
5. Siliconul pentru brichete a fost folosit mult timp. În cele mai vechi timpuri, oamenii foloseau pietre pentru a obține o scânteie atunci când a aprins un foc. Acest principiu se bazează pe producția de brichete de diferite tipuri. Astăzi există specii în care piatra este înlocuită cu un aliaj de o anumită compoziție, dând un rezultat și mai rapid (scânteiere).
6. Electronică și energie solară.
7. Fabricarea oglinzilor în dispozitivele cu laser.

Astfel, siliciul pur are o mulțime de proprietăți avantajoase și speciale care îi permit să fie utilizat pentru a crea produse importante și necesare.

Aplicarea compușilor de siliciu

În plus față de o substanță simplă, sunt utilizați diferiți compuși de siliciu și foarte larg. Există o întreagă industrie numită silicat. Se bazează pe utilizarea diferitelor substanțe, care includ acest element uimitor. Ce sunt acești compuși și ce se produce de la ei?

1. Cuarț sau nisip de râu - SiO₂. Folosit pentru a face astfel de materiale de constructii si decorative, cum ar fi ciment si sticla. Toată lumea știe unde sunt folosite aceste materiale. Nici o construcție nu este completă fără aceste componente, ceea ce confirmă importanța compușilor de siliciu.
2. Ceramica silicata, care include materiale precum faianta, portelan, caramizi si produse pe baza acestora. Aceste componente sunt utilizate în medicină, în fabricarea vesela, bijuterii decorative, obiecte de uz casnic, în construcții și în alte domenii ale activității umane.
3. Componente siliconice - siliconi, geluri de silice, uleiuri siliconice.
4. Adeziv silicat - folosit ca clerical, în pirotehnie și construcții.

Silicon, al căror preț variază pe piața mondială, dar nu traversează marca descendentă de 100 de ruble rusești pe kilogram (de cristal) este o substanță populară și valoroasă. Firește, conexiunile acestui element sunt, de asemenea, utilizate pe scară largă și aplicabile.

Rolul biologic al siliciului

În ceea ce privește semnificația pentru organism, siliciul este important. Conținutul și distribuția pe țesuturi sunt următoarele:

• 0.002% este muscular;
• 0.000017% - os;
• sânge - 3,9 mg / l.

În fiecare zi în interiorul ar trebui să ia aproximativ un gram de siliciu, altfel boala va începe să se dezvolte. Deadly printre ele nu este, cu toate acestea, prelungirea foametei de siliciu duce la:

• pierderea parului;
• apariția acneei și acneei;
• fragilitatea și fragilitatea oaselor;
• ușoară permeabilitate capilară;
• oboseală și dureri de cap;
• apariția numeroaselor vânătăi și vânătăi.

Pentru plante, siliciul este un microelement important pentru creșterea și dezvoltarea normală. Experimentele pe animale au arătat că indivizii care consumă zilnic o cantitate suficientă de siliciu se dezvoltă mai bine.