Silicon: aplikasyon, kemikal at pisikal na katangian

2024 May -akda: Angel Austin | [email protected]. Huling binago: 2023-12-17 05:44

Ang isa sa mga pinakakaraniwang elemento sa kalikasan ay silicium, o silicon. Ang ganitong malawak na pamamahagi ay nagsasalita ng kahalagahan at kahalagahan ng sangkap na ito. Mabilis itong naunawaan at pinagtibay ng mga taong natutong gumamit ng silikon para sa kanilang sariling mga layunin. Ang aplikasyon nito ay batay sa mga espesyal na katangian, na pag-uusapan natin sa ibang pagkakataon.

Ang

Silicon ay isang kemikal na elemento

Kung ilalarawan natin ang isang partikular na elemento ayon sa posisyon sa periodic system, matutukoy natin ang mga sumusunod na mahahalagang punto:

1. Ordinal na numero - 14.
2. Ang panahon ay ang pangatlong maliit.
3. Group - IV.
4. Subgroup - pangunahing.
5. Ang istraktura ng panlabas na shell ng elektron ay ipinahayag ng formula na 3s²3p².
6. Ang elementong silicon ay tinutukoy ng kemikal na simbolo na Si, na binibigkas na "silicium".
7. Ang oksihenasyon ay nagsasaad na ipinapakita nito: -4; +2; +4.
8. Ang valency ng isang atom ay IV.
9. Ang atomic mass ng silicon ay 28.086.
10. Sa kalikasan, mayroong tatlong stable isotopes ng elementong ito na may mass number na 28, 29 at 30.

Kaya ang atomMula sa chemical point of view, ang silicon ay isang mahusay na pinag-aralan na elemento, marami sa iba't ibang katangian nito ang inilarawan.

Kasaysayan ng pagtuklas

Dahil ang iba't ibang compound ng elementong isinasaalang-alang ang napakapopular at napakalaking nilalaman sa kalikasan, mula noong sinaunang panahon ay ginagamit at alam ng mga tao ang tungkol sa mga katangian ng marami sa kanila. Ang dalisay na silicon sa mahabang panahon ay nanatiling lampas sa kaalaman ng tao sa kimika.

Ang pinakasikat na compound na ginagamit sa pang-araw-araw na buhay at industriya ng mga tao ng sinaunang kultura (Egyptians, Romans, Chinese, Russians, Persians at iba pa) ay mga mamahaling at ornamental na bato batay sa silicon oxide. Kabilang dito ang:

• opal;
• rhinestone;
• topaz;
• chrysoprase;
• onyx;
• chalcedony at iba pa.

Ito ay nakaugalian na ring gumamit ng quartz at quartz sand sa pagtatayo mula pa noong sinaunang panahon. Gayunpaman, ang elemental na silikon mismo ay nanatiling hindi natuklasan hanggang sa ika-19 na siglo, bagaman maraming mga siyentipiko ang sinubukang ihiwalay ito mula sa iba't ibang mga compound, gamit ang mga catalyst, mataas na temperatura, at kahit na electric current. Ito ang mga maliliwanag na isipan tulad ng:

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

Jens Jacobs Berzelius ay matagumpay na nakakuha ng purong silicon noong 1823. Upang gawin ito, nagsagawa siya ng isang eksperimento sa pagsasanib ng mga singaw ng silicon fluoride at metallic potassium. Bilang resulta, nakatanggap siya ng amorphous modification ng elementong pinag-uusapan. Ang parehong siyentipiko ay nagmungkahi ng Latin na pangalan para sa natuklasang atom.

Maya-maya, noong 1855, isa pang siyentipiko - Saint Clair-Deville - ang nakapag-synthesize ng isa pang allotropic variety - crystalline na silicon. Simula noon, ang kaalaman tungkol sa elementong ito at ang mga katangian nito ay nagsimulang lumago nang napakabilis. Napagtanto ng mga tao na mayroon itong mga natatanging tampok na maaaring magamit nang napakatalino upang matugunan ang kanilang sariling mga pangangailangan. Samakatuwid, ngayon ang isa sa mga pinaka-demand na elemento sa electronics at teknolohiya ay silikon. Ang paggamit nito ay nagpapalawak lamang ng mga hangganan nito bawat taon.

Ang pangalang Ruso para sa atom ay ibinigay ng siyentipikong si Hess noong 1831. Iyan ang nananatili hanggang ngayon.

Nalalaman sa kalikasan

Ang

Silicon ang pangalawa sa pinaka-sagana sa kalikasan pagkatapos ng oxygen. Ang porsyento nito kumpara sa iba pang mga atomo sa komposisyon ng crust ng lupa ay 29.5%. Bilang karagdagan, ang carbon at silikon ay dalawang espesyal na elemento na maaaring bumuo ng mga kadena sa pamamagitan ng pagkonekta sa isa't isa. Kaya naman higit sa 400 iba't ibang natural na mineral ang kilala sa huli, kung saan ito ay nakapaloob sa lithosphere, hydrosphere at biomass.

Saan eksaktong matatagpuan ang silicon?

1. Sa malalalim na patong ng lupa.
2. Sa mga bato, deposito at massif.
3. Sa ilalim ng mga anyong tubig, lalo na ang mga dagat at karagatan.
4. Sa mga halaman at marine life ng animal kingdom.
5. Sa mga tao at hayop sa lupa.

Posibleng magtalaga ng ilan sa mga pinakakaraniwang mineral at bato, na naglalaman ng malaking halaga ngsilikon. Ang kanilang chemistry ay tulad na ang mass content ng isang purong elemento sa kanila ay umabot sa 75%. Gayunpaman, ang tiyak na pigura ay nakasalalay sa uri ng materyal. Kaya, ang mga bato at mineral na naglalaman ng silikon:

• feldspars;
• mica;
• amphiboles;
• opals;
• chalcedony;
• silicates;
• sandstones;
• aluminosilicates;
• clays at iba pa.

Naiipon sa mga shell at panlabas na skeleton ng mga hayop sa dagat, ang silicon sa kalaunan ay bumubuo ng malalakas na deposito ng silica sa ilalim ng mga anyong tubig. Isa ito sa mga likas na pinagmumulan ng elementong ito.

Sa karagdagan, napag-alaman na ang silicium ay maaaring umiral sa purong katutubong anyo nito - sa anyo ng mga kristal. Ngunit ang mga naturang deposito ay napakabihirang.

Mga pisikal na katangian ng silicon

Kung ilalarawan mo ang elementong isinasaalang-alang sa pamamagitan ng isang hanay ng mga katangiang pisikal at kemikal, una sa lahat, ito ang mga pisikal na parameter na dapat ipahiwatig. Narito ang ilang mahahalagang bagay:

1. Mayroon sa anyo ng dalawang allotropic modification - amorphous at crystalline, na naiiba sa lahat ng katangian.
2. Ang kristal na sala-sala ay halos kapareho ng sa brilyante, dahil halos magkapareho ang carbon at silicon sa bagay na ito. Gayunpaman, ang distansya sa pagitan ng mga atom ay naiiba (mas marami ang silicon), kaya ang brilyante ay mas mahirap at mas malakas. Uri ng sala-sala - cubic face-centered.
3. Ang substance ay masyadong malutong, nagiging plastic sa mataas na temperatura.
4. Melting point ay 1415˚C.
5. Temperaturapunto ng kumukulo - 3250˚С.
6. Density ng matter - 2.33 g/cm³.
7. Ang kulay ng koneksyon ay silver-gray, na may katangiang metal na ningning.
8. Nagtataglay ng magagandang katangian ng semiconductor, na maaaring mag-iba sa pagdaragdag ng ilang partikular na ahente.
9. Hindi matutunaw sa tubig, mga organikong solvent at acid.
10. Partikular na natutunaw sa alkalis.

Ang mga itinalagang pisikal na katangian ng silicon ay nagbibigay-daan sa mga tao na kontrolin ito at gamitin ito upang lumikha ng iba't ibang produkto. Halimbawa, ang paggamit ng purong silicon sa electronics ay batay sa mga katangian ng semiconductivity.

Mga katangian ng kemikal

Ang mga kemikal na katangian ng silicon ay nakadepende sa mga kondisyon ng reaksyon. Kung pinag-uusapan natin ang tungkol sa isang purong sangkap sa karaniwang mga parameter, pagkatapos ay kailangan nating magtalaga ng isang napakababang aktibidad. Parehong mala-kristal at amorphous na silikon ay napaka-inert. Huwag makipag-ugnayan sa malakas na oxidizing agent (maliban sa fluorine), o sa malakas na reducing agent.

Ito ay dahil sa ang katunayan na ang isang oxide film na SiO₂ ay agad na nabubuo sa ibabaw ng substance, na pumipigil sa mga karagdagang pakikipag-ugnayan. Maaari itong mabuo sa ilalim ng impluwensya ng tubig, hangin, mga singaw.

Kung babaguhin mo ang mga karaniwang kundisyon at painitin ang silicon sa temperaturang higit sa 400˚С, kung gayon ang aktibidad ng kemikal nito ay tataas nang husto. Sa kasong ito, tutugon ito ng:

• oxygen;
• lahat ng uri ng halogen;
• hydrogen.

Sa karagdagang pagtaas ng temperatura, ang pagbuo ng mga produkto ay posible sapakikipag-ugnayan sa boron, nitrogen at carbon. Ang partikular na kahalagahan ay carborundum - SiC, dahil ito ay isang magandang abrasive na materyal.

Gayundin, ang mga kemikal na katangian ng silicon ay malinaw na nakikita sa mga reaksyon sa mga metal. May kaugnayan sa kanila, ito ay isang oxidizing agent, samakatuwid ang mga produkto ay tinatawag na silicide. Ang mga katulad na compound ay kilala sa:

• alkalina;
• alkaline earth;
• transition metals.

Ang mga hindi pangkaraniwang katangian ay may compound na nakuha sa pamamagitan ng pagsasama ng bakal at silicon. Ito ay tinatawag na ferrosilicon ceramic at matagumpay na nagamit sa industriya.

Hindi nakikipag-ugnayan ang Silicon sa mga kumplikadong sangkap, samakatuwid, sa lahat ng uri nito, maaari lamang itong matunaw sa:

• royal vodka (pinaghalong nitric at hydrochloric acids);
• caustic alkalis.

Sa kasong ito, ang temperatura ng solusyon ay dapat na hindi bababa sa 60˚С. Ang lahat ng ito ay muling kinukumpirma ang pisikal na batayan ng substance - isang mala-brilyante na stable na kristal na sala-sala, na nagbibigay dito ng lakas at kawalang-kilos.

Mga paraan ng pagkuha ng

Ang pagkakaroon ng purong silicon ay medyo magastos na proseso sa ekonomiya. Bilang karagdagan, dahil sa mga katangian nito, ang anumang paraan ay nagbibigay lamang ng 90-99% na purong produkto, habang ang mga impurities sa anyo ng mga metal at carbon ay nananatiling pareho. Kaya hindi sapat ang pagkuha lamang ng sangkap. Dapat din itong malinis sa kalidad ng mga dayuhang elemento.

Sa pangkalahatan, ang paggawa ng silicon ay isinasagawa sa dalawang pangunahing paraan:

1. Mula sa puting buhanginna purong silicon oxide SiO₂. Kapag na-calcined ito ng mga aktibong metal (madalas na may magnesium), isang libreng elemento ay nabuo sa anyo ng isang amorphous na pagbabago. Ang kadalisayan ng pamamaraang ito ay mataas, ang produkto ay nakuha na may 99.9 porsiyentong ani.
2. Ang isang mas malawak na paraan sa isang pang-industriya na sukat ay ang sintering ng tinunaw na buhangin na may coke sa mga espesyal na thermal kiln. Ang pamamaraang ito ay binuo ng siyentipikong Ruso na si Beketov N. N.

Ang karagdagang pagpoproseso ay binubuo sa pagsasailalim sa mga produkto sa mga paraan ng paglilinis. Para dito, ginagamit ang mga acid o halogens (chlorine, fluorine).

Amorphous silicon

Magiging hindi kumpleto ang pag-characterization ng silicon kung hindi natin isasaalang-alang nang hiwalay ang bawat isa sa mga allotropic modification nito. Ang una ay amorphous. Sa ganitong estado, ang substance na aming isinasaalang-alang ay isang brown-brown powder, pinong dispersed. Ito ay may mataas na antas ng hygroscopicity, nagpapakita ng isang sapat na mataas na aktibidad ng kemikal kapag pinainit. Sa ilalim ng mga karaniwang kundisyon, maaari lamang itong makipag-ugnayan sa pinakamalakas na oxidizing agent - fluorine.

Hindi ganap na tama na tawagin ang amorphous silicon na iba't ibang crystalline na silicon. Ang sala-sala nito ay nagpapakita na ang sangkap na ito ay isang anyo lamang ng pinong dispersed na silikon na umiiral sa anyo ng mga kristal. Samakatuwid, sa gayon, ang mga pagbabagong ito ay magkaparehong tambalan.

Gayunpaman, ang kanilang mga katangian ay magkakaiba, samakatuwid ay kaugalian na magsalita ng allotropy. Sa kanyang sarili, ang amorphous na silikon ay mayroonmataas na kapasidad ng pagsipsip ng liwanag. Bilang karagdagan, sa ilalim ng ilang mga kundisyon, ang tagapagpahiwatig na ito ay ilang beses na mas mataas kaysa sa mala-kristal na anyo. Samakatuwid, ito ay ginagamit para sa mga teknikal na layunin. Sa itinuturing na anyo (pulbos), ang tambalan ay madaling ilapat sa anumang ibabaw, maging ito ay plastik o salamin. Samakatuwid, ito ay amorphous na silikon na napakaginhawa para sa paggamit. Ang application ay batay sa paggawa ng mga solar panel na may iba't ibang laki.

Bagama't ang pagsusuot ng ganitong uri ng mga baterya ay medyo mabilis, na nauugnay sa abrasion ng manipis na pelikula ng substance, gayunpaman, ang paggamit at pangangailangan ay lumalaki lamang. Sa katunayan, kahit na sa maikling buhay ng serbisyo, ang mga solar cell na batay sa amorphous na silikon ay nakapagbibigay ng enerhiya sa buong negosyo. Bilang karagdagan, ang paggawa ng naturang substance ay walang basura, na ginagawang napakatipid.

Kunin ang pagbabagong ito sa pamamagitan ng pagbabawas ng mga compound na may mga aktibong metal, gaya ng sodium o magnesium.

Crystal silicon

Silver gray na makintab na pagbabago ng elementong pinag-uusapan. Ito ang form na ito na ang pinaka-karaniwan at pinaka-in demand. Ito ay dahil sa hanay ng mga katangian ng husay na taglay ng sangkap na ito.

Ang katangian ng silicon na may kristal na sala-sala ay kinabibilangan ng pag-uuri ng mga uri nito, dahil marami sa kanila:

1. Electronic na kalidad - ang pinakadalisay at pinakamataas na kalidad. Ito ang ganitong uri na ginagamit sa electronics para gumawa ng mga partikular na sensitibong device.
2. Maaraw na kalidad. Ang pangalan mismotumutukoy sa lugar ng paggamit. Isa rin itong high-purity na silicon, ang paggamit nito ay kinakailangan upang lumikha ng mataas na kalidad at pangmatagalang solar cells. Ang mga photovoltaic converter na nilikha batay sa isang mala-kristal na istraktura ay may mas mataas na kalidad at mas matibay kaysa sa mga nilikha gamit ang isang amorphous na pagbabago sa pamamagitan ng pag-deposition sa iba't ibang uri ng mga substrate.
3. Teknikal na silicon. Kasama sa iba't-ibang ito ang mga sample ng isang substance na naglalaman ng humigit-kumulang 98% ng purong elemento. Lahat ng iba ay napupunta sa iba't ibang uri ng mga dumi:

• boron;
• aluminum;
• chlorine;
• carbon;
• phosphorus at iba pa.

Ang huling uri ng pinag-uusapang substance ay ginagamit upang makakuha ng mga silicon na polycrystal. Para dito, isinasagawa ang mga proseso ng recrystallization. Bilang resulta, sa mga tuntunin ng kadalisayan, nakuha ang mga produkto na maaaring maiugnay sa mga pangkat ng solar at elektronikong kalidad.

By natural, ang polysilicon ay isang intermediate na produkto sa pagitan ng amorphous at crystalline modification. Mas madaling gamitin ang opsyong ito, mas mainam itong i-recycle at linisin gamit ang fluorine at chlorine.

Ang mga resultang produkto ay maaaring uriin ayon sa sumusunod:

• multicilicon;
• monocrystalline;
• profiled na kristal;
• silicon scrap;
• teknikal na silikon;
• produksyon basura sa anyo ng mga fragment at mga scrap ng matter.

Ang bawat isa sa kanila ay nakakahanap ng aplikasyon sa industriya at ginagamitisang tao ng ganap. Samakatuwid, ang mga proseso ng produksyon na kinasasangkutan ng silikon ay itinuturing na walang basura. Lubos nitong binabawasan ang gastos nito sa ekonomiya nang hindi naaapektuhan ang kalidad.

Paggamit ng purong silicon

Silicon production sa industriya ay naitatag nang maayos, at ang sukat nito ay napakalaki. Ito ay dahil sa katotohanan na ang elementong ito, parehong dalisay at sa anyo ng iba't ibang mga compound, ay laganap at in demand sa iba't ibang sangay ng agham at teknolohiya.

Saan ginagamit ang purong crystalline at amorphous na silicon?

1. Sa metalurhiya bilang isang alloying additive na may kakayahang baguhin ang mga katangian ng mga metal at ang kanilang mga haluang metal. Kaya, ito ay ginagamit sa pagtunaw ng bakal at bakal.
2. Iba't ibang uri ng substance ang ginagamit para gumawa ng mas malinis na bersyon - polysilicon.
3. Mga compound ng silicon na may mga organikong sangkap - ito ay isang buong industriya ng kemikal na nakakuha ng partikular na katanyagan ngayon. Ang mga silicone na materyales ay ginagamit sa medisina, sa paggawa ng mga pinggan, kasangkapan at marami pang iba.
4. Produksyon ng iba't ibang solar panel. Ang pamamaraang ito ng pagkuha ng enerhiya ay isa sa mga pinaka-promising sa hinaharap. Environmentally, cost-effective at matibay - ang pangunahing bentahe ng naturang produksyon ng kuryente.

Ang

5. Silicon ay ginamit sa mga lighter sa napakatagal na panahon. Kahit noong sinaunang panahon, gumamit ang mga tao ng flint upang lumikha ng kislap kapag nagsisindi ng apoy. Ang prinsipyong ito ay ang batayan para sa paggawa ng mga lighter ng iba't ibang uri. Ngayon may mga species kung saanang flint ay pinapalitan ng isang haluang metal ng isang tiyak na komposisyon, na nagbibigay ng mas mabilis na resulta (sparking).
6. Electronics at solar energy.
7. Paggawa ng mga salamin sa mga gas laser device.

Kaya, ang purong silicon ay may maraming kapaki-pakinabang at mga espesyal na katangian na nagbibigay-daan dito upang magamit upang lumikha ng mahalaga at kinakailangang mga produkto.

Paglalapat ng mga silicon compound

Bukod sa isang simpleng substance, ginagamit din ang iba't ibang silicon compound, at napakalawak. Mayroong isang buong sangay ng industriya na tinatawag na silicate. Siya ang batay sa paggamit ng iba't ibang mga sangkap, na kinabibilangan ng kamangha-manghang elementong ito. Ano ang mga compound na ito at ano ang ginagawa ng mga ito?

1. Quartz, o buhangin ng ilog - SiO₂. Ginagamit ito para sa paggawa ng mga materyales sa gusali at pandekorasyon tulad ng semento at salamin. Kung saan ginagamit ang mga materyales na ito, alam ng lahat. Walang kumpleto sa pagtatayo kung wala ang mga bahaging ito, na nagpapatunay sa kahalagahan ng mga silicon compound.
2. Silicate ceramics, na kinabibilangan ng mga materyales gaya ng faience, porcelain, brick at mga produktong batay sa mga ito. Ang mga sangkap na ito ay ginagamit sa medisina, sa paggawa ng mga pinggan, dekorasyong palamuti, mga gamit sa bahay, sa konstruksyon at iba pang mga lugar sa bahay ng aktibidad ng tao.
3. Silicone compounds - silicones, silica gels, silicone oil.
4. Silicate glue - ginagamit bilang stationery, sa pyrotechnics at construction.

Silicon, ang presyo nito ay nag-iiba-iba sa world market, ngunit hindi tumatawidmula sa itaas hanggang sa ibaba, ang marka ng 100 rubles ng Russian Federation bawat kilo (bawat mala-kristal), ay isang hinahangad at mahalagang sangkap. Naturally, ang mga compound ng elementong ito ay laganap din at naaangkop.

Ang biyolohikal na papel ng silikon

Mula sa punto ng view ng kahalagahan para sa katawan, ang silicon ay mahalaga. Ang nilalaman at pamamahagi ng tissue nito ay ang mga sumusunod:

• 0, 002% - maskulado;
• 0, 000017% - buto;
• dugo - 3.9 mg/l.

Araw-araw, humigit-kumulang isang gramo ng silicon ang dapat makapasok sa loob, kung hindi ay magsisimulang magkaroon ng mga sakit. Walang nakamamatay sa kanila, gayunpaman, ang matagal na pagkagutom sa silicon ay humahantong sa:

• buhok;
• hitsura ng acne at pimples;
• pagkarupok at hina ng mga buto;
• madaling pagkamatagusin ng capillary;
• pagkapagod at pananakit ng ulo;
• ang hitsura ng maraming pasa at pasa.

Para sa mga halaman, ang silicon ay isang mahalagang trace element na kailangan para sa normal na paglaki at pag-unlad. Ipinakita ng mga eksperimento sa hayop na ang mga indibidwal na gumagamit ng sapat na silicon araw-araw ay pinakamahusay na lumalaki.