Silikon: aplikasi, sifat kimia dan fizikal

2024 Pengarang: Angel Austin | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2023-12-17 05:36

Salah satu unsur yang paling biasa dalam alam semula jadi ialah silicium, atau silikon. Pengedaran yang begitu luas bercakap tentang kepentingan dan kepentingan bahan ini. Ini dengan cepat difahami dan diterima pakai oleh orang yang belajar cara menggunakan silikon dengan betul untuk tujuan mereka sendiri. Penggunaannya adalah berdasarkan sifat istimewa, yang akan kita bincangkan kemudian.

Silikon ialah unsur kimia

Jika kita mencirikan unsur tertentu mengikut kedudukan dalam sistem berkala, kita boleh mengenal pasti perkara penting berikut:

1. Nombor biasa - 14.
2. Haid adalah yang ketiga kecil.
3. Kumpulan - IV.
4. Subkumpulan - utama.
5. Struktur kulit elektron luar dinyatakan dengan formula 3s²3p².
6. Unsur silikon dilambangkan dengan simbol kimia Si, yang disebut "silicium".
7. Pengoksidaan menyatakan ia mempamerkan: -4; +2; +4.
8. Valensi atom ialah IV.
9. Jisim atom silikon ialah 28.086.
10. Secara semula jadi, terdapat tiga isotop stabil unsur ini dengan nombor jisim 28, 29 dan 30.

Jadi atomDari sudut kimia, silikon ialah unsur yang dikaji dengan baik, banyak daripada pelbagai sifatnya telah diterangkan.

Sejarah penemuan

Memandangkan pelbagai sebatian unsur yang sedang dipertimbangkan yang sangat popular dan kandungannya besar-besaran di alam semula jadi, dari zaman dahulu orang ramai menggunakan dan mengetahui tentang sifat-sifat hanya banyak daripadanya. Silikon tulen untuk masa yang lama kekal di luar pengetahuan manusia dalam kimia.

Kompaun paling popular yang digunakan dalam kehidupan seharian dan industri oleh orang-orang budaya purba (Mesir, Rom, Cina, Rusia, Parsi dan lain-lain) adalah batu berharga dan hiasan berasaskan silikon oksida. Ini termasuk:

• opal;
• berlian buatan;
• topaz;
• chrysoprase;
• onyx;
• chalcedony dan lain-lain.

Ia juga menjadi kebiasaan untuk menggunakan pasir kuarza dan kuarza dalam pembinaan sejak zaman purba. Walau bagaimanapun, unsur silikon itu sendiri masih belum ditemui sehingga abad ke-19, walaupun ramai saintis cuba mengasingkannya daripada pelbagai sebatian, menggunakan pemangkin, suhu tinggi, dan juga arus elektrik. Ini adalah minda yang cerah seperti:

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

Jens Jacobs Berzelius berjaya memperoleh silikon tulen pada tahun 1823. Untuk melakukan ini, beliau menjalankan eksperimen mengenai gabungan wap silikon fluorida dan kalium logam. Akibatnya, dia menerima pengubahsuaian amorfus bagi unsur berkenaan. Saintis yang sama mencadangkan nama Latin untuk atom yang ditemui.

Tidak lama kemudian, pada tahun 1855, seorang lagi saintis - Saint Clair-Deville - berjaya mensintesis pelbagai alotropik lain - silikon kristal. Sejak itu, pengetahuan tentang unsur ini dan sifatnya mula berkembang dengan cepat. Orang ramai menyedari bahawa ia mempunyai ciri unik yang boleh digunakan dengan sangat bijak untuk memenuhi keperluan mereka sendiri. Oleh itu, hari ini salah satu elemen yang paling dituntut dalam elektronik dan teknologi ialah silikon. Penggunaannya hanya meluaskan sempadannya setiap tahun.

Nama Rusia untuk atom itu diberikan oleh saintis Hess pada tahun 1831. Itulah yang kekal sehingga hari ini.

Terkandung dalam alam semula jadi

Silikon adalah yang kedua paling banyak dalam alam semula jadi selepas oksigen. Peratusannya berbanding dengan atom lain dalam komposisi kerak bumi ialah 29.5%. Di samping itu, karbon dan silikon adalah dua unsur istimewa yang boleh membentuk rantai dengan menyambung antara satu sama lain. Itulah sebabnya lebih daripada 400 mineral semula jadi yang berbeza dikenali untuk yang kedua, di mana ia terkandung dalam litosfera, hidrosfera dan biojisim.

Di manakah sebenarnya silikon ditemui?

1. Di lapisan dalam tanah.
2. Di dalam batu, mendapan dan jisim.
3. Di dasar perairan, terutamanya laut dan lautan.
4. Dalam tumbuhan dan hidupan laut dalam alam haiwan.
5. Pada manusia dan haiwan darat.

Adalah mungkin untuk menetapkan beberapa mineral dan batu yang paling biasa, yang mengandungi sejumlah besarsilikon. Kimia mereka sedemikian rupa sehingga kandungan jisim unsur tulen di dalamnya mencapai 75%. Walau bagaimanapun, angka khusus bergantung pada jenis bahan. Jadi, batu dan mineral yang mengandungi silikon:

• feldspars;
• mica;
• amphibole;
• opals;
• chalcedony;
• silikat;
• batu pasir;
• aluminosilicates;
• tanah liat dan lain-lain.

Terkumpul di dalam cangkerang dan rangka luar haiwan laut, silikon akhirnya membentuk mendapan silika yang kuat di dasar badan air. Ini adalah salah satu sumber semula jadi unsur ini.

Selain itu, didapati bahawa silicium boleh wujud dalam bentuk aslinya yang tulen - dalam bentuk kristal. Tetapi deposit sedemikian sangat jarang berlaku.

Sifat fizikal silikon

Jika anda mencirikan unsur yang sedang dipertimbangkan dengan satu set sifat fizikal dan kimia, maka pertama sekali, parameter fizikal yang harus ditunjukkan. Berikut ialah beberapa perkara penting:

1. Wujud dalam bentuk dua pengubahsuaian alotropik - amorfus dan kristal, yang berbeza dalam semua sifat.
2. Kekisi kristal sangat serupa dengan berlian, kerana karbon dan silikon hampir sama dalam hal ini. Walau bagaimanapun, jarak antara atom adalah berbeza (silikon mempunyai lebih banyak), jadi berlian adalah lebih keras dan lebih kuat. Jenis kekisi - berpusat muka kubik.
3. Bahan ini sangat rapuh, menjadi plastik pada suhu tinggi.
4. Takat lebur ialah 1415˚C.
5. Suhutakat didih - 3250˚С.
6. Ketumpatan jirim - 2.33 g/cm³.
7. Warna sambungan adalah kelabu perak, dengan kilauan logam yang khas.
8. Memiliki sifat semikonduktor yang baik, yang boleh berbeza dengan penambahan agen tertentu.
9. Tidak larut dalam air, pelarut organik dan asid.
10. Larut secara khusus dalam alkali.

Sifat fizikal silikon yang ditetapkan membolehkan orang ramai mengawalnya dan menggunakannya untuk mencipta pelbagai produk. Contohnya, penggunaan silikon tulen dalam elektronik adalah berdasarkan sifat semikonduktiviti.

Sifat kimia

Sifat kimia silikon sangat bergantung pada keadaan tindak balas. Jika kita bercakap tentang bahan tulen pada parameter standard, maka kita perlu menetapkan aktiviti yang sangat rendah. Silikon kristal dan amorfus adalah sangat lengai. Jangan berinteraksi dengan agen pengoksidaan kuat (kecuali fluorin), mahupun dengan agen penurunan kuat.

Ini disebabkan oleh fakta bahawa filem oksida SiO₂ serta-merta terbentuk pada permukaan bahan, yang menghalang interaksi selanjutnya. Ia boleh terbentuk di bawah pengaruh air, udara, wap.

Jika anda menukar keadaan standard dan memanaskan silikon kepada suhu melebihi 400˚С, maka aktiviti kimianya akan meningkat dengan ketara. Dalam kes ini, ia akan bertindak balas dengan:

• oksigen;
• semua jenis halogen;
• hidrogen.

Dengan peningkatan suhu lagi, pembentukan produk boleh dilakukan padainteraksi dengan boron, nitrogen dan karbon. Terutama penting ialah carborundum - SiC, kerana ia adalah bahan pelelas yang baik.

Selain itu, sifat kimia silikon jelas dilihat dalam tindak balas dengan logam. Berhubung dengan mereka, ia adalah agen pengoksidaan, oleh itu produk dipanggil silisid. Sebatian serupa dikenali untuk:

• alkali;
• tanah beralkali;
• logam peralihan.

Sifat luar biasa mempunyai sebatian yang diperoleh dengan menggabungkan besi dan silikon. Ia dipanggil seramik ferrosilicon dan telah berjaya digunakan dalam industri.

Silikon tidak berinteraksi dengan bahan kompleks, oleh itu, daripada semua jenisnya, ia hanya boleh larut dalam:

• vodka diraja (campuran asid nitrik dan hidroklorik);
• alkali kaustik.

Dalam kes ini, suhu larutan hendaklah sekurang-kurangnya 60˚С. Semua ini sekali lagi mengesahkan asas fizikal bahan - kekisi kristal stabil seperti berlian, yang memberikan kekuatan dan lengai.

Kaedah mendapatkan

Mendapatkan silikon tulen adalah proses yang agak mahal dari segi ekonomi. Di samping itu, kerana sifatnya, sebarang kaedah hanya memberikan 90-99% produk tulen, manakala kekotoran dalam bentuk logam dan karbon kekal sama. Jadi hanya mendapatkan bahan itu tidak mencukupi. Ia juga harus dibersihkan secara kualitatif daripada unsur asing.

Secara amnya, pengeluaran silikon dijalankan dalam dua cara utama:

1. Dari pasir putihiaitu silikon oksida tulen SiO₂. Apabila ia dikalsinkan dengan logam aktif (paling kerap dengan magnesium), unsur bebas terbentuk dalam bentuk pengubahsuaian amorf. Ketulenan kaedah ini adalah tinggi, produk diperolehi dengan hasil 99.9 peratus.
2. Kaedah yang lebih meluas pada skala industri ialah pensinteran pasir cair dengan kok dalam tanur terma khusus. Kaedah ini dibangunkan oleh saintis Rusia Beketov N. N.

Pemprosesan lanjut terdiri daripada menundukkan produk kepada kaedah pembersihan. Untuk ini, asid atau halogen (klorin, fluorin) digunakan.

Silikon amorf

Pencirian silikon akan menjadi tidak lengkap jika kita tidak mempertimbangkan secara berasingan setiap pengubahsuaian alotropiknya. Yang pertama adalah amorfus. Dalam keadaan ini, bahan yang kami pertimbangkan ialah serbuk coklat-coklat, tersebar dengan halus. Ia mempunyai tahap higroskopisitas yang tinggi, mempamerkan aktiviti kimia yang cukup tinggi apabila dipanaskan. Di bawah keadaan standard, ia hanya boleh berinteraksi dengan agen pengoksidaan terkuat - fluorin.

Adalah tidak betul sepenuhnya untuk memanggil silikon amorfus sebagai pelbagai silikon kristal. Kekisinya menunjukkan bahawa bahan ini hanyalah satu bentuk silikon terdispersi halus yang wujud dalam bentuk kristal. Oleh itu, oleh itu, pengubahsuaian ini adalah sebatian yang sama.

Walau bagaimanapun, sifat mereka berbeza, oleh itu adalah lazim untuk bercakap tentang alotropi. Dengan sendirinya, silikon amorf mempunyaikapasiti penyerapan cahaya yang tinggi. Di samping itu, dalam keadaan tertentu, penunjuk ini adalah beberapa kali lebih tinggi daripada bentuk kristal. Oleh itu, ia digunakan untuk tujuan teknikal. Dalam bentuk yang dipertimbangkan (serbuk), sebatian mudah digunakan pada mana-mana permukaan, sama ada plastik atau kaca. Oleh itu, ia adalah silikon amorfus yang begitu mudah digunakan. Aplikasi ini berdasarkan pembuatan panel solar pelbagai saiz.

Walaupun kehausan bateri jenis ini agak cepat, yang dikaitkan dengan lelasan lapisan nipis bahan tersebut, namun penggunaan dan permintaan semakin meningkat. Malah, walaupun dalam hayat perkhidmatan yang singkat, sel suria berasaskan silikon amorf mampu membekalkan tenaga kepada seluruh perusahaan. Di samping itu, penghasilan bahan sedemikian adalah bebas sisa, yang menjadikannya sangat menjimatkan.

Dapatkan pengubahsuaian ini dengan mengurangkan sebatian dengan logam aktif, seperti natrium atau magnesium.

Silikon kristal

Pengubahsuaian berkilat kelabu perak bagi elemen berkenaan. Bentuk ini adalah yang paling biasa dan paling banyak permintaan. Ini disebabkan oleh set sifat kualitatif yang dimiliki oleh bahan ini.

Ciri silikon dengan kekisi kristal termasuk klasifikasi jenisnya, kerana terdapat beberapa daripadanya:

1. Kualiti elektronik - kualiti paling tulen dan tertinggi. Jenis inilah yang digunakan dalam elektronik untuk mencipta peranti yang sangat sensitif.
2. Kualiti cerah. Nama itu sendirimentakrifkan kawasan penggunaan. Ia juga merupakan silikon ketulenan tinggi, penggunaannya diperlukan untuk mencipta sel suria yang berkualiti tinggi dan tahan lama. Penukar fotovoltaik yang dicipta berdasarkan struktur kristal mempunyai kualiti yang lebih tinggi dan lebih tahan lama daripada yang dihasilkan menggunakan pengubahsuaian amorf melalui pemendapan pada pelbagai jenis substrat.
3. Silikon teknikal. Varieti ini termasuk sampel bahan yang mengandungi kira-kira 98% unsur tulen. Segala-galanya pergi ke pelbagai jenis kekotoran:

• boron;
• aluminium;
• klorin;
• karbon;
• fosforus dan lain-lain.

Kepelbagaian terakhir bahan yang dimaksudkan digunakan untuk mendapatkan polihablur silikon. Untuk ini, proses penghabluran semula dijalankan. Hasilnya, dari segi ketulenan, produk diperoleh yang boleh dikaitkan dengan kumpulan kualiti suria dan elektronik.

Secara semula jadi, polysilicon ialah produk perantaraan antara pengubahsuaian amorfus dan kristal. Pilihan ini lebih mudah digunakan, ia lebih baik dikitar semula dan dibersihkan dengan fluorin dan klorin.

Produk yang terhasil boleh dikelaskan seperti berikut:

• multicilicon;
• monohablur;
• kristal berprofil;
• sekerap silikon;
• silikon teknikal;
• sisa pengeluaran dalam bentuk serpihan dan serpihan bahan.

Setiap daripada mereka mendapati aplikasi dalam industri dan digunakanseseorang sepenuhnya. Oleh itu, proses pengeluaran yang melibatkan silikon dianggap bebas sisa. Ini sangat mengurangkan kos ekonominya tanpa menjejaskan kualiti.

Menggunakan silikon tulen

Pengeluaran silikon dalam industri telah ditubuhkan dengan baik, dan skalanya agak besar. Ini disebabkan oleh fakta bahawa unsur ini, baik tulen dan dalam bentuk pelbagai sebatian, tersebar luas dan mendapat permintaan dalam pelbagai cabang sains dan teknologi.

Di manakah silikon kristal tulen dan amorf digunakan?

1. Dalam metalurgi sebagai bahan tambahan pengaloian yang mampu mengubah sifat logam dan aloinya. Jadi, ia digunakan dalam peleburan keluli dan besi.
2. Jenis bahan yang berbeza digunakan untuk membuat versi yang lebih bersih - polysilicon.
3. Sebatian silikon dengan bahan organik - ini adalah keseluruhan industri kimia yang telah mendapat populariti tertentu hari ini. Bahan silikon digunakan dalam perubatan, dalam pembuatan pinggan mangkuk, alatan dan banyak lagi.
4. Pengeluaran pelbagai panel solar. Kaedah mendapatkan tenaga ini adalah antara yang paling menjanjikan pada masa hadapan. Mesra alam, kos efektif dan tahan lama - kelebihan utama pengeluaran elektrik sedemikian.
5. Silikon telah digunakan dalam pemetik api untuk masa yang sangat lama. Malah pada zaman dahulu, orang menggunakan batu api untuk mencipta percikan apabila menyalakan api. Prinsip ini adalah asas untuk pengeluaran pemetik api pelbagai jenis. Hari ini terdapat spesies yangbatu api digantikan dengan aloi komposisi tertentu, yang memberikan hasil yang lebih pantas (percikan).
6. Elektronik dan tenaga suria.
7. Penghasilan cermin dalam peranti laser gas.

Oleh itu, silikon tulen mempunyai banyak sifat berfaedah dan istimewa yang membolehkan ia digunakan untuk mencipta produk penting dan perlu.

Aplikasi sebatian silikon

Selain bahan ringkas, pelbagai sebatian silikon juga digunakan, dan sangat meluas. Terdapat satu cabang industri yang dipanggil silikat. Dialah yang berdasarkan penggunaan pelbagai bahan, yang termasuk unsur yang menakjubkan ini. Apakah sebatian ini dan apakah yang dihasilkannya?

1. Kuarza, atau pasir sungai - SiO₂. Ia digunakan untuk pembuatan bahan binaan dan hiasan seperti simen dan kaca. Di mana bahan-bahan ini digunakan, semua orang tahu. Tiada pembinaan yang lengkap tanpa komponen ini, yang mengesahkan kepentingan sebatian silikon.
2. Seramik silikat, yang termasuk bahan seperti faien, porselin, bata dan produk berasaskannya. Komponen ini digunakan dalam perubatan, dalam pembuatan pinggan mangkuk, perhiasan hiasan, barangan rumah, dalam pembinaan dan kawasan isi rumah lain aktiviti manusia.
3. Sebatian silikon - silikon, gel silika, minyak silikon.
4. Gam silikat - digunakan sebagai alat tulis, dalam piroteknik dan pembinaan.

Silicon, yang harganya berbeza-beza di pasaran dunia, tetapi tidak melepasidari atas ke bawah, tanda 100 rubel Persekutuan Rusia per kilogram (setiap kristal), adalah bahan yang dicari dan berharga. Sememangnya, sebatian unsur ini juga meluas dan boleh digunakan.

Peranan biologi silikon

Dari sudut kepentingan untuk badan, silikon adalah penting. Kandungan dan pengedaran tisunya adalah seperti berikut:

• 0, 002% - berotot;
• 0, 000017% - tulang;
• darah - 3.9 mg/l.

Setiap hari, kira-kira satu gram silikon harus masuk ke dalam, jika tidak penyakit akan mula berkembang. Tidak ada yang maut di kalangan mereka, namun, kebuluran silikon yang berpanjangan membawa kepada:

• rambut gugur;
• kemunculan jerawat dan jeragat;
• rapuh dan kerapuhan tulang;
• kebolehtelapan kapilari mudah;
• keletihan dan sakit kepala;
• kemunculan banyak lebam dan lebam.

Untuk tumbuhan, silikon ialah unsur surih penting yang diperlukan untuk pertumbuhan dan perkembangan normal. Eksperimen haiwan telah menunjukkan bahawa individu yang mengambil silikon yang mencukupi setiap hari berkembang dengan baik.