Silicon: påføring, kemiske og fysiske egenskaber

2024 Forfatter: Angel Austin | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-17 05:21

Et af de mest almindelige grundstoffer i naturen er silicium eller silicium. En så bred fordeling taler om vigtigheden og betydningen af dette stof. Dette blev hurtigt forstået og overtaget af folk, der lærte at bruge silicium korrekt til deres egne formål. Dens anvendelse er baseret på særlige egenskaber, som vi vil tale om senere.

Silicon er et kemisk grundstof

Hvis vi karakteriserer et givet grundstof efter position i det periodiske system, kan vi identificere følgende vigtige punkter:

1. Ordin alt nummer - 14.
2. Punkten er den tredje lille.
3. Gruppe - IV.
4. Undergruppe – hoved.
5. Strukturen af den ydre elektronskal er udtrykt ved formlen 3s²3p².
6. Grundstoffet silicium er angivet med det kemiske symbol Si, som udtales "silicium".
7. Oxidationstilstandene, den udviser: -4; +2; +4.
8. Valensen af et atom er IV.
9. Atommassen af silicium er 28.086.
10. I naturen er der tre stabile isotoper af dette grundstof med massetallene 28, 29 og 30.

Altså atometFra et kemisk synspunkt er silicium et velundersøgt grundstof, mange af dets forskellige egenskaber er blevet beskrevet.

Opdagelseshistorik

Da det er de forskellige sammensætninger af grundstoffet, der overvejes, der er meget populære og massive i indholdet i naturen, brugte og kendte folk fra oldtiden til egenskaberne ved kun mange af dem. Rent silicium forblev i lang tid hinsides menneskelig viden i kemi.

De mest populære forbindelser, der blev brugt i hverdagen og industrien af folk i oldtidens kulturer (egyptere, romere, kinesere, russere, persere og andre) var ædelsten og prydsten baseret på siliciumoxid. Disse omfatter:

• opal;
• rhinestone;
• topaz;
• chrysoprase;
• onyx;
• kalcedon og andre.

Det har også været kutyme at bruge kvarts og kvartssand i byggeri siden oldtiden. Men selve elementært silicium forblev uopdaget indtil det 19. århundrede, selvom mange videnskabsmænd forgæves forsøgte at isolere det fra forskellige forbindelser ved hjælp af katalysatorer, høje temperaturer og endda elektrisk strøm. Disse er lyse hoveder som:

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

Jens Jacobs Berzelius formåede at opnå rent silicium i 1823. For at gøre dette udførte han et eksperiment om fusion af dampe af siliciumfluorid og metallisk kalium. Som et resultat modtog han en amorf modifikation af det pågældende grundstof. Den samme videnskabsmand foreslog et latinsk navn for det opdagede atom.

Lidt senere, i 1855, lykkedes det en anden videnskabsmand - Saint Clair-Deville - at syntetisere en anden allotrop variant - krystallinsk silicium. Siden da begyndte viden om dette element og dets egenskaber at vokse meget hurtigt. Folk indså, at det har unikke funktioner, der kan bruges meget intelligent til at opfylde deres egne behov. Derfor er silicium i dag et af de mest efterspurgte elementer inden for elektronik og teknologi. Dens brug udvider kun sine grænser hvert år.

Det russiske navn for atomet blev givet af videnskabsmanden Hess i 1831. Det er det, der har siddet fast den dag i dag.

Indeholdt i naturen

Silicon er det næstmest udbredte i naturen efter ilt. Dens procentdel i sammenligning med andre atomer i sammensætningen af jordskorpen er 29,5%. Derudover er kulstof og silicium to specielle grundstoffer, der kan danne kæder ved at forbinde sig med hinanden. Derfor er mere end 400 forskellige naturlige mineraler kendt for sidstnævnte, hvori det er indeholdt i litosfæren, hydrosfæren og biomassen.

Hvor findes silicium præcist?

1. I de dybe lag af jorden.
2. I klipper, aflejringer og massiver.
3. På bunden af vandområder, især have og oceaner.
4. I dyrerigets planter og havliv.
5. Hos mennesker og landdyr.

Det er muligt at udpege flere af de mest almindelige mineraler og bjergarter, som indeholder en stor mængdesilicium. Deres kemi er sådan, at masseindholdet af et rent grundstof i dem når 75%. Det specifikke tal afhænger dog af typen af materiale. Så sten og mineraler, der indeholder silicium:

• feldspat;
• mica;
• amfiboler;
• opaler;
• kalcedon;
• silicates;
• sandsten;
• aluminosilikater;
• ler og andre.

Silicium akkumuleres i skaller og ydre skeletter fra havdyr og danner til sidst kraftige aflejringer af silica i bunden af vandområder. Dette er en af de naturlige kilder til dette element.

Derudover blev det fundet, at silicium kan eksistere i sin rene native form - i form af krystaller. Men sådanne indskud er meget sjældne.

Siliciums fysiske egenskaber

Hvis du karakteriserer det pågældende grundstof ved et sæt fysiske og kemiske egenskaber, så er det først og fremmest de fysiske parametre, der skal angives. Her er et par vigtige:

1. Eksisterer i form af to allotrope modifikationer - amorfe og krystallinske, som adskiller sig i alle egenskaber.
2. Krystalgitteret ligner meget diamantens, fordi kulstof og silicium er næsten det samme i denne henseende. Afstanden mellem atomerne er dog forskellig (silicium har mere), så diamanten er meget hårdere og stærkere. Gittertype - kubisk ansigtscentreret.
3. Stoffet er meget skørt, bliver plastisk ved høje temperaturer.
4. Smeltepunktet er 1415˚C.
5. Temperaturkogepunkt - 3250˚С.
6. Materiedensitet - 2,33 g/cm³.
7. Farven på forbindelsen er sølvgrå med en karakteristisk metallisk glans.
8. Besidder gode halvlederegenskaber, som kan variere med tilsætning af visse midler.
9. Uopløseligt i vand, organiske opløsningsmidler og syrer.
10. Specifikt opløseligt i alkalier.

Siliciums udpegede fysiske egenskaber gør det muligt for folk at kontrollere det og bruge det til at skabe forskellige produkter. For eksempel er brugen af rent silicium i elektronik baseret på egenskaberne ved halvledning.

Kemiske egenskaber

Siliciums kemiske egenskaber er meget afhængige af reaktionsbetingelserne. Hvis vi taler om et rent stof ved standardparametre, skal vi udpege en meget lav aktivitet. Både krystallinsk og amorft silicium er meget inerte. Må ikke interagere med stærke oxidationsmidler (undtagen fluor), og heller ikke med stærke reduktionsmidler.

Dette skyldes, at en oxidfilm SiO₂ øjeblikkeligt dannes på overfladen af stoffet, hvilket forhindrer yderligere interaktioner. Det kan dannes under påvirkning af vand, luft, dampe.

Hvis du ændrer standardbetingelserne og opvarmer silicium til en temperatur over 400˚С, så vil dets kemiske aktivitet stige kraftigt. I dette tilfælde vil den reagere med:

• oxygen;
• alle slags halogener;
• brint.

Med en yderligere temperaturstigning er dannelsen af produkter mulig klinteraktion med bor, nitrogen og kulstof. Af særlig betydning er carborundum - SiC, da det er et godt slibende materiale.

De kemiske egenskaber af silicium ses også tydeligt i reaktioner med metaller. I forhold til dem er det et oxidationsmiddel, derfor kaldes produkterne silicider. Lignende forbindelser er kendt for:

• alkaline;
• alkaline earth;
• overgangsmetaller.

Usædvanlige egenskaber har en forbindelse opnået ved at sammensmelte jern og silicium. Det kaldes ferrosiliciumkeramik og er blevet brugt med succes i industrien.

Silicon interagerer ikke med komplekse stoffer, derfor kan det af alle deres varianter kun opløses i:

• royal vodka (en blanding af salpetersyre og s altsyre);
• kaustiske alkalier.

I dette tilfælde skal opløsningens temperatur være mindst 60˚С. Alt dette bekræfter endnu en gang stoffets fysiske grundlag - et diamantlignende stabilt krystalgitter, som giver det styrke og træghed.

Metoder til at opnå

At få ren silicium er en temmelig dyr proces økonomisk. Derudover giver enhver metode på grund af dets egenskaber kun 90-99% rent produkt, mens urenheder i form af metaller og kulstof forbliver de samme. Så bare at få stoffet er ikke nok. Det bør også renses kvalitativt for fremmede elementer.

Generelt foregår produktionen af silicium på to hovedmåder:

1. Fra det hvide sandsom er ren siliciumoxid SiO₂. Når det kalcineres med aktive metaller (oftest med magnesium), dannes et frit grundstof i form af en amorf modifikation. Renheden af denne metode er høj, produktet opnås med et udbytte på 99,9 procent.
2. En mere udbredt metode i industriel skala er sintring af smeltet sand med koks i specialiserede termiske ovne. Denne metode er udviklet af den russiske videnskabsmand Beketov N. N.

Yderligere forarbejdning består i at udsætte produkterne for rengøringsmetoder. Til dette bruges syrer eller halogener (klor, fluor).

Amorf silicium

Karakterisering af silicium vil være ufuldstændig, hvis vi ikke overvejer hver af dens allotrope modifikationer separat. Den første er amorf. I denne tilstand er det stof, vi overvejer, et brunbrunt pulver, fint spredt. Det har en høj grad af hygroskopicitet, udviser en tilstrækkelig høj kemisk aktivitet ved opvarmning. Under standardbetingelser kan den kun interagere med det stærkeste oxidationsmiddel - fluor.

Det er ikke helt korrekt at kalde amorft silicium en række af krystallinsk silicium. Dens gitter viser, at dette stof kun er en form for fint dispergeret silicium, der eksisterer i form af krystaller. Derfor er disse modifikationer som sådan den samme forbindelse.

Men deres egenskaber er forskellige, derfor er det sædvanligt at tale om allotropi. I sig selv har amorft siliciumhøj lysabsorptionsevne. Derudover er denne indikator under visse betingelser flere gange højere end den for den krystallinske form. Derfor bruges den til tekniske formål. I den betragtede form (pulver) påføres forbindelsen let på enhver overflade, det være sig plastik eller glas. Derfor er det amorft silicium, der er så praktisk at bruge. Ansøgningen er baseret på fremstilling af solpaneler i forskellige størrelser.

Selvom sliddet på denne type batterier er ret hurtigt, hvilket er forbundet med slid på en tynd film af stoffet, vokser brugen og efterspørgslen dog kun. Selv i en kort levetid er solceller baseret på amorft silicium i stand til at levere energi til hele virksomheder. Derudover er produktionen af et sådant stof affaldsfri, hvilket gør det meget økonomisk.

Få denne modifikation ved at reducere forbindelser med aktive metaller, såsom natrium eller magnesium.

krystalsilicium

Sølvgrå skinnende modifikation af det pågældende element. Det er denne form, der er den mest almindelige og mest efterspurgte. Dette skyldes det sæt af kvalitative egenskaber, som dette stof besidder.

Karakteristikken for silicium med et krystalgitter omfatter en klassificering af dets typer, da der er flere af dem:

1. Elektronisk kvalitet - den reneste og højeste kvalitet. Det er denne type, der bruges i elektronik til at skabe særligt følsomme enheder.
2. Solrig kvalitet. Selve navnetdefinerer anvendelsesområdet. Det er også et silicium med høj renhed, hvis brug er nødvendigt for at skabe højkvalitets og langtidsholdbare solceller. Fotovoltaiske omformere skabt på basis af en krystallinsk struktur er af højere kvalitet og mere holdbare end dem, der er skabt ved hjælp af en amorf modifikation ved aflejring på forskellige typer substrater.
3. Teknisk silicium. Denne sort inkluderer de prøver af et stof, der indeholder omkring 98% af det rene grundstof. Alt andet går til forskellige slags urenheder:

• bor;
• aluminium;
• chlor;
• carbon;
• fosfor og andre.

Den sidste variant af det pågældende stof bruges til at opnå siliciumpolykrystaller. Til dette udføres omkrystallisationsprocesser. Som et resultat opnås der med hensyn til renhed produkter, der kan henføres til grupperne solenergi og elektronisk kvalitet.

I sagens natur er polysilicium et mellemprodukt mellem amorf og krystallinsk modifikation. Denne mulighed er lettere at arbejde med, den er bedre genanvendt og rengjort med fluor og klor.

De resulterende produkter kan klassificeres som følger:

• multicilicon;
• monokrystallinsk;
• profilerede krystaller;
• siliciumskrot;
• teknisk silicium;
• produktionsaffald i form af fragmenter og rester af stof.

Hver af dem finder anvendelse i industrien og brugesen person helt. Derfor anses produktionsprocesser, der involverer silicium, som affaldsfrie. Dette reducerer i høj grad de økonomiske omkostninger uden at påvirke kvaliteten.

Brug af ren silicium

Siliconeproduktion i industrien er etableret ganske godt, og dens omfang er ret omfangsrig. Dette skyldes det faktum, at dette grundstof, både rent og i form af forskellige forbindelser, er udbredt og efterspurgt i forskellige grene af videnskab og teknologi.

Hvor bruges rent krystallinsk og amorft silicium?

1. I metallurgi som et legeringsadditiv, der er i stand til at ændre egenskaberne af metaller og deres legeringer. Så det bruges til smeltning af stål og jern.
2. Forskellige typer stoffer bruges til at lave en renere version - polysilicium.
3. Forbindelser af silicium med organiske stoffer - dette er en hel kemisk industri, der har vundet særlig popularitet i dag. Silikonematerialer bruges i medicin, til fremstilling af tallerkener, værktøj og meget mere.
4. Produktion af forskellige solpaneler. Denne metode til at opnå energi er en af de mest lovende i fremtiden. Miljøvenlig, omkostningseffektiv og holdbar - de vigtigste fordele ved en sådan elproduktion.
5. Silicon er blevet brugt i lightere i meget lang tid. Selv i oldtiden brugte folk flint til at skabe en gnist, når de tændte bål. Dette princip er grundlaget for produktionen af lightere af forskellig art. I dag er der arter, hvoriflinten erstattes med en legering af en bestemt sammensætning, hvilket giver et endnu hurtigere resultat (gnister).
6. Elektronik og solenergi.
7. Produktion af spejle i gaslaserapparater.

Rent silicium har således en masse fordelagtige og specielle egenskaber, der gør det muligt at bruge det til at skabe vigtige og nødvendige produkter.

Anvendelse af siliciumforbindelser

Udover et simpelt stof, bruges også forskellige siliciumforbindelser, og det er meget bredt. Der er en hel industrigren kaldet silikat. Det er hende, der er baseret på brugen af forskellige stoffer, som inkluderer dette fantastiske element. Hvad er disse forbindelser, og hvad producerer de?

1. Kvarts eller flodsand - SiO₂. Det bruges til fremstilling af bygge- og dekorative materialer såsom cement og glas. Hvor disse materialer bruges, ved alle. Ingen konstruktion er komplet uden disse komponenter, hvilket bekræfter vigtigheden af siliciumforbindelser.
2. Silikatkeramik, som omfatter materialer som fajance, porcelæn, mursten og produkter baseret på dem. Disse komponenter bruges i medicin, til fremstilling af fade, dekorative ornamenter, husholdningsartikler, i byggeri og andre husholdningsområder med menneskelig aktivitet.
3. Siliconeforbindelser - silikoner, silicageler, silikoneolier.
4. Silikatlim - bruges som papirvarer, i pyroteknik og byggeri.

Silicon, hvis pris varierer på verdensmarkedet, men ikke krydserfra top til bund er mærket på 100 rubler fra Den Russiske Føderation pr. kilogram (pr. krystallinsk), et efterspurgt og værdifuldt stof. Naturligvis er forbindelser af dette grundstof også udbredte og anvendelige.

Silicons biologiske rolle

Ud fra et synspunkt af betydning for kroppen, er silicium vigtigt. Dens indhold og vævsfordeling er som følger:

• 0, 002 % - muskuløs;
• 0, 000017 % - knogle;
• blod - 3,9 mg/l.

Hver dag bør der komme omkring et gram silicium ind, ellers vil sygdomme begynde at udvikle sig. Der er ingen dødelige blandt dem, men langvarig siliciumsult fører til:

• hårtab;
• udseende af acne og bumser;
• skrøbelighed og skrøbelighed af knogler;
• let kapillærpermeabilitet;
• træthed og hovedpine;
• forekomsten af adskillige blå mærker og blå mærker.

For planter er silicium et vigtigt sporstof, der er nødvendigt for normal vækst og udvikling. Dyreforsøg har vist, at individer, der dagligt indtager nok silicium, vokser bedst.