Siliciu: aplicație, proprietăți chimice și fizice

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-17 05:39

Unul dintre cele mai comune elemente din natură este siliciul sau siliciul. O distribuție atât de largă vorbește despre importanța și semnificația acestei substanțe. Acest lucru a fost înțeles și adoptat rapid de oamenii care au învățat cum să folosească corect siliciul pentru propriile lor scopuri. Aplicarea sa se bazează pe proprietăți speciale, despre care vom vorbi mai târziu.

Siliciul este un element chimic

Dacă caracterizăm un anumit element prin poziție în sistemul periodic, putem identifica următoarele puncte importante:

1. Număr ordinal - 14.
2. Perioada este a treia mică.
3. Grup - IV.
4. Subgrup - principal.
5. Structura învelișului electron exterior este exprimată prin formula 3s²3p².
6. Elementul siliciu este notat cu simbolul chimic Si, care se pronunță „siliciu”.
7. Starile de oxidare pe care le prezinta: -4; +2; +4.
8. Valența unui atom este IV.
9. Masa atomică a siliciului este 28.086.
10. În natură, există trei izotopi stabili ai acestui element cu numerele de masă 28, 29 și 30.

Deci atomulDin punct de vedere chimic, siliciul este un element bine studiat, multe dintre diferitele sale proprietăți au fost descrise.

Istoricul descoperirilor

Deoarece diverșii compuși ai elementului luat în considerare sunt foarte populari și masivi în conținut în natură, din cele mai vechi timpuri oamenii au folosit și știau despre proprietățile doar multora dintre ei. Siliciul pur a rămas multă vreme dincolo de cunoștințele umane în chimie.

Cei mai populari compuși folosiți în viața de zi cu zi și în industrie de către popoarele culturilor antice (egipteni, romani, chinezi, ruși, perși și alții) erau pietrele prețioase și ornamentale pe bază de oxid de siliciu. Acestea includ:

• opal;
• rhinestone;
• topaz;
• crisoprază;
• onix;
• calcedonie și altele.

De asemenea, se obișnuiește utilizarea de cuarț și nisip de cuarț în construcții încă din cele mai vechi timpuri. Cu toate acestea, siliciul elementar în sine a rămas nedescoperit până în secolul al XIX-lea, deși mulți oameni de știință au încercat în zadar să-l izoleze de diverși compuși, folosind catalizatori, temperaturi ridicate și chiar curent electric. Acestea sunt minți strălucitoare precum:

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

Jens Jacobs Berzelius a reușit să obțină cu succes siliciu pur în 1823. Pentru a face acest lucru, el a efectuat un experiment privind fuziunea vaporilor de fluorură de siliciu și potasiu metalic. Ca urmare, a primit o modificare amorfă a elementului în cauză. Același om de știință a propus un nume latin pentru atomul descoperit.

Puțin mai târziu, în 1855, un alt om de știință - Saint Clair-Deville - a reușit să sintetizeze o altă varietate alotropă - siliciul cristalin. De atunci, cunoștințele despre acest element și proprietățile sale au început să crească foarte repede. Oamenii și-au dat seama că are caracteristici unice care pot fi folosite foarte inteligent pentru a-și satisface propriile nevoi. Prin urmare, astăzi unul dintre cele mai solicitate elemente în electronică și tehnologie este siliciul. Utilizarea acestuia își extinde limitele doar în fiecare an.

Numele rusesc pentru atom a fost dat de omul de știință Hess în 1831. Acesta este ceea ce a rămas până în ziua de azi.

Conținut în natură

Siliciul este al doilea cel mai abundent în natură, după oxigen. Procentul său în comparație cu alți atomi din compoziția scoarței terestre este de 29,5%. În plus, carbonul și siliciul sunt două elemente speciale care pot forma lanțuri prin conectarea între ele. De aceea, pentru acesta din urmă sunt cunoscute peste 400 de minerale naturale diferite, în care este conținut în litosferă, hidrosferă și biomasă.

Unde se găsește exact siliciul?

1. În straturile adânci ale solului.
2. În roci, depozite și masive.
3. La fundul corpurilor de apă, în special al mărilor și oceanelor.
4. În plantele și viața marina din regnul animal.
5. La oameni și animale terestre.

Este posibil să se desemneze câteva dintre cele mai comune minerale și roci, care conțin o cantitate mare desiliciu. Chimia lor este astfel încât conținutul de masă al unui element pur în ele ajunge la 75%. Cu toate acestea, cifra specifică depinde de tipul de material. Deci, roci și minerale care conțin siliciu:

• feldspați;
• mica;
• amfiboli;
• opals;
• calcedonie;
• silicați;
• gresii;
• aluminosilicați;
• argile și altele.

Acumulându-se în cochiliile și scheletele exterioare ale animalelor marine, siliciul formează în cele din urmă depozite puternice de silice pe fundul corpurilor de apă. Aceasta este una dintre sursele naturale ale acestui element.

În plus, s-a constatat că siliciul poate exista în forma sa nativă pură - sub formă de cristale. Dar astfel de depozite sunt foarte rare.

Proprietățile fizice ale siliciului

Dacă caracterizați elementul luat în considerare printr-un set de proprietăți fizice și chimice, atunci în primul rând, parametrii fizici ar trebui indicați. Iată câteva dintre cele cheie:

1. Există sub forma a două modificări alotrope - amorfe și cristaline, care diferă în toate proprietățile.
2. Rețeaua cristalină este foarte asemănătoare cu cea a diamantului, deoarece carbonul și siliciul sunt aproape la fel în acest sens. Cu toate acestea, distanța dintre atomi este diferită (siliciul are mai mult), așa că diamantul este mult mai dur și mai puternic. Tip zăbrele - cubică centrată pe față.
3. Substanța este foarte fragilă, devine plastică la temperaturi ridicate.
4. Punctul de topire este 1415˚C.
5. Temperaturapunctul de fierbere - 3250˚С.
6. Densitatea materiei - 2,33 g/cm³.
7. Culoarea conexiunii este gri-argintiu, cu un luciu metalic caracteristic.
8. Posedă proprietăți bune de semiconductor, care pot varia odată cu adăugarea anumitor agenți.
9. Insolubil în apă, solvenți organici și acizi.
10. Solubil în mod specific în alcali.

Proprietățile fizice desemnate ale siliciului permit oamenilor să-l controleze și să-l folosească pentru a crea diverse produse. De exemplu, utilizarea siliciului pur în electronică se bazează pe proprietățile semiconductivității.

Proprietăți chimice

Proprietățile chimice ale siliciului depind foarte mult de condițiile de reacție. Dacă vorbim despre o substanță pură la parametri standard, atunci trebuie să desemnăm o activitate foarte scăzută. Atât siliciul cristalin, cât și cel amorf sunt foarte inert. Nu interacționați cu agenți oxidanți puternici (cu excepția fluorului) și nici cu agenți reducători puternici.

Acest lucru se datorează faptului că pe suprafața substanței se formează instantaneu un film de oxid SiO₂, ceea ce previne interacțiunile ulterioare. Se poate forma sub influența apei, aerului, vaporilor.

Dacă modificați condițiile standard și încălziți siliciul la o temperatură de peste 400˚С, atunci activitatea sa chimică va crește foarte mult. În acest caz, va reacționa cu:

• oxigen;
• toate tipurile de halogeni;
• hidrogen.

Odată cu o creștere suplimentară a temperaturii, formarea de produse este posibilă lainteracțiunea cu borul, azotul și carbonul. De o importanță deosebită este carborundum - SiC, deoarece este un bun material abraziv.

De asemenea, proprietățile chimice ale siliciului sunt vizibile clar în reacțiile cu metalele. În raport cu acestea, este un agent oxidant, de aceea produsele se numesc siliciuri. Compuși similari sunt cunoscuți pentru:

• alcaline;
• alcalino-pământos;
• metale de tranziție.

Proprietățile neobișnuite au un compus obținut prin topirea fierului și a siliciului. Se numește ceramică ferosilicioasă și a fost folosită cu succes în industrie.

Siliciul nu interacționează cu substanțe complexe, prin urmare, din toate soiurile lor, se poate dizolva doar în:

• vodcă regală (un amestec de acizi azotic și clorhidric);
• alcali caustici.

În acest caz, temperatura soluției ar trebui să fie de cel puțin 60˚С. Toate acestea confirmă încă o dată baza fizică a substanței - o rețea cristalină stabilă asemănătoare unui diamant, care îi conferă rezistență și inerție.

Metode de obținere

Obținerea siliciului pur este un proces destul de costisitor din punct de vedere economic. În plus, datorită proprietăților sale, orice metodă oferă doar 90-99% produs pur, în timp ce impuritățile sub formă de metale și carbon rămân aceleași. Deci doar obținerea substanței nu este suficientă. De asemenea, ar trebui să fie curățat calitativ de elemente străine.

În general, producția de siliciu se realizează în două moduri principale:

1. Din nisipul albcare este oxid de siliciu pur SiO₂. Când este calcinat cu metale active (cel mai adesea cu magneziu), se formează un element liber sub forma unei modificări amorfe. Puritatea acestei metode este ridicată, produsul este obținut cu un randament de 99,9 la sută.
2. O metodă mai răspândită la scară industrială este sinterizarea nisipului topit cu cocs în cuptoare termice specializate. Această metodă a fost dezvoltată de omul de știință rus Beketov N. N.

Prelucrarea ulterioară constă în supunerea produselor la metode de curățare. Pentru aceasta se folosesc acizi sau halogeni (clor, fluor).

Siliciu amorf

Caracterizarea siliciului va fi incompletă dacă nu luăm în considerare separat fiecare dintre modificările sale alotropice. Primul este amorf. În această stare, substanța pe care o luăm în considerare este o pulbere maro-brun, fin dispersată. Are un grad ridicat de higroscopicitate, prezintă o activitate chimică suficient de mare când este încălzit. În condiții standard, poate interacționa numai cu cel mai puternic agent oxidant - fluorul.

Nu este în întregime corect să numim siliciul amorf o varietate de siliciu cristalin. Rețeaua sa arată că această substanță este doar o formă de siliciu fin dispersat care există sub formă de cristale. Prin urmare, ca atare, aceste modificări sunt același compus.

Cu toate acestea, proprietățile lor diferă, de aceea este obișnuit să vorbim despre alotropie. În sine, siliciul amorf arecapacitate mare de absorbție a luminii. În plus, în anumite condiții, acest indicator este de câteva ori mai mare decât cel al formei cristaline. Prin urmare, este utilizat în scopuri tehnice. În forma considerată (pulbere), compusul se aplică cu ușurință pe orice suprafață, fie ea din plastic sau sticlă. Prin urmare, siliciul amorf este atât de convenabil pentru utilizare. Aplicația se bazează pe fabricarea de panouri solare de diferite dimensiuni.

Deși uzura acestui tip de baterii este destul de rapidă, ceea ce este asociat cu abraziunea unei pelicule subțiri a substanței, totuși, utilizarea și cererea sunt în creștere. Într-adevăr, chiar și într-o durată scurtă de viață, celulele solare bazate pe siliciu amorf sunt capabile să furnizeze energie întregi întreprinderi. În plus, producerea unei astfel de substanțe este fără deșeuri, ceea ce o face foarte economică.

Obțineți această modificare reducând compușii cu metale active, cum ar fi sodiu sau magneziu.

Siliciu de cristal

Modificare strălucitoare gri argintiu a elementului în cauză. Această formă este cea mai comună și cea mai solicitată. Acest lucru se datorează setului de proprietăți calitative pe care le posedă această substanță.

Caracteristica siliciului cu o rețea cristalină include o clasificare a tipurilor sale, deoarece există mai multe dintre ele:

1. Calitate electronică - cea mai pură și cea mai în altă calitate. Acest tip este folosit în electronică pentru a crea dispozitive deosebit de sensibile.
2. Calitate însorită. Numele în sinedefinește zona de utilizare. Este, de asemenea, un siliciu de în altă puritate, a cărui utilizare este necesară pentru a crea celule solare de în altă calitate și de lungă durată. Convertizoarele fotovoltaice create pe baza unei structuri cristaline sunt de calitate superioară și mai durabile decât cele create folosind o modificare amorfă prin depunere pe diferite tipuri de substraturi.
3. Siliciu tehnic. Această varietate include acele mostre dintr-o substanță care conțin aproximativ 98% din elementul pur. Orice altceva merge la diferite tipuri de impurități:

• bor;
• aluminiu;
• clor;
• carbon;
• fosfor și altele.

Ultima varietate a substanței în cauză este utilizată pentru obținerea policristalelor de siliciu. Pentru aceasta, se efectuează procese de recristalizare. Drept urmare, din punct de vedere al purității, se obțin produse care pot fi atribuite grupelor de calitate solară și electronică.

Prin natură, polisiliciul este un produs intermediar între modificarea amorfă și cea cristalină. Această opțiune este mai ușor de lucrat, este mai bine reciclată și curățată cu fluor și clor.

Produsele rezultate pot fi clasificate după cum urmează:

• multicilicon;
• monocristalin;
• cristale profilate;
• resturi de siliciu;
• siliciu tehnic;
• deșeuri de producție sub formă de fragmente și resturi de materie.

Fiecare dintre ele își găsește aplicație în industrie și este folosito persoană complet. Prin urmare, procesele de producție care implică siliciu sunt considerate fără deșeuri. Acest lucru reduce considerabil costul economic, fără a afecta calitatea.

Folosind siliciu pur

Producția de siliciu în industrie este destul de bine stabilită, iar scara sa este destul de voluminoasă. Acest lucru se datorează faptului că acest element, atât pur, cât și sub formă de diverși compuși, este răspândit și solicitat în diferite ramuri ale științei și tehnologiei.

Unde se folosește siliciul pur cristalin și amorf?

1. În metalurgie ca aditiv de aliere capabil să modifice proprietățile metalelor și aliajelor acestora. Deci, este folosit la topirea oțelului și a fierului.
2. Se folosesc diferite tipuri de substanțe pentru a face o versiune mai curată - polisiliciu.
3. Compuși de siliciu cu substanțe organice - aceasta este o întreagă industrie chimică care a câștigat o popularitate deosebită astăzi. Materialele siliconice sunt folosite în medicină, la fabricarea de vase, unelte și multe altele.
4. Producerea diverselor panouri solare. Această metodă de obținere a energiei este una dintre cele mai promițătoare în viitor. Ecologic, rentabil și durabil - principalele avantaje ale unei astfel de producții de energie electrică.
5. Siliciul a fost folosit la brichete de foarte mult timp. Chiar și în antichitate, oamenii foloseau silex pentru a crea o scânteie atunci când aprindeau focul. Acest principiu stă la baza producției de brichete de diferite tipuri. Astăzi există specii în carecremenul este înlocuit cu un aliaj de o anumită compoziție, care dă un rezultat și mai rapid (scântei).
6. Electronică și energie solară.
7. Producție de oglinzi în dispozitive cu laser cu gaz.

Astfel, siliciul pur are o mulțime de proprietăți avantajoase și speciale care îi permit să fie folosit pentru a crea produse importante și necesare.

Aplicarea compușilor de siliciu

Pe lângă o substanță simplă, sunt folosiți și diverși compuși de siliciu, și pe scară largă. Există o întreagă ramură a industriei numită silicat. Ea este cea care se bazează pe utilizarea diferitelor substanțe, care includ acest element uimitor. Ce sunt acești compuși și ce produc ei?

1. Cuarț sau nisip de râu - SiO₂. Este folosit pentru fabricarea materialelor de constructii si decorative precum cimentul si sticla. Unde sunt folosite aceste materiale, toată lumea știe. Nicio construcție nu este completă fără aceste componente, ceea ce confirmă importanța compușilor de siliciu.
2. Ceramica silicatica, care include materiale precum faianta, portelanul, caramida si produse pe baza acestora. Aceste componente sunt folosite în medicină, la fabricarea de vase, ornamente decorative, articole de uz casnic, în construcții și alte domenii casnice ale activității umane.
3. Compuși de silicon - siliconi, silicagels, uleiuri de silicon.
4. Adeziv silicat - folosit ca papetărie, în pirotehnică și construcții.

Siliciu, al cărui preț variază pe piața mondială, dar nu trecede sus în jos, marca de 100 de ruble a Federației Ruse pe kilogram (pe cristalin), este o substanță căutată și valoroasă. Desigur, compușii acestui element sunt, de asemenea, răspândiți și aplicabili.

Rolul biologic al siliciului

Din punct de vedere al semnificației pentru organism, siliciul este important. Conținutul și distribuția în țesuturi sunt după cum urmează:

• 0, 002% - musculos;
• 0, 000017% - os;
• sânge - 3,9 mg/l.

În fiecare zi, aproximativ un gram de siliciu ar trebui să intre înăuntru, altfel bolile vor începe să se dezvolte. Nu există niciun fel de mortal printre ei, totuși, înfometarea prelungită de siliciu duce la:

• căderea părului;
• apariția acneei și a cosurilor;
• fragilitatea și fragilitatea oaselor;
• permeabilitate capilară ușoară;
• oboseală și dureri de cap;
• apariția a numeroase vânătăi și vânătăi.

Pentru plante, siliciul este un oligoelement important necesar pentru creșterea și dezvoltarea normală. Experimentele pe animale au arătat că persoanele care consumă suficient siliciu zilnic cresc cel mai bine.