Silicon: toepassing, chemiese en fisiese eienskappe

2024 Outeur: Angel Austin | [email protected]. Laas verander: 2023-12-17 05:14

Een van die mees algemene elemente in die natuur is silisium, of silikon. So 'n wye verspreiding spreek van die belangrikheid en betekenis van hierdie stof. Dit is vinnig verstaan en aangeneem deur mense wat geleer het hoe om silikon behoorlik vir hul eie doeleindes te gebruik. Die toepassing daarvan is gebaseer op spesiale eienskappe, waaroor ons later sal praat.

Silicon is 'n chemiese element

As ons 'n gegewe element volgens posisie in die periodieke stelsel karakteriseer, kan ons die volgende belangrike punte identifiseer:

1. Ordinale nommer - 14.
2. Die tydperk is die derde klein een.
3. Groep – IV.
4. Subgroep – hoof.
5. Die struktuur van die buitenste elektronskil word uitgedruk deur die formule 3s²3p².
6. Die element silikon word aangedui deur die chemiese simbool Si, wat as "silicium" uitgespreek word.
7. Die oksidasietoestande wat dit vertoon: -4; +2; +4.
8. Die valensie van 'n atoom is IV.
9. Die atoommassa van silikon is 28,086.
10. In die natuur is daar drie stabiele isotope van hierdie element met massagetalle 28, 29 en 30.

Dus die atoomUit 'n chemiese oogpunt is silikon 'n goed bestudeerde element, baie van sy verskillende eienskappe is beskryf.

Ontdekkinggeskiedenis

Aangesien dit die verskillende verbindings van die element wat oorweeg word wat baie gewild en massief in inhoud in die natuur is, het mense van antieke tye af die eienskappe van net baie van hulle gebruik en daarvan geweet. Suiwer silikon het vir 'n lang tyd verby menslike kennis in chemie gebly.

Die gewildste verbindings wat in die alledaagse lewe en industrie gebruik is deur die mense van antieke kulture (Egiptiërs, Romeine, Sjinese, Russe, Perse en ander) was edelstene en ornamentele stene gebaseer op silikonoksied. Dit sluit in:

• opaal;
• rhinestone;
• topaas;
• chrysopraas;
• onyx;
• chalcedony en ander.

Dit is ook gebruiklik om kwarts en kwartssand in konstruksie sedert antieke tye te gebruik. Elementêre silikon self het egter tot die 19de eeu onontdekt gebly, hoewel baie wetenskaplikes tevergeefs probeer het om dit van verskeie verbindings te isoleer deur katalisators, hoë temperature en selfs elektriese stroom te gebruik. Dit is helder geeste soos:

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

Jens Jacobs Berzelius het daarin geslaag om suiwer silikon in 1823 suksesvol te bekom. Om dit te doen, het hy 'n eksperiment uitgevoer oor die samesmelting van dampe van silikonfluoried en metaalkalium. Gevolglik het hy 'n amorfe modifikasie van die betrokke element ontvang. Dieselfde wetenskaplike het 'n Latynse naam vir die ontdekte atoom voorgestel.

'n Bietjie later, in 1855, het 'n ander wetenskaplike - Saint Clair-Deville - daarin geslaag om 'n ander allotropiese variëteit te sintetiseer - kristallyne silikon. Sedertdien het kennis oor hierdie element en sy eienskappe baie vinnig begin groei. Mense het besef dat dit unieke kenmerke het wat baie intelligent gebruik kan word om in hul eie behoeftes te voorsien. Daarom is silikon vandag een van die mees gevraagde elemente in elektronika en tegnologie. Die gebruik daarvan brei net sy grense elke jaar uit.

Die Russiese naam vir die atoom is in 1831 deur die wetenskaplike Hess gegee. Dit is wat tot vandag toe vasgesteek het.

Bevat in die natuur

Silicon is die tweede volopste in die natuur na suurstof. Sy persentasie in vergelyking met ander atome in die samestelling van die aardkors is 29,5%. Daarbenewens is koolstof en silikon twee spesiale elemente wat kettings kan vorm deur met mekaar te verbind. Daarom is meer as 400 verskillende natuurlike minerale vir laasgenoemde bekend, waarin dit in die litosfeer, hidrosfeer en biomassa voorkom.

Waar presies word silikon gevind?

1. In die diep lae van die grond.
2. In rotse, afsettings en massiewe.
3. Aan die bodem van waterliggame, veral seë en oseane.
4. In die plante en seelewe van die diereryk.
5. By mense en landdiere.

Dit is moontlik om verskeie van die mees algemene minerale en gesteentes, wat 'n groot hoeveelheid vansilikon. Hulle chemie is sodanig dat die massa-inhoud van 'n suiwer element in hulle 75% bereik. Die spesifieke figuur hang egter af van die tipe materiaal. Dus, gesteentes en minerale wat silikon bevat:

• veldspaat;
• mica;
• amfibole;
• opale;
• chalcedony;
• silikate;
• sandklippe;
• aluminosilikate;
• klei en ander.

Silikon, wat in die skulpe en buitenste geraamtes van seediere ophoop, vorm uiteindelik kragtige afsettings van silika aan die onderkant van waterliggame. Dit is een van die natuurlike bronne van hierdie element.

Daarby is gevind dat silisium in sy suiwer inheemse vorm kan bestaan – in die vorm van kristalle. Maar sulke deposito's is baie skaars.

Fisiese eienskappe van silikon

As jy die element wat oorweeg word deur 'n stel fisiese en chemiese eienskappe karakteriseer, dan is dit eerstens die fisiese parameters wat aangedui moet word. Hier is 'n paar sleutels:

1. Bestaan in die vorm van twee allotropiese modifikasies - amorf en kristallyn, wat in alle eienskappe verskil.
2. Die kristalrooster is baie soortgelyk aan dié van diamant, want koolstof en silikon is amper dieselfde in hierdie opsig. Die afstand tussen die atome verskil egter (silikon het meer), dus is die diamant baie harder en sterker. Roostertipe - kubieke gesiggesentreer.
3. Die stof is baie bros, word plastiek by hoë temperature.
4. Smeltingspunt is 1415˚C.
5. Temperatuurkookpunt - 3250˚С.
6. Digtheid van materie - 2,33 g/cm³.
7. Die kleur van die verbinding is silwergrys, met 'n kenmerkende metaalglans.
8. Besit goeie halfgeleier-eienskappe, wat kan verskil met die byvoeging van sekere middels.
9. Onoplosbaar in water, organiese oplosmiddels en sure.
10. Spesifiek oplosbaar in alkalies.

Aangewese fisiese eienskappe van silikon stel mense in staat om dit te beheer en dit te gebruik om verskeie produkte te skep. Byvoorbeeld, die gebruik van suiwer silikon in elektronika is gebaseer op die eienskappe van halfgeleiding.

Chemiese eienskappe

Die chemiese eienskappe van silikon is baie afhanklik van die reaksietoestande. As ons praat van 'n suiwer stof by standaard parameters, dan moet ons 'n baie lae aktiwiteit aanwys. Beide kristallyne en amorfe silikon is baie inert. Moenie interaksie met sterk oksideermiddels (behalwe fluoor) en ook nie met sterk reduseermiddels hê nie.

Dit is as gevolg van die feit dat 'n oksiedfilm SiO₂ onmiddellik op die oppervlak van die stof gevorm word, wat verdere interaksies voorkom. Dit kan gevorm word onder die invloed van water, lug, dampe.

As jy die standaardtoestande verander en silikon verhit tot 'n temperatuur bo 400˚С, sal die chemiese aktiwiteit daarvan aansienlik toeneem. In hierdie geval sal dit reageer met:

• suurstof;
• alle soorte halogene;
• waterstof.

Met 'n verdere toename in temperatuur is die vorming van produkte moontlik byinteraksie met boor, stikstof en koolstof. Van besondere belang is karborundum - SiC, aangesien dit 'n goeie skuurmateriaal is.

Die chemiese eienskappe van silikon word ook duidelik gesien in reaksies met metale. In verhouding tot hulle is dit 'n oksideermiddel, daarom word die produkte silicides genoem. Soortgelyke verbindings is bekend vir:

• alkaline;
• alkaliese aarde;
• oorgangsmetale.

Ongewone eienskappe het 'n verbinding wat verkry word deur yster en silikon te smelt. Dit word ferrosilicon keramiek genoem en is suksesvol in die industrie gebruik.

Silicon is nie in wisselwerking met komplekse stowwe nie, daarom kan dit van al hul variëteite net oplos in:

• koninklike vodka ('n mengsel van salpetersuur en soutsuur);
• bytende alkalies.

In hierdie geval moet die temperatuur van die oplossing minstens 60˚С wees. Dit alles bevestig weereens die fisiese basis van die stof - 'n diamantagtige stabiele kristalrooster, wat dit krag en traagheid gee.

Metodes om te verkry

Die verkryging van suiwer silikon is ekonomies 'n taamlik duur proses. Daarbenewens, as gevolg van sy eienskappe, gee enige metode slegs 90-99% suiwer produk, terwyl onsuiwerhede in die vorm van metale en koolstof dieselfde bly. So net om die stof te kry is nie genoeg nie. Dit moet ook kwalitatief van vreemde elemente skoongemaak word.

Oor die algemeen word die produksie van silikon op twee hoofmaniere uitgevoer:

1. Van die wit sandwat suiwer silikonoksied SiO₂ is. Wanneer dit met aktiewe metale (meestal met magnesium) gekalsineer word, word 'n vrye element in die vorm van 'n amorfe modifikasie gevorm. Die suiwerheid van hierdie metode is hoog, die produk word verkry met 'n 99.9 persent opbrengs.
2. 'n Meer wydverspreide metode op industriële skaal is die sintering van gesmelte sand met kooks in gespesialiseerde termiese oonde. Hierdie metode is ontwikkel deur die Russiese wetenskaplike Beketov N. N.

Verdere verwerking bestaan daarin om die produkte aan skoonmaakmetodes te onderwerp. Hiervoor word sure of halogene (chloor, fluoor) gebruik.

Amorfe silikon

Karakterisering van silikon sal onvolledig wees as ons nie elkeen van sy allotropiese modifikasies afsonderlik oorweeg nie. Die eerste een is amorf. In hierdie toestand is die stof wat ons oorweeg 'n bruin-bruin poeier, fyn versprei. Dit het 'n hoë mate van higroskopisiteit, vertoon 'n voldoende hoë chemiese aktiwiteit wanneer dit verhit word. Onder standaardtoestande kan dit slegs met die sterkste oksideermiddel - fluoor - in wisselwerking tree.

Dit is nie heeltemal korrek om amorfe silikon 'n verskeidenheid kristallyne silikon te noem nie. Sy rooster wys dat hierdie stof slegs 'n vorm van fyn verspreide silikon is wat in die vorm van kristalle bestaan. Daarom, as sodanig, is hierdie wysigings dieselfde samestelling.

Hulle eienskappe verskil egter, daarom is dit gebruiklik om van allotropie te praat. Op sigself het amorfe silikonhoë ligabsorpsievermoë. Daarbenewens, onder sekere omstandighede, is hierdie aanwyser 'n paar keer hoër as dié van die kristallyne vorm. Daarom word dit vir tegniese doeleindes gebruik. In die oorweegde vorm (poeier) word die verbinding maklik op enige oppervlak toegedien, of dit nou plastiek of glas is. Daarom is dit amorfe silikon wat so gerieflik is vir gebruik. Die toepassing is gebaseer op die vervaardiging van sonpanele van verskillende groottes.

Hoewel die dra van hierdie tipe batterye redelik vinnig is, wat geassosieer word met skuur van 'n dun film van die stof, neem die gebruik en aanvraag egter net toe. Inderdaad, selfs in 'n kort dienslewe, is sonselle gebaseer op amorfe silikon in staat om energie aan hele ondernemings te verskaf. Boonop is die produksie van so 'n stof afvalvry, wat dit baie ekonomies maak.

Kry hierdie wysiging deur verbindings met aktiewe metale, soos natrium of magnesium, te verminder.

Crystal silikon

Silwergrys blink modifikasie van die betrokke element. Dit is hierdie vorm wat die algemeenste en mees in aanvraag is. Dit is as gevolg van die stel kwalitatiewe eienskappe waaroor hierdie stof beskik.

Die kenmerk van silikon met 'n kristalrooster sluit 'n klassifikasie van sy tipes in, aangesien daar verskeie van hulle is:

1. Elektroniese kwaliteit - die suiwerste en hoogste geh alte. Dit is hierdie tipe wat in elektronika gebruik word om veral sensitiewe toestelle te skep.
2. sonnige kwaliteit. Die naam selfdefinieer die gebruiksgebied. Dit is ook 'n hoë-suiwer silikon, waarvan die gebruik nodig is om hoë kwaliteit en langdurige sonselle te skep. Fotovoltaïese omsetters wat op die basis van 'n kristallyne struktuur geskep is, is van hoër geh alte en duursaamder as dié wat geskep word met behulp van 'n amorfe modifikasie deur afsetting op verskeie tipes substrate.
3. Tegniese silikon. Hierdie verskeidenheid sluit daardie monsters van 'n stof in wat ongeveer 98% van die suiwer element bevat. Alles anders gaan na verskillende soorte onsuiwerhede:

• boor;
• aluminium;
• chloor;
• koolstof;
• fosfor en ander.

Die laaste variëteit van die betrokke stof word gebruik om silikon-polikristalle te verkry. Hiervoor word herkristallisasieprosesse uitgevoer. As gevolg hiervan, wat suiwerheid betref, word produkte verkry wat toegeskryf kan word aan die groepe van sonkrag en elektroniese kwaliteit.

Van nature is polisilicon 'n tussenproduk tussen amorfe en kristallyne modifikasie. Hierdie opsie is makliker om mee te werk, dit is beter herwin en skoongemaak met fluoor en chloor.

Die resulterende produkte kan soos volg geklassifiseer word:

• multicilicon;
• monokristallyn;
• geprofileerde kristalle;
• silikonafval;
• tegniese silikon;
• produksie-afval in die vorm van fragmente en stukkies materie.

Elkeen van hulle vind toepassing in die industrie en word gebruik'n mens heeltemal. Daarom word produksieprosesse waarby silikon betrokke is, as afvalvry beskou. Dit verminder sy ekonomiese koste aansienlik sonder om die kwaliteit te beïnvloed.

Gebruik suiwer silikon

Siliconproduksie in die bedryf is redelik goed gevestig, en die skaal daarvan is redelik lywig. Dit is te wyte aan die feit dat hierdie element, beide suiwer en in die vorm van verskeie verbindings, wydverspreid en in aanvraag is in verskeie takke van wetenskap en tegnologie.

Waar word suiwer kristallyne en amorfe silikon gebruik?

1. In metallurgie as 'n legeringsadditief wat die eienskappe van metale en hul legerings kan verander. Dus, dit word gebruik in die smelt van staal en yster.
2. Verskillende tipes stof word gebruik om 'n skoner weergawe te maak - polisilicon.
3. Verbindings van silikon met organiese stowwe - dit is 'n hele chemiese industrie wat vandag besondere gewildheid verwerf het. Silikoonmateriale word gebruik in medisyne, in die vervaardiging van skottelgoed, gereedskap en nog baie meer.
4. Vervaardiging van verskeie sonpanele. Hierdie metode om energie te verkry is een van die mees belowende in die toekoms. Omgewingsvriendelik, kostedoeltreffend en duursaam - die belangrikste voordele van sulke elektrisiteitsproduksie.
5. Silicon word al baie lank in aanstekers gebruik. Selfs in antieke tye het mense vuursteen gebruik om 'n vonk te skep wanneer hulle 'n vuur aansteek. Hierdie beginsel is die basis vir die vervaardiging van aanstekers van verskillende soorte. Vandag is daar spesies waarindie vuursteen word vervang met 'n legering van 'n sekere samestelling, wat 'n nog vinniger resultaat (vonk) gee.
6. Elektronika en sonkrag.
7. Vervaardiging van spieëls in gaslasertoestelle.

Suiwer silikon het dus baie voordelige en spesiale eienskappe wat dit toelaat om gebruik te word om belangrike en noodsaaklike produkte te skep.

Toediening van silikonverbindings

Benewens 'n eenvoudige stof, word verskeie silikonverbindings ook gebruik, en baie wyd. Daar is 'n hele vertakking van die industrie genaamd silikaat. Dit is sy wat gebaseer is op die gebruik van verskeie stowwe, wat hierdie wonderlike element insluit. Wat is hierdie verbindings en wat produseer hulle?

1. Kwarts, of riviersand - SiO₂. Dit word gebruik vir die vervaardiging van bou- en dekoratiewe materiale soos sement en glas. Waar hierdie materiale gebruik word, weet almal. Geen konstruksie is volledig sonder hierdie komponente nie, wat die belangrikheid van silikonverbindings bevestig.
2. Silikaatkeramiek, wat materiale soos faience, porselein, baksteen en produkte wat daarop gebaseer is, insluit. Hierdie komponente word gebruik in medisyne, in die vervaardiging van skottelgoed, dekoratiewe ornamente, huishoudelike items, in konstruksie en ander huishoudelike areas van menslike aktiwiteit.
3. Silikoonverbindings - silikone, silikagels, silikoonolies.
4. Silikaatgom - gebruik as skryfbehoeftes, in vuurwerk en konstruksie.

Silicon, waarvan die prys op die wêreldmark verskil, maar nie kruis nievan bo na onder, die punt van 100 roebels van die Russiese Federasie per kilogram (per kristallyn), is 'n gesogte en waardevolle stof. Natuurlik is verbindings van hierdie element ook wydverspreid en toepaslik.

Die biologiese rol van silikon

Uit die oogpunt van betekenis vir die liggaam, is silikon belangrik. Die inhoud en weefselverspreiding daarvan is soos volg:

• 0, 002% - gespierd;
• 0, 000017% - been;
• bloed - 3,9 mg/l.

Elke dag moet ongeveer een gram silikon binnekom, anders sal siektes begin ontwikkel. Daar is geen dodelike onder hulle nie, maar langdurige silikonhongersnood lei tot:

• haarverlies;
• voorkoms van aknee en puisies;
• broosheid en broosheid van bene;
• maklike kapillêre deurlaatbaarheid;
• moegheid en hoofpyne;
• die voorkoms van talle kneusplekke en kneusplekke.

Vir plante is silikon 'n belangrike spoorelement wat nodig is vir normale groei en ontwikkeling. Diere-eksperimente het getoon dat individue wat daagliks genoeg silikon verbruik die beste groei.