Silicis: pritaikymas, cheminės ir fizinės savybės

2024 Autorius: Angel Austin | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2023-12-17 05:34

Vienas iš labiausiai paplitusių elementų gamtoje yra silicis arba silicis. Toks platus pasiskirstymas byloja apie šios medžiagos svarbą ir reikšmę. Tai greitai suprato ir priėmė žmonės, kurie išmoko tinkamai naudoti silicį savo reikmėms. Jo taikymas pagrįstas ypatingomis savybėmis, apie kurias kalbėsime vėliau.

Silicis yra cheminis elementas

Jei duotą elementą charakterizuojame pagal vietą periodinėje sistemoje, galime nustatyti šiuos svarbius dalykus:

1. Eilinis skaičius – 14.
2. Laikotarpis yra trečias mažas.
3. Grupė – IV.
4. Pogrupis – pagrindinis.
5. Išorinio elektroninio apvalkalo struktūra išreiškiama formule 3s²3p².
6. Elementas silicis žymimas cheminiu simboliu Si, kuris tariamas "silicis".
7. Jo oksidacijos būsenos: -4; +2; +4.
8. Atomo valentingumas yra IV.
9. Silicio atominė masė yra 28 086.
10. Gamtoje yra trys stabilūs šio elemento izotopai, kurių masės skaičiai yra 28, 29 ir 30.

Taigi atomasCheminiu požiūriu silicis yra gerai ištirtas elementas, aprašyta daugybė įvairių jo savybių.

Atradimų istorija

Kadangi būtent įvairūs nagrinėjamo elemento junginiai yra labai populiarūs ir masinio turinio gamtoje, nuo seno žmonės naudojo ir žinojo tik daugelio jų savybes. Grynas silicis chemijos srityje ilgą laiką liko už žmogaus žinių ribų.

Populiariausi junginiai, kuriuos kasdieniame gyvenime ir pramonėje naudojo senovės kultūrų tautos (egiptiečiai, romėnai, kinai, rusai, persai ir kt.), buvo brangakmeniai ir dekoratyviniai akmenys, kurių pagrindą sudaro silicio oksidas. Tai apima:

• opalas;
• kalnų krištolas;
• topaz;
• chrizoprazas;
• oniksas;
• chalcedonas ir kt.

Taip pat nuo seno statybose buvo įprasta naudoti kvarcą ir kvarcinį smėlį. Tačiau pats elementinis silicis liko neatrastas iki XIX amžiaus, nors daugelis mokslininkų bergždžiai bandė jį izoliuoti nuo įvairių junginių, pasitelkdami katalizatorius, aukštą temperatūrą ir net elektros srovę. Tai šviesūs protai, tokie kaip:

• Karlas Scheele;
• Gay-Lussac;
• Tenar;
• Humphry Davy;
• Antoine'as Lavoisier.

Jens Jacobs Berzelius sugebėjo sėkmingai gauti gryno silicio 1823 m. Norėdami tai padaryti, jis atliko silicio fluorido ir metalinio kalio garų sintezės eksperimentą. Dėl to jis gavo amorfinę aptariamo elemento modifikaciją. Tas pats mokslininkas pasiūlė atrastam atomui lotynišką pavadinimą.

Šiek tiek vėliau, 1855 m., kitam mokslininkui – Saint Clair-Deville – pavyko susintetinti kitą alotropinę atmainą – kristalinį silicį. Nuo tada žinios apie šį elementą ir jo savybes pradėjo augti labai greitai. Žmonės suprato, kad jis turi unikalių savybių, kurias galima labai protingai panaudoti savo poreikiams tenkinti. Todėl šiandien vienas paklausiausių elektronikos ir technologijų elementų yra silicis. Jo naudojimas kiekvienais metais tik plečia jo ribas.

Rusišką atomo pavadinimą mokslininkas Hessas suteikė 1831 m. Tai išliko iki šios dienos.

Gamtoje

Silicis yra antras pagal gausumą gamtoje po deguonies. Jo procentas, palyginti su kitais atomais žemės plutos sudėtyje, yra 29,5%. Be to, anglis ir silicis yra du ypatingi elementai, kurie gali sudaryti grandines, susijungdami vienas su kitu. Štai kodėl pastariesiems yra žinoma daugiau nei 400 skirtingų natūralių mineralų, kurių yra litosferoje, hidrosferoje ir biomasėje.

Kur tiksliai rastas silicis?

1. Giliuosiuose dirvožemio sluoksniuose.
2. Uolose, nuosėdose ir masyvuose.
3. Vandens telkinių, ypač jūrų ir vandenynų, dugne.
4. Gyvūnų karalystės augaluose ir jūrų gyvenime.
5. Žmonėms ir sausumos gyvūnams.

Galima išskirti keletą labiausiai paplitusių mineralų ir uolienų, kuriuose yra daugsilicio. Jų chemija tokia, kad gryno elemento masės kiekis juose siekia 75%. Tačiau konkretus skaičius priklauso nuo medžiagos tipo. Taigi, uolienos ir mineralai, kurių sudėtyje yra silicio:

• lauko špatai;
• žėrutis;
• amfibolės;
• opalai;
• chalcedonas;
• silikatai;
• smiltainiai;
• aliumosilikatai;
• molis ir kt.

Jūros gyvūnų kiautuose ir išoriniuose skeletuose besikaupiantis silicis galiausiai sudaro galingas silicio dioksido nuosėdas vandens telkinių dugne. Tai vienas iš natūralių šio elemento š altinių.

Be to, buvo nustatyta, kad silicis gali egzistuoti gryna natūralia forma – kristalų pavidalu. Tačiau tokie indėliai yra labai reti.

Fizikinės silicio savybės

Jei nagrinėjamą elementą charakterizuojate fizinių ir cheminių savybių rinkiniu, pirmiausia reikia nurodyti fizinius parametrus. Štai keletas pagrindinių:

1. Egzistuoja dviejų allotropinių modifikacijų – amorfinės ir kristalinės – pavidalu, kurios skiriasi visomis savybėmis.
2. Krištolinė gardelė labai panaši į deimantų, nes anglis ir silicis šiuo atžvilgiu yra beveik vienodi. Tačiau atstumas tarp atomų yra skirtingas (silicis turi daugiau), todėl deimantas yra daug kietesnis ir tvirtesnis. Grotelių tipas – kubinis veidelis.
3. Medžiaga yra labai trapi, aukštoje temperatūroje tampa plastiška.
4. Lydymosi temperatūra yra 1415˚C.
5. Temperatūravirimo temperatūra – 3250˚С.
6. Medžiagos tankis – 2,33 g/cm³.
7. Sujungimo spalva yra sidabriškai pilka, su būdingu metalo blizgesiu.
8. Pasižymi geromis puslaidininkių savybėmis, kurios gali skirtis pridedant tam tikrų medžiagų.
9. Netirpsta vandenyje, organiniuose tirpikliuose ir rūgštyse.
10. Ypatingai tirpsta šarmuose.

Fizinės silicio savybės leidžia žmonėms jį valdyti ir naudoti įvairiems produktams kurti. Pavyzdžiui, gryno silicio naudojimas elektronikoje yra pagrįstas puslaidumo savybėmis.

Cheminės savybės

Cheminės silicio savybės labai priklauso nuo reakcijos sąlygų. Jei kalbame apie gryną medžiagą esant standartiniams parametrams, turime nurodyti labai mažą aktyvumą. Tiek kristalinis, tiek amorfinis silicis yra labai inertiški. Nesąveikauti su stipriomis oksiduojančiomis medžiagomis (išskyrus fluorą), nei su stipriomis redukuojančiomis medžiagomis.

Taip yra dėl to, kad medžiagos paviršiuje akimirksniu susidaro oksido plėvelė SiO₂, kuri neleidžia tolesnei sąveikai. Jis gali susidaryti veikiant vandeniui, orui, garams.

Jei pakeisite standartines sąlygas ir pašildysite silicį iki aukštesnės nei 400˚С temperatūros, jo cheminis aktyvumas labai padidės. Tokiu atveju jis reaguos su:

• deguonis;
• visi halogenai;
• vandenilis.

Toliau kylant temperatūrai produktų susidarymas galimas esantsąveika su boru, azotu ir anglimi. Ypač svarbus yra karborundas – SiC, nes tai gera abrazyvinė medžiaga.

Be to, cheminės silicio savybės aiškiai matomos reakcijose su metalais. Jų atžvilgiu tai yra oksidatorius, todėl produktai vadinami silicidais. Panašūs junginiai yra žinomi:

• šarminis;
• šarminė žemė;
• pereinamieji metalai.

Neįprastos savybės turi junginį, gautą lydant geležį ir silicį. Jis vadinamas ferosilicio keramika ir sėkmingai naudojamas pramonėje.

Silicis nesąveikauja su sudėtingomis medžiagomis, todėl iš visų jų rūšių jis gali ištirpti tik:

• karališka degtinė (azoto ir druskos rūgščių mišinys);
• kaustinės šarmos.

Šiuo atveju tirpalo temperatūra turi būti bent 60˚С. Visa tai dar kartą patvirtina fizikinį medžiagos pagrindą – deimantą primenančią stabilią kristalinę gardelę, kuri suteikia jai tvirtumo ir inertiškumo.

Gavimo būdai

Gryno silicio gavimas yra ekonomiškai gana brangus procesas. Be to, dėl savo savybių bet koks metodas duoda tik 90-99% gryno produkto, o priemaišos metalų ir anglies pavidalu išlieka tokios pačios. Taigi vien gauti medžiagos neužtenka. Jis taip pat turėtų būti kokybiškai nuvalytas nuo pašalinių elementų.

Apskritai silicis gaminamas dviem pagrindiniais būdais:

1. Iš b alto smėliokuris yra grynas silicio oksidas SiO₂. Kai jis kalcinuojamas aktyviais metalais (dažniausiai magniu), susidaro laisvas elementas amorfinės modifikacijos pavidalu. Šio metodo grynumas yra didelis, produktas gaunamas su 99,9 procentų išeiga.
2. Pramoniniu mastu labiau paplitęs metodas yra išlydyto smėlio sukepinimas su koksu specializuotose šiluminėse krosnyse. Šį metodą sukūrė rusų mokslininkas Beketovas N. N.

Tolimesnis apdorojimas – tai gaminiams taikomi valymo metodai. Tam naudojamos rūgštys arba halogenai (chloras, fluoras).

Amorfinis silicis

Silicio apibūdinimas bus neišsamus, jei nenagrinėsime atskirai kiekvienos jo alotropinės modifikacijos. Pirmasis yra amorfinis. Šioje būsenoje medžiaga, kurią svarstome, yra rusvai rudi milteliai, smulkiai išsklaidyti. Jis turi aukštą higroskopiškumo laipsnį, kaitinant pasižymi pakankamai dideliu cheminiu aktyvumu. Standartinėmis sąlygomis jis gali sąveikauti tik su stipriausiu oksidatoriumi – fluoru.

Ne visiškai teisinga amorfinį silicį vadinti kristalinio silicio įvairove. Jo grotelės rodo, kad ši medžiaga yra tik smulkiai išsklaidyto silicio forma, kuri egzistuoja kristalų pavidalu. Todėl šios modifikacijos yra tas pats junginys.

Tačiau jų savybės skiriasi, todėl įprasta kalbėti apie alotropiją. Pats amorfinis silicis turididelis šviesos sugerties pajėgumas. Be to, tam tikromis sąlygomis šis rodiklis yra kelis kartus didesnis nei kristalinės formos. Todėl jis naudojamas techniniams tikslams. Nagrinėjama forma (milteliais) junginys lengvai tepamas ant bet kokio paviršiaus, nesvarbu, ar tai būtų plastikas, ar stiklas. Todėl būtent amorfinis silicis yra toks patogus naudoti. Taikymas pagrįstas įvairių dydžių saulės baterijų gamyba.

Nors šio tipo baterijos nusidėvi gana greitai, o tai siejama su plonos medžiagos plėvelės dilimu, tačiau naudojimas ir paklausa tik auga. Iš tiesų, net ir per trumpą tarnavimo laiką saulės elementai, pagaminti iš amorfinio silicio, gali aprūpinti energiją ištisoms įmonėms. Be to, tokios medžiagos gamyba yra be atliekų, todėl ji yra labai ekonomiška.

Gaukite šią modifikaciją redukuodami junginius su aktyviais metalais, tokiais kaip natris arba magnis.

Krištolinis silicis

Sidabriškai pilka blizgi nagrinėjamo elemento modifikacija. Būtent ši forma yra labiausiai paplitusi ir paklausiausia. Taip yra dėl šios medžiagos kokybinių savybių rinkinio.

Silicio su kristaline gardele charakteristika apima jo tipų klasifikaciją, nes jų yra keletas:

1. Elektroninė kokybė – gryniausia ir aukščiausia kokybė. Būtent šis tipas naudojamas elektronikoje kuriant ypač jautrius įrenginius.
2. Saulėta kokybė. Pats pavadinimasapibrėžia naudojimo sritį. Tai taip pat didelio grynumo silicis, kurį naudoti būtina norint sukurti kokybiškus ir ilgaamžius saulės elementus. Fotovoltiniai keitikliai, sukurti kristalinės struktūros pagrindu, yra aukštesnės kokybės ir patvaresni nei tie, kurie sukurti naudojant amorfinę modifikaciją nusodinant ant įvairių tipų substratų.
3. Techninis silicis. Ši įvairovė apima tuos medžiagos pavyzdžius, kuriuose yra apie 98% gryno elemento. Visa kita patenka į įvairias priemaišas:

• boras;
• aliuminis;
• chloras;
• anglis;
• fosforas ir kt.

Paskutinė nagrinėjamos medžiagos atmaina naudojama silicio polikristalams gauti. Tam atliekami rekristalizacijos procesai. Dėl to grynumo požiūriu gaunami produktai, kuriuos galima priskirti saulės ir elektroninės kokybės grupėms.

Iš prigimties polisilicis yra tarpinis produktas tarp amorfinės ir kristalinės modifikacijos. Su šia parinktimi dirbti lengviau, ji geriau perdirbama ir valoma fluoru bei chloru.

Gamius produktus galima klasifikuoti taip:

• multicilicon;
• monokristalinis;
• profiliuoti kristalai;
• silicio laužas;
• techninis silicis;
• gamybos atliekos medžiagos skeveldrų ir atraižų pavidalu.

Kiekvienas iš jų pritaikomas pramonėje ir yra naudojamasžmogus visiškai. Todėl gamybos procesai, kuriuose naudojamas silicis, laikomi be atliekų. Tai labai sumažina jo ekonomines sąnaudas, nedarant įtakos kokybei.

Naudojamas grynas silicis

Silicio gamyba pramonėje yra gana gerai įsitvirtinusi, o jos mastai yra gana dideli. Taip yra dėl to, kad šis elementas, tiek grynas, tiek įvairių junginių pavidalu, yra plačiai paplitęs ir paklausus įvairiose mokslo ir technologijų srityse.

Kur naudojamas grynas kristalinis ir amorfinis silicis?

1. Metalurgijoje kaip legiravimo priedas, galintis pakeisti metalų ir jų lydinių savybes. Taigi, jis naudojamas plieno ir geležies lydymui.
2. Švaresniam variantui gaminti naudojamos įvairių rūšių medžiagos – polisilicis.
3. Silicio junginiai su organinėmis medžiagomis – tai visa chemijos pramonė, kuri šiandien ypač išpopuliarėjo. Silikoninės medžiagos naudojamos medicinoje, indų, įrankių gamyboje ir dar daugiau.
4. Įvairių saulės baterijų gamyba. Šis energijos gavimo būdas yra vienas perspektyviausių ateityje. Ekologiška, ekonomiška ir ilgaamžė – pagrindiniai tokios elektros gamybos privalumai.
5. Silicis žiebtuvėliuose naudojamas labai ilgą laiką. Net senovėje žmonės titnagą naudojo kibirkštims kurti kurdami ugnį. Šis principas yra įvairių rūšių žiebtuvėlių gamybos pagrindas. Šiandien yra rūšių, kuriosetitnagas pakeičiamas tam tikros sudėties lydiniu, kuris suteikia dar greitesnį rezultatą (kibirkščiavimą).
6. Elektronika ir saulės energija.
7. Veidrodžių gamyba dujinių lazerių įrenginiuose.

Taigi grynas silicis turi daug naudingų ir ypatingų savybių, kurios leidžia jį naudoti kuriant svarbius ir reikalingus produktus.

Silicio junginių taikymas

Be paprastos medžiagos, dar naudojami įvairūs silicio junginiai, ir labai plačiai. Yra visa pramonės šaka, vadinama silikatu. Būtent ji remiasi įvairių medžiagų, kurios apima šį nuostabų elementą, naudojimu. Kas yra šie junginiai ir ką jie gamina?

1. Kvarcas, arba upės smėlis – SiO₂. Jis naudojamas statybinėms ir dekoratyvinėms medžiagoms, tokioms kaip cementas ir stiklas, gaminti. Kur šios medžiagos naudojamos, visi žino. Jokia konstrukcija neapsieina be šių komponentų, o tai patvirtina silicio junginių svarbą.
2. Silikatinė keramika, kuri apima tokias medžiagas kaip fajansas, porcelianas, plytos ir jų pagrindu pagaminti gaminiai. Šie komponentai naudojami medicinoje, indų, dekoratyvinių papuošalų, namų apyvokos reikmenų gamyboje, statybose ir kitose buitinės žmogaus veiklos srityse.
3. Silikono junginiai – silikonai, silikageliai, silikoninės alyvos.
4. Silikatiniai klijai – naudojami kaip raštinės reikmenys, pirotechnikoje ir statyboje.

Silicis, kurio kaina pasaulinėje rinkoje kinta, bet nesikertaiš viršaus į apačią, Rusijos Federacijos 100 rublių už kilogramą (vienam kristalui) ženklas yra paklausi ir vertinga medžiaga. Natūralu, kad šio elemento junginiai taip pat yra plačiai paplitę ir pritaikomi.

Biologinis silicio vaidmuo

Svarbumo organizmui požiūriu silicis yra svarbus. Jo turinys ir pasiskirstymas audiniuose yra toks:

• 0, 002% – raumeningas;
• 0, 000017% – kaulas;
• kraujas - 3,9 mg/l.

Kiekvieną dieną į vidų turėtų patekti apie vienas gramas silicio, kitaip pradės vystytis ligos. Tarp jų nėra mirtinų, tačiau ilgalaikis silicio badas sukelia:

• plaukų slinkimas;
• aknės ir spuogų atsiradimas;
• trapumas ir kaulų trapumas;
• lengvas kapiliarų pralaidumas;
• nuovargis ir galvos skausmas;
• daugelio mėlynių ir mėlynių atsiradimas.

Augalams silicis yra svarbus mikroelementas, būtinas normaliam augimui ir vystymuisi. Eksperimentai su gyvūnais parodė, kad žmonės, kasdien suvartojantys pakankamai silicio, geriausiai auga.