Pin
Send
Share
Send


Silicis (cheminio elemento simbolis Si, atominis skaičius 14) yra cheminių elementų, klasifikuojamų kaip metaloidai, grupės narys. Tai mažiau reaguoja nei jo cheminė analoginė anglis. Tai yra aštuntasis paplitęs elementas visatoje (pagal masę) ir antras gausiausias elementas (po deguonies) Žemės plutoje, sudarantis 25,7 proc. Plutos masės. Retkarčiais jis pasireiškia kaip grynas laisvas elementas gamtoje, tačiau yra plačiau paplitęs dulkėse, planetoiduose ir planetose kaip įvairios silicio dioksido ar silikato formos.

Įvairiose biologinėse sistemose silicis yra svarbus elementas. Nors gyvūnams atrodo, kad reikia tik mažų jo pėdsakų, jis yra daug svarbesnis augalų, ypač daug žolių, metabolizmui. Silicio rūgštis (silicio, vandenilio ir deguonies cheminių junginių grupė) yra diatomės apsauginių apvalkalų pagrindas.

Silicis naudojamas daugeliui pramonės sričių. Elementinis silicis yra pagrindinis daugelio puslaidininkinių įtaisų, ypač integruotų grandynų ar „mikroschemų“, komponentas. Atsižvelgiant į jo svarbą puslaidininkiuose ir aukštųjų technologijų įrenginiuose, jo pavadinimas buvo naudojamas aukštųjų technologijų regionui, žinomam kaip Silicio slėnis Kalifornijoje. Silicis ir silikatai sudaro naudingus stiklus, cementus ir keramiką. Tai taip pat yra silikonų komponentas, grupė įvairių sintetinių plastikinių medžiagų, pagamintų iš silicio, deguonies, anglies, germanio ir vandenilio.

Atsižvelgiant į tai, kad kai kurios silicio savybės yra panašios į anglies savybes, kai kurie asmenys pasiūlė galimybę sudaryti silicio pagrindu gyvenančius organizmus. Tačiau ši galimybė atrodo nereali dėl įvairių priežasčių, įskaitant „silicio ciklo“ (analogo anglies ciklui) nebuvimą, silicio junginių tinkamo tirpiklio nebuvimą (analogišką vandeniui, kuris tirpina organinius junginius) ir silicio nesugebėjimas sudaryti junginių, reikalingų gyvoms sistemoms, įvairovės.

Atsiradimas

Išmatuotas pagal masę, silicis sudaro 25,7 proc. Žemės plutos ir yra antras gausiausias elementas Žemėje po deguonies. Gryni silicio kristalai gamtoje randami tik retkarčiais; juos galima rasti kaip intarpus su auksu ir vulkaninius iškvėpimus. Silicis paprastai būna silicio dioksido (dar žinomo kaip silicio dioksidas) ir silikato pavidalu.

Silicis susidaro mineraluose, susidedančiuose iš (praktiškai) gryno silicio dioksido skirtingų kristalų formų. Smėlis, ametistas, agatas, kvarcas, akmens krištolas, chalcedonas, titnagas, jaspis ir opalas yra keletas formų, kuriose atsiranda silicio dioksidas. Jie yra žinomi kaip „litogeniniai“ (priešingai nei „biogeniniai“) silicio dioksidai.

Silicis taip pat susidaro kaip silikatai (įvairūs mineralai, kuriuose yra silicio, deguonies ir vieno ar kito metalo). Šie mineralai yra molyje, smėlyje ir įvairių rūšių uolienose, tokiose kaip granitas ir smiltainis. Asbestas, lauko špagas, molis, ragas ir žėručio yra keletas iš daugelio silikatinių mineralų.

Silicis yra pagrindinis aerolitų, kurie yra meteoroidų klasė, komponentas, taip pat yra tektitų, natūralios formos stiklo, komponentas.

Etimologija ir istorija

Pavadinimas silicis kildinamas iš lotyniško žodžio, Silex, reiškia „titnagas“ arba „kietas akmuo“, atitinkantis medžiagas, kurios dabar vadinamos „silicio dioksidu“ arba „silikatais“. Pirmą kartą tai nustatė 1787 m. Antoine Lavoisier Silex, bet Humphry Davy (1800 m.) neteisingai tai įvertino kaip junginį. 1811 m. Gay-Lussac ir Louis Jacques Thénard tikriausiai paruošė nešvarų amorfinį silicį, kaitinant kalį silicio tetrafluoridu. Pirmasis asmuo, kuris jį atpažino kaip elementą, buvo Jönsas Jakobas Berzelius, 1823 m. Kitais metais Berzelius paruošė amorfinį silicį maždaug tuo pačiu metodu, kaip ir Gay-Lussac. Jis taip pat išgrynino produktą pakartotinai plaudamas.

Svarbios savybės

Periodinėje lentelėje silicis yra 14 grupėje (buvusi 4A grupė), tarp anglies ir germanio. Be to, jis yra 3 laikotarpyje tarp aliuminio ir fosforo. Elementinis silicis turi pilką spalvą ir metalinį blizgesį, kuris didėja atsižvelgiant į kristalo dydį.

Silicio atomo išoriniame apvalkale elektroninė konfigūracija yra tokia pati kaip anglies atomo - abiejų tipų atomai turi keturis rišančius elektronus. Taigi abu elementai yra tetravalentiniai (kiekvienas atomas jungiasi iki keturių kitų atomų) ir pasižymi tam tikromis cheminėmis savybėmis. Jie abu yra puslaidininkiai, lengvai paaukojantys arba dalijantys savo keturis išorinius elektronus, leidžiančius įvairias cheminio ryšio rūšis.

Silicis yra panašus į stiklą tuo, kad yra stiprus, bet trapus ir linkęs skaldytis. Nors silicis yra gana inertiškas elementas, jis reaguoja su halogenais ir skiedžia šarmus. Daugelis rūgščių (išskyrus kai kuriuos hiperreaktyvius azoto rūgšties ir vandenilio fluorido rūgšties derinius) tam įtakos nedaro.

Silicis yra plačiai naudojamas puslaidininkiuose, nes jis išlieka puslaidininkiu aukštesnėje temperatūroje nei puslaidininkinis germanis, ir todėl, kad jo natūralusis oksidas lengvai auga krosnyje ir sudaro geresnę puslaidininkių / dielektrikų sąsają nei beveik visos kitos medžiagos. Vienkristalio silicio elektrinė varža žymiai keičiasi veikiant mechaniniam poveikiui, dėl to, kas vadinama „pjezorezityviniu efektu“.

Izotopai

Silicis turi daug žinomų izotopų, kurių masių skaičius svyruoja nuo 22 iki 44. Iš jų stabilūs izotopai yra 28Si (gausiausias izotopas, kurio 92,23 proc.), 29Si (4,67 proc.) Ir 30Si (3,1 proc.). Papildomai, 32Si yra radioaktyvus izotopas, gaminamas argono skilimo metu. Nustatyta, kad jo pusinės eliminacijos laikas yra maždaug 170 metų (0,21 MeV), ir jis blogėja dėl beta emisijos iki 32P (kurio pusinės eliminacijos laikas yra 14,29 dienos1), tada - 32S.

Junginiai

Silicio junginių pavyzdžiai:

  • Silikatai
  • Silane (SiH4)
  • Silicio rūgštis (H4SiO4)
  • Silicio karbidas (SiC)
  • Silicio dioksidas (SiO2)
  • Silicio tetrachloridas (SiCl4)
  • Silicio tetrafluoridas (SiF4)
  • Trichlorosilanas (HSiCl3)

Gamyba

Silicis yra komerciškai gaunamas aukšto grynumo silicio dioksidui reaguojant su mediena, medžio anglimi ir anglis, elektrinėje lanko krosnyje, naudojant anglies elektrodus. Aukštesnėje kaip 1900 ° C temperatūroje anglis redukuoja silicio dioksidą į silicį pagal cheminę lygtį

SiO2 + C → Si + CO2.

Skystas silicis kaupiasi krosnies dugne, o po to nusausinamas ir aušinamas. Tokiu būdu pagamintas silicis vadinamas "metalurginio tipo siliciu" ir yra ne mažiau kaip 98 procentų grynas. Naudojant šį metodą, gali susidaryti silicio karbidas, SiC. Tačiau pateikus SiO kiekį2 silicio karbidas gali būti pašalintas, kaip paaiškinta šia lygtimi:

2 SiC + SiO2 → 3 Si + 2 CO.

2005 m. Metalurgijos kokybės silicis kainavo apie 0,77 USD už svarą (1,70 USD / kg).2

Valymas

Silicio panaudojimas puslaidininkiniuose įtaisuose reikalauja daug didesnio grynumo, nei suteikia metalurgijos kokybės silicis. Istoriškai aukšto grynumo siliciui gaminti buvo naudojama daugybė metodų.

Fiziniai metodai

Ankstyvojo silicio valymo metodai buvo grindžiami tuo, kad jei silicis išlydomas ir vėl sukietėja, paskutinėse kietėjimo masės dalyse yra dauguma priemaišų. Ankstyviausias silicio gryninimo metodas, pirmą kartą aprašytas 1919 m. Ir ribotai naudojamas radaro komponentams gaminti per Antrąjį pasaulinį karą, buvo susmulkintas metalurginio silicio ir po to iš dalies ištirpinant silicio miltelius rūgštyje. Susmulkinęs silicį, jis suskilo taip, kad susidariusių silicio grūdų išorėje buvo silpnesnės priemaišų turinčios sritys. Dėl to silicis, kuriame gausu priemaišų, pirmasis ištirpo, kai buvo apdorotas rūgštimi, paliekant grynesnį produktą.

Lydant zoną, dar vadinamą zonų rafinavimu, yra pirmasis silicio valymo metodas, plačiai naudojamas pramonėje, metalurginio silicio strypai kaitinami, kad ištirptų viename gale. Tada šildytuvas lėtai judamas žemyn lazdele, išlaikant nedidelį strypo ilgį, kad jis būtų išlydytas, nes silicis atvės ir vėl sukietėja už jo. Kadangi dauguma priemaišų linkę likti išlydytoje srityje, o ne iš naujo sukietėti, kai procesas bus baigtas, dauguma strypo priemaišų bus perkeltos į galą, kuris paskutinį kartą buvo lydomas. Tada šis galas nupjaunamas ir išmetamas, o procesas kartojamas, jei norima dar aukštesnio grynumo.

Cheminiai metodai

Šiandien silicis vietoj to išgryninamas paverčiant jį silicio junginiu, kurį galima lengviau išvalyti nei patį silicį, ir tada tą silicio elementą paverčiant grynu siliciu. Trichlorosilanas yra silicio junginys, dažniausiai naudojamas kaip tarpinis produktas, nors taip pat naudojami silicio tetrachloridas ir silanas. Kai šios dujos pučiamos per silicį aukštoje temperatūroje, jos suskyla į aukšto grynumo silicį.

Vienu metu „DuPont“ pagamino ypač gryną silicį, reaguodamas silicio tetrachloridą su labai grynais cinko garais 950 ° C temperatūroje, gamindamas silicį pagal cheminę lygtį.

SiCl4 + 2 Zn → Si + 2 ZnCl2.

Tačiau ši technika susidūrė su praktinėmis problemomis (pavyzdžiui, cinko chlorido šalutinio produkto kietėjimo ir užsikimšimo linijomis) ir galiausiai buvo atsisakyta „Siemens“ proceso naudai.

Viduje „Siemens“ procesas, labai gryni silicio strypai veikiami trichlorosilanu 1150 ° C temperatūroje. Trichlorosilano dujos suskaido ir nusėda ant silicio lazdelių papildomo silicio, padidindamos jas pagal panašias chemines reakcijas

2 HSiCl3 → Si + 2 HCl + SiCl4.

Silicis, pagamintas iš šio ir panašių procesų, yra vadinamas polikristalinis silicis. Polikristalinio silicio priemaišų lygis paprastai yra mažesnis kaip 10−9.

2006 m. Atsinaujinančios energijos korporacija (REC) paskelbė, kad statys gamyklą, pagrįstą skystojo sluoksnio technologija, naudojant silaną.3

3SiCl4 + Si + 2H2 → 4HSiCl3
4HSiCl3 → 3SiCl4 + SiH4
SiH4 → Si + 2H2

Kristalizacija

Dauguma silicio kristalų, auginamų prietaisams gaminti, yra gaminami Czochralski būdu (CZ-Si), nes tai yra pigiausias turimas metodas ir galintis gaminti didelius kristalus. Tačiau silicio monokristaluose, užaugintuose Czochralski metodu, yra priemaišų, nes tiglis, kuriame yra lydalas, ištirpsta. Tam tikruose elektroniniuose prietaisuose, ypač reikalinguose didelės galios įrenginiams, silicis, išaugintas Czochralski metodu, nėra pakankamai grynas. Šiems tikslams vietoj to gali būti naudojamas plūdriųjų zonų silicis (FZ-Si). Vis dėlto verta paminėti, kad sunku užauginti didelius kristalus naudojant plūdės zonos metodą. Šiandien visi puslaidininkių pramonėje naudojami 300 mm ar didesnio skersmens silicio kristalai, neturintys dislokacijos, auginami Czochralski metodu, kurio grynumo lygis žymiai pagerėjo.

Programos

Kaip antrasis dažniausiai pasitaikantis elementas žemėje, silicis yra labai naudingas elementas, kuris yra gyvybiškai svarbus daugeliui žmonių pramonės šakų ir turi didelę įtaką šiuolaikiniam gyvenimui. Pavyzdžiui, tai yra pagrindinis stiklo, betono ir daugelio rūšių cemento komponentas. Be to, vienas vertingiausių jo pritaikymų yra tas, kad jis yra pagrindinis substratas gaminant elektronikos prietaisus, tokius kaip integruotos grandinės ir galios tranzistoriai. Be to, elementas ir jo junginiai plačiai naudojami sprogmenyse ir pirotechnikoje.4. Silicis taip pat naudojamas mechaniniuose sandarikliuose, sandarinimo mišiniuose ir aukštos temperatūros, silicio turinčiuose tepaluose.

Lydiniai

  • Didžiausias gryno (metalurginio tipo) silicio panaudojimas yra aliuminio ir silicio lydiniuose, dažnai vadinamuose „lengvojo lydinio“, liejamų dalių, daugiausia automobilių pramonėje, gamybai. (Tai sudaro apie 55% viso gryno silicio suvartojimo.)
  • Antras pagal dydį gryno silicio panaudojimas yra žaliava silikonų gamyboje (apie 40% viso silicio suvartojimo)
  • Grynas silicis taip pat naudojamas gaminant ypač gryną silicį elektroninėms ir fotoelektrinėms reikmėms:
    • Puslaidininkis: Itin grynas silicis gali būti pasklidęs su kitais elementais, kad būtų galima sureguliuoti jo elektrinį atsaką kontroliuojant srovės nešėjų skaičių ir krūvį (teigiamą ar neigiamą). Tokia kontrolė reikalinga tranzistoriams, saulės elementams, mikroprocesoriams, puslaidininkių detektoriams ir kitiems puslaidininkiniams įtaisams, naudojamiems elektronikoje ir kitose aukštųjų technologijų programose.
    • Fotonika: Silicis gali būti naudojamas kaip nuolatinių bangų Ramano lazeris darniai šviesai sukurti. (Nors jis nėra efektyvus kaip šviesos šaltinis.)
    • Skystųjų kristalų ekranai ir saulės elementai: Hidrintas amorfinis silicis yra plačiai naudojamas pigių, didelių plotų elektronikos gamyboje tokiose programose kaip LCD. Tai taip pat parodė, kad žadamas didelio ploto ir nebrangus plonasluoksnis saulės elementas.
  • Plienas ir ketus: Silicis yra svarbi kai kurių plienų sudedamoji dalis, todėl jis naudojamas ketaus gamybos procese. Jis pristatomas kaip ferosilicio arba siliciokalcio lydiniai.

Junginiai

  • Konstrukcija: Smėlio ir molio pavidalo silicio dioksidas arba silicio dioksidas yra svarbi betono ir plytų sudedamoji dalis, taip pat naudojama portlandcementui gaminti.
  • Keramika / emalė yra ugniai atspari medžiaga, naudojama gaminant aukštą temperatūrą, o jos silikatai naudojami gaminant emalius ir keramiką.
  • Stiklas: Smėlio silicio dioksidas yra pagrindinis stiklo komponentas. Stiklas gali būti pagamintas iš įvairių formų ir pasižymi daugybe skirtingų fizinių savybių. Silicis naudojamas kaip pagrindinė medžiaga langų stiklams, indams, izoliatoriams ir daugeliui kitų naudingų daiktų gaminti.
  • Abrazyvai: Silicio karbidas yra vienas iš svarbiausių abrazyvų.
  • Medicininės medžiagos: Silikonai yra lankstūs junginiai, turintys silicio-deguonies ir silicio-anglies jungčių; jie plačiai naudojami tokiose srityse kaip dirbtiniai krūtų implantai ir kontaktiniai lęšiai. Silikonai taip pat naudojami daugelyje kitų programų.
  • „Silly Putty“ iš pradžių buvo gaminamas pridedant boro rūgšties prie silikono aliejaus. Dabar prekės ženklo „Silly Putty“ sudėtyje yra ir nemažas elementinio silicio kiekis. (Silicis prisijungia prie silikono ir leidžia medžiagai šoktelėti 20 procentų aukščiau.)

Skirtingos silicio formos

  • Granuliuotas silicis

  • Polikristalinis silicis

  • Silicio monokristalas

  • Nanokristalinis silicis

  • Silicio luitas

Galima pastebėti silicio nanopulderio spalvos pasikeitimą. Tai sukelia kvantiniai efektai, atsirandantys nanometrinių matmenų dalelėse. Taip pat žiūrėkite potencialų šulinį, kvantinį tašką ir nanodaleles.

Silicio pagrindu sukurtas gyvenimas

Atsižvelgiant į tai, kad silicis yra panašus į anglį, ypač dėl savo valentingumo, kai kurie pasvarstė apie silicio pagrindu veikiančios gyvybės galimybę. Pavyzdžiui, A. G. Cairnsas-Smithas pasiūlė, kad pirmieji gyvi organizmai galėjo būti molio mineralų formos, kurios, greičiausiai, buvo pagrįstos silicio atomu.

Nors nėra žinomų gyvybės formų, kurios visiškai priklauso nuo silicio pagrindo chemijos, yra ir tokių, kurios specifinėms funkcijoms atlikti naudojasi silicio mineralais. Kai kurios bakterijos ir kitos gyvybės formos, tokios kaip pirmuonių radiolarija, turi silicio dioksido griaučius, o jūros ežiai turi iš silicio dioksido pagamintus spyglius. Šios silicio dioksido formos yra žinomos kaip biogeninis silicio dioksidas. Silikatinės bakterijos metabolizuodamos naudoja silikatus.

Vis dėlto gyvenimas, koks yra žinomas šiandien, negalėjo būti susiformavęs remiantis silicio biochemija. Pagrindinė priežastis yra ta, kad gyvenimas Žemėje priklauso nuo anglies ciklo: Autotrofiniai organizmai naudoja anglies dioksidą sintetinti organinius junginius su anglimi, kurį vėliau kaip maistą naudoja heterotrofiniai organizmai, kurie iš šių junginių gamina energiją ir anglies dioksidą. Jei anglis būtų pakeista siliciu, reikėtų a silicio ciklas, dalyvaujant silicio dioksidui. Tačiau, skirtingai nuo anglies dioksido, silicio dioksidas yra kieta medžiaga, kuri netirpsta vandenyje ir negali būti transportuojama per gyvas sistemas įprastomis biologinėmis priemonėmis. Taigi, norint išlaikyti gyvybines silicio formas, reikalingas kitas tirpiklis. Sunku (jei ne neįmanoma) rasti kitą įprastą junginį, pasižymintį neįprastomis vandens savybėmis, todėl jis yra idealus tirpiklis gyvenimui anglies pagrindu.

Didesni silicio junginiai (silanai), kurie yra analogiški įprastoms angliavandenilių grandinėms, paprastai yra nestabilūs dėl didesnio silicio atomo spindulio ir atitinkamai silpnesnio silicio ir silicio jungties. Silanai lengvai ir dažnai suyra, turėdami deguonies, todėl jie netinkami tokiai oksiduojančiai atmosferai, kokia yra mūsų. Be to, skirtingai nei anglis, silicis neturi tendencijos sudaryti dvigubas ir trigubas jungtis.

Buvo susintetinti kai kurie silicio žiedai (ciklozilanai) ir yra analogiški cikloalkanams, kuriuos sudaro anglis, tačiau ciklozilanai yra reti, o cikloalkanai yra įprasti. Ciklozilanų sintezė patiria sunkumų, būdingų gaminant bet kokį silano junginį. Kita vertus, anglis įvairiais būdais, net ir esant deguoniui, lengvai suformuos penkių, šešių ir septynių narių žiedus.

Silicio nesugebėjimas lengvai sudaryti daugybinių jungčių, ilgų silanų grandinių ir žiedų labai riboja junginių, kurie gali būti sintetinami iš jo, įvairovę. Esant žinomoms sąlygoms, silicio chemija paprasčiausiai negali pradėti nagrinėti organinės chemijos įvairovės, nes tai yra lemiamas anglies vaidmens biologijoje veiksnys.

Kai kurie silicio pagrindu sukurtą gyvavimo laiką suprato kaip esantį skaičiavimo substrate. Ši koncepcija, kuri dar nėra nagrinėjama šiuolaikinėse technologijose, sulaukia daug mokslinės fantastikos autorių dėmesio.

Pastabos

  1. „Mokslo vartai“, Fosforas-32. Gauta 2007 m. Rugpjūčio 11 d.
  2. JAV geologijos tarnyba, mineralinių žaliavų suvestinės, Silicis. Gauta 2007 m. Rugpjūčio 11 d.
  3. Atsinaujinančios energijos korporacija, Analitiko kelionė silicio lauke, 2007 m. Kovo 28 d. Gauta 2007 m. Rugpjūčio 11 d.
  4. ↑ E.-C. Kochas, D. Clementas. Specialios pirotechnikos medžiagos: VI. Silicis - senas kuras su naujomis perspektyvomis. Gauta 2007 m. Rugpjūčio 11 d.

Nuorodos

  • Cotton, F. Albert ir Geoffrey Wilkinson. 1980 metai. Pažangi neorganinė chemija. Niujorkas: Wiley. ISBN 0471027758
  • Changas, Raymondas. 2006 m. Chemija. Niujorkas: „McGraw-Hill“ mokslas / inžinerija / matematika. ISBN 0073221031
  • Greenwood, N. N. ir A. Earnshaw. 1998 metai. Elementų chemija. Burlingtonas, MA: Butterworth-Heinemann, „Elsevier Science“. ISBN 0750633654
  • Jutzi, Peteris ir Ulrichas Schubertas. 2003 metai. Silicio chemija: nuo atomo iki išplėstinių sistemų. Niujorkas: Wiley. ISBN 3527306471
  • Los Alamoso nacionalinė laboratorija. Silicis. Gauta 2015 m. Spalio 7 d.
  • Siffertas, P. ir E. Krimmel, red. 2004 metai. Silicis: technologijos raida ir ateitis. Berlynas: Springeris. ISBN 3540405461

Išorinės nuorodos

Visos nuorodos gautos 2019 m. Lapkričio 4 d.

  • Silicis. „WebElements.com“.

Pin
Send
Share
Send