SILICIJ: POVIJEST, SVOJSTVA, STRUKTURA, DOBIVANJE, UPORABE - KEMIJA - 2026

Silicij je ne - metalni i metaloid isto vrijeme element predstavljen kemijskom simbolom Si. To je poluvodič, koji je bitan dio računala, kalkulatora, mobitela, solarnih ćelija, dioda itd.; Praktično je glavna komponenta koja je omogućila uspostavljanje Digitalnog doba.

Silicij je oduvijek prisutan u kvarcu i silikatima, a oba minerala čine oko 28% mase čitave zemljine kore. Stoga je drugi najbrojniji element na površini Zemlje, a prostranstvo pustinja i plaža pruža perspektivu toga koliko je obilna.

Pustinje su bogat prirodnim izvorom čestica ili granita silicija te ostalih minerala. Izvor: Pxhere.

Silicij pripada skupini 14 periodične tablice, istoj je i ugljik, smješten ispod njega. Zbog toga se ovaj element smatra tetravalentnim metaloidom; ima četiri valentna elektrona i u teoriji može izgubiti sve te tvoreći Si ⁴⁺ kation.

Jedno svojstvo koje dijeli s ugljenom je njegova sposobnost povezivanja; to jest, njihovi su atomi kovalentno povezani da definiraju molekularne lance. Također, silicij može formirati vlastite "ugljikovodike", nazvane silanima.

Prevladavajući spojevi silicija u prirodi su poznati silikati. U svom čistom obliku može se pojaviti kao monokristalna, polikristalna ili amorfna krutina. To je relativno inertna krutina, tako da ne predstavlja znatne rizike.

Povijest

Silicijski kamen

Silicij je možda jedan od elemenata koji je imao najviše utjecaja u povijesti čovječanstva.

Ovaj element je glavni lik kamenog doba, ali i digitalnog doba. Njeno porijeklo datira još od vremena kad su civilizacije nekada radile s kvarcom i izrađivale vlastite naočale; I danas je glavna komponenta računala, prijenosnih računala i pametnih telefona.

Silicij je praktički kamen dviju jasno definiranih epoha u našoj povijesti.

Izolacija

Budući da je silika toliko obilna, ime rođeno od kremenaste stijene, mora da je sadržavalo izuzetno bogat element u zemljinoj kori; ovo je bila prava sumnja Antoinea Lavoisiera, koji 1787. nije uspio u svojim pokušajima da ga smanji s hrđe.

Kasnije, 1808. godine, Humphry Davy je pokušao i dao elementu prvo ime: „silicium“, što bi u prijevodu bilo „flint metal“. Odnosno, silicij se do tada smatrao metalom zbog nedostatka karakteristika.

Tada su 1811. francuski kemičari Joseph L. Gay-Lussac i Louis Jacques Thénard uspjeli prvi put pripremiti amorfni silicij. Za to su reagirali silicijev tetrafluorid s metalnim kalijem. Međutim, dobiveni proizvod nisu pročistili ili karakterizirali, pa nisu zaključili da je riječ o silicijumu novog elementa.

Švedski kemičar Jacob Berzelius tek je 1823. nabavio amorfni silicij dovoljne čistoće da ga prepozna kao silicij; ime koje je 1817. godine dao škotski kemičar Thomas Thomson kad ga je smatrao nemetalnim elementom. Berzelius je izvršio reakciju između kalijevog fluorosilikata i rastaljenog kalija kako bi se dobio ovaj silicij.

Kristalni silicij

Kristalni silicij prvi je pripremio 1854. godine francuski kemičar Henry Deville. Da bi to postigao, Deville je izvršio elektrolizu mješavine aluminija i natrijevih klorida, dobivši tako kristalne silicijume prekrivene slojem aluminij-silicida, koje je uklonio (očito) ispiranjem vodom.

Fizička i kemijska svojstva

Fizički izgled

Elementarni silicij koji ima metalni sjaj, ali zapravo je metaloid. Izvor: Hi-Res slike kemijskih elemenata

Silicij u svom čistom ili elementarnom obliku sastoji se od sivkasto-plavkasto-crne čvrste građe (gornja slika), koja iako nije metal, ima sjajna lica kao da uistinu jest.

Čvrsta je, ali krhka krutina koja također ima ljuskavu površinu ako je sastavljena od polikristala. Amorfni silicij, s druge strane, izgleda poput tamno smeđe praškaste tvari. Zahvaljujući tome, lako je identificirati i razlikovati jednu vrstu silicija (kristalni ili polikristalni) od druge (amorfne).

Molekulska masa

28.085 g / mol

Atomski broj (Z)

14 (₁₄ Da)

Talište

1414 ºC

Vrelište

3265 ºC

Gustoća

-Na sobnoj temperaturi: 2,33 g / ml

-Rad kod tališta: 2,57 g / ml

Napominjemo da je tekući silicij gušći od čvrstog silicija; što znači da će njegovi kristali lebdjeti na tekućoj fazi istog, kao što se događa sa sustavom led-voda. Objašnjenje je zbog činjenice da je međuratomski prostor između Si atoma u njegovom kristalu veći (manje gust) od odgovarajućeg u tekućini (gušći).

Toplina fuzije

50,21 kJ / mol

Toplina isparavanja

383 kJ / mol

Molarni toplinski kapacitet

19.789 J / (mol K)

Elektronegativnost

1,90 na Paulingovoj ljestvici

Ionizirajuće energije

-Prvo: 786,5 kJ / mol

-Sekunda: 1577,1 kJ / mol

-Treće: 3231,6 kJ / mol

Atomski radio

111 pm (mjereno na njihovim dijamantskim kristalima)

Toplinska vodljivost

149 W / (m K)

Električni otpor

2,3 · 10 ³ Ω · m na 20 ºC

Mohsova tvrdoća

6.5

povezan u lanac

Atomi silicija imaju sposobnost stvaranja jednostavnih Si-Si veza koje na kraju definiraju lanac (Si-Si-Si…).

Ovo svojstvo se očituje i ugljikom i sumporom; Međutim, SP ³ hibridizacije silicija se slabije u usporedbi s onom od drugih dva elementa, i nadalje, njihove 3P orbitale su difuzne, tako da je preklapanje dobivenog sp ³ orbitale slabija.

Prosječne energije Si-Si i CC kovalentne veze su 226 kJ / mol i 356 kJ / mol. Stoga su veze Si-Si slabije. Zbog toga silicij nije kamen temeljac života (a nije ni sumpor). U stvari, najduži lanac ili kostur koji silicij može oblikovati obično je četveročlani (Si ₄).

Oksidacijski brojevi

Silicij može imati bilo koji od sljedećih oksidacijskih brojeva, pretpostavljajući u svakom od njih postojanje iona s pripadajućim nabojima: -4 (Si ^4-), -3 (Si ^3-), -2 (Si ^2-), -1 (Si ^-), +1 (Si ⁺), +2 (Si ²⁺), +3 (Si ³⁺) i +4 (Si ⁴⁺). Od svih njih najvažniji su -4 i +4.

Na primjer, pretpostavlja se -4 u silicides (Mg ₂ Si ili Mg ₂ ²⁺ Si ⁴); dok su +4 odgovara onoj silicijevog dioksida (SiO ₂ ili Si ⁴⁺ O ₂ ^2-).

Reaktivnost

Silicij je potpuno netopljiv u vodi, kao i jake kiseline ili baze. Međutim, otapa se u koncentriranoj smjesi dušične i fluorovodične kiseline (HNO ₃ -HF). Isto tako, otopi se u vrućoj alkalnoj otopini, događa se sljedeća kemijska reakcija:

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

Natrijeva sol metasilikat, Na ₂ SiO ₃, također nastaje kada silicij otopi se u rastaljenom natrij karbonata:

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

Na sobnoj temperaturi, ne reagira na sve s kisikom, ni na 900 ºC, kada je zaštitni sloj staklastog SiO ₂ počinje obliku; a zatim, na 1400 ºC, silicija reagira s dušikom na zraku da se dobije smjesa nitrida, Sin i Si ₃ N ₄.

Silicij također na visokim temperaturama reagira s metalima, pri čemu nastaju silikoni metala:

2Mg (s) + Si (s) => Mg ₂ Si (s)

2Cu (s) + Si (s) => Cu ₂ Si (s)

Na sobnoj temperaturi reagira eksplozivno i izravno s halogenima (ne postoji sloj SiO ₂ koji bi ga zaštitio od toga). Na primjer, imamo reakciju stvaranja SiF ₄:

Si (s) + 2F ₂ (g) => SiF ₄ (g)

I mada je silicij netopiv u vodi, on vruće reagira sa strujom pare:

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

Struktura i elektronička konfiguracija

Kristalna struktura ili jedinična ćelija silicija predstavljena modelom sfere i štapa. Izvor: Benjah-bmm27

Slika iznad pokazuje kubnu strukturu usmjerenu na lice (fcc), istu kao i dijamanti, za kristal silicij. Sivkaste sfere odgovaraju Si atomima koji su, kao što se vidi, kovalentno povezani jedni s drugima; osim toga, oni zauzvrat imaju tetraedarsko okruženje koje se reproducira duž kristala.

Silikonski kristal je fcc, jer se opaža Si atom smješten na svakoj od strana kocke (6 × 1/2). Isto tako, na vrhovima kocke nalazi se osam Si atoma (8 × 1/8), a unutar njega se nalaze četiri (oni koji pokazuju dobro definirani tetraedar oko njega, 4 × 1).

U skladu s tim, svaka ćelija jedinice ima ukupno osam atoma silicija (3 + 1 + 4, brojevi navedeni u gornjem stavku); karakteristika koja pomaže objasniti njegovu visoku tvrdoću i krutost, jer je čisti silicij kovalentni kristal poput dijamanta.

Kovalentni karakter

Taj je kovalentni karakter posljedica činjenice da poput ugljika, silicij ima četiri valentna elektrona u skladu s njegovom elektroničkom konfiguracijom:

3s ² 3p ²

Za vezanje su čiste orbite 3s i 2p beskorisne. Zato je atom ima četiri sp ³ hibridne orbitale, s kojom se može tvoriti četiri Si-Si kovalentne veze, i na taj način, kompletan valentni oktet za dva atoma silicija.

Silikonski kristal se zatim vizualizira kao trodimenzionalna kovalentna rešetka sastavljena od međusobno povezanih tetraedra.

Međutim, ova mreža nije savršena, jer ima nedostatke i granice zrna, koji odvajaju i definiraju jedan kristal od drugog; a kad su takvi kristali vrlo mali i brojni, govorimo o polikristalnoj krutini koja je identificirana heterogenim sjajem (slično srebrnom mozaiku ili ljuskavoj površini).

Električna vodljivost

Si-Si veze, sa svojim dobro lociranim elektronima, u početku se razlikuju od onoga što se očekuje od metala: more elektrona "mokri" njegove atome; barem je to tako na sobnoj temperaturi.

Kada se temperatura ipak poveća, silicij počinje provoditi električnu energiju i na taj se način ponaša poput metala; to jest, to je poluvodički metaloidni element.

Amorfni silicij

Teraederi silicija ne prihvaćaju uvijek strukturni obrazac, ali mogu se rasporediti neuredno; čak i kod atoma silicija čiji hibridizacije pojavljuju se ne sp ³ ali sp ², što pridonosi daljnjem povećanju stupnja poremećaja. Stoga govorimo o amorfnom i nekristalnom silicijumu.

U amorfnom silicijumu postoje elektronska slobodna mjesta, gdje neki od njegovih atoma imaju orbitu s nesparenim elektronom. Zahvaljujući tome, njegova kruta tvar se može hidrogenirati, što stvara stvaranje hidrogeniranog amorfnog silicija; to jest, ima Si-H veze, s kojima su tetraedri dovršeni u neurednom i proizvoljnom položaju.

Ovaj se odjeljak zatim zaključuje riječima da se silicij može prikazati u tri vrste krutih tvari (bez navođenja stupnja njegove čistoće): kristalnoj, polikristalnoj i amorfnoj.

Svaki od njih ima svoj način proizvodnje ili postupak, kao i svoje primjene i kompromise prilikom odlučivanja koju od tri upotrebljavati, znajući njezine prednosti i nedostatke.

Gdje pronaći i nabaviti

Kvarcni (kremeni) kristali jedan su od glavnih i najobičnijih minerala u kojem se nalazi silicij. Izvor: James St. John (https://www.flickr.com/photos/jsjgeology/22437758830)

Silicij je sedmi najbrojniji element u Svemiru, a drugi je u Zemljinoj kori, koji također obogaćuje Zemljin plašt svojom ogromnom obitelji minerala. Ovaj se element izuzetno dobro povezuje s kisikom, tvoreći širok spektar oksida; među njima silika, SO ₂ i silikati (različitog kemijskog sastava).

Silicijum se može vidjeti golim okom u pustinjama i plažama, jer se pijesak uglavnom sastoji od SiO ₂. Zauzvrat, ovaj se oksid može očitovati u nekoliko polimorfnih oblika, od kojih su najčešći: kvarc, ametist, ahat, kristabalit, tripoli, koesit, stišit i tridimit. Pored toga, može se naći u amorfnim krutinama poput opala i dijatomejske zemlje.

Silikati su ujedno strukturno i kemijski bogatiji. Neki od silikatnih minerala uključuju: azbest (bijeli, smeđi i plavkasti), feldspar, glina, micas, olivini, aluminosilikati, zeoliti, amfiboli i pirokkseni.

Gotovo sve stijene sastavljene su od silicija i kisika, sa svojim stabilnim Si-O vezama, te njihovim silikatima i silikatima pomiješanim s metalnim oksidima i anorganskim vrstama.

-Smanjenje silicija

Problem dobivanja silicija je puknuće Si-O veze, za koju su potrebne posebne peći i dobra strategija redukcije. Sirovina za ovaj postupak je silicij u obliku kvarca, koji se prethodno mljeva dok ne postane fini prah.

Iz ovog mljevenog silike može se pripremiti amorfni ili polikristalni silicij.

Amorfni silicij

U malom obimu, izvršeno u laboratoriju i uz odgovarajuće mjere, silicij se miješa s magnezijevim prahom u loncu i spaljuje u nedostatku zraka. Zatim se odvija sljedeća reakcija:

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

Magnezij i njegov oksid uklanjaju se razrijeđenom otopinom klorovodične kiseline. Zatim, preostala krutina se pomiješa s fluoridnom kiselinom, tako da se višak SiO ₂ završi reakciju; u suprotnom, višak magnezija pogoduje stvaranju odgovarajućeg silicida, Mg ₂ Si, nepoželjnog spoja za postupak.

SiO ₂ se pretvara u plin hlapljivog SIF ₄, koji se regenerira za drugim kemijskim sintezama. Konačno, amorfna masa silicija se suši pod strujom plinova vodika.

Drugi sličan način kako bi se dobio amorfni silicij sastoji rabeći isti SIF ₄ prethodno proizveden, ili SiCl ₄ (prethodno stečeno). Isparenja ovih silicijskih halida prolaze se preko tekućeg natrija u inertnoj atmosferi, tako da se redukcija plina može odvijati bez prisustva kisika:

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

Zanimljivo je da se amorfni silicij koristi za izradu energetski učinkovitih solarnih panela.

Kristalni silicij

Polazeći opet od usitnjenog silicijevog dioksida ili kvarca, odvoze se u električnu lučnu peć, gdje reagiraju s koksom. Na taj način, redukcijsko sredstvo više nije metal, već ugljični materijal visoke čistoće:

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

Reakcija se također proizvodi silicijev karbid, SiC, koji je neutraliziran sa suviškom SiO ₂ (ponovno kvarc u suvišku):

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

Druga metoda za pripremu kristalnog silicija koristi se aluminij kao redukcijsko sredstvo:

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

Počevši od soli hexafluorurosilicate kalij, K ₂, također reagira s metalnim aluminija ili kalija, da se dobije isti proizvod:

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

Silicij se odmah otapa u rastaljenom aluminiju, a kada se sistem ohladi, prvi se kristalizira i odvaja od drugog; to jest, nastaju silikonski kristali koji izgledaju sivkasto.

Polikristalni silicij

Za razliku od ostalih sinteza ili produkcije, kako bi se dobio polikristalna silicij, počinje se sa silane plinskoj fazi, SIH ₄. Taj se plin podvrgava pirolizi iznad 500 ° C, tako da dolazi do termičkog raspadanja, pa se tako od njegovih početnih para polikristal silicijuma taloži na površini poluvodiča.

Sljedeća kemijska jednadžba pokazuje reakciju koja se odvija:

SiH ₄ (g) => Si (s) + H ₂ (g)

Očito, u komori ne bi trebalo biti kisika, jer bi reagirao sa SiH ₄:

SiH ₄ (g) + 2O ₂ (g) => SiO ₂ (s) + 2H ₂ O (g)

A takva je spontanost reakcije izgaranja da se ona brzo odvija na sobnoj temperaturi uz minimalno izlaganje silana zraku.

Drugi način sinteze za proizvodnju ove vrste silicija počinje od kristalnog silicija kao sirovine. Oni čine da reagira s klorovodikom na temperaturi oko 300 ° C, tako da se na taj način formira triklorosilan:

Si (s) + 3HCl (g) => SiCl ₃ H (g) + H ₂ (g)

A SiCl ₃ H reagira na 1100 ºC i regenerira silicij, ali sad već polikristalni:

4SiCl ₃ H (g) => Si (s) + 3SiCl ₄ (g) + 2H ₂ (g)

Samo pogledajte jednadžbe da biste dobili predstavu o radu i rigoroznim proizvodnim parametrima koji se moraju uzeti u obzir.

izotopi

Silicij se javlja prirodno i uglavnom kao izotop ²⁸ Si, s obiljem od 92,23%.

Uz sve to, postoje još dva izotopa koja su stabilna i stoga ne propadaju radioaktivno: ²⁹ Si, s obiljem od 4,67%; i ³⁰ Da, s obiljem od 3,10%. ²⁸ Si se tako u izobilju, ne čudi da je atomska težina silicija je 28,084 u.

Silicij se može naći i u raznim radioizotopima, među kojima su ³¹ Si (t _1/2 = 2,62 sata) i ³² Si (t _1/2 = 153 godine). Ostali (²² Si - ⁴⁴ Si) imaju vrlo kratke ili kratke t _1/2 (manje od stotine sekunde).

rizici

Čisti silicij je relativno inertna tvar, pa se obično ne akumulira u bilo kojem organu ili tkivu sve dok je izloženost njemu mala. U obliku praha, može nadražiti oči, uzrokujući zalijevanje ili crvenilo, dok dodirom može izazvati nelagodu kože, svrbež i ljuštenje.

Kada je izloženost vrlo velika, silicij može oštetiti pluća; ali bez posljedica, osim ako količina nije dovoljna da uzrokuje gušenje. Međutim, to nije slučaj s kremenom, koji je povezan s karcinomom pluća i bolestima poput bronhitisa i emfizema.

Isto tako, čisti silicij je u prirodi vrlo rijedak, a njegovi spojevi, tako obilni u zemljinoj kori, ne predstavljaju nikakav rizik za okoliš.

Sada, što se tiče organosilikona, one bi mogle biti toksične; No, kako ih ima mnogo, ovisi o kojem se pitanju radi, kao i o drugim faktorima (reaktivnost, pH, mehanizam djelovanja itd.).

Prijave

Građevinska industrija

Silicijski minerali čine „kamen“ s kojim se grade zgrade, kuće ili spomenici. Na primjer, cementi, betoni, štukature i vatrogasne pločice sastoje se od čvrstih smjesa na bazi silikata. Iz ovog pristupa može se zamisliti korisnost ovog elementa u gradovima i u arhitekturi.

Staklo i keramika

Kristali koji se koriste u optičkim uređajima mogu se načiniti od silikagela, bilo da su to izolatori, ćelije za uzorkovanje spektrofotometra, piezoelektrični kristali ili puke leće.

Također, kada se materijal pripravi s više dodataka, pretvara se u amorfnu krutu tvar, dobro poznatu kao staklo; a planine pijeska su obično izvor silike ili kvarca koji su potrebni za njegovu proizvodnju. S druge strane, od silikata se izrađuju keramički materijali i porculan.

Prepletajući ideje, silicij je prisutan i u zanatima i ukrasima.

legure

Atomi silicija mogu kohezirati i biti metalni matriks, što ga čini dodatkom za mnoge legure ili metale; na primjer, čelik za izradu magnetskih jezgara; bronci, za proizvodnju telefonskih kabela; i aluminij, u proizvodnji legure aluminija-silicija namijenjenih lakim automobilskim dijelovima.

Stoga se ne može naći samo u „kamenu“ zgrada, već i u metalima njihovih stupova.

sušači

Želatinozne silikatne kuglice, koje se koriste kao sredstvo za sušenje. Izvor: Sredstva za sušenje

Silicijum, u obliku gela ili amorfnog oblika, omogućuje proizvodnju krutih tvari koje djeluju kao sredstvo za sušenje, zarobljavajući molekule vode koje ulaze u spremnik i održavaju unutrašnjost suhom.

Elektronička industrija

Za izradu solarnih panela koriste se polikristalni i amorfni silicij. Izvor: Pxhere.

Slojevi silicija različite debljine i boja dio su računalnih čipova, kao što su dizajnirani njihovi čvrsti (kristalni ili amorfni) integrirani sklopovi i solarne ćelije.

Kao poluvodič, ona uključuje atome s manje (Al, B, Ga) ili više elektrona (P, As, Sb) da ih transformira u poluvodiče tipa tipa. Sa spojnicama dva silikona, jednog n i drugog p, izrađuju se svjetlosne diode.

Silikonski polimeri

Poznato silikonsko ljepilo sastoji se od organskog polimera podržanog stabilnošću lanaca Si-O-Si veza… Ako su ti lanci vrlo dugački, kratki ili umreženi, mijenjaju se svojstva silikonskog polimera, kao i njihova konačna primjena., Među njezinim popisima, navedenim u nastavku, mogu se spomenuti sljedeće:

-Ljepilo ili ljepilo, ne samo za spajanje papira, već građevne blokove, gume, staklene ploče, stijene itd.

-Maziva u hidrauličkim kočnim sustavima

-Ojačava boje i poboljšava svjetlinu i intenzitet njihovih boja, omogućujući im da izdrže temperaturne promjene bez pucanja ili jedenja

-Koriste se kao vodootporni sprejevi, koji održavaju suhe površine ili predmete

-Oni daju osobne higijenske proizvode (paste za zube, šampone, gelove, kreme za brijanje itd.) Osjećaj svilenkanog

- Njegovi premazi štite elektroničke komponente osjetljivih uređaja, poput mikroprocesora, od topline i vlage

-U silikonskim polimerima napravljeno je nekoliko gumenih kuglica koje se odbijaju čim se spuste na pod.

Reference

1. Shiver & Atkins. (2008). Neorganska kemija. (Četvrto izdanje). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Silicij. Oporavilo sa: en.wikipedia.org
3. MicroChemicals. (SF). Kristalografija silicija. Oporavak od: microchemicals.com
4. Lenntech BV (2019). Periodna tablica: silicij. Oporavilo od: lenntech.com
5. Marques Miguel. (SF). Pojava silicija. Oporavak od: nautilus.fis.uc.pt
6. Više Hemant. (05. studenog 2017.). Silicij. Oporavilo sa: hemantmore.org.in
7. Pilgaard Michael. (22. kolovoza 2018.). Silicij: Pojava, izolacija i sinteza. Oporavilo od: pilgaardelements.com
8. Dr. Doug Stewart. (2019). Činjenice elementa silicija. Chemicool. Oporavilo od: chemicool.com
9. Christiana Honsberg i Stuart Bowden. (2019). Zbirka resursa za fotonaponske edukatore. PVeducation. Oporavilo sa: pveducation.org
10. American Chemistry Council, Inc. (2019). Silikoni u svakodnevnom životu. Oporavak od: sehsc.americanchemistry.com