Silicon: aplicații, chimice și fizice proprietăți

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 în scopuri proprii. Aplicarea sa se bazează pe proprietăți speciale, despre care vom vorbi mai târziu.

Siliconul este un element chimic

Dacă dăm o caracteristică a acestui element prin poziția în sistemul periodic, atunci 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 electronice externe este exprimată prin formula 3s ² 3p ² .
6. Elementul silicon este desemnat de simbolul chimic Si, care se pronunță "siliciu".
7. Gradul de oxidare pe care îl arată: -4; 2; 4.
8. Valența atomului este IV.
9. Masa atomică de siliciu este de 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

Deoarece natura este foarte populară și mulțumită masiv, tocmai diferitele compuși ai elementului în cauză pe care oamenii îl foloseau din când în când și știau despre proprietățile multora dintre ele. Silicea pură pentru o lungă perioadă de timp a rămas dincolo de cunoașterea omului în chimie.

Componentele cele mai populare folosite în viața de zi cu zi și în industrie de către popoarele culturilor antice (de exemplu egipteni, romani, chinezi, ruși, persi, etc.) erau pietre prețioase și ornamentale pe bază de oxid de siliciu. Acestea includ:

• opal;
• Rock cristal;
• topaz;
• chrysoprase;
• onix;
• Calcedonia și alții.

De asemenea, a fost folosit din timpuri străvechi pentru a utiliza nisip cuarțos și cuarț 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 pentru acești catalizatori și temperaturi ridicate, chiar și curent electric. Acestea sunt minți atât de strălucite 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 a face acest lucru, 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 folosite 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 Rusiei a fost dat omului de știință de către Hess în 1831. Acesta este ceea ce a fost fixat până în prezent.

Conținutul în natură

Prin prevalența 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. În fundul corpurilor de apă, în special mările și oceanele.
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 un conținut de siliciu:

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

Acumulând în cojile 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 siliciul 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 luat în considerare în termeni de seturi de proprietăți fizico-chimice, este necesar mai întâi să se desemneze parametri fizici. Iată câteva elemente 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), astfel încât diamantul este mult mai greu și mai puternic. Tipul de zăbrele este centrat pe față.
3. Substanța este foarte fragilă, devine plastică la temperaturi ridicate.
4. Punctul de topire este 1415 ° C.
5. Punctul de fierbere este de 3250 ° C.
6. Densitatea substanței este de 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 la parametrii standard, atunci este necesar să se desemneze 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 formează instantaneu un film de oxid de SiO2, care împiedică interacțiunile ulterioare. Este capabil să se formeze sub influența apei, a aerului și a vaporilor.

Dacă, totuși, condițiile standard sunt schimbate și siliciul este încălzit la o temperatură de peste 400 ° C, activitatea sa chimică va crește considerabil. 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 borul, azotul și carbonul. O importanță deosebită este Carborundum-SiC, deoarece este un material abraziv bun.

De asemenea, proprietățile chimice ale siliciului sunt clar evidențiate în reacțiile cu metalele. În legătură cu acestea, este un agent de oxidare, prin urmare produsele sunt denumite silicide. Astfel de compuși sunt cunoscuți pentru:

• alcalin;
• Pământ alcalin;
• Metale de tranziție.

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 soiurile sale, el se poate dizolva numai în:

• Vodcă roșie (un amestec de acizi azoici și acid clorhidric);
• Alcaline caustice.

În acest caz, temperatura soluției trebuie să fie de cel puțin 60 ° C. Toate acestea confirmă din nou 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 economic intensiv. 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 a lua 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 pur oxid de siliciu SiO ₂ . Atunci când este calcinat 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 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 omul de știință 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 ia în considerare separat fiecare dintre modificările sale alotrope. Primul dintre acestea este amorf. În această stare, substanța pe care o considerăm este o pulbere brun-maronie, fin dispersată. Are un grad ridicat de higroscopicitate, prezintă activitate chimică destul de ridicată atunci când este încălzită. În condiții standard, este capabil să interacționeze numai cu cel mai puternic oxidant - fluor.

Apelarea siliciului amorf doar ca un fel de cristalină nu este complet corectă. 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 vorbim 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. Aplicația se bazează pe fabricarea bateriilor solare de diferite mărimi.

Deși deteriorarea bateriilor de acest tip este destul de rapidă, care este asociată cu abraziunea unui film subțire de materie, dar cererea și cererea sunt 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, producerea 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.

Siliciul cristalin

Modificări strălucitoare ale 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 cristalină 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. Este, de asemenea, destul de mare în siliciu de puritate, a cărui utilizare este necesară pentru a crea celule solare de înaltă calitate și de lungă durată. Convertoarele fotoelectrice create pe baza structurii cristaline sunt mai calitative și rezistente la uzură decât cele create folosind modificarea amorfă prin pulverizarea pe un alt tip de substrat.
3. Silicon tehnic. În această versiune sunt incluse probele de substanță care conțin aproximativ 98% din elementul pur. Toate restul sunt cheltuite 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 sunt efectuate 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 o modificare amorfă și una cristalină. Cu această opțiune este mai ușor de a lucra, 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;
• Forme 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 referitoare la siliciu sunt considerate a nu fi deșeu. Acest lucru reduce semnificativ valoarea sa economică, fără a afecta calitatea.

Utilizarea siliciului pur

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

Unde este siliciul cristalin și amorf folosit în formă pură?

1. În metalurgie ca aditiv de aliere, capabil să schimbe proprietățile metalelor și aliajelor lor. Deci, se folosește la topirea oțelului și a fontei.
2. Diferite tipuri de substanțe sunt cheltuite pentru a face o versiune mai curată - polisilicon.
3. Legăturile de siliciu cu substanțe organice - aceasta este o industrie chimică integrată, care a câștigat astăzi o popularitate deosebită. Materialele siliconice organice sunt utilizate în medicină, în fabricarea vesela, uneltelor și mult mai mult.
4. Producerea de baterii solare diferite. Această metodă de obținere a energiei este una dintre cele mai promițătoare în viitor. Ecologic curat, viabil din punct de vedere economic și rezistent la uzură - principalele avantaje ale unei astfel de energii electrice.
5. Siliconul pentru brichete a fost folosit mult timp. Chiar și 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, permițându-i să fie utilizat pentru a crea produse importante și necesare.

Aplicarea compușilor de siliciu

În plus față de o substanță simplă sunt compuși de siliciu folosite și diferite, care sunt foarte larg. Există o întreagă industrie care se numește silicat. Ea se bazează pe utilizarea diferitelor substanțe, care includ acest element minunat. Care este legătura și care sunt produse?

1. nisip de cuarț sau râu - _SiO2. Este folosit pentru fabricarea de construcție și materiale decorative, cum ar fi cimentul și sticla. Folosirea unor astfel de materiale este bine cunoscut. Nici una din construcție nu este fără componente de date, ceea ce confirmă importanța compușilor de siliciu.
2. ceramică silicatice, care include materiale, cum ar fi faianță, porțelan, cărămidă și produse pe baza acestora. Aceste componente sunt utilizate în medicină, la fabricarea de tacamuri, decoratiuni, articole de uz casnic, construcții și alte zone interne ale activității umane.
3. Compuși cu silicon - silicon, dioxid de siliciu, ulei de silicon.
4. Adeziv silicat - este folosit ca un birou, în pirotehnie și construcții.

Silicon, prețul care variază pe piața mondială, dar nu cruce în jos marca de 100 de ruble ruse pe kilogram (de cristal) este un popular și valoros substanță. Firește, compușii acestui element precum și aplicabile pe scară largă.

Rolul biologic al siliciului

Din punct de vedere al semnificației pentru corp de siliciu, fără semnificație. Conținutul său și de distribuție la nivelul țesuturilor este după cum urmează:

• 0,002% - musculare;
• 0.000017% - os;
• Sânge - 3,9 mg / l.

În fiecare zi, ar trebui să cadă în aproximativ un gram de siliciu, sau se va dezvolta boala. Deadly nu este printre ei, cu toate acestea prelungite de siliciu foame duce la:

• căderea părului;
• aspectul de acnee si cosuri;
• fragilitate și fragilitatea oaselor;
• permeabilitatea capilară ușoară;
• oboseală și dureri de cap;
• apariția a numeroase vânătăi și echimoze.

Pentru plante, siliciul - esențial microelementele necesare pentru creșterea și dezvoltarea normală. Studiile pe animale au arătat că acei indivizi cresc mai bine, care consumă zilnic o cantitate suficientă de siliciu.