Proprietăți chimice ale siliciului. Siliciu. Proprietățile siliciului. Aplicații ale siliciului Siliciul și cei mai importanți compuși ai săi

CPU? Nisip? Ce asocieri ai cu acest cuvânt? Sau poate Silicon Valley?
Oricum ar fi, întâlnim zilnic siliciu, iar dacă ești interesat să afli ce este Si și cu ce se mănâncă, te rog să te referi la pisică.

Introducere

În calitate de student la una dintre universitățile din Moscova cu specialitate în Nanomateriale, am vrut să vă prezint, dragă cititor, cele mai importante elemente chimice ale planetei noastre. Am petrecut mult timp alegând de unde să încep, carbon sau siliciu, și totuși am decis să mă opresc la Si, pentru că inima oricărui gadget modern se bazează pe el, ca să zic așa, desigur. Voi încerca să-mi exprim gândurile într-un mod extrem de simplu și accesibil Scriind acest material, m-am bazat în principal pe începători, dar și cei mai avansați vor putea învăța ceva interesant scris doar pentru a lărgi orizonturile celor interesați. Deci, să începem.

Siliciu

Siliciu (lat. Siliciu), Si, element chimic din grupa IV a sistemului periodic al lui Mendeleev; numărul atomic 14, masa atomică 28.086.
În natură, elementul este reprezentat de trei izotopi stabili: 28Si (92,27%), 29Si (4,68%) și 30Si (3,05%).
Densitate (la nr.) 2,33 g/cm³
Punct de topire 1688 K

Pulbere Si

Context istoric

Compușii de siliciu, larg răspândiți pe pământ, sunt cunoscuți omului încă din epoca de piatră. Folosirea uneltelor de piatră pentru muncă și vânătoare a continuat timp de câteva milenii. Utilizarea compușilor de siliciu asociați cu prelucrarea lor - producția de sticlă - a început în jurul anului 3000 î.Hr. e. (V Egiptul antic). Cel mai vechi compus cunoscut de siliciu este oxidul de SiO2 (silice). În secolul al XVIII-lea, siliciul era considerat un solid simplu și clasificat drept „pământ” (așa cum se reflectă în numele său). Complexitatea compoziției silicei a fost stabilită de I. Ya Berzelius. Pentru prima dată, în 1825, a obținut siliciu elementar din fluorură de siliciu SiF4, reducându-l pe acesta din urmă cu potasiu metal. Noului element i s-a dat numele de „siliciu” (din latinescul silex - silex). Numele rusesc a fost introdus de G. I. Hess în 1834.

Siliciul este foarte comun în natură ca parte a nisipului obișnuit.

Distribuția siliciului în natură

Siliciul este al doilea element cel mai abundent din scoarța terestră (după oxigen), conținutul său mediu în litosferă este de 29,5% (din masă). În scoarța terestră, siliciul joacă același rol principal ca și carbonul la animale și floră. Pentru geochimia siliciului, este exclusiv important conexiune puternică ea cu oxigen. Aproximativ 12% din litosferă este silice SiO2 sub formă de cuarț mineral și soiurile sale. 75% din litosferă este compusă din diverși silicați și aluminosilicați (feldspați, mica, amfiboli etc.). Număr total mineralele care conțin silice depășesc 400.

Proprietățile fizice ale siliciului

Cred că nu are rost să locuim aici, toate proprietățile fizice sunt disponibile gratuit, dar le voi enumera pe cele mai elementare.
Punct de fierbere 2600 °C
Siliciul este transparent la razele infraroșii cu unde lungi
Constanta dielectrica 11.7
Duritate Silicon Mohs 7.0
Aș dori să spun că siliciul este un material fragil, deformarea plastică vizibilă începe la temperaturi peste 800°C.
Siliciul este un semiconductor, motiv pentru care este utilizat pe scară largă. Proprietățile electrice ale siliciului sunt foarte dependente de impurități.

Proprietățile chimice ale siliciului

Sunt multe de spus aici, desigur, dar mă voi concentra pe cele mai interesante. În compușii Si (similar cu carbonul) 4-valentenă.
În aer, siliciul este stabil chiar și la temperaturi ridicate datorită formării unei pelicule de oxid de protecție. În oxigen se oxidează începând de la 400 °C, formând oxid de siliciu (IV) SiO2.
Siliciul este rezistent la acizi și se dizolvă numai într-un amestec de acizi azotic și fluorhidric și se dizolvă ușor în soluții alcaline fierbinți cu eliberarea de hidrogen.
Siliciul formează 2 grupe de silani care conțin oxigen - siloxani și siloxeni. Siliciul reacționează cu azotul la temperaturi peste 1000 °C Important semnificație practică are nitrură de Si3N4, care nu se oxidează în aer nici la 1200 °C, este rezistentă la acizi (cu excepția azotului) și alcaline, precum și la metale și zguri topite, ceea ce îl face un material valoros pentru industria chimică, precum și pentru producerea de materiale refractare. Compușii de siliciu cu carbon (carbură de siliciu SiC) și bor (SiB3, SiB6, SiB12) se caracterizează prin duritate ridicată, precum și rezistență termică și chimică.

Obținerea Siliciului

Cred că aceasta este cea mai interesantă parte, haideți să aruncăm o privire mai atentă aici.
In functie de scop exista:
1. Siliciu electronic de calitate(așa-numitul „siliciu electronic”) - siliciul de cea mai bună calitate cu un conținut de siliciu de peste 99,999% din greutate, rezistivitatea electrică a siliciului de calitate electronică poate fi în intervalul de aproximativ 0,001 până la 150 Ohm cm, dar valoarea rezistenței trebuie să fie să se asigure exclusiv o anumită impuritate, adică intrarea altor impurități în cristal, chiar dacă acestea asigură o rezistivitate electrică dată, este, de regulă, inacceptabilă.
2. Siliciu de calitate solară(așa-numitul „siliciu solar”) - siliciu cu un conținut de siliciu de peste 99,99% din greutate, utilizat pentru producția de convertoare fotovoltaice (baterii solare).

3. Siliciu tehnic- blocuri de siliciu cu structura policristalina obtinute prin reducere carbotermica din nisip cuarcios pur; conține 98% siliciu, principala impuritate este carbonul, caracterizat printr-un conținut ridicat de elemente de aliere - bor, fosfor, aluminiu; folosit în principal pentru a produce siliciu policristalin.

Siliciul de puritate tehnică (95-98%) se obține într-un arc electric prin reducerea silicei SiO2 între electrozii de grafit. În legătură cu dezvoltarea tehnologiei semiconductoarelor, au fost dezvoltate metode pentru producerea de siliciu pur și foarte pur. Aceasta necesită sinteza preliminară a celor mai puri compuși inițiali de siliciu, din care siliciul este extras prin reducere sau descompunere termică.
Siliciul policristalin („polisiliciul”) este cea mai pură formă de siliciu produs industrial - un produs semifabricat obținut prin purificarea siliciului tehnic prin metode cu clorură și fluorură și utilizat pentru producerea siliciului mono- și multicristalin.
În mod tradițional, siliciul policristalin este obținut din siliciul tehnic prin transformarea acestuia în silani volatili (monosilan, clorosilani, fluorosilani) cu separarea ulterioară a silanilor rezultați, purificarea prin rectificare a silanului selectat și reducerea silanului la silan metalic.
Siliciul semiconductor pur se obține în două forme: policristalin(reducerea SiCl4 sau SiHCl3 cu zinc sau hidrogen, descompunerea termică a SiI4 și SiH4) și monocristalină(topirea zonei fără creuzet și „tragerea” unui singur cristal din siliciu topit - metoda Czochralski).

Aici puteți vedea procesul de creștere a siliciului folosind metoda Czochralski.

metoda Czochralski- o metodă de creștere a cristalelor prin tragerea lor în sus de pe suprafața liberă a unui volum mare de topitură cu inițierea cristalizării prin punerea în contact a unui cristal sămânță (sau a mai multor cristale) cu o anumită structură și orientare cristalografică în contact cu suprafața liberă a cristalului. topi.

Aplicarea siliconului

Siliciul dopat special este utilizat pe scară largă ca material pentru fabricarea dispozitivelor semiconductoare (tranzistoare, termistoare, redresoare de putere, tiristoare; fotocelule solare utilizate în nave spațiale, precum și o mulțime de alte lucruri).
Deoarece siliciul este transparent la razele cu lungimi de undă de la 1 la 9 microni, este folosit în optică în infraroșu.
Siliciul are aplicații diverse și în expansiune. In metalurgie Si
folosit pentru îndepărtarea oxigenului dizolvat în metalele topite (dezoxidare).
Siliciul este o parte integrantă număr mare aliaje de fier și metale neferoase.
De obicei, Siliciul conferă aliajelor rezistență sporită la coroziune, îmbunătățește proprietățile lor de turnare și crește rezistența mecanică; cu toate acestea, la niveluri mai mari, siliciul poate provoca fragilitate.
Cele mai importante sunt aliajele de fier, cupru și aluminiu care conțin siliciu.
Siliciul este prelucrat de sticlă, ciment, ceramică, electrică și alte industrii.
Siliciul ultra-pur este utilizat în principal pentru producerea de dispozitive electronice individuale (de exemplu, procesorul computerului) și microcircuite cu un singur cip.
Siliciul pur, deșeurile de siliciu ultrapur, siliciul metalurgic purificat sub formă de siliciu cristalin sunt principalele materii prime pentru energia solară.
Siliciul monocristalin – pe lângă electronică și energia solară, este folosit pentru a face oglinzi cu laser cu gaz.

Siliciu ultrapur și produsele acestuia

Siliciu în corp

Siliciul se găsește în organism sub formă de diferiți compuși, implicați în principal în formarea părților și țesuturilor dure ale scheletului. Unele plante marine (de exemplu, diatomee) și animale (de exemplu, bureți siliciu, radiolari) pot acumula cantități deosebit de mari de siliciu, formând depozite groase de oxid de siliciu (IV) atunci când mor pe fundul oceanului. În mările și lacuri reci predomină nămolurile biogene îmbogățite cu siliciu, predomină nămolurile calcaroase cu conținut scăzut de siliciu; Printre plantele terestre, cerealele, rogojii, palmierii și coada-calului acumulează mult siliciu. La vertebrate, conținutul de oxid de siliciu (IV) în substanțele de cenușă este de 0,1-0,5%. Siliciul se găsește în cantități mari în țesutul conjunctiv dens, rinichi și pancreas. Dieta zilnică a omului conține până la 1 g de siliciu. Când există un conținut ridicat de praf de oxid de siliciu (IV) în aer, acesta pătrunde în plămânii oamenilor și provoacă boala silicoză.

Concluzie

Ei bine, asta e tot, dacă citești până la sfârșit și aprofundezi puțin, atunci ești cu un pas mai aproape de succes. Sper ca nu am scris degeaba si macar cuiva i-a placut postarea. Vă mulțumim pentru atenție.

SILICIU (Siliciu latin), Si, un element chimic din grupa IV a formei scurte (grupa 14 a formei lungi) a tabelului periodic; numărul atomic 14, masa atomică 28,0855. Siliciul natural este format din trei izotopi stabili: 28 Si (92,2297%), 29 Si (4,6832%), 30 Si (3,0872%). Radioizotopi cu numere de masă 22-42 au fost obținuți artificial.

Context istoric. Răspândiți pe pământ, compușii de siliciu au fost folosiți de om încă din epoca de piatră; de exemplu, cu timpuri străvechiÎnainte de epoca fierului, silexul era folosit la fabricarea uneltelor din piatră. Prelucrarea compușilor de siliciu - producția de sticlă - a început în mileniul IV î.Hr. în Egiptul Antic. Siliciul elementar a fost obţinut în 1824-25 de către J. Berzelius prin reducerea fluorurii SiF 4 cu potasiu metal. Noului element i s-a dat numele „silicon” (din latinescul silex - silex; numele rusesc „silicon”, introdus în 1834 de G. I. Hess, provine și de la cuvântul „flent”).

Prevalența în natură. În ceea ce privește prevalența în scoarța terestră, siliciul este al doilea element chimic (după oxigen): conținutul de siliciu din litosferă este de 29,5% din masă. Nu se găsește în stare liberă în natură. Cele mai importante minerale care conțin siliciu sunt aluminosilicații și silicații naturali (amfiboli naturali, feldspați, mica etc.), precum și mineralele de siliciu (cuarț și alte modificări polimorfe ale dioxidului de siliciu).

Proprietăți. Configurația învelișului electron exterior al atomului de siliciu este 3s 2 3p 2. În compuși prezintă o stare de oxidare de +4, rar +1, +2, +3, -4; Electronegativitatea Pauling este 1,90, potențialele de ionizare Si 0 → Si + → Si 2+ → Si 3+ → Si 4+ sunt 8,15, 16,34, 33,46 și respectiv 45,13 eV; raza atomică 110 pm, raza ionului Si 4+ 40 pm (numărul de coordonare 4), 54 pm (numărul de coordonare 6).

Siliciul este o substanță cristalină solidă, fragilă, gri închis, cu un luciu metalic. Rețeaua cristalină este cubică centrată pe față; t punct de topire 1414 °C, punct de fierbere 2900 °C, densitate 2330 kg/m 3 (la 25 °C). Capacitate termică 20,1 J/(mol∙K), conductivitate termică 95,5 W/(m∙K), constantă dielectrică 12; Duritate Mohs 7. În condiții normale, siliciul este un material fragil; se observă o deformare plastică vizibilă la temperaturi peste 800 °C. Siliciul este transparent la radiația IR cu o lungime de undă mai mare de 1 micron (indice de refracție 3,45 la o lungime de undă de 2-10 microni). Diamagnetic (susceptibilitate magnetică - 3,9∙10 -6). Siliciul este un semiconductor, band gap 1,21 eV (0 K); rezistență electrică specifică 2,3∙10 3 Ohm∙m (la 25 °C), mobilitatea electronilor 0,135-0,145, găuri - 0,048-0,050 m 2 / (V s). Proprietățile electrice ale siliciului sunt foarte dependente de prezența impurităților. Pentru obținerea monocristalelor de siliciu cu conductivitate de tip p se folosesc aditivi dopanți B, Al, Ga, In (impurități acceptoare), iar cu conductivitate de tip n - P, As, Sb, Bi (impurități donatoare).

Siliciul este acoperit cu o peliculă de oxid în aer, prin urmare este inert chimic la temperaturi scăzute; când este încălzit peste 400 °C, interacționează cu oxigenul (se formează oxid de SiO și dioxid de SiO 2), halogeni (halogenuri de siliciu), azot (nitrură de siliciu Si 3 N 4), carbon (carbură de siliciu SiC) etc. Compuși de siliciu cu hidrogen – silani – obținut indirect. Siliciul reacţionează cu metalele pentru a forma siliciuri.

Siliciul fin dispersat este un agent reducător: atunci când este încălzit, reacţionează cu vaporii de apă pentru a elibera hidrogen, reducând oxizii metalici la metale libere. Acizii neoxidanți pasivează siliciul datorită formării unui film de oxid insolubil în acid pe suprafața acestuia. Siliciul se dizolvă într-un amestec de HNO 3 concentrat cu HF și se formează acid hidrofluorosilic: 3Si + 4HNO 3 + 18HF = 3H 2 + 4NO + 8H 2 O. Siliciul (în special fin dispersat) reacționează cu alcalii pentru a elibera hidrogen, de exemplu: Si + 2NaOH + H20 = Na2SiO3 + 2H2. Siliciul formează diverși compuși organosiliciici.

Rolul biologic. Siliciul este un microelement. Necesarul uman zilnic de siliciu este de 20-50 mg (elementul este necesar pentru creșterea corectă a oaselor și a țesuturilor conjunctive). Siliciul intră în corpul uman cu alimente, precum și cu aerul inhalat sub formă de SiO2 asemănător prafului. La inhalarea prelungită a prafului care conține SiO2 liber, apare silicoza.

Chitanță. Siliciul de puritate tehnică (95-98%) se obţine prin reducerea SiO 2 cu carbon sau metale. Siliciul policristalin de înaltă puritate se obține prin reducerea SiCl 4 sau SiHCl 3 cu hidrogen la o temperatură de 1000-1100 ° C, descompunere termică a Sil 4 sau SiH 4; siliciu monocristalin de înaltă puritate - prin topire zonală sau prin metoda Czochralski. Volumul producției globale de siliciu este de aproximativ 1600 mii tone/an (2003).

Aplicație. Siliciul este principalul material al dispozitivelor microelectronice și semiconductoare; utilizat la fabricarea sticlei care este transparentă la radiația infraroșie. Siliciul este o componentă a aliajelor de fier și metale neferoase (în concentrații mici, siliciul crește rezistența la coroziune și rezistența mecanică a aliajelor, îmbunătățește proprietățile lor de turnare; în concentratii mari poate provoca fragilitate); Cele mai importante sunt aliajele care conțin siliciu din fier, cupru și aluminiu. Siliciul este utilizat ca materie primă pentru producerea de compuși organosilici și siliciuri.

Lit.: Baransky P.I., Klochkov V.P., Potykevich I.V. Semiconductor electronics. Proprietăţile materialelor: Director. K., 1975; Drozdov A. A., Zlomanov V. P., Mazo G. N., Spiridonov F. M. Chimie anorganică. M., 2004. T. 2; Shriver D., Atkins P. Chimie anorganică. M., 2004. T. 1-2; Siliciu și aliajele sale. Ekaterinburg, 2005.

Unul dintre cele mai comune elemente din natură este siliciul sau siliciul. O distribuție atât de largă indică importanța și semnificația acestei substanțe. Acest lucru a fost înțeles și învățat rapid de oamenii care au învățat cum să folosească corect siliciul în scopurile lor. Utilizarea sa se bazează pe proprietăți speciale, despre care vom discuta în continuare.

Siliciu - element chimic

Dacă caracterizăm un element dat prin poziția sa în tabel periodic, atunci pot fi identificate următoarele puncte importante:

Număr de serie - 14.
Perioada este a treia mică.
Grupa - IV.
Subgrupul este cel principal.
Structura învelișului electronic exterior este exprimată prin formula 3s 2 3p 2.
Elementul siliciu este desemnat simbol chimic Si, care se pronunță „siliciu”.
Stările de oxidare pe care le prezintă sunt: -4; +2; +4.
Valența atomului este IV.
Masa atomică a siliciului este de 28,086.
În natură, există trei izotopi stabili ai acestui element cu numere de masă 28, 29 și 30.

Astfel, din punct de vedere chimic, atomul de siliciu este un element destul de studiat, multe dintre proprietățile sale diferite;

Istoria descoperirii

Deoarece diferiți compuși ai elementului în cauză sunt foarte populari și abundenți în natură, din cele mai vechi timpuri oamenii au folosit și știut despre proprietățile multora dintre ei. Siliciul pur a rămas mult timp 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) au fost pietrele prețioase și ornamentale pe bază de oxid de siliciu. Acestea includ:

opal;
stras;
topaz;
crisopraza;
onix;
calcedonie și altele.

De asemenea, a fost obișnuită utilizarea cuarțului 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 diferiți compuși, folosind catalizatori, temperaturi ridicate și chiar curent electric. Acestea sunt minți atât de strălucitoare ca:

Karl Scheele;
Gay-Lussac;
Palmă a mâinii;
Humphry Davy;
Antoine Lavoisier.

Jens Jacobs Berzelius a reușit să obțină siliciu în forma sa pură în 1823. Pentru a face acest lucru, el a efectuat un experiment privind fuziunea vaporilor de fluorură de siliciu și potasiu metal. Ca urmare, am obținut o modificare amorfă a elementului în cauză. Aceiași oameni de știință au fost întrebați nume latin atom deschis.

Puțin mai târziu, în 1855, un alt om de știință - Sainte-Clair-Deville - a reușit să sintetizeze o altă varietate alotropă - siliciul cristalin. De atunci, cunoștințele despre acest element și proprietățile sale au început să se extindă 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 populare elemente din electronică și tehnologie este siliciul. Utilizarea sa își extinde limitele doar în fiecare an.

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

În ceea ce privește abundența în natură, siliciul ocupă locul al doilea după oxigen. Procentul său în comparație cu alți atomi din scoarța terestră este de 29,5%. În plus, carbonul și siliciul sunt două elemente speciale care pot forma lanțuri prin legarea unul cu celălalt. De aceea, pentru acestea din urmă sunt cunoscute peste 400 de minerale naturale diferite, în care se găsește în litosferă, hidrosferă și biomasă.

Unde se găsește mai exact siliciul?

În straturile adânci ale solului.
În roci, depozite și masive.
Pe fundul corpurilor de apă, în special al mărilor și oceanelor.
În plante și viața marina din regnul animal.
În corpul uman și animalele terestre.

Putem identifica câteva dintre cele mai comune minerale și roci care conțin cantități mari de siliciu. Chimia lor este de așa natură încât conținutul de masă al elementului pur din ele ajunge la 75%. Cu toate acestea, cifra specifică depinde de tipul de material. Aşa, stânciși minerale care conțin siliciu:

feldspați;
mica;
amfiboli;
opale;
calcedonie;
silicati;
gresii;
aluminosilicați;
argile si altele.

Acumulându-se în cochiliile și exoscheletele animalelor marine, siliciul formează în cele din urmă depozite puternice de siliciu 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 caracterizăm elementul luat în considerare în funcție de un set de proprietăți fizice și chimice, atunci în primul rând este necesar să desemnăm parametrii fizici. Iată câteva dintre cele principale:

Există sub formă de doi modificări alotropice- amorf și cristalin, care diferă în toate proprietățile.
Rețeaua cristalină este foarte asemănătoare cu cea a diamantului, deoarece carbonul și siliciul sunt practic la fel în acest sens. Cu toate acestea, distanța dintre atomi este diferită (siliciul este mai mare), astfel încât diamantul este mult mai dur și mai puternic. Tip zăbrele - cubică centrată pe față.
Substanța este foarte fragilă și devine plastică la temperaturi ridicate.
Punctul de topire este de 1415°C.
Punct de fierbere - 3250˚С.
Densitatea substanței este de 2,33 g/cm3.
Culoarea compusului este gri-argintiu, cu un luciu metalic caracteristic.
Are proprietăți semiconductoare bune, care pot varia odată cu adăugarea anumitor agenți.
Insolubil în apă, solvenți organici și acizi.
Solubil în mod specific în alcalii.

Proprietățile fizice identificate ale siliciului permit oamenilor să-l manipuleze 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 sunt foarte dependente de condițiile de reacție. Dacă vorbim despre parametri standard, atunci trebuie să indicăm o activitate foarte scăzută. Atât siliciul cristalin, cât și cel amorf sunt foarte inert. Nu interacționează cu agenți oxidanți puternici (cu excepția fluorului) sau cu agenți reducători puternici.

Acest lucru se datorează faptului că pe suprafața substanței se formează instantaneu un film de oxid de SiO 2, ceea ce previne interacțiunile ulterioare. Se poate forma sub influența apei, a aerului și a vaporilor.

Dacă modificați condițiile standard și încălziți siliciul la o temperatură de peste 400˚C, 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, este posibilă formarea de produse prin interacțiunea cu borul, azotul și carbonul. Carborundum - SiC - este de o importanță deosebită, deoarece este un bun material abraziv.

Asemenea proprietăți chimice siliciul este clar vizibil în reacțiile cu metalele. În raport cu acestea, este un agent oxidant, motiv pentru care produsele se numesc siliciuri. Compuși similari sunt cunoscuți pentru:

alcalin;
alcalino-pământos;
metale de tranziție.

Compusul obținut prin topirea fierului și a siliciului are proprietăți neobișnuite. Se numește ceramică ferosilicioasă și este folosită cu succes în industrie.

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

aqua regia (un amestec de acizi azotic și clorhidric);
alcalii caustici.

În acest caz, temperatura soluției trebuie să fie de cel puțin 60˚C. Toate acestea confirmă încă o dată baza fizica substanțe - o rețea cristalină stabilă asemănătoare unui diamant, care îi conferă rezistență și inerție.

Metode de obținere

Obținerea siliciului în forma sa pură este un proces destul de costisitor din punct de vedere economic. În plus, datorită proprietăților sale, orice metodă dă doar un produs pur 90-99%, în timp ce impuritățile sub formă de metale și carbon rămân toate aceleași. Prin urmare, simpla obținere a substanței nu este suficientă. De asemenea, trebuie curățat bine de elemente străine.

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

Din nisip alb, care este oxid de siliciu pur SiO2. Când este calcinat cu metale active (cel mai adesea magneziu), se formează un element liber sub forma unei modificări amorfe. Puritatea acestei metode este ridicată, produsul se obține cu un randament de 99,9 la sută.
O metodă mai utilizată în scara industriala- este sinterizarea nisipului topit cu cocs în cuptoare termice specializate pentru ardere. Această metodă a fost dezvoltată de omul de știință rus N. N. Beketov.

Prelucrarea ulterioară implică supunerea produselor la metode de purificare. În acest scop se folosesc acizi sau halogeni (clor, fluor).

Siliciu amorf

Caracterizarea siliciului va fi incompletă dacă fiecare dintre modificările sale alotropice nu este luată în considerare separat. Prima dintre ele este amorfă. În această stare, substanța pe care o luăm în considerare este o pulbere maro-maronie, fin dispersată. Posedă grad înalt higroscopicitate, prezintă activitate chimică destul de mare când este încălzit. În condiții standard, este capabil să interacționeze numai cu cel mai puternic agent de oxidare - fluorul.

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

Cu toate acestea, proprietățile lor diferă, motiv pentru care se obișnuiește să se vorbească despre alotropie. Siliciul amorf în sine are o capacitate 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. Sub această formă (pulbere), compusul se aplică cu ușurință pe orice suprafață, fie ea din plastic sau sticlă. Acesta este motivul pentru care siliciul amorf este atât de convenabil de utilizat. Aplicație bazată pe diferite dimensiuni.

Deși bateriile de acest tip se uzează destul de repede, ceea ce este asociat cu abraziunea unei pelicule subțiri de substanță, utilizarea și cererea lor sunt în creștere. La urma urmei, chiar și pe o durată de viață scurtă, bateriile solare bazate pe siliciu amorf pot furniza energie întregi întreprinderi. În plus, producția unei astfel de substanțe este fără deșeuri, ceea ce o face foarte economică.

Această modificare se obține prin reducerea compușilor cu metale active, de exemplu, sodiu sau magneziu.

Siliciu cristalin

Modificare strălucitoare gri-argintie a elementului în cauză. Această formă este cea mai comună și cea mai solicitată. Acest lucru este explicat de set proprietăți de calitate, pe care aceasta substanta o poseda.

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

Calitate electronică - cea mai pură și cea mai înaltă calitate. Acest tip este folosit în electronică pentru a crea dispozitive deosebit de sensibile.
Calitate însorită. Numele în sine determină zona de utilizare. Este, de asemenea, siliciu de puritate destul de ridicată, a cărui utilizare este necesară pentru a crea celule solare de înaltă calitate și de lungă durată. Convertoare fotoelectrice, create pe baza unei structuri cristaline, sunt de calitate superioară și rezistente la uzură decât cele create folosind o modificare amorfă prin pulverizare pe diverse tipuri substraturi.
Siliciu tehnic. Această varietate include acele mostre de substanță care conțin aproximativ 98% din elementul pur. Orice altceva merge la diferite tipuri de impurități:

aluminiu;
clor;
carbon;
fosfor și altele.

Ultimul tip de substanță în cauză este folosit pentru a obține policristale de siliciu. În acest scop, se efectuează procese de recristalizare. Drept urmare, din punct de vedere al purității, se obțin produse care pot fi clasificate ca calitate solară și electronică.

Prin natura sa, polisiliciul este un produs intermediar între modificările amorfe și cristaline. Această opțiune este mai ușor de lucrat, este mai bine procesată și curățată cu fluor și clor.

Produsele rezultate pot fi clasificate după cum urmează:

multisiliciu;
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 utilizat pe deplin de oameni. Prin urmare, cele care ating siliciul sunt considerate non-deșeuri. Acest lucru reduce semnificativ costul său economic fără a afecta calitatea.

Folosind siliciu pur

Producția industrială de siliciu este destul de bine stabilită, iar scara sa este destul de mare. 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 cristalin și amorf în forma sa pură?

În metalurgie, ca aditiv de aliere capabil să modifice proprietățile metalelor și aliajelor acestora. Astfel, se folosește la topirea oțelului și a fontei.
Diferite tipuri de substanțe sunt utilizate pentru a face o versiune mai pură - polisiliciu.
Compușii de siliciu reprezintă o întreagă industrie chimică care a câștigat o popularitate deosebită astăzi. Materialele organosilicioase sunt folosite în medicină, la fabricarea de vase, unelte și multe altele.
Fabricarea diverselor panouri solare. Această metodă de obținere a energiei este una dintre cele mai promițătoare în viitor. Ecologic, benefic din punct de vedere economic și rezistent la uzură sunt principalele avantaje ale acestui tip de generare de energie electrică.
Siliciul a fost folosit pentru brichete de foarte mult timp. Chiar și în cele mai vechi timpuri, oamenii foloseau silex pentru a produce o scânteie atunci când aprindeau focul. Acest principiu stă la baza producerii diferitelor tipuri de brichete. Astăzi există tipuri în care silexul este înlocuit cu un aliaj cu o anumită compoziție, care dă un rezultat și mai rapid (scântei).
Electronică și energie solară.
Fabricarea 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 substanța simplă, sunt utilizați și diverși compuși de siliciu, și pe scară largă. Există o întreagă industrie numită silicat. Se bazează pe utilizarea diferitelor substanțe care conțin acest element uimitor. Care sunt acești compuși și ce se produce din ei?

Cuarț sau nisip de râu - SiO2. Folosit la fabricarea materialelor de construcție și decorative precum ciment și sticlă. Toată lumea știe unde sunt folosite aceste materiale. Nicio construcție nu poate fi finalizată fără aceste componente, ceea ce confirmă importanța compușilor de siliciu.
Ceramica de silicat, care include materiale precum faianța, porțelanul, cărămida și produse pe bază de acestea. Aceste componente sunt utilizate în medicină, în fabricarea de vase, bijuterii decorative, articole de uz casnic, în construcții și în alte domenii de zi cu zi ale activității umane.
- siliconi, silicageluri, uleiuri siliconice.
Adeziv silicat - folosit ca papetărie, în pirotehnică și construcții.

Siliciul, al cărui preț variază pe piața mondială, dar nu trece de sus în jos marca de 100 de ruble rusești 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 punctul de vedere al importanței sale pentru organism, siliciul este important. Conținutul și distribuția sa în țesuturi sunt după cum urmează:

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

Aproximativ un gram de siliciu trebuie ingerat în fiecare zi, altfel bolile vor începe să se dezvolte. Niciuna dintre ele nu este mortal, dar foamea 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 microelement important necesar pentru creșterea și dezvoltarea normală. Experimentele pe animale au arătat că acei indivizi care consumă zilnic cantități suficiente de siliciu cresc mai bine.

Siliciul în formă liberă a fost izolat în 1811 de J. Gay-Lussac și L. Thénard prin trecerea vaporilor de fluorură de siliciu peste potasiu metal, dar nu a fost descris de ei ca element. Chimistul suedez J. Berzelius a dat în 1823 o descriere a siliciului pe care l-a obţinut prin tratarea sării de potasiu K 2 SiF 6 cu potasiu metal la temperatură ridicată. Noului element i s-a dat numele de „siliciu” (din latinescul silex - silex). Numele rusesc „siliciu” a fost introdus în 1834 de chimistul rus german Ivanovici Hess. Tradus din greaca veche. krhmnoz- „stâncă, munte”.

Fiind în natură, primind:

În natură, siliciul se găsește sub formă de dioxid și silicați de diferite compoziții. Siliciul natural se găsește în principal sub formă de cuarț, deși există și alte minerale, cum ar fi cristobalit, tridimit, kitit și cousite. Siliciul amorf se găsește în depozitele de diatomee de pe fundul mărilor și oceanelor - aceste depozite s-au format din SiO 2, care făcea parte din diatomee și din unii ciliați.
Siliciul liber se poate obține prin calcinarea nisipului fin alb cu magneziu, care în compoziție chimică este aproape pur oxid de siliciu, SiO 2 +2Mg=2MgO+Si. În industrie, siliciul de calitate tehnică se obține prin reducerea topiturii de SiO 2 cu cocs la o temperatură de aproximativ 1800°C în cuptoarele cu arc. Puritatea siliciului astfel obținut poate ajunge la 99,9% (principalele impurități sunt carbonul și metalele).

Proprietăți fizice:

Siliciul amorf are forma unei pulberi maro, a cărei densitate este de 2,0 g/cm 3 . Siliciul cristalin este o substanță cristalină de culoare gri închis, strălucitoare, fragilă și foarte tare, care se cristalizează în rețeaua de diamant. Acesta este un semiconductor tipic (conduce electricitatea mai bine decât un izolator precum cauciucul și mai rău decât un conductor precum cuprul). Siliciul este fragil numai atunci când este încălzit peste 800 °C devine o substanță plastică. Interesant este că siliciul este transparent la radiația infraroșie, începând de la o lungime de undă de 1,1 micrometri.

Proprietăți chimice:

Din punct de vedere chimic, siliciul este inactiv. La temperatura camerei reacţionează numai cu fluorul gazos, rezultând formarea de tetrafluorură de siliciu volatilă SiF 4 . Când este încălzit la o temperatură de 400-500 °C, siliciul reacționează cu oxigenul pentru a forma dioxid și cu clorul, bromul și iodul pentru a forma tetrahalogenurile foarte volatile corespunzătoare SiHal 4. La o temperatură de aproximativ 1000°C, siliciul reacționează cu azotul pentru a forma nitrura Si 3 N 4, iar cu borul - boruri stabile termic și chimic SiB 3, SiB 6 și SiB 12. Siliciul nu reacționează direct cu hidrogenul.
Pentru gravarea cu siliciu, cel mai larg este utilizat un amestec de acizi fluorhidric și acizi azotic.
Siliciul se dizolvă în soluții alcaline fierbinți: Si + 2KOH + H 2 O = K 2 SiO 3 + 2H 2
Siliciul este caracterizat de compuși cu o stare de oxidare de +4 sau -4.

Cele mai importante conexiuni:

Dioxid de siliciu, SiO2- (anhidridă de siliciu), incolor. Hristos. substanta, refractara (1720 C), cu duritate mare. Oxidul acid, inactiv din punct de vedere chimic, interacționează cu acidul fluorhidric și soluțiile alcaline, în acest din urmă caz formând săruri ale acizilor silicici - silicați. Silicații se formează și atunci când oxidul de siliciu fuzionează cu alcalii, oxizi bazici și unele săruri
Si02 + 4NaOH = Na4Si04 + 2H20; Si02 + CaO = CaSi03;
Na 2 CO 3 + CaCO 3 + 6SiO 2 = Na 2 CaSi 6 O 14 + 2CO 2 (mixt silicat de sodiu-calciu, sticlă)
Acizi silicici- slab, insolubil, format atunci când se adaugă acid la o soluție de silicat sub formă de gel (substanță asemănătoare gelatinei). H4SiO4 (ortosiliciu) și H2SiO3 (metasiliciu sau siliciu) există numai în soluție și sunt transformate ireversibil în Si02 când sunt încălzite și uscate. Produsul solid poros rezultat este silicagel, are o suprafață dezvoltată și este utilizat ca adsorbant de gaz, desicant, catalizator și purtător de catalizator.
Silicati- sărurile acizilor silicici în cea mai mare parte (cu excepția silicaților de sodiu și potasiu) sunt insolubile în apă. Silicații solubili în soluție suferă o hidroliză severă.
Compuși cu hidrogen- analogi ai hidrocarburilor, silani, compuși în care atomii de siliciu sunt legați printr-o singură legătură, puternic, dacă atomii de siliciu sunt legați legătură dublă. Ca și hidrocarburile, acești compuși formează lanțuri și inele. Toți silanii se pot aprinde spontan, formează amestecuri explozive cu aerul și pot reacționa ușor cu apa: SiH 4 + 2H 2 O = SiO 2 + 4H 2
Tetrafluorura de siliciu SiF 4, un gaz cu miros neplăcut, otrăvitor, se formează prin acțiunea acidului fluorhidric asupra siliciului și a multor compuși ai acestuia, inclusiv sticla:
Na 2 SiO 3 + 6HF = 2NaF + SiF 4 + 3H 2 O
Reactioneaza cu apa pentru a forma siliciu si hexafluorosiliciu(H2SiF6) acizi:
3SiF 4 + 3H 2 O = 2H 2 SiF 6 + H 2 SiO 2
H 2 SiF 6 are o rezistență apropiată de acidul sulfuric, sărurile sunt fluorosilicați.

Aplicație:

Siliciul își găsește cea mai mare utilizare în producția de aliaje pentru a conferi rezistență aluminiului, cuprului și magneziului și pentru producerea de ferosilicide având importantîn producţia de oţeluri şi tehnologie semiconductoare. Cristalele de siliciu sunt folosite în celulele solare și dispozitivele semiconductoare - tranzistoare și diode. Siliciul servește și ca materie primă pentru producția de compuși organosilicici sau siloxani, obținuți sub formă de uleiuri, lubrifianți, materiale plastice și cauciucuri sintetice. Compuși anorganici siliciul este folosit în tehnologia ceramicii și sticlei, ca material izolator și piezocristale

Pentru unele organisme, siliciul este un element biogen important. Face parte din structurile de susținere la plante și din structurile scheletice la animale. Siliciul este concentrat în cantități mari de organismele marine - diatomee, radiolari, bureți. Cantitati mari siliciul este concentrat de coada-calului și cereale, în primul rând subfamiliile de bambus și orez, inclusiv orez. Țesutul muscular uman conține (1-2) 10 -2% siliciu, țesut osos - 17 10 -4%, sânge - 3,9 mg/l. Până la 1 g de siliciu intră în corpul uman cu alimente în fiecare zi.

Antonov S.M., Tomilin K.G.
Universitatea de Stat HF Tyumen, grupa 571.

Surse: Siliciu Wikipedia; Silicon în Enciclopedia Online „În jurul lumii”, ;
Siliciu la fața locului

DEFINIŢIE

Siliciu- al paisprezecelea element al Tabelului Periodic. Denumirea - Si din latinescul „silicium”. Situat in a treia perioada, grupa IVA. Se referă la nemetale. Sarcina nucleară este 14.

Siliciul este unul dintre cele mai comune elemente din scoarța terestră. Reprezintă 27% (greutate) din partea scoarței terestre accesibilă studiului nostru, ocupându-se pe locul al doilea ca abundență după oxigen. În natură, siliciul se găsește numai în compuși: sub formă de dioxid de siliciu SiO 2, numit anhidridă de siliciu sau silice, sub formă de săruri ale acizilor silicici (silicați). Aluminosilicații sunt cei mai răspândiți în natură, adică. silicati care contin aluminiu. Acestea includ feldspați, mica, caolin etc.

Ca și carbonul, fiind parte din tot materie organică, siliciul este cel mai important element al regnului vegetal și animal.

În condiții normale, siliciul este o substanță gri închis (Fig. 1). De aspect arata ca metal. Refractar - punctul de topire este de 1415 o C. Caracterizat prin duritate mare.

Orez. 1. Siliciu. Aspect.

Greutatea atomică și moleculară a siliciului

Masa moleculară relativă a unei substanțe (M r) este un număr care arată de câte ori masa unei molecule date este mai mare de 1/12 din masa unui atom de carbon, iar masa atomică relativă a unui element (A r) este de câte ori greutate medie atomii unui element chimic au mai mult de 1/12 din masa unui atom de carbon.

Deoarece în stare liberă siliciul există sub formă de molecule monoatomice de Si, valorile sale atomice și greutate moleculară meci. Ele sunt egale cu 28.084.

Alotropia și modificările alotropice ale siliciului

Siliciul poate exista sub forma a două modificări alotropice: asemănător diamantului (cubic) (stabil) și asemănător grafitului (instabil). Siliciul asemănător diamantului se găsește în solid starea de agregare, și asemănătoare grafitului - în amorf. De asemenea, diferă prin aspect și activitate chimică.

Siliciul cristalin este o substanță gri închis cu un luciu metalic, iar siliciul amorf este o pulbere maro. A doua modificare este mai reactivă decât prima.

Izotopi de siliciu

Se știe că în natură siliciul poate fi găsit sub formă de trei izotopi stabili 28 Si, 29 Si și 30 Si. Numerele lor de masă sunt 28, 29 și, respectiv, 30. Nucleul unui atom al izotopului de siliciu 28 Si conține paisprezece protoni și paisprezece neutroni, iar izotopii 29 Si și 30 Si conțin același număr de protoni, cincisprezece și, respectiv, șaisprezece neutroni.

Există izotopi artificiali de siliciu cu numere de masă de la 22 la 44, dintre care cel mai longeviv este 32 Si cu un timp de înjumătățire de 170 de ani.

Ioni de siliciu

La nivelul energetic exterior al atomului de siliciu există patru electroni, care sunt de valență:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 .

Ca urmare interacțiune chimică siliciul își poate dona electronii de valență, adică. să fie donatorul lor și să se transforme într-un ion încărcat pozitiv sau să accepte electroni de la un alt atom, adică fi un acceptor și se transformă într-un ion încărcat negativ:

Si 0 -4e → Si 4+;

Si 0 +4e → Si 4- .

Moleculă și atom de siliciu

În stare liberă, siliciul există sub formă de molecule de Si monoatomic. Iată câteva proprietăți care caracterizează atomul și molecula de siliciu:

Aliaje de siliciu

Siliciul este folosit în metalurgie. Acesta servește ca o componentă a multor aliaje. Cele mai importante dintre ele sunt aliajele pe bază de fier, cupru și aluminiu.

Exemple de rezolvare a problemelor

EXEMPLUL 1

Exercita

Cât oxid de siliciu (IV) care conține 0,2 impurități de masă este necesară pentru a obține 6,1 g de silicat de sodiu.

Soluţie

Să scriem ecuația reacției pentru producerea silicatului de sodiu din oxid de siliciu (IV):

SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O.

Să aflăm cantitatea de silicat de sodiu:

n(Na2Si03) = m (Na2Si03)/M(Na2Si03);

n(Na2Si03) = 6,1/122 = 0,05 mol.

Conform ecuației reacției n(Na 2 SiO 3) : n(SiO 2) = 1:1, adică n(Na2Si03) = n(Si02) = 0,05 mol.

Masa de oxid de siliciu (IV) (fără impurități) va fi egală cu:

M(SiO2) = Ar(Si) + 2×Ar(O) = 28 + 2×16 = 28 + 32 = 60 g/mol.

m pur (SiO2) = n(SiO2) ×M(SiO2) = 0,05 × 60 = 3 g.

Apoi masa de oxid de siliciu (IV) necesară pentru reacție va fi egală cu:

m(SiO2) =m pur (Si02)/w impuritate = 3 / 0,2 = 15 g.

Răspuns

15 g

EXEMPLUL 2

Exercita

Ce masă de silicat de sodiu poate fi obținută prin topirea oxidului de siliciu (IV) cu 64,2 g de sodă, fracție de masă impuritati in care este 5%?

Soluţie

Să scriem ecuația reacției pentru producerea silicatului de sodiu prin topirea sodei și a oxidului de siliciu (IV):

Si02 + Na2CO3 = Na2SiO3 + CO2-.

Să determinăm masa teoretică de sifon (calculată folosind ecuația reacției):

n(Na2C03) = 1 mol.

M(Na 2 CO 3) = 2×Ar(Na) + Ar(C) + 3×Ar(O) = 2×23 + 12 + 3×16 = 106 g/mol.

m(Na 2 CO 3) = n(Na 2 CO 3) ×M(Na 2 CO 3) = 1 × 106 = 106g.

Să găsim masa practică de sifon:

w pur (Na2CO3) = 100% - w impuritate = 100% - 5% = 95% = 0,95.

m pur (Na2CO3) = m (Na2CO3) ×w pur (Na2CO3);

m pur (Na 2 CO 3) = 64,2 × 0,95 = 61 g.

Să calculăm masa teoretică a silicatului de sodiu:

n(Na2Si03) = 1 mol.

M(Na2SiO3) = 2×Ar(Na) + Ar(Si) + 3×Ar(O) = 2×23 + 28 + 3×16 = 122 g/mol.

m(Na2SiO3) = n(Na 2SiO3) ×M(Na2SiO3) = 1 × 122 = 122g.

Fie masa practică de silicat de sodiu x g Să facem proporția:

61 g Na2C03-x g Na2Si03;

106 g Na2C03 - 122 g Na2Si03.

Prin urmare, x va fi egal cu:

x = 122 × 61 / 106 = 70,2 g.

Aceasta înseamnă că masa de silicat de sodiu eliberat este de 70,2 g.

Răspuns

70,2 g