СИЛИЦИЙ: ИСТОРИЯ, СВОЙСТВА, СТРУКТУРА, ПОЛУЧАВАНЕ, ПРИЛОЖЕНИЯ - ХИМИЯ - 2026

На силиций е не - метални и металоидни същото време елемент е представен чрез химически символ Si. Това е полупроводник, който е съществена част от компютри, калкулатори, мобилни телефони, соларни клетки, диоди и др.; Той е практически основният компонент, който е позволил установяването на дигиталната ера.

Силицийът винаги е присъствал в кварца и силикатите, като двата минерала съставляват около 28% от масата на цялата земна кора. По този начин той е вторият най-изобилен елемент на повърхността на Земята и необятността на пустините и плажовете предлага перспектива колко обилна е тя.

Пустините са изобилен природен източник на силициеви частици или гранити, заедно с други минерали. Източник: Pxhere.

Силицият принадлежи към група 14 на периодичната таблица, същият като въглерода, разположен под него. Ето защо този елемент се счита за тетравалентен металоид; той има четири валентни електрона и на теория може да загуби всички от тях, за да образува катиона Si ⁴⁺.

Едно свойство, което споделя с въглища, е способността му да се свързва заедно; тоест техните атоми са ковалентно свързани, за да дефинират молекулни вериги. Също така, силицийът може да образува свои собствени "въглеводороди", наречени силани.

Преобладаващите съединения на силиция в природата са известните силикати. В чистата си форма може да изглежда като монокристално, поликристално или аморфно твърдо вещество. Той е сравнително инертно твърдо вещество, така че не представлява значителни рискове.

история

Силиконов камък

Силицият е може би един от елементите, който е оказал най-голямо влияние в историята на човечеството.

Този елемент е главният герой на каменната епоха, а също и на дигиталната ера. Произходът му датира от времето, когато някога цивилизациите са работили с кварц и са направили свои очила; И днес тя е основният компонент на компютрите, лаптопите и смартфоните.

Силицийът на практика е бил камъкът на две ясно дефинирани епохи в нашата история.

Изолация

Тъй като силициев диоксид е толкова изобилен, име, родено от кремъчна скала, то трябва да е съдържало изключително богат елемент в земната кора; това беше правилното подозрение на Антоан Лавоазие, който през 1787 г. се провали в опитите си да го намали от ръждата си.

По-късно, през 1808 г., Хъмфри Дейви направи собствени опити и даде на елемента първото си име: „silicium“, което в превод би станало като „кремъчен метал“. Тоест, силицийът се е считал за метал дотогава поради липсата на характеристика.

Тогава през 1811 г. френските химици Джоузеф Л. Гей-Лусак и Луи Жак Тенард успяват да приготвят аморфен силиций за първи път. За това те реагираха силициевия тетрафлуорид с метален калий. Те обаче не пречистват и не характеризират получения продукт, така че не правят извод, че това е новия елемент силиций.

Едва през 1823 г. шведският химик Яков Берцелий се сдобива с аморфен силиций с достатъчна чистота, за да го разпознае като силиций; име, дадено през 1817 г. от шотландския химик Томас Томсън, когато го смята за неметален елемент. Берцелиус провежда реакцията между калиев флуоросиликат и разтопен калий, за да се получи този силиций.

Кристален силиций

Кристалният силиций е приготвен за първи път през 1854 г. от френския химик Хенри Девил. За да постигне това, Девил извърши електролиза на смес от алуминиев и натриев хлорид, като по този начин получи силициеви кристали, покрити със слой алуминиев силицид, който той отстрани (очевидно), като ги измие с вода.

Физични и химични свойства

Външен вид

Елементарен силиций, който има метален блясък, но всъщност е металоид. Източник: Hi-Res изображения на химически елементи

Силиконът в своята чиста или елементарна форма се състои от сивкаво или синкаво-черно твърдо вещество (горно изображение), което макар и да не е метал, има лъскави лица, сякаш наистина е.

Това е твърдо, но крехко твърдо вещество, което също има люспеста повърхност, ако е съставено от поликристали. Аморфният силиций, от друга страна, изглежда като тъмнокафяв прахообразен твърд продукт. Благодарение на това е лесно да се идентифицират и разграничат един вид силиций (кристален или поликристален) от друг (аморфен).

Моларна маса

28.085 g / mol

Атомно число (Z)

14 (₁₄ Да)

Точка на топене

1414 ° C

Точка на кипене

3265 ºC

плътност

-Стайна температура: 2.33 g / mL

-Права при температура на топене: 2,57 g / mL

Обърнете внимание, че течният силиций е по-плътен от твърдия силиций; което означава, че кристалите му ще плават върху течна фаза на същото, както се случва със системата лед-вода. Обяснението се дължи на факта, че междутомното пространство между Si атомите в кристала му е по-голямо (по-малко плътно) от съответното в течността (по-плътно).

Топлина от синтез

50,21 kJ / mol

Топлина от изпаряване

383 kJ / mol

Моларен топлинен капацитет

19,789 J / (мол K)

Електроотрицателност

1,90 по скалата на Полинг

Йонизационни енергии

-Първо: 786.5 kJ / mol

-Втора: 1577,1 kJ / mol

-Трето: 3231,6 kJ / mol

Атомно радио

111 pm (измерено на съответните им диамантени кристали)

Топлопроводимост

149 W / (m K)

Електрическо съпротивление

2.3 · 10 ³ Ω · m при 20 ° C

Моос твърдост

6.5

наниз

Силициевите атоми имат способността да образуват прости Si-Si връзки, които в крайна сметка дефинират верига (Si-Si-Si…).

Това свойство се проявява и от въглерод и сяра; обаче, хибридизациите sp ³ на силиция са по-бедни в сравнение с тези на другите два елемента и освен това техните 3p орбитали са по-дифузни, така че припокриването на получените sp ³ орбитали е по-слабо.

Средните енергии на ковалентните връзки Si-Si и CC са съответно 226 kJ / mol и 356 kJ / mol. Следователно връзките Si-Si са по-слаби. Поради това, силицийът не е крайъгълен камък на живота (и нито едното е сярата). Всъщност най-дългата верига или скелет, който силицият може да образува, обикновено е четиричленна (Si ₄).

Окислителни числа

Силицият може да има всяко от следните окислителни числа, като се приеме във всеки от тях съществуването на йони със съответните им заряди: -4 (Si ^4-), -3 (Si ^3-), -2 (Si ^2-), -1 (Si ^-), +1 (Si ⁺), +2 (Si ²⁺), +3 (Si ³⁺) и +4 (Si ⁴⁺). От всички тях най-важни са -4 и +4.

Например, -4 се приема в силициди (Mg ₂ Si или Mg ₂ ²⁺ Si ^4-); докато +4 съответства на тази на силикагел (силикагел ₂ или Si ⁴⁺ O ₂ ^2-).

реактивност

Силицият е напълно неразтворим във вода, както и силни киселини или основи. Въпреки това, той се разтваря в концентрирана смес от азотна и флуороводородна киселина (HNO ₃ -HF). По същия начин, той се разтваря в горещ алкален разтвор, възниква следната химическа реакция:

Si (s) + 2NaOH (aq) + H ₂ O (l) => Na ₂ SiO ₃ (aq) + 2H ₂ (g)

Сол натриев метасиликат, Na ₂ SiO ₃, също се образува, когато силиций се разтваря в стопен натриев карбонат:

Si (s) + Na ₂ CO ₃ (l) => Na ₂ SiO ₃ (l) + C (s)

При стайна температура не реагира при всички с кислород, дори при 900 ° С, когато защитна стъкловиден слой от силициев ₂ започва да се форма; и след това, при 1400 ° С, силиций реагира на с азота във въздуха за да се образува смес от нитриди, SiN и Si ₃ N ₄.

Силицият също реагира при високи температури с металите, за да образува метални силициди:

2Mg (s) + Si (s) => Mg ₂ Si (s)

2Cu (s) + Si (s) => Cu ₂ Si (s)

При стайна температура реагира експлозивно и директно с халогени (няма слой SiO _2, който да го предпази от това). Например имаме реакция на образуване на SiF ₄:

Si (s) + 2F ₂ (g) => SiF ₄ (g)

И въпреки че силицият е неразтворим във вода, той реагира червено горещо с поток от пари:

Si (s) + H ₂ O (g) => SiO ₂ (s) + 2H ₂ (g)

Структура и електронна конфигурация

Кристална структура или единична клетка от силиций, представена от модел на сфери и пръти. Източник: Benjah-bmm27

Изображението по-горе показва ориентираната към лицето кубична структура (fcc), същата като тази на диаманта, за силициев кристал. Сивкавите сфери съответстват на Si атомите, които, както се вижда, са ковалентно свързани помежду си; в допълнение, те от своя страна имат тетраедрични среди, които се възпроизвеждат по протежение на кристала.

Силициевият кристал е fcc, защото се наблюдава Si атом, разположен върху всяка от лицата на куба (6 × 1/2). По същия начин има осем Si атома във върховете на куба (8 × 1/8) и четири разположени вътре в него (тези, които показват добре определен тетраедър около него, 4 × 1).

При това, всяка единична клетка има общо осем силициеви атома (3 + 1 + 4, числа, посочени в горния параграф); характеристика, която помага да се обясни неговата висока твърдост и твърдост, тъй като чистият силиций е ковалентна кристална като диамант.

Ковалентни характер

Този ковалентен характер се дължи на факта, че подобно на въглерода, силицийът има четири валентни електрона според своята електронна конфигурация:

3s ² 3p ²

За свързване чистите орбитали от 3s и 2p са безполезни. Ето защо атомът създава четири sp ³ хибридни орбитали, с които може да образува четири Si-Si ковалентни връзки и по този начин да завърши валентния октет за двата силициеви атома.

След това силициевият кристал се визуализира като триизмерна ковалентна решетка, съставена от взаимосвързани тетраедри.

Тази мрежа обаче не е перфектна, тъй като има дефекти и граници на зърното, които отделят и определят един кристал от друг; и когато такива кристали са много малки и многобройни, говорим за поликристално твърдо вещество, идентифицирано по неговия хетерогенен блясък (подобно на сребриста мозайка или люспеста повърхност).

Електрическа проводимост

Si-Si връзките с техните добре разположени електрони по принцип се различават от това, което се очаква от метал: море от електрони, „омокрящи“ атомите му; поне това е така при стайна температура.

Когато температурата се повиши, обаче, силицият започва да провежда електричество и по този начин се държи като метал; това е, полупроводник металоиден елемент.

Аморфен силиций

Силиконовите тетраедри не винаги приемат структурен модел, но могат да бъдат подредени по безреден начин; и дори с силициеви атоми, чиито хибридизации изглежда не SP ³ но SP ², което допринася за по-нататъшно увеличаване на степента на заболяване. Следователно говорим за аморфен и некристален силиций.

В аморфния силиций има електронни вакантни места, където някои от неговите атоми имат орбитала с несдвоен електрон. Благодарение на това, неговото твърдо вещество може да бъде хидрогенирано, което води до образуването на хидрогениран аморфен силиций; това означава, че има Si-H връзки, с които тетраедрите са завършени в неуредични и произволни позиции.

След това този раздел се заключава, като се казва, че силицият може да бъде представен в три вида твърди частици (без да се споменава степента им на чистота): кристална, поликристална и аморфна.

Всеки от тях има свой собствен метод на производство или процес, както и своите приложения и компромиси, когато решава кой от трите да използва, знаейки неговите предимства и недостатъци.

Къде да намеря и получавам

Кварцовите (силициеви) кристали са един от основните и най-необикновени минерали, където се намира силиций. Източник: Джеймс Сейнт Джон (https://www.flickr.com/photos/jsjgeology/22437758830)

Силицият е седмият най-разпространен елемент във Вселената и вторият в земната кора, също обогатяващ мантията на Земята с огромното си семейство от минерали. Този елемент се свързва изключително добре с кислорода, образувайки широк спектър от оксиди; сред тях силициев диоксид, SO ₂ и силикати (с различен химичен състав).

Силициев диоксид може да се види с просто око в пустини и плажове, тъй като пясъкът е съставен главно от SiO ₂. От своя страна този оксид може да се прояви в няколко полиморфа, като най-често срещаните са: кварц, аметист, ахат, кристобалит, триполи, цезит, стишовит и тридимит. В допълнение, той може да бъде открит в аморфни твърди частици като опали и диатомитна земя.

Междувременно силикатите са дори по-богати структурно и химически. Някои от силикатните минерали включват: азбест (бял, кафяв и синкав), фелдшпат, глини, микани, оливини, алумосиликати, зеолити, амфиболи и пироксени.

Почти всички скали са съставени от силиций и кислород със стабилните си Si-O връзки и техните силикати и силикати, смесени с метални оксиди и неорганични видове.

-Намаляване на силициев диоксид

Проблемът с получаването на силиций е разрушаването на споменатата Si-O връзка, за която са необходими специални пещи и добра стратегия за намаляване. Суровината за този процес е силициев диоксид под формата на кварц, който предварително се смила, докато стане фин прах.

От този смлян силициев диоксид може да се получи аморфен или поликристален силиций.

Аморфен силиций

В малък мащаб, извършен в лаборатория и със съответните мерки, силициев диоксид се смесва с магнезиев прах в тигел и се изгаря при липса на въздух. След това се осъществява следната реакция:

SiO ₂ (s) + Mg (s) => 2MgO (s) + Si (s)

Магнезият и неговият оксид се отстраняват с разреден разтвор на солна киселина. След това Останалото твърдо вещество се третира с флуороводородна киселина, така че излишната SiO ₂ завършва взаимодействие; в противен случай излишъкът от магнезий благоприятства образуването на съответния му силицид, Mg ₂ Si, нежелано съединение за процеса.

SiO ₂ се превръща в летлив газ SIF ₄, който се извлича за други химически синтези. Накрая, аморфната силициева маса се изсушава под поток от водороден газ.

Друг подобен метод за получаване на аморфен силициев се състои от използване на същия SIF ₄ произведени преди или SiCl ₄ (по-рано придобити). Парите на тези силициеви халогени се предават над течен натрий в инертна атмосфера, така че редукцията на газа да се осъществи без присъствието на кислород:

SiCl ₄ (g) + 4Na (l) => Si (s) + 4NaCl (l)

Интересното е, че аморфният силиций се използва за направата на енергийно ефективни слънчеви панели.

Кристален силиций

Започвайки отново от прахообразния силициев диоксид или кварц, те се отвеждат в електрическа дъгова пещ, където реагират с кокс. По този начин редуциращият агент вече не е метал, а въглероден материал с висока чистота:

SiO ₂ (s) + 2C (s) => Si (s) + 2CO (g)

Реакцията също произвежда силициев карбид, SiC, който се неутрализира с излишък от SiO ₂ (отново кварц е в излишък):

2SiC (s) + SiO ₂ (s) => 3Si (s) + 2CO (g)

Друг метод за получаване на кристален силиций е използването на алуминий като редуциращ агент:

3SiO ₂ (s) + 4Al (l) => 3Si (s) + 2Al ₂ O ₃ (s)

И като се излиза от hexafluorurosilicate сол калий, К ₂, също така взаимодейства с метален алуминий или калиев да произвежда същия продукт:

K ₂ (l) + 4Al (l) => 3Si (s) + 6KF (l) + 4AlF ₃ (g)

Силицийът веднага се разтваря в разтопен алуминий и когато системата се охлади, първата кристализира и се отделя от втората; тоест се образуват силициеви кристали, които изглеждат сивкави цветове.

Поликристален силиций

За разлика от други синтези или производства, за да се получи поликристален силиций, един започва с силан газова фаза, SiH ₄. Този газ се подлага на пиролиза над 500 ° С по такъв начин, че се получава термично разлагане и по този начин от първоначалните му пари поликристалите от силиций се отлагат върху полупроводникова повърхност.

Следното химично уравнение илюстрира реакцията, която се провежда:

SiH ₄ (г) => Si (и) + Н ₂ (г)

Очевидно не трябва да има кислород в камерата, тъй като би реагирал със SiH ₄:

SiH ₄ (г) + 2О ₂ (г) => SiO ₂ (а) + 2Н ₂ O (ж)

И такава е спонтанността на реакцията на горене, че тя протича бързо при стайна температура с минимално излагане на силана на въздуха.

Друг синтетичен начин за получаване на този тип силиций започва от кристален силиций като суровина. Те го правят да реагира с хлороводород при температура около 300 ° С, така че така се образува трихлоросилан:

Si (и) + 3HCl (г) => SiCl ₃ H (г) + Н ₂ (г)

А SiCl ₃ H реагира при 1100 ° С, за да регенерира силиция, но вече поликристален:

4SiCl ₃ H (г) => Si (и) + 3SiCl ₄ (г) + 2Н ₂ (г)

Просто погледнете уравненията, за да получите представа за работата и строги производствени параметри, които трябва да се вземат предвид.

Изотопи

Силицият се среща естествено и главно като изотоп ²⁸ Si, с изобилие от 92,23%.

В допълнение към това има още два изотопа, които са стабилни и следователно не претърпяват радиоактивен разпад: ²⁹ Si, с изобилие от 4,67%; и ³⁰ Да, с изобилие от 3,10%. ²⁸ Si е толкова изобилен, че не е изненадващо, че атомното тегло на силиция е 28.084 u.

Силицийът може да се намери и в различни радиоизотопи, сред които ³¹ Si (t _1/2 = 2.62 часа) и ³² Si (t _1/2 = 153 години). Останалите (²² Si - ⁴⁴ Si) имат много къси или кратки t _1/2 (по-малко от стотни от секундата).

Рискове

Чистият силиций е сравнително инертна субстанция, така че обикновено не се натрупва в нито един орган или тъкан, стига излагането му да е ниско. Под формата на прах може да раздразни очите, причинявайки поливане или зачервяване, докато докосването му може да причини дискомфорт на кожата, сърбеж и лющене.

Когато експозицията е много висока, силицийът може да увреди белите дробове; но без последствия, освен ако количеството не е достатъчно, за да причини задушаване. Това обаче не е така с кварца, който е свързан с рак на белия дроб и заболявания като бронхит и емфизем.

По същия начин, чистият силиций е много рядък в природата и неговите съединения, толкова обилни в земната кора, не представляват никакъв риск за околната среда.

По отношение на органосиликона, те могат да бъдат токсични; Но тъй като има много от тях, зависи кой от тях се разглежда, както и от други фактори (реактивност, pH, механизъм на действие и др.).

Приложения

Строителна индустрия

Силиконовите минерали съставляват „камъка“, с който са изградени сгради, къщи или паметници. Например, циментите, бетоните, мазилките и огнеупорите се състоят от твърди смеси на основата на силикатите. От този подход може да се представи полезността на този елемент в градовете и в архитектурата.

Стъкло и керамика

Кристалите, използвани в оптичните устройства, могат да бъдат направени от силициев диоксид, независимо дали като изолатори, пробни клетки, спектрофотометри, пиезоелектрични кристали или просто лещи.

Също така, когато материалът е приготвен с множество добавки, той се превръща в аморфно твърдо вещество, добре известно като стъкло; и пясъчните планини обикновено са източникът на силициев диоксид или кварц, необходими за неговото производство. От друга страна, от силикатите се произвеждат керамични материали и порцелани.

Преплитайки идеи, силицийът присъства и в занаятите и орнаментите.

сплави

Силиконовите атоми могат да се сближат и да бъдат смесени с метална матрица, което го прави добавка за много сплави или метали; например стомана, за направата на магнитни ядра; бронзи, за производство на телефонни кабели; и алуминий при производството на алуминиево-силициева сплав, предназначена за леки автомобилни части.

Следователно той не може да се намери само в „камъка“ на сградите, но и в металите на техните колони.

Изсушители

Желатисти силициеви топки, използвани като сушилни. Източник: Десиканти

Силициев диоксид, под формата на гел или аморф, прави възможно производството на твърди частици, които действат като сушилни, като улавят молекулите на водата, които влизат в контейнера и поддържат вътрешността му суха.

Електронна индустрия

Поликристален и аморфен силиций се използват за направата на слънчеви панели. Източник: Pxhere.

Силиконовите слоеве с различна дебелина и цветове са част от компютърните чипове, както и с техните твърди (кристални или аморфни), проектирани са интегрални схеми и соларни клетки.

Като полупроводник, той включва атоми с по-малко (Al, B, Ga) или повече електрони (P, As, Sb), за да го трансформира съответно в пон-тип полупроводници. С кръстовищата на два силикона, единия n и другият p, се правят светодиоди.

Силиконови полимери

Известното силиконово лепило се състои от органичен полимер, поддържан от стабилността на веригите на Si-O-Si връзки… Ако тези вериги са много дълги, къси или омрежени, свойствата на силиконовия полимер се променят, както и крайното им приложение., Сред неговите употреби, изброени по-долу, може да се спомене следното:

-Лех или лепило, не само за съединяване на хартия, но строителни блокове, каучуци, стъклени панели, скали и т.н.

-Мазки в хидравлични спирачни системи

-Засилва боите и подобрява яркостта и интензивността на техните цветове, като същевременно им позволява да устоят на температурните промени, без да се напукат или изядат

-Използват се като водоотблъскващи спрейове, които поддържат някои повърхности или предмети сухи

-Дават продукти за лична хигиена (пасти за зъби, шампоани, гелове, кремове за бръснене и т.н.) усещането, че са копринени

-Покритията му предпазват електронните компоненти на деликатните устройства, като микропроцесори, от топлина и влажност

-С силиконовите полимери са направени няколко от гумените топки, които се отскачат веднага след като бъдат изпуснати на пода.

Препратки

1. Шивър и Аткинс. (2008 г.). Неорганична химия. (Четвърто издание). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Силиконовата. Възстановено от: en.wikipedia.org
3. MicroChemicals. (SF). Кристалография на силиций. Възстановени от: microchemicals.com
4. Lenntech BV (2019). Периодична таблица: силиций. Възстановена от: lenntech.com
5. Маркес Мигел. (SF). Възникване на силиций. Възстановено от: nautilus.fis.uc.pt
6. Още Hemant. (05 ноември 2017 г.). Силиконовата. Възстановено от: hemantmore.org.in
7. Пилгард Майкъл. (22 август 2018 г.). Силиций: възникване, изолиране и синтез. Възстановени от: pilgaardelements.com
8. Д-р Дъг Стюарт. (2019). Факти на силициевия елемент. Chemicool. Възстановено от: chemicool.com
9. Кристиана Хонсберг и Стюарт Боудън. (2019). Колекция от ресурси за фотоволтаичния преподавател. PVeducation. Възстановено от: pveducation.org
10. American Chemistry Council, Inc. (2019). Силикони във всекидневния живот. Възстановена от: sehsc.americanchemistry.com