Погледнете полуметалния силиций!

Силициевият метал е сив и лъскав полупроводим метал, който се използва за направата на стомана, слънчеви клетки и микрочипове.

Силицият е вторият най-разпространен елемент в земната кора (зад само кислорода) и осмият най-разпространен елемент във Вселената. Всъщност близо 30 процента от теглото на земната кора може да се припише на силиция.

Елементът с атомен номер 14 се намира естествено в силикатни минерали, включително силициев диоксид, фелдшпат и слюда, които са основните компоненти на обикновените скали като кварц и пясъчник.

Полуметален (или металоиден) силиций има някои от свойствата както на метали, така и на неметали.

Подобно на водата, но за разлика от повечето метали, силицийът е течен и се разширява, докато се втвърдява. Той има относително високи точки на топене и кипене, а кристализацията образува кристална кристална структура на диамант.

От решаващо значение за ролята на силиция като полупроводник и неговото използване в електрониката е атомната структура на елемента, която включва четири валентни електрона, които позволяват на силиция лесно да се свързва с други елементи.

Шведският химик Джоунс Якоб Берсерлиус е кредитиран за първия изолационен силиций през 1823 г. Берцерлиус постигна това чрез нагряване на метален калий (който беше изолиран само преди десет години) в тигел заедно с калиев флуоросиликат.

Резултатът беше аморфен силиций.

Отне обаче повече време, за да се получи кристален силиций. Електролитна проба от кристален силиций няма да бъде произведена още три десетилетия.

Първата търговска употреба на силиций е под формата на феросилиций.

След модернизацията на стоманодобивната промишленост на Хенри Бесемер в средата на 19 век се наблюдава силен интерес към металургичната металургия и изследванията в стоманодобивното инженерство.

По времето на първото промишлено производство на феросилиций през 1880-те години, стойността на силиция за подобряване на пластичността в чугуна и деоксидирането на стомана е добре разбрана.

Ранното производство на феросилиций се извършва в доменни пещи чрез редуциране на силициеви руди с дървени въглища, което води до сребрист чугун, феросилиций с до 20 процента силиций.

Развитието на електродъгови пещи в началото на 20-ти век позволи не само да се увеличи производството на стомана, но и да се увеличи производството на феросилиций.

През 1903 г. група, специализирана в създаването на феросплави (Compagnie Generate d'Electrochimie) започва работа в Германия, Франция и Австрия, а през 1907 г. е основан първият комерсиален завод за производство на силиций в САЩ.

Производството на стомана не беше единственото приложение за силициеви съединения, които бяха комерсиализирани до края на 19 век.

За производството на изкуствени диаманти през 1890 г. Едуард Гудрич Ачесън нагрява алумосиликат с прахообразен кокс и произволно произведен силициев карбид (SiC).

Три години по-късно Ачесън патентова своя производствен метод и основа Carborundum Company (carborundum, което беше общото име на силициевия карбид по това време) за производство и пускане на пазара на абразивни продукти.

До началото на 20-ти век, проводимите свойства на силициевия карбид също са осъзнати и това съединение е използвано като детектор в ранните корабни радиостанции. Патент за детектори от силициеви кристали е предоставен на GW Picard през 1906 г.

През 1907 г. е създаден първият диод, излъчващ светлина (LED) чрез подаване на напрежение към кристал от силициев карбид.

През 30-те години на миналия век използването на силиций нараства с разработването на нови химически продукти, включително силани и силикони.

Разрастването на електрониката през миналия век също е неразривно свързано със силиция и неговите уникални свойства.

Докато създаването на първите транзистори - предшествениците на съвременните микрочипове - разчита на германий през 40-те години на миналия век, не много преди силицият да измести своя метален братовчед като по-издръжлив полупроводников субстратен материал.

Bell Labs и Texas Instruments започват търговско производство на силициеви транзистори през 1954 г.
Първите силициеви интегрални схеми са направени през 60-те години на миналия век, а през 70-те години на миналия век са разработени силициеви процесори.

Като се има предвид, че силициевите полупроводникови технологии са гръбнакът на съвременната електроника и компютрите, не трябва да е изненада, че наричаме центъра на индустрията „Силиконовата долина“.

(За задълбочен поглед върху историята и развитието на технологията и микрочиповете в Силиконовата долина, горещо препоръчвам документалния филм за американския опит, Силиконовата долина.)

Малко след откриването на първите транзистори, работата на Bell Labs със силиция доведе до втори голям пробив през 1954 г.: първата силициева фотоволтаична (слънчева) клетка.

Дотогава идеята за използване на енергията на слънцето за създаване на сила на земята се смяташе за невъзможна от повечето. Но само четири години по-късно, през 1958 г., първият спътник със силиконови слънчеви панели обикаля Земята.

До 70-те години на миналия век търговските приложения за слънчеви технологии се разрастват до наземни приложения, като например включване на осветление на офшорни петролни платформи и железопътни прелези.

Използването на слънчева енергия нарасна експоненциално през последните две десетилетия. Днес силициевите фотоволтаични технологии представляват около 90 процента от световния слънчев пазар.

Производство

Повечето от рафинирания силиций всяка година - около 80 процента - се произвежда като феросилиций за използване в производството на желязо и стомана. Феросилицият може да съдържа от 15 до 90% силиций в зависимост от изискванията на топилника.

Сплав от желязо и силиций се произвежда с помощта на потопяема електродъгова пещ чрез намаляване на топенето. Натрошената руда от силикагел и източник на въглерод като коксуващи се въглища (металургични въглища) се раздробяват и се зареждат в пещта заедно с металния скрап.

При температури над 1900 ° C (3450 ° F), въглеродът реагира с кислород, присъстващ в рудата, за да образува газ въглероден окис. Междувременно останалата част от желязото и силиция се комбинират, за да се получи разтопен феросилиций, който може да се събере чрез потупване върху основата на пещта.

След охлаждане и закаляване феросилицийът може да бъде транспортиран и използван директно в производството на желязо и стомана.

Същият метод, без включването на желязо, се използва за получаване на силиций от металургичен клас, който е с над 99 процента чистота. Металургичният силиций се използва и в производството на стомана, както и в производството на отляти алуминиеви сплави и силанови химикали.

Металургичният силиций се класифицира по нивата на примеси на желязо, алуминий и калций, присъстващи в сплавта. Например, метален силиций 553 съдържа по-малко от 0,5 процента от всяко желязо и алуминий и по-малко от 0,3 процента калций.

Около 8 милиона метрични тона феросилиций се произвеждат годишно в света, като Китай представлява около 70 процента от това количество. Основните производители включват Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Group OM Materials и Elkem.

Годишно се произвеждат допълнителни 2,6 милиона метрични тона металургичен силиций - или около 20 процента от общия рафиниран силициев метал. Китай, отново, представлява около 80 процента от това производство.

Изненадващо за мнозина, слънчевите и електронните силиций представляват само малко количество (по-малко от два процента) от общото производство на рафиниран силиций.

За да преминете към слънчев метален силиций (полисилиций), чистотата трябва да се увеличи до 99,9999% чист чист силиций (6N). Това става по един от трите начина, най-разпространеният от които е процесът на Siemens.

Процесът на Siemens включва химическо отлагане на пари на летлив газ, известен като трихлорсилан. При 1150 ° C (2102 ° F), трихлоросиланът се издухва върху силициево семе с висока чистота, монтирано на края на пръчката. Докато преминава, силиций с висока чистота от газа се отлага върху семената.

Реактор с кипящ слой (FBR) и модернизирана силициева технология за металургичен клас (UMG) също се използват за надграждане на метала до полисилиций, подходящ за фотоволтаичната индустрия.

През 2013 г. са произведени 230 000 метрични тона полисилиций. Водещите производители включват GCL Poly, Wacker-Chemie и OCI.

И накрая, за да направи силиция от клас електроника подходящ за полупроводниковата индустрия и някои фотоволтаични технологии, полисилиций трябва да бъде превърнат в свръхчист монокристален силиций чрез процеса на Чохралски.

За да направите това, полисилицийът се стопява в тигел при температура 1425 ° C (2597 ° F) в инертна атмосфера. След това разтопеният зародишен кристал се потапя в разтопения метал и бавно се обръща и отстранява, оставяйки време на силиция да расте върху зародишния материал.

Полученият продукт е пръчка (или буле) от монокристален силициев метал, който може да достигне 99,999999999 (11N) процента чистота. Този прът може да бъде легиран с бор или фосфор, ако е необходимо, за да се модифицират квантовомеханичните свойства, ако е необходимо.

Монокристалният прът може да бъде доставен на клиентите такъв, какъвто е, или нарязан на вафли, и полиран или текстуриран за конкретни потребители.

Приложение

Докато приблизително 10 милиона метрични тона феросилиций и силициев метал се рафинират всяка година, по-голямата част от използвания на пазара силиций всъщност са силициеви минерали, които се използват за направата на всичко от цимент, хоросани и керамика до стъкло и полимери.

Феросилицият, както беше отбелязано, е най-често използваната форма на метален силиций. От първата си употреба преди около 150 години феросилицият остава важен деоксидиращ агент при производството на въглерод и неръждаема стомана. Днес топенето на стомана остава най-големият потребител на феросилиций.

Въпреки това, феросилицият има редица предимства извън производството на стомана. Това е предварителна сплав при производството на магнезиев феросилиций, нодулатор, използван за производството на ковко желязо, а също и по време на процеса Pidgeon за пречистване на магнезий с висока чистота.

Феросилицият може да се използва и за направата на термични и устойчиви на корозия железни сплави, както и силициева стомана, която се използва при производството на електрически двигатели и трансформаторни сърцевини.

Металургичният силиций може да се използва в производството на стомана, а също и като легиращ агент при алуминиево леене. Автомобилните части от алуминий и силиций (Al-Si) са по-леки и по-здрави от частите от чист алуминий. Автомобилните части като блокове на двигателя и гуми са едни от най-често използваните части от лят алуминий.

Почти половината от целия металургичен силиций се използва от химическата промишленост за производство на димящ силициев диоксид (сгъстител и десикант), силани (свързващо вещество) и силикони (уплътнители, лепила и смазки).

Фотоволтаичният полисилиций се използва основно при производството на полисилициеви слънчеви клетки. За производството на един мегават соларни модули са необходими около пет тона полисилиций.

В момента слънчевата технология от полисилиций представлява повече от половината от слънчевата енергия, произведена в световен мащаб, докато моносилициевата технология представлява около 35 процента. Общо 90 процента от слънчевата енергия, използвана от хората, се добива от силициева технология.

Монокристалният силиций също е критичен полупроводников материал, който се намира в съвременната електроника. Като субстратен материал, използван при производството на полеви транзистори (FET), светодиоди и интегрални схеми, силиций може да се намери в почти всички компютри, мобилни телефони, таблети, телевизори, радиостанции и други съвременни комуникационни устройства.

Смята се, че над една трета от всички електронни устройства съдържат базирана на силиций полупроводникова технология.

И накрая, циментираният карбид силициев карбид се използва в различни електронни и неелектронни приложения, включително синтетични бижута, високотемпературни полупроводници, твърда керамика, режещи инструменти, спирачни дискове, абразиви, бронежилетки и нагревателни елементи.

(силиций), Si - хим. елемент от група IV на периодичната система от елементи; в н. 14, в. м. 28.086. Кристалният силиций е тъмно сиво вещество със смолист блясък. В повечето съединения той проявява степени на окисление - 4, +2 и +4. Естественият силиций се състои от стабилните изотопи 28Si (92,28%), 29Si (4,67%) и 30Si (3,05%). Получени са радиоактивни 27Si, 31Si и 32Si с период на полуразпад съответно 4,5 секунди, 2,62 часа и 700 години. К. е идентифициран за първи път през 1811 г. от френски. химик и физик Дж. Л. Гей-Люсак и френски. химик L. Zh. Thenar, но идентифициран едва през 1823 г. като швед, химик и минералог J. J. Berzelius.

По отношение на разпространението в земната кора (27,6%), силицийът е вторият (след кислорода) елемент. Намира се преим. под формата на силициев диоксид SiO2 и други кислородсъдържащи вещества (силикати, алумосиликати и др.). При нормални условия се образува стабилна полупроводникова модификация, характеризираща се с лицево-центрирана кубична структура от тип диамант, с период a = 5,4307 A. Междуатомното разстояние е 2,35 A. Плътността е 2,328 g / cm. При високо налягане (120-150 kbar) се трансформира в по-плътни полупроводникови и метални модификации. Металната модификация е свръхпроводник с температура на преход от 6,7 K. С увеличаване на налягането, точката на топене намалява от 1415 ± 3 ° C при налягане от 1 bar до 810 ° C при налягане от 15 104 bar (тройна точка на съвместно съществуване на полупроводник, метал и течност К.). При топене настъпва увеличаване на координационния номер и метализация на междуатомните връзки. По отношение на естеството на порядъка на къси разстояния, който съответства на силно изкривена центрирана по тялото кубична структура, аморфният силиций е близък до течния силиций. Debaevskaya t-ra е близо до 645 K. Coeff. температурното линейно разширение се променя с промяна на t-ry по екстремния закон, под t-ry 100 K става отрицателно, достигайки минимум (-0,77 · 10 -6) deg -1 при t-ry 80 K; при t-re 310 K е равно на 2,33 · 10 -6 deg -1, а при t-re 1273 K -4,8 · 10 deg -1. Топлина на сливане 11,9 kcal / g-атом; точка на кипене 3520 K.

Топлината на сублимация и изпаряване при точка на топене е съответно 110 и 98,1 kcal / g-атом. Топлопроводимостта и електропроводимостта на силиция зависят от чистотата и съвършенството на кристалите. С нарастването на t-ry коеф. топлопроводимостта на чистия K. първо се увеличава (до 8,4 cal / cm XX sec deg при t-re 35 K), а след това намалява, достигайки 0,36 и 0,06 cal / cm s * deg при t-re, съответно 300 и 1200 K. Енталпията, ентропията и топлинния капацитет на K. при стандартни условия са съответно 770 cal/g-atom, 4,51 и 4,83 cal/g-atom - deg. Силицият е диамагнитен, магнитна чувствителност на твърдо вещество (-1,1 · 10 -7 emu / g) и течност (-0,8 · 10 -7 emu / g). Силицият е слабо зависим от t-ry. Повърхностната енергия, плътността и кинематичният вискозитет на течен К. при точка на топене са 737 erg / cm2, 2,55 g / cm3 и 3 · 10 m2 / sec. Кристалният силиций е типичен полупроводник с ширина на забранената зона от 1,15 eV при t-pe 0 K и 1,08 eV - при t-pe 300 K. При стайна температура концентрацията на присъщите носители на заряд е близка до 1,4 10 10 cm - 3, ефективната подвижност на електроните и дупките е съответно 1450 и 480 cm 2 / v · s, а специфичното електрическо съпротивление е 2,5 · 105 ohm · cm. С увеличаване на t-ry те се променят експоненциално.

Електрическите свойства на силиция зависят от естеството и концентрацията на примесите, както и от съвършенството на кристала. Обикновено, за да се получи полупроводников силиций с p- и n-тип проводимост, той се легира с елементи IIIb (бор, алуминий, галий) и Vb (фосфор, арсен, антимон, бисмут) подгрупи, които създават набор от акцепторни и донорни нива , съответно, разположени близо до границите на лентите ... За легирането се използват и други елементи (например), които образуват т.нар. дълбоки нива, които предизвикват улавяне и рекомбинация на носители на заряд. Това прави възможно получаването на материали с висока ел. съпротивление (1010 ohm · cm при t-re 80 K) и кратка продължителност на съществуването на миноритарни носители на заряд, което е важно за увеличаване на скоростта на различни устройства. Коеф. термомощността на силиция значително зависи от t-ry и съдържанието на примеси, нараства с увеличаване на електрическото съпротивление (при p = 0,6 ohm - cm, a = 103 μV / deg). Диелектричната константа на силиция (от 11 до 15) слабо зависи от състава и съвършенството на монокристалите. Закономерностите на оптичното поглъщане на силиция се променят значително с промяна в неговата чистота, концентрация и естество на структурните дефекти, както и дължината на вълната.

Границата на непряко поглъщане на електромагнитни трептения е близка до 1,09 eV, а на директно поглъщане до 3,3 eV. Във видимата област на спектъра параметрите на комплексния показател на пречупване (n - ik) зависят много значително от състоянието на повърхността и наличието на примеси. За особено чиста К. (приλ = 5461 A и t-re 293 K) n = 4,056 и k = 0,028. Работната функция на електроните е близка до 4,8 eV. Силицият е крехък. Неговата твърдост (t-ra 300 K) по Mohs - 7; НВ = 240; HV u = 103; I = 1250 kgf / mm2; модул на норми, еластичност (поликристал) 10 890 kgf / mm2. Крайната якост зависи от съвършенството на кристала: за огъване от 7 до 14, за компресия от 49 до 56 kgf / mm2; коеф. свиваемост 0,325 1066 cm2 / kg.

При стайна температура силицийът практически не взаимодейства с газообразни (с изключение) и твърди реагенти, с изключение на основи. При повишена температура той активно взаимодейства с метали и неметали. По-специално, той образува SiC карбид (при температура над 1600 K), нитрид Si3N4 (при температура над 1300 K), фосфид SiP (при температура над 1200 K) и арсениди Si As, SiAS2 (при температура над 1000 K). Реагира с кислород при температура над 700 K, образувайки SiO2 диоксид, с халогени - флуорид SiF4 (при температура над 300 K), SiCl4 хлорид (при температура над 500 K), SiBr4 бромид (при температура 700 K) и SiI4 нодид (при температура 1000 К). Реагира интензивно с много други. метали, образуващи твърди разтвори на заместване в тях или хим. съединения - силициди. Областите на концентрация на хомогенност на твърдите разтвори зависят от естеството на разтворителя (например в германий от 0 до 100%, в желязо до 15%, в алфа-цирконий по-малко от 0,1%).

В твърдия кремък има значително по-малко метали и неметали и обикновено е ретрограден. В този случай граничното съдържание на примеси, които създават плитки нива в K. достигат максимум (2 × 10 18, 10 19, 2 × 10 19, 1021, 2 × 10 21 cm) в диапазона от tr от 1400 до 1600 К. дълбоките нива се отличават със значително по-ниска разтворимост (от 1015 за селен и 5 · 10 16 за желязо до 7 · 10 17 за никел и 10 18 cm-3 за мед). В течно състояние силицийът се смесва за неопределено време с всички метали, често с много голямо отделяне на топлина. Чистият силиций се получава от технически продукт от 99% Si и по 0,03% Fe, Al и Co), получен чрез редуциране на кварц с въглерод в електрически пещи. Първо се промива с тотами (смес от солна и сярна, а след това флуороводородна и сярна) примеси, след което полученият продукт (99,98%) се обработва с хлор. Синтезираните се пречистват чрез дестилация.

Полупроводниковият силиций се получава чрез редукция на SiCl4 (или SiHCl3) хлорид с водород или термично разлагане на SiH4 хидрид. Окончателното пречистване и растеж на монокристали се извършва чрез гладка зона без тигел или по метода на Чохралски, като се получават високо чисти блокове (съдържание на примеси до 1010-1013 cm-3) av> 10 3 ома монокристали, дозирани количества от в тях се въвеждат необходимите примеси. Така се приготвят цилиндрични блокове с диаметър 2-4 см и дължина 3-10 см. произвеждат се и по-големи монокристали. Техническият силиций, и особено той с желязото, се използва като деоксиданти и редуктори на стомана, както и като легиращи добавки. Високо чисти проби от монокристален кислород, легиран с различни елементи, се използват като основа за различни слаботокови (по-специално термоелектрически, радио, светлинни и фототехнически) и силнотокови (изправители, преобразуватели) устройства.

Силиций или силиций

Силицият принадлежи към неметалите, неговите атоми на външно енергийно ниво имат 4 електрона. Той може да ги раздаде, показвайки степен на окисление +4, и да прикрепи електрони, показвайки степен на окисление от -4. Въпреки това, способността за свързване на електрони към силиция е значително по-малка от тази на въглерода. Силициевите атоми имат по-голям радиус от въглеродните атоми.

Намиране на силиций в природата

Силицият е много разпространен в природата. тя представлява над 26% от масата на земната кора. По отношение на разпространението се нарежда на второ място (след кислорода). За разлика от въглерода, С не се среща в свободно състояние в природата. Той е част от различни химични съединения, главно различни модификации на силициев оксид (IV) и соли на силициева киселина (силикати).

Получаване на силиций

В промишлеността силиций с техническа чистота (95 - 98%) се получава чрез редуциране на SiO 2 с кокс в електрически пещи по време на калциниране:

SiO 2 + 2C = Si + 2CO

SiO 2 + 2Mg = Si + 2MgO

По този начин се получава кафяв силициев прах, аморфен с примеси. Чрез прекристализация от стопени метали (Zn, Al) може да се превърне в кристално състояние.

За полупроводниковата технология силиций с много висока чистота се получава чрез редукция при 1000 ° C силициев тетрахлорид SiCl 4 двойки цинк:

SiCl 4 + 2Zn = Si + 2ZnCl 2

и след това се почиства по специални методи.

Физични и химични свойства на силиция

Чистият кристален силиций е крехък и твърд, драскотини. Подобно на диаманта, той има кубична кристална решетка с ковалентна връзка. Неговата точка на топене е 1423 ° C. При нормални условия силицийът е неактивен елемент, той се комбинира само с флуор, но при нагряване влиза в различни химични реакции.

Използва се като ценен материал в полупроводниковата технология. В сравнение с други полупроводници, той е силно устойчив на киселини и може да поддържа високо електрическо съпротивление до 300 ° C. Техническият силиций и феросилицият се използват и в металургията за производство на топлоустойчиви, киселинноустойчиви и инструментални стомани, чугуни и много други сплави.

С металите силицийът образува химични съединения, наречени силициди, при нагряване с магнезий се образува магнезиев силицид:

Si + 2Mg = Mg 2 Si

Силицидите на метали по структура и свойства наподобяват карбиди, така че металоподобните силициди, както и металоподобните карбиди, се отличават с висока твърдост, висока точка на топене и добра електрическа проводимост.

Когато смес от пясък и кокс се калцинира в електрически пещи, се образуват силициево-въглеродни съединения - силициев карбид или карборунд:

SiO 2 + 3C = SiC + 2CO

Карборундът е огнеупорно, безцветно твърдо вещество, ценно като абразивен и топлоустойчив материал. Карборундът, подобно, има атомна кристална решетка. В чисто състояние той е изолатор, но при наличие на примеси се превръща в полупроводник.

Като силиций , образува два оксида: силициев оксид (II) SiO и силициев оксид (IV) SiO 2 ... Силициевият (IV) оксид е твърдо огнеупорно вещество, което е широко разпространено в природата в свободно състояние. Това е химически стабилно вещество, което взаимодейства само с флуор и газообразен флуороводород или флуороводородна киселина:

SiO 2 + 2F 2 = SiF 4 + O 2

SiO 2 + 4HF = SiF 4 + 2H 2 O

Дадената посока на реакциите се обяснява с факта, че силицият има висок афинитет към флуора. Освен това силициевият тетрафлуорид е летливо вещество.

В технологията прозрачен SiO 2 използва се за производството на стабилно огнеупорно кварцово стъкло, което пропуска добре ултравиолетовите лъчи, има голям коефициент на разширение и следователно издържа на значителни моментни температурни промени. Аморфна модификация на силициев оксид (II) триполи - има висока порьозност. Използва се като топло- и звукоизолатор, за производство на динамит (взривен носител) и т.н. Силициевият (IV) оксид под формата на обикновен пясък е един от основните строителни материали. Използва се в производството на огнеупорни и киселинноустойчиви материали, стъкло, като флюс в металургията и др.

При сравними молекулярни формули, химични и физични свойства на въглеродния оксид (IV) и силициевия оксид (IV), лесно е да се види, че свойствата на тези съединения, сходни по химичен състав, са различни. Това се дължи на факта, че силициевият (IV) оксид не се състои само от молекули SiO 2 , и от техните съдружници, в които силициевите атоми са свързани помежду си чрез кислородни атоми. Силициев (IV) оксид (SiO 2 ) n. Неговото изображение в равнината е както следва:

¦ ¦ ¦

О О О

¦ ¦ ¦

¦ ¦ ¦

О О О

¦ ¦ ¦

- O - Si - O - Si - O - Si - O -

¦ ¦ ¦

О О О

¦ ¦ ¦

Силициевите атоми са разположени в центъра на тетраедъра, а кислородните атоми са разположени в ъглите му. Връзките Si - O са много силни, което обяснява високата твърдост на силициевия (IV) оксид.

Един от най-често срещаните елементи в природата е силиций или силиций. Такова широко разпространено селище говори за важността и значението на това вещество. Това бързо беше разбрано и научено от хора, които се научиха как да използват силиций за собствени цели. Използването му се основава на специални свойства, за които ще говорим по-нататък.

Силиций - химичен елемент

Ако характеризираме този елемент по позиция в периодичната система, тогава могат да бъдат идентифицирани следните важни точки:

1. Серийният номер е 14.
2. Период - трета непълнолетна.
3. Група - IV.
4. Подгрупата е основната.
5. Структурата на външната електронна обвивка се изразява с формулата 3s 2 3p 2.
6. Елементът силиций се обозначава с химическия символ Si, който се произнася като "силиций".
7. Окислението показва, че показва: -4; +2; +4.
8. Валентността на атома е IV.
9. Атомната маса на силиция е 28,086.
10. В природата има три стабилни изотопа на този елемент с масови числа 28, 29 и 30.

Така от химическа гледна точка силициевият атом е достатъчно проучен елемент и са описани много от различните му свойства.

История на откритията

Тъй като в природата различните съединения на въпросния елемент са много популярни и масови по съдържание, от древни времена хората са използвали и са знаели за свойствата на много от тях. Дълго време чистият силиций остава извън човешките познания в химията.

Най-популярните съединения, използвани в ежедневието и индустрията от народите на древните култури (египтяни, римляни, китайци, русичи, перси и други) са скъпоценни и декоративни камъни на основата на силициев оксид. Те включват:

• опал;
• кристален кристал;
• топаз;
• хризопраз;
• оникс;
• халцедон и др.

Също така от древни времена е обичайно да се използва кварц в строителния бизнес. Самият елементарен силиций обаче остава неоткрит до 19-ти век, въпреки че много учени напразно се опитват да го изолират от различни съединения, използвайки за това катализатори, високи температури и дори електрически ток. Това са такива светли умове като:

• Карл Шееле;
• Гей Лусак;
• Тенар;
• Хъмфри Дейви;
• Антоан Лавоазие.

Йенс Джейкъбс Берцелиус успява успешно да получи силиций в чист вид през 1823 г. За това той провежда експеримент за сливане на парите на силициев флуорид и метален калий. В резултат на това се получава аморфна модификация на въпросния елемент. Същият учен предложи латинското име за отворения атом.

Малко по-късно, през 1855 г., друг учен - Saint Clair-Deville - успява да синтезира друг алотропен сорт - кристален силиций. Оттогава знанията за този елемент и неговите свойства започнаха да нарастват много бързо. Хората осъзнаха, че има уникални характеристики, които могат да бъдат използвани много интелигентно за задоволяване на собствените им нужди. Ето защо днес един от най-търсените елементи в електрониката и технологиите е силицият. Прилагането му само разширява границите си всяка година.

Руското име на атома е дадено от учения Хес през 1831 г. Това е утвърдено и до днес.

Силицият се нарежда на второ място след кислорода по своето изобилие в природата. Процентът му в сравнение с други атоми в състава на земната кора е 29,5%. В допълнение, въглеродът и силицийът са два специални елемента, които могат да образуват вериги, като се свързват един с друг. Ето защо за последния са известни повече от 400 различни природни минерала, в състава на които се съдържа в литосферата, хидросферата и биомасата.

Къде точно се намира силиций?

1. В дълбоки почвени слоеве.
2. В скали, отлагания и масиви.
3. На дъното на водни тела, особено на морета и океани.
4. В растенията и морския живот в животинското царство.
5. При хората и сухоземните животни.

Могат да бъдат идентифицирани няколко от най-често срещаните минерали и скали, в които силицийът присъства в големи количества. Химията им е такава, че масовото съдържание на чистия елемент в тях достига 75%. Точната цифра обаче зависи от вида на материала. И така, скали и минерали със съдържание на силиций:

• фелдшпати;
• слюда;
• амфиболи;
• опали;
• халцедон;
• силикати;
• пясъчници;
• алумосиликати;
• глини и други.

Натрупвайки се в черупките и външните скелети на морските животни, силицийът с течение на времето образува мощни отлагания на силициев диоксид на дъното на резервоарите. Той е един от естествените източници на този елемент.

Освен това беше установено, че силиций може да съществува в чисто естествено състояние - под формата на кристали. Но такива депозити са много редки.

Физични свойства на силиция

Ако характеризираме разглеждания елемент с набор от физикохимични свойства, тогава на първо място трябва да бъдат обозначени физическите параметри. Ето някои от основните:

1. Съществува под формата на две алотропни модификации – аморфна и кристална, които се различават по всички свойства.
2. Кристалната решетка е много подобна на тази на диаманта, тъй като въглеродът и силицийът са практически еднакви в това отношение. Разстоянието между атомите обаче е различно (силицият има повече), така че диамантът е много по-твърд и здрав. Тип решетка - лицевоцентрирана кубична.
3. Веществото е много крехко, става пластично при високи температури.
4. Точката на топене е 1415˚С.
5. Точката на кипене е 3250˚С.
6. Плътността на веществото е 2,33 g / cm 3.
7. Цветът на съединението е сребристо-сив, с характерен метален блясък.
8. Притежава добри полупроводникови свойства, които могат да се променят с добавяне на определени агенти.
9. Неразтворим във вода, органични разтворители и киселини.
10. Разтворим в основи.

Посочените физически свойства на силиция позволяват на хората да го манипулират и да го използват за създаване на различни продукти. Така, например, използването на чист силиций в електрониката се основава на свойствата на полупроводника.

Химични свойства

Химичните свойства на силиция са силно зависими от условията на реакцията. Ако говорим за стандартните параметри, тогава трябва да посочите много ниска активност. Както кристалният, така и аморфният силиций са много инертни. Те не взаимодействат със силни окислители (с изключение на флуор) или със силни редуциращи агенти.

Това се дължи на факта, че върху повърхността на веществото моментално се образува оксиден филм от SiO 2, което предотвратява по-нататъшни взаимодействия. Може да се образува под въздействието на вода, въздух, пари.

Ако стандартните условия се променят и силицият се нагрява до температура над 400 ° C, тогава неговата химическа активност ще се увеличи значително. В този случай той ще реагира с:

• кислород;
• всички видове халогени;
• водород.

При по-нататъшно повишаване на температурата е възможно образуването на продукти при взаимодействие с бор, азот и въглерод. Карборунд - SiC е от особено значение, тъй като е добър абразивен материал.

Също така, химичните свойства на силиция са ясно видими при реакции с метали. По отношение на тях той е окислител, поради което продуктите се наричат ​​силициди. Подобни съединения са известни за:

• алкална;
• алкална земя;
• преходни метали.

Съединението, получено чрез сливане на желязо и силиций, притежава необичайни свойства. Нарича се феросилициева керамика и се използва успешно в индустрията.

Силицият не взаимодейства със сложни вещества, следователно от всичките им разновидности може да се разтвори само в:

• царска вода (смес от азотна и солна киселина);
• каустични алкали.

В този случай температурата на разтвора трябва да бъде най-малко 60˚С. Всичко това за пореден път потвърждава физическата основа на веществото - подобна на диамант стабилна кристална решетка, която му придава здравина и инертност.

Методи за получаване

Получаването на силиций в чиста форма е икономически доста скъп процес. Освен това, поради своите свойства, всеки метод дава само 90-99% чист продукт, докато примесите под формата на метали и въглерод остават същите. Следователно само получаването на веществото не е достатъчно. Той също така трябва да бъде качествено почистен от чужди елементи.

Като цяло производството на силиций се извършва по два основни начина:

1. От бял пясък, който е чист силициев оксид SiO 2. При калциниране с активни метали (най-често с магнезий) се образува свободен елемент под формата на аморфна модификация. Чистотата на този метод е висока, продуктът се получава с добив 99,9%.
2. По-разпространен метод в промишлен мащаб е синтероването на разтопен пясък с кокс в специализирани термични пещи. Този метод е разработен от руския учен Н. Н. Бекетов.

По-нататъшната обработка се състои в подлагане на продуктите на методи за почистване. За това се използват киселини или халогени (хлор, флуор).

Аморфен силиций

Характеризирането на силиция ще бъде непълно, ако не разгледаме отделно всяка от неговите алотропни модификации. Първият е аморфен. В това състояние веществото, което разглеждаме, е кафяво-кафяв прах, фино диспергиран. Притежава висока степен на хигроскопичност, проявява доста висока химическа активност при нагряване. При стандартни условия той е в състояние да взаимодейства само с най-силния окислител - флуор.

Не е съвсем правилно да наричаме аморфния силиций вид кристален силиций. Неговата решетка показва, че това вещество е само форма на фино диспергиран силиций, съществуващ под формата на кристали. Следователно, като такива, тези модификации са едно и също съединение.

Техните свойства обаче се различават и затова е обичайно да се говори за алотропия. Сам по себе си аморфният силиций има висок капацитет за поглъщане на светлина. Освен това, при определени условия, този индикатор е няколко пъти по-висок от този на кристалната форма. Поради това се използва за технически цели. В разглежданата форма (прах) съединението се нанася лесно върху всяка повърхност, било то пластмаса или стъкло. Следователно аморфният силиций е толкова удобен за използване. Приложението се основава на различни размери.

Въпреки че износването на батериите от този тип е доста бързо, което е свързано с абразия на тънък филм от веществото, употребата и търсенето само нарастват. Всъщност, дори при кратък експлоатационен живот, слънчевите клетки на базата на аморфен силиций са в състояние да осигурят енергия на цели предприятия. Освен това производството на такова вещество е безотпадно, което го прави много икономично.

Тази модификация се получава чрез редуциране на съединенията с активни метали, например натрий или магнезий.

Кристален силиций

Сребристо-сива лъскава модификация на въпросния елемент. Именно тази форма е най-често срещаната и най-търсената. Това се дължи на набора от качествени свойства, които притежава това вещество.

Характеристиката на силиция с кристална решетка включва класификацията на неговите типове, тъй като има няколко от тях:

1. Електронно качество - възможно най-чистото и най-високо качество. Именно този тип се използва в електрониката за създаване на особено чувствителни устройства.
2. Слънчево качество. Самото име определя областта на употреба. Освен това е силиций с доста висока чистота, използването на който е необходимо за създаване на висококачествени и дълготрайни слънчеви клетки. Фотоволтаичните преобразуватели, базирани на кристалната структура, са с по-високо качество и устойчивост на износване от тези, създадени чрез аморфна модификация чрез отлагане върху различни видове субстрати.
3. Технически силиций. Този сорт включва онези проби от вещество, които съдържат около 98% чист елемент. Всичко останало отива за различни видове примеси:

• алуминий;
• хлор;
• въглерод;
• фосфор и други.

Последният тип разглеждано вещество се използва за получаване на силициеви поликристали. За това се извършват процеси на прекристализация. В резултат на това по отношение на чистотата се получават такива продукти, които могат да бъдат отнесени към групите за слънчево и електронно качество.

По своята същност полисилицият е междинен продукт между аморфната и кристалната модификация. Тази опция е по-лесна за работа, по-добре се обработва и почиства с флуор и хлор.

Получените продукти могат да бъдат класифицирани, както следва:

• мултисилициев;
• монокристален;
• профилирани кристали;
• силициев скрап;
• технически силиций;
• производствени отпадъци под формата на фрагменти и остатъци от материя.

Всеки от тях се използва в индустрията и се използва изцяло от хората. Следователно тези, които се отнасят до силиция, се считат за безотпадни. Това значително намалява икономическата му цена, като същевременно не се отразява на качеството.

Използване на чист силиций

Производството на силиций в индустрията е доста добре установено, а мащабът му е доста голям. Това се дължи на факта, че този елемент, както чист, така и под формата на различни съединения, е широко разпространен и търсен в различни клонове на науката и технологиите.

Къде се използва чист кристален и аморфен силиций?

1. В металургията като легираща добавка, способна да променя свойствата на металите и техните сплави. Така че се използва при топенето на стомана и желязо.
2. За направата на по-чиста версия се използват различни видове вещества – полисилиций.
3. Силициевите съединения с е цяла химическа индустрия, която днес придоби особена популярност. Органосилициевите материали се използват в медицината, при производството на съдове, инструменти и много други.
4. Производство на различни слънчеви панели. Този метод за получаване на енергия е един от най-обещаващите в бъдеще. Екологично чист, икономически жизнеспособен и издръжлив - това са основните предимства на такова производство на електроенергия.
5. Силиконът за запалки съществува от много дълго време. Дори в древни времена хората са използвали кремък, за да произвеждат искра при палене на огън. Този принцип е в основата на производството на различни видове запалки. Днес има видове, при които кремъкът се заменя със сплав с определен състав, което дава още по-бърз резултат (искри).
6. Електроника и слънчева енергия.
7. Производство на огледала в газови лазерни устройства.

По този начин чистият силиций има много полезни и специални свойства, които позволяват да се използва за създаване на важни и необходими продукти.

Приложение на силициеви съединения

В допълнение към простото вещество се използват и различни силициеви съединения и то много широко. Има цяла индустрия, наречена силикат. Именно тя се основава на използването на различни вещества, които включват този невероятен елемент. Какви са тези съединения и кои от тях се произвеждат?

1. Кварцов, или речен пясък - SiO 2. Използва се за направата на строителни и декоративни материали като цимент и стъкло. Къде се използват тези материали, всеки знае. Никоя конструкция не е завършена без тези компоненти, което потвърждава важността на силициевите съединения.
2. Силикатна керамика, която включва материали като фаянс, порцелан, тухли и продукти на тяхна основа. Тези компоненти се използват в медицината, в производството на ястия, декоративни орнаменти, предмети за бита, в строителството и други битови сфери на човешката дейност.
3. - силикони, силикагелове, силиконови масла.
4. Силикатно лепило - използва се като канцеларски материали, в пиротехниката и строителството.

Силицият, чиято цена варира на световния пазар, но не преминава отгоре надолу границата от 100 рубли на килограм (за кристален), е търсено и ценно вещество. Естествено, съединенията на този елемент също са широко разпространени и приложими.

Биологичната роля на силиция

От гледна точка на важността за тялото силицийът е важен. Съдържанието и разпределението му в тъканите е както следва:

• 0,002% - мускул;
• 0,000017% - кост;
• кръв - 3,9 mg / l.

Всеки ден около един грам силиций трябва да попадне вътре, в противен случай болестите ще започнат да се развиват. Сред тях няма фатални, но продължителното гладуване на силиций води до:

• косопад;
• появата на акне и акне;
• крехкост и чупливост на костите;
• лесна капилярна пропускливост;
• умора и главоболие;
• появата на множество синини и синини.

За растенията силицийът е важен микроелемент, необходим за нормалния растеж и развитие. Експерименти върху животни показват, че тези индивиди растат по-добре, ако консумират достатъчно количество силиций дневно.

Като независим химичен елемент силицийът става известен на човечеството едва през 1825 г. Това, разбира се, не попречи на използването на силициеви съединения в такъв брой сфери, че е по-лесно да се изброят тези, в които елементът не се използва. Тази статия ще хвърли светлина върху физичните, механичните и полезните химични свойства на силиция и неговите съединения, приложения, а също така ще говорим за това как силицият влияе върху свойствата на стоманата и другите метали.

Първо, нека се съсредоточим върху общите характеристики на силиция. От 27,6 до 29,5% от масата на земната кора е силиций. В морската вода концентрацията на елемента също е солидна - до 3 mg / l.

По отношение на изобилието в литосферата силицийът заема второто почетно място след кислорода. Въпреки това, най-известната му форма, силициев диоксид, е диоксид и именно неговите свойства са се превърнали в основа за толкова широко приложение.

Това видео ще ви разкаже какво е силиций:

Концепция и характеристики

Силицият е неметал, но при различни условия може да проявява както киселинни, така и основни свойства. Той е типичен полупроводник и се използва изключително широко в електротехниката. Неговите физични и химични свойства до голяма степен се определят от алотропното състояние. Най-често те се занимават с кристалната форма, тъй като нейните качества са по-търсени в националната икономика.

• Силицият е един от основните макронутриенти в човешкото тяло. Липсата му се отразява пагубно на състоянието на костната тъкан, косата, кожата, ноктите. Освен това силицийът влияе върху работата на имунната система.
• В медицината елементът или по-скоро неговите съединения намериха първото си приложение в това качество. Водата от кладенци, облицовани със силиций, се различаваше не само по чистота, но и имаше положителен ефект върху устойчивостта към инфекциозни заболявания. Днес съединение със силиций служи като основа за лекарства срещу туберкулоза, атеросклероза и артрит.
• Като цяло неметалът е неактивен, но е трудно да се намери в чист вид. Това се дължи на факта, че във въздуха той бързо се пасивира от слой диоксид и спира да реагира. При нагряване химическата активност се увеличава. В резултат на това човечеството е много по-запознато със съединенията на веществото, а не със себе си.

И така, силицийът образува сплави с почти всички метали - силициди. Всички те се различават по огнеупорност и твърдост и се използват в съответните области: газови турбини, нагреватели на пещи.

Неметалът се намира в таблицата на Д. И. Менделеев в група 6 заедно с въглерод, германий, което показва известно сходство с тези вещества. И така, с въглерода той е "свързан" със способността да образува съединения от типа на органичните. В същото време силицийът, подобно на германия, може да прояви свойствата на метал в някои химични реакции, които се използват в синтеза.

Предимства и недостатъци

Както всяко друго вещество от гледна точка на използване в националната икономика, силицийът има определени полезни или не много добри качества. Те са важни именно за определяне на обхвата на употреба.

• Значително предимство на веществото е неговата наличност... В природата, вярно, не е в свободна форма, но въпреки това технологията за производство на силиций не е толкова сложна, въпреки че е енергоемка.
• Второто най-важно предимство е образуване на много съединенияс необичайно полезни свойства. Това са силани, силициди, диоксид и, разбира се, различни силикати. Способността на силиция и неговите съединения да образуват сложни твърди разтвори е практически безкрайна, което позволява безкрайно производство на най-разнообразни вариации на стъкло, камък и керамика.
• Полупроводникови свойстванеметалът му осигурява място като основен материал в електротехниката и радиотехниката.
• Неметал е нетоксичен, което позволява приложение във всяка индустрия, като в същото време не превръща технологичния процес в потенциално опасен.

Недостатъците на материала включват само относителна крехкост с добра твърдост. Силицият не се използва за носещи конструкции, но тази комбинация позволява кристалната повърхност да бъде правилно обработена, което е важно за инструментите.

Нека сега да поговорим за основните свойства на силиция.

Свойства и характеристики

Тъй като кристалният силиций се използва най-често в индустрията, по-важни са именно неговите свойства и именно те са дадени в техническите характеристики. Физичните свойства на веществото са както следва:

• точка на топене - 1417 С;
• точка на кипене - 2600 С;
• плътността е 2,33 g / cc. см, което показва крехкост;
• топлинният капацитет, както и топлопроводимостта, не са постоянни дори при най-чистите проби: 800 J / (kg K), или 0,191 cal / (g deg) и 84-126 W / (m K), или 0,20-0, 30 cal / (cm · sec · deg), съответно;
• прозрачно до дълговълново инфрачервено лъчение, което се използва в инфрачервената оптика;
• диелектрична константа - 1,17;
• твърдост по скалата на Моос - 7.

Електрическите свойства на неметала са силно зависими от примесите. В индустрията тази функция се използва чрез модулиране на желания тип полупроводник. При нормални температури силицият е крехък, но при нагряване над 800 С е възможна пластична деформация.

Свойствата на аморфния силиций са поразително различни: той е силно хигроскопичен, реагира много по-активно дори при нормални температури.

Структурата и химичният състав, както и свойствата на силиция, са разгледани във видеото по-долу:

Състав и структура

Силицият съществува в две алотропни форми, които са еднакво стабилни при нормални температури.

• кристалприлича на тъмно сив прах. Веществото, въпреки че има диамантена кристална решетка, е крехко поради прекалено дългата връзка между атомите. Интерес представляват свойствата му на полупроводник.
• При много високо налягане можете да получите шестоъгълнамодификация с плътност 2,55 g / cc. виж. Тази фаза обаче все още не е намерила практическо значение.
• Аморфен- кафяво-кафяв прах. За разлика от кристалната форма, той реагира много по-активно. Това се дължи не толкова на инертността на първата форма, а на факта, че във въздуха веществото е покрито със слой диоксид.

Освен това е необходимо да се вземе предвид още един вид класификация, свързана с размера на силициевия кристал, които заедно образуват веществото. Кристалната решетка, както знаете, предполага подреждането не само на атомите, но и на структурите, които тези атоми образуват – т. нар. далечен ред. Колкото по-голям е, толкова по-хомогенно по свойства ще бъде веществото.

• Монокристална- пробата е един кристал. Структурата му е максимално подредена, свойствата му са еднородни и добре предвидими. Именно този материал е най-търсен в електротехниката. Въпреки това, той също принадлежи към най-скъпите видове, тъй като процесът на получаване е сложен, а темпът на растеж е нисък.
• Мултикристална- пробата представлява определено количество едри кристални зърна. Границите между тях образуват допълнителни нива на дефекти, което намалява производителността на пробата като полупроводник и води до по-бързо износване. Технологията за отглеждане на мултикристал е по-проста и следователно материалът е по-евтин.
• Поликристална- се състои от голям брой зърна, разположени произволно едно спрямо друго. Това е най-чистият вид индустриален силиций, използван в микроелектрониката и слънчевата енергия. Доста често се използва като суровина за отглеждане на мулти- и единични кристали.
• Аморфният силиций също заема отделна позиция в тази класификация. Тук редът на подреждане на атомите се поддържа само на най-късите разстояния. Въпреки това, в електротехниката, той все още се използва под формата на тънки филми.

Неметално производство

Не е толкова лесно да се получи чист силиций, като се има предвид инертността на неговите съединения и високите точки на топене на повечето от тях. В индустрията най-често се прибягва до намаляване на въглерода от диоксид. Реакцията се провежда в дъгови пещи при температура 1800 С. Така се получава неметал с чистота 99,9%, което не е достатъчно за използването му.

Полученият материал се хлорира, за да се получат хлориди и хидрохлориди. След това съединенията се пречистват от примеси по всички възможни методи и се редуцират с водород.

Веществото може да бъде пречистено и чрез получаване на магнезиев силицид. Силицидът се излага на солна или оцетна киселина. Получава се силан, като последният се пречиства чрез различни методи – сорбция, ректификация и т.н. След това силанът се разлага на водород и силиций при температура 1000 С. В този случай се получава вещество с примесна фракция 10 -8 -10 -6%.

Приложение на веществото

За индустрията най-интересни са електрофизичните характеристики на неметала. Неговата монокристална форма е полупроводник с индиректна пролука. Неговите свойства се определят от примеси, което прави възможно получаването на силициеви кристали с желани свойства. Така че добавянето на бор, индий прави възможно отглеждането на кристал с дупкова проводимост, а въвеждането на фосфор или арсен - кристал с електронна проводимост.

• Силицият е буквално основата на съвременната електротехника. Използва се за направата на транзистори, фотоклетки, интегрални схеми, диоди и т.н. Освен това, функционалността на устройството почти винаги се определя само от близкия до повърхността слой на кристала, който определя много специфични изисквания за повърхностната обработка.
• В металургията техническият силиций се използва както като модификатор на сплави - придава по-голяма здравина, така и като компонент - например, и като деоксидатор - при производството на чугун.
• Свръхчистата и рафинирана металургична съставлява основата на слънчевата енергия.
• Неметалният диоксид се среща естествено в много различни форми. Неговите кристални разновидности – опал, ахат, карнеол, аметист, планински кристал – са намерили своето място в бижутата. Не толкова атрактивни външно модификации - кремък, кварц, се използват и в металургията, и в строителството, и в радиоелектротехниката.
• Съединението на неметал с въглерод - карбид, се използва в металургията, в инструментостроенето и в химическата промишленост. Той е полупроводник с широка междина, има висока твърдост - 7 по скалата на Моос и здравина, която позволява да се използва като абразивен материал.
• Силикати - тоест соли на силициева киселина. Нестабилен, лесно се разлага под въздействието на температурата. Те са забележителни с това, че образуват многобройни и разнообразни соли. Но последните са в основата на производството на стъкло, керамика, фаянс, кристал и др. Спокойно можем да кажем, че съвременното строителство се основава на различни силикати.
• Стъклото е най-интересният корпус тук. Той се основава на алумосиликати, но незначителни примеси от други вещества - обикновено оксиди, придават на материала много различни свойства, включително цвят. -, фаянсът, порцеланът всъщност има същата формула, макар и с различно съотношение на компонентите, а разнообразието му също е невероятно.
• Неметалът има и друга способност: образува съединения като въглерод, под формата на дълга верига от силициеви атоми. Такива съединения се наричат ​​органосилициеви съединения. Обхватът на тяхното приложение е не по-малко известен - това са силикони, уплътнители, лубриканти и т.н.

Силицият е много разпространен елемент и е от изключително значение в много области на националната икономика. Освен това активно се използва не само самото вещество, но и всички негови различни и многобройни съединения.

Това видео ще ви разкаже за свойствата и употребата на силиция:

Много съвременни технологични устройства и апарати са създадени благодарение на уникалните свойства на веществата, открити в природата. Човечеството, експериментално и задълбочено изучавайки елементите около нас, непрекъснато модернизира собствените си изобретения - този процес се нарича технически прогрес. Тя се основава на елементарните, достъпни за всеки, неща, които ни заобикалят в ежедневието. Например пясък: какво може да бъде изненадващо и необичайно в него? Учените успяха да изолират от него силиций – химичен елемент, без който компютърните технологии не биха съществували. Обхватът на приложението му е разнообразен и непрекъснато се разширява. Това се постига благодарение на уникалните свойства на силициевия атом, неговата структура и възможността за съединения с други прости вещества.

Характеристика

Разработен от Д. И. Менделеев, силицийът е обозначен със символа Si. Отнася се за неметали, намира се в основната четвърта група на третия период, има атомен номер 14. Близостта му до въглерода не е случайна: в много отношения техните свойства са сравними. Не се среща в природата в чиста форма, тъй като е активен елемент и има достатъчно силни връзки с кислорода. Основното вещество е силициев диоксид, който е оксид, и силикати (пясък). Освен това силицийът (негови естествени съединения) е един от най-разпространените химични елементи на Земята. По масово съдържание се нарежда на второ място след кислорода (повече от 28%). Горният слой на земната кора съдържа силиций под формата на диоксид (това е кварц), различни видове глина и пясък. Втората най-често срещана група са нейните силикати. На дълбочина около 35 km от повърхността има пластове от гранит и базалт, които включват силициеви съединения. Процентът на съдържанието в земното ядро ​​все още не е изчислен, но най-близките до повърхността (до 900 km) слоеве на мантията съдържат силикати. В състава на морската вода концентрацията на силиций е 3 mg / l, 40% се състои от неговите съединения. Огромното пространство, което човечеството е изучавало досега, съдържа този химичен елемент в големи количества. Например метеоритите, които се приближиха до Земята на разстояние, достъпно за изследователите, показаха, че са съставени от 20% силиций. Има възможност за формиране на живот на базата на този елемент в нашата галактика.

Изследователски процес

Историята на откриването на химичния елемент силиций има няколко етапа. Много вещества, систематизирани от Менделеев, се използват от човечеството от векове. В този случай елементите са били в естествената си форма, т.е. в съединения, които не са претърпели химическа обработка и всичките им свойства не са били известни на хората. В процеса на изучаване на всички характеристики на веществото се появиха нови посоки на употреба за него. Свойствата на силиция все още не са напълно проучени – този елемент, с доста широк и разнообразен спектър от приложения, оставя място за нови открития за бъдещите поколения учени. Съвременните технологии значително ще ускорят този процес. През 19 век много известни химици се опитват да получат чист силиций. За първи път Л. Тенар и Ж. Гей-Люсак успяват да направят това през 1811 г., но откритието на елемента принадлежи на Дж. Берцелиус, който успя не само да изолира веществото, но и да го опише. Шведски химик получава силиций през 1823 г., използвайки метален калий и калиева сол. Реакцията протича с катализатор под формата на висока температура. Полученото просто сиво-кафяво вещество е аморфен силиций. Чистият кристален елемент е получен през 1855 г. от Saint-Clair Deville. Сложността на изолацията е пряко свързана с високата якост на атомните връзки. И в двата случая химичната реакция е насочена към процеса на пречистване от примеси, докато аморфният и кристалният модел имат различни свойства.

Силиций: произношение на химичен елемент

Първото име на получения прах - кизел - беше предложено от Берцелиус. В Обединеното кралство и САЩ силицият все още се нарича силиций (Silicium) или силикон (Silicon). Терминът идва от латинското "кремен" (или "камък") и в повечето случаи е обвързан с понятието "земя" поради широкото му разпространение в природата. Руското произношение на този химикал е различно, всичко зависи от източника. Нарича се силициев диоксид (Захаров използва този термин през 1810 г.), Сицилия (1824 г., Двигубски, Соловьов), силициев диоксид (1825 г., Страхов) и едва през 1834 г. руският химик Герман Иванович Хес въвежда името, което се използва и до днес в повечето източници, силиций. В него се обозначава със символа Si. Как се чете химическият елемент силиций? Много учени в англоезичните страни произнасят името му като "si" или използват думата "силикон". От тук идва и световноизвестното име на долината, която е изследователска и производствена площадка за компютърни технологии. Рускоезичното население нарича елемента силиций (от древногръцката дума "скала, планина").

Да бъдеш в природата: депозити

Цели планински системи са съставени от силициеви съединения, които не могат да бъдат намерени в чист вид, тъй като всички известни минерали са диоксиди или силикати (алумосиликати). Камъните с удивителна красота се използват от хората като декоративен материал - опали, аметисти, различни видове кварц, яспис, халцедон, ахат, скален кристал, карнеол и много други. Те са се образували поради включването на различни вещества в състава на силиция, което определя тяхната плътност, структура, цвят и посока на употреба. Целият неорганичен свят може да бъде свързан с този химичен елемент, който в естествената среда образува силни връзки с метали и неметали (цинк, магнезий, калций, манган, титан и др.). В сравнение с други вещества, силицийът е лесно достъпен за производство в промишлен мащаб: намира се в повечето видове руди и минерали. Следователно активно развиваните находища са обвързани по-скоро с наличните енергийни източници, отколкото с териториалните натрупвания на материя. Кварцитите и кварцовите пясъци се срещат във всички страни по света. Най-големите производители и доставчици на силиций са: Китай, Норвегия, Франция, САЩ (Западна Вирджиния, Охайо, Алабама, Ню Йорк), Австралия, Южна Африка, Канада, Бразилия. Всички производители използват различни методи, които зависят от вида на произвеждания продукт (технически, полупроводников, високочестотен силиций). Химичният елемент, допълнително обогатен или, обратно, пречистен от всички видове примеси, има индивидуални свойства, от които зависи по-нататъшното му използване. Това се отнася и за това вещество. Структурата на силиция определя обхвата на неговото приложение.

История на използване

Много често, поради сходството на имената, хората бъркат силиций и кремък, но тези понятия не са идентични. Нека изясним. Както вече споменахме, чист силиций не се среща в природата, което не може да се каже за неговите съединения (същият силициев диоксид). Основните минерали и скали, образувани от диоксида на разглежданото вещество, са пясък (речен и кварц), кварц и кварцит и кремък. Всеки трябва да е чувал за последното, защото му се отдава голямо значение в историята на развитието на човечеството. Първите инструменти, създадени от хората през каменната епоха, са свързани с този камък. Острите му ръбове, образувани при откъсване от основната порода, значително улесняваха работата на древните домакини, а възможността за заточване - ловци и рибари. Кремъкът нямаше здравината на металните изделия, но повредените инструменти можеха лесно да бъдат заменени с нови. Използването му като кремък продължило много векове - до изобретяването на алтернативни източници.

Що се отнася до съвременните реалности, свойствата на силиция позволяват използването на веществото за декориране на стаи или създаване на керамични ястия, като в допълнение към отличния си естетически вид, той има много отлични функционални качества. Отделна посока на приложението му е свързана с изобретяването на стъклото преди около 3000 години. Това събитие направи възможно създаването на огледала, съдове, мозаечни витражи от съединения, съдържащи силиций. Формулата на първоначалното вещество беше допълнена с необходимите компоненти, което направи възможно да се даде на продукта необходимия цвят и повлия на здравината на стъклото. Удивително красивите и разнообразни произведения на изкуството са направени от човека от минерали и камъни, съдържащи силиций. Лечебните свойства на този елемент са описани от древни учени и са били използвани през цялата история на човечеството. За тях бяха изградени кладенци за питейна вода, килери за съхранение на храна, използвани както в ежедневието, така и в медицината. Полученият в резултат на смилане прах се нанася върху раните. Особено внимание беше обърнато на водата, която се влива в съдове, направени от съединения, съдържащи силиций. Химическият елемент взаимодейства с неговия състав, което прави възможно унищожаването на редица патогенни бактерии и микроорганизми. И това далеч не е във всички индустрии, в които веществото, което разглеждаме, е много, много търсено. Структурата на силиция определя неговата гъвкавост.

Имоти

За по-подробно запознаване с характеристиките на дадено вещество, то трябва да се обмисли, като се вземат предвид всички възможни свойства. Планът за характеризиране на химичен елемент на силиция включва физични свойства, електрофизични показатели, изследване на съединения, реакции и условия за тяхното преминаване и др. Силицият в кристална форма има тъмносив цвят с метален блясък. Лицецентрираната кубична решетка е подобна на въглеродната (диамант), но поради по-голямата дължина на връзката не е толкова здрава. Нагряването до 800 ° C го прави пластмасов, в други случаи остава крехък. Физичните свойства на силиция правят това вещество наистина уникално: то е прозрачно за инфрачервеното лъчение. Точка на топене - 1410 0 С, точка на кипене - 2600 0 С, плътност при нормални условия - 2330 kg / m 3. Топлопроводимостта не е постоянна, за различни проби се взема в приблизителна стойност от 25 0 С. Свойствата на силициевия атом позволяват да се използва като полупроводник. Тази област на приложение е най-търсената в съвременния свят. Стойността на електрическата проводимост се влияе от състава на силиция и елементите, които са във връзка с него. Така че, за повишена електронна проводимост се използват антимон, арсен, фосфор, за перфорирани - алуминий, галий, бор, индий. При създаване на устройства със силиций като проводник се използва повърхностна обработка с определен агент, който влияе върху работата на устройството.

Свойствата на силиция като отличен проводник се използват широко в съвременното уреди. Приложението му е особено важно при производството на сложно оборудване (например съвременни изчислителни устройства, компютри).

Силиций: характеристика на химичен елемент

В повечето случаи силицийът е четиривалентен; има и връзки, в които той може да има стойност от +2. При нормални условия той е неактивен, има силни съединения, при стайна температура може да реагира само с флуор в газообразно агрегатно състояние. Това се дължи на ефекта на блокиране на повърхността с диоксиден филм, който се наблюдава при взаимодействие с околния кислород или вода. За стимулиране на реакциите трябва да се използва катализатор: повишаването на температурата е идеално за вещество като силиций. Химическият елемент взаимодейства с кислород при 400-500 0 С, в резултат на това диоксидният филм се увеличава, протича процесът на окисление. При повишаване на температурата до 50 0 С се наблюдава реакция с бром, хлор, йод, в резултат на което се образуват летливи тетрахалиди. Силицият не взаимодейства с киселини, изключението е смес от флуороводород и азот, докато всяка алкална основа в нагрято състояние е разтворител. Силициевите хидрати се образуват само при разлагането на силициди, не влизат в реакция с водород. Съединенията с бор и въглерод се характеризират с най-голяма якост и химическа пасивност. Висока устойчивост на алкали и киселини има съединение с азот, което се проявява при температури над 1000 0 С. Силицидите се получават чрез реакция с метали, като в този случай показаната от силиция валентност зависи от допълнителния елемент. Формулата на веществото, образувано с участието на преходния метал, е устойчива на киселини. Структурата на силициевия атом пряко влияе върху неговите свойства и способност да взаимодейства с други елементи. Процесът на образуване на връзки в природата и при излагане на вещество (в лабораторни, промишлени условия) се различава значително. Структурата на силиция предполага неговата химическа активност.

структура

Силиконът има свои собствени характеристики. Зарядът на ядрото е +14, което съответства на поредния номер в периодичната система. Броят на заредените частици: протони - 14; електрони - 14; неутрони - 14. Диаграмата на структурата на силициевия атом има следния вид: Si +14) 2) 8) 4. На последното (външно) ниво има 4 електрона, което определя степента на окисление с "+" или знак "-". Силициевият оксид има формулата SiO 2 (валентност 4+), летливо водородно съединение - SiH 4 (валентност -4). Големият обем на силициевия атом позволява на някои съединения да имат координационно число от 6, например, когато се комбинират с флуор. Моларната маса е 28, радиусът на атома е 132 pm, конфигурацията на електронната обвивка е 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 2.

Приложение

Повърхностният или напълно легиран силиций се използва като полупроводник при създаването на много, включително високоточни устройства (например слънчеви клетки, транзистори, токови изправители и др.). Ултрачистият силиций се използва за създаване на слънчеви клетки (енергия). Монокристален тип се използва за направата на огледала и газов лазер. От силициеви съединения се получават стъкло, керамични плочки, съдове, порцелан, фаянс. Трудно е да се опише разнообразието от видове получени стоки, тяхното действие се извършва на ниво домакинство, в изкуството и науката, в производството. Полученият цимент служи като суровина за създаване на строителни смеси и тухли, довършителни материали. Разпространението на масла, базирани на смазочни материали, може значително да намали силата на триене в подвижните части на много механизми. Силицидите, поради техните уникални свойства в областта на противодействието на агресивни среди (киселини, температури), се използват широко в индустрията. Техните електрически, ядрени и химически показатели се вземат предвид от специалисти в сложни индустрии, а структурата на силициевия атом също играе важна роля.

Изброихме най-интензивните и усъвършенствани приложения до момента. Най-често срещаният промишлен силиций, произвеждан в големи обеми, се използва в редица области:

1. Като суровина за производството на по-чиста субстанция.
2. За легиране на сплави в металургичната промишленост: наличието на силиций повишава огнеупорността, повишава устойчивостта на корозия и механичната якост (при излишък на този елемент сплавта може да бъде твърде крехка).
3. Като деоксидант за отстраняване на излишния кислород от метала.
4. Суровини за производство на силани (силициеви съединения с органични вещества).
5. За производството на водород от сплав силиций-желязо.
6. Производство на слънчеви панели.

Значението на това вещество е голямо и за нормалното функциониране на човешкото тяло. Структурата на силиция, неговите свойства са решаващи в този случай. В същото време излишъкът или липсата му води до сериозно заболяване.

В човешкото тяло

Медицината използва силиция от дълго време като бактерицидно и антисептично средство. Но за всички предимства на външната употреба, този елемент трябва постоянно да се обновява в човешкото тяло. Нормалното ниво на съдържанието му ще подобри жизнените функции като цяло. При неговия дефицит повече от 70 микроелемента и витамини няма да бъдат усвоени от организма, което значително ще намали устойчивостта към редица заболявания. Най-висок процент силиций се наблюдава в костите, кожата, сухожилията. Той играе ролята на структурен елемент, който поддържа здравината и придава еластичност. Всички скелетни твърди тъкани се образуват благодарение на неговите връзки. В резултат на последните проучвания съдържанието на силиций е открито в бъбреците, панкреаса и съединителната тъкан. Ролята на тези органи във функционирането на тялото е доста голяма, следователно намаляването на съдържанието му ще има пагубен ефект върху много основни показатели за поддържане на живота. Тялото трябва да получава 1 грам силиций на ден с храна и вода - това ще помогне да се избегнат възможни заболявания, като възпаление на кожата, омекване на костите, образуване на камъни в черния дроб, бъбреците, замъглено зрение, коса и нокти , атеросклероза. При достатъчно ниво на съдържанието на този елемент имунитетът се повишава, метаболитните процеси се нормализират, усвояването на много елементи, необходими за човешкото здраве, се подобрява. Най-голямо количество силиций се намира в зърнените храни, репичките и елдата. Силициевата вода ще бъде от значителна полза. За да определите количеството и честотата на употребата му, по-добре е да се консултирате със специалист.