Silisium: påføring, kjemiske og fysiske egenskaper

2024 Forfatter: Angel Austin | [email protected]. Sist endret: 2023-12-17 05:37

Et av de vanligste grunnstoffene i naturen er silisium, eller silisium. En så bred distribusjon snakker om viktigheten og betydningen av dette stoffet. Dette ble raskt forstått og tatt i bruk av folk som lærte å bruke silisium riktig til sine egne formål. Applikasjonen er basert på spesielle egenskaper, som vi vil snakke om senere.

Silisium er et kjemisk grunnstoff

Hvis vi karakteriserer et gitt element etter posisjon i det periodiske systemet, kan vi identifisere følgende viktige punkter:

1. Ordinal number - 14.
2. Peroden er den tredje lille.
3. Gruppe – IV.
4. Undergruppe – hoved.
5. Strukturen til det ytre elektronskallet uttrykkes med formelen 3s²3p².
6. Grunnstoffet silisium er betegnet med det kjemiske symbolet Si, som uttales "silisium".
7. Oksydasjonstilstandene den viser: -4; +2; +4.
8. Valensen til et atom er IV.
9. Atommassen til silisium er 28.086.
10. I naturen er det tre stabile isotoper av dette grunnstoffet med massetall 28, 29 og 30.

Altså atometFra et kjemisk synspunkt er silisium et godt studert grunnstoff, mange av dets ulike egenskaper er beskrevet.

Oppdagelseshistorikk

Siden det er de ulike sammensetningene av grunnstoffet som vurderes som er veldig populære og massive i innholdet i naturen, fra gammelt av brukte folk og visste om egenskapene til bare mange av dem. Rent silisium forble i lang tid utenfor menneskelig kunnskap i kjemi.

De mest populære forbindelsene som ble brukt i hverdagen og industrien av folk i eldgamle kulturer (egyptere, romere, kinesere, russere, persere og andre) var edelstener og prydsteiner basert på silisiumoksid. Disse inkluderer:

• opal;
• rhinestone;
• topaz;
• chrysoprase;
• onyx;
• chalcedony og andre.

Det har også vært vanlig å bruke kvarts og kvartssand i konstruksjon siden antikken. Imidlertid forble elementært silisium i seg selv uoppdaget frem til 1800-tallet, selv om mange forskere forgjeves prøvde å isolere det fra forskjellige forbindelser ved å bruke katalysatorer, høye temperaturer og til og med elektrisk strøm. Dette er lyse hoder som:

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

Jens Jacobs Berzelius klarte å skaffe rent silisium i 1823. For å gjøre dette utførte han et eksperiment på fusjon av damper av silisiumfluorid og metallisk kalium. Som et resultat fikk han en amorf modifikasjon av det aktuelle elementet. Den samme vitenskapsmannen foreslo et latinsk navn for det oppdagede atomet.

Litt senere, i 1855, klarte en annen vitenskapsmann - Saint Clair-Deville - å syntetisere en annen allotrop variant - krystallinsk silisium. Siden den gang begynte kunnskapen om dette elementet og dets egenskaper å vokse veldig raskt. Folk innså at den har unike funksjoner som kan brukes veldig intelligent for å møte deres egne behov. Derfor er silisium i dag et av de mest etterspurte elementene innen elektronikk og teknologi. Bruken utvider bare grensene hvert år.

Det russiske navnet på atomet ble gitt av vitenskapsmannen Hess i 1831. Det er det som har holdt seg til i dag.

innesluttet i naturen

Silisium er det nest vanligste i naturen etter oksygen. Dens prosentandel i sammenligning med andre atomer i sammensetningen av jordskorpen er 29,5%. I tillegg er karbon og silisium to spesielle grunnstoffer som kan danne kjeder ved å forbindes med hverandre. Det er grunnen til at mer enn 400 forskjellige naturlige mineraler er kjent for sistnevnte, der det finnes i litosfæren, hydrosfæren og biomassen.

Hvor er silisium funnet?

1. I de dype lagene av jorda.
2. I bergarter, forekomster og massiver.
3. På bunnen av vannmasser, spesielt hav og hav.
4. I dyrerikets planter og marine liv.
5. Hos mennesker og landdyr.

Det er mulig å angi flere av de vanligste mineralene og bergartene, som inneholder en stor mengdesilisium. Kjemien deres er slik at masseinnholdet til et rent element i dem når 75%. Den spesifikke figuren avhenger imidlertid av type materiale. Så, bergarter og mineraler som inneholder silisium:

• feltspat;
• mica;
• amfiboler;
• opals;
• chalcedony;
• silicates;
• sandsteiner;
• aluminosilikater;
• leire og andre.

Silisium akkumuleres i skjellene og ytre skjelettene til marine dyr, og danner etter hvert kraftige forekomster av silika på bunnen av vannforekomster. Dette er en av de naturlige kildene til dette elementet.

I tillegg ble det funnet at silisium kan eksistere i sin rene opprinnelige form - i form av krystaller. Men slike innskudd er svært sjeldne.

Fysiske egenskaper til silisium

Hvis du karakteriserer grunnstoffet som vurderes ved et sett med fysiske og kjemiske egenskaper, så er det først og fremst de fysiske parametrene som skal angis. Her er noen viktige:

1. Eksisterer i form av to allotropiske modifikasjoner - amorfe og krystallinske, som er forskjellige i alle egenskaper.
2. Krystallgitteret er veldig likt diamantgitteret, fordi karbon og silisium er nesten det samme i så måte. Imidlertid er avstanden mellom atomene forskjellig (silisium har mer), så diamanten er mye hardere og sterkere. Gittertype - kubisk ansiktssentrert.
3. Stoffet er veldig sprøtt, blir plastisk ved høye temperaturer.
4. Smeltepunktet er 1415˚C.
5. Temperaturkokepunkt - 3250˚С.
6. Materietetthet - 2,33 g/cm³.
7. Fargen på forbindelsen er sølvgrå, med en karakteristisk metallisk glans.
8. Har gode halvlederegenskaper, som kan variere med tilsetning av visse agenter.
9. Uløselig i vann, organiske løsemidler og syrer.
10. Spesielt løselig i alkalier.

De utpekte fysiske egenskapene til silisium lar folk kontrollere det og bruke det til å lage ulike produkter. For eksempel er bruken av rent silisium i elektronikk basert på egenskapene til halvledning.

Kjemiske egenskaper

De kjemiske egenskapene til silisium er svært avhengig av reaksjonsforholdene. Hvis vi snakker om et rent stoff ved standardparametere, må vi angi en veldig lav aktivitet. Både krystallinsk og amorft silisium er veldig inerte. Ikke samhandle med sterke oksidasjonsmidler (unntatt fluor), og heller ikke med sterke reduksjonsmidler.

Dette skyldes det faktum at en oksidfilm SiO₂ umiddelbart dannes på overflaten av stoffet, noe som forhindrer ytterligere interaksjoner. Det kan dannes under påvirkning av vann, luft, damper.

Hvis du endrer standardforholdene og varmer silisium til en temperatur over 400˚С, vil dens kjemiske aktivitet øke kraftig. I dette tilfellet vil den reagere med:

• oksygen;
• alle typer halogener;
• hydrogen.

Med ytterligere temperaturøkning er dannelsen av produkter mulig klinteraksjon med bor, nitrogen og karbon. Av spesiell betydning er karborundum - SiC, siden det er et godt slipende materiale.

De kjemiske egenskapene til silisium sees også tydelig i reaksjoner med metaller. I forhold til dem er det et oksidasjonsmiddel, derfor kalles produktene silicider. Lignende forbindelser er kjent for:

• alkaline;
• alkaline earth;
• overgangsmetaller.

Uvanlige egenskaper har en forbindelse oppnådd ved å smelte sammen jern og silisium. Det kalles ferrosilisiumkeramikk og har blitt brukt med suksess i industrien.

Silisium interagerer ikke med komplekse stoffer, derfor kan det, av alle deres varianter, bare løses opp i:

• kongelig vodka (en blanding av salpetersyre og s altsyre);
• kaustiske alkalier.

I dette tilfellet bør temperaturen på løsningen være minst 60˚С. Alt dette bekrefter nok en gang det fysiske grunnlaget for stoffet - et diamantlignende stabilt krystallgitter, som gir det styrke og treghet.

Få fremgangsmåter

Å skaffe rent silisium er en ganske kostbar prosess økonomisk. I tillegg, på grunn av dens egenskaper, gir enhver metode bare 90-99% rent produkt, mens urenheter i form av metaller og karbon forblir de samme. Så bare å få stoffet er ikke nok. Den bør også renses kvalitativt for fremmedelementer.

Generelt utføres produksjonen av silisium på to hovedmåter:

1. Fra den hvite sandensom er rent silisiumoksid SiO₂. Når det kalsineres med aktive metaller (oftest med magnesium), dannes et fritt element i form av en amorf modifikasjon. Renheten til denne metoden er høy, produktet oppnås med 99,9 prosent utbytte.
2. En mer utbredt metode i industriell skala er sintring av smeltet sand med koks i spesialiserte termiske ovner. Denne metoden ble utviklet av den russiske forskeren Beketov N. N.

Viderebehandling består i å utsette produktene for rengjøringsmetoder. Til dette brukes syrer eller halogener (klor, fluor).

Amorft silisium

Karakterisering av silisium vil være ufullstendig hvis vi ikke vurderer hver av dens allotropiske modifikasjoner separat. Den første er amorf. I denne tilstanden er stoffet vi vurderer et brunbrunt pulver, fint spredt. Den har en høy grad av hygroskopisitet, viser en tilstrekkelig høy kjemisk aktivitet ved oppvarming. Under standardforhold kan den bare samhandle med det sterkeste oksidasjonsmidlet - fluor.

Det er ikke helt riktig å kalle amorft silisium en variasjon av krystallinsk silisium. Gitteret viser at dette stoffet bare er en form for fint dispergert silisium som eksisterer i form av krystaller. Derfor er disse modifikasjonene den samme forbindelsen.

Men deres egenskaper er forskjellige, derfor er det vanlig å snakke om allotropi. I seg selv har amorft silisiumhøy lysabsorpsjonsevne. I tillegg, under visse forhold, er denne indikatoren flere ganger høyere enn for den krystallinske formen. Derfor brukes den til tekniske formål. I den betraktede formen (pulver) påføres forbindelsen enkelt på enhver overflate, enten det er plast eller glass. Derfor er det amorft silisium som er så praktisk å bruke. Søknaden er basert på produksjon av solcellepaneler i forskjellige størrelser.

Selv om slitasjen på denne typen batterier er ganske rask, noe som er assosiert med slitasje på en tynn film av stoffet, er imidlertid bruken og etterspørselen bare økende. Selv i en kort levetid er solceller basert på amorft silisium i stand til å gi energi til hele virksomheter. I tillegg er produksjonen av et slikt stoff avfallsfri, noe som gjør det svært økonomisk.

Få denne modifikasjonen ved å redusere forbindelser med aktive metaller, for eksempel natrium eller magnesium.

Crystal silisium

Sølvgrå skinnende modifikasjon av det aktuelle elementet. Det er denne formen som er den vanligste og mest etterspurte. Dette er på grunn av settet med kvalitative egenskaper som dette stoffet har.

Karakteristikken til silisium med et krystallgitter inkluderer en klassifisering av typene, siden det er flere av dem:

1. Elektronisk kvalitet - den reneste og høyeste kvaliteten. Det er denne typen som brukes i elektronikk for å lage spesielt sensitive enheter.
2. Solrik kvalitet. Selve navnetdefinerer bruksområdet. Det er også et silisium med høy renhet, hvis bruk er nødvendig for å skape høykvalitets og langvarige solceller. Fotovoltaiske omformere laget på grunnlag av en krystallinsk struktur er av høyere kvalitet og mer holdbare enn de som er laget ved bruk av en amorf modifikasjon ved avsetning på forskjellige typer underlag.
3. Teknisk silisium. Denne varianten inkluderer de prøvene av et stoff som inneholder omtrent 98 % av det rene grunnstoffet. Alt annet går til ulike typer urenheter:

• bor;
• aluminium;
• klor;
• karbon;
• fosfor og andre.

Den siste varianten av det aktuelle stoffet brukes for å få silisiumpolykrystaller. For dette utføres rekrystalliseringsprosesser. Som et resultat, når det gjelder renhet, oppnås produkter som kan tilskrives gruppene av solenergi og elektronisk kvalitet.

I naturen er polysilisium et mellomprodukt mellom amorf og krystallinsk modifikasjon. Dette alternativet er lettere å jobbe med, det er bedre resirkulert og rengjort med fluor og klor.

De resulterende produktene kan klassifiseres som følger:

• multicilicon;
• monokrystallinsk;
• profilerte krystaller;
• silikonskrap;
• teknisk silisium;
• produksjonsavfall i form av fragmenter og rester av materie.

Hver av dem finner anvendelse i industrien og brukesen person helt. Derfor anses produksjonsprosesser som involverer silisium som avfallsfrie. Dette reduserer de økonomiske kostnadene betraktelig uten å påvirke kvaliteten.

Bruker rent silisium

Silisiumproduksjonen i industrien er etablert ganske godt, og omfanget er ganske omfangsrikt. Dette skyldes det faktum at dette grunnstoffet, både rent og i form av ulike forbindelser, er utbredt og etterspurt i ulike grener av vitenskap og teknologi.

Hvor brukes rent krystallinsk og amorft silisium?

1. I metallurgi som et legerende tilsetningsstoff som er i stand til å endre egenskapene til metaller og deres legeringer. Så det brukes til smelting av stål og jern.
2. Ulike typer stoffer brukes for å lage en renere versjon - polysilisium.
3. Forbindelser av silisium med organiske stoffer - dette er en hel kjemisk industri som har vunnet særlig popularitet i dag. Silikonmaterialer brukes i medisin, i produksjon av servise, verktøy og mye mer.
4. Produksjon av ulike solcellepaneler. Denne metoden for å skaffe energi er en av de mest lovende i fremtiden. Miljøvennlig, kostnadseffektiv og holdbar – hovedfordelene med slik strømproduksjon.
5. Silisium har vært brukt i lightere i svært lang tid. Selv i gamle tider brukte folk flint for å lage en gnist når de tente bål. Dette prinsippet er grunnlaget for produksjon av lightere av ulike slag. I dag er det arter somflinten erstattes med en legering av en viss sammensetning, noe som gir et enda raskere resultat (gnister).
6. Elektronikk og solenergi.
7. Produksjon av speil i gasslaserenheter.

Dermed har rent silisium mange fordelaktige og spesielle egenskaper som gjør at det kan brukes til å lage viktige og nødvendige produkter.

Påføring av silisiumforbindelser

I tillegg til et enkelt stoff, brukes også ulike silisiumforbindelser, og det er veldig mye. Det er en hel industrigren som heter silikat. Det er hun som er basert på bruken av forskjellige stoffer, som inkluderer dette fantastiske elementet. Hva er disse forbindelsene og hva produserer de?

1. Kvarts, eller elvesand - SiO₂. Den brukes til fremstilling av byggematerialer og dekorative materialer som sement og glass. Hvor disse materialene brukes, vet alle. Ingen konstruksjon er komplett uten disse komponentene, noe som bekrefter viktigheten av silisiumforbindelser.
2. Silikatkeramikk, som inkluderer materialer som fajanse, porselen, murstein og produkter basert på dem. Disse komponentene brukes i medisin, i produksjon av tallerkener, dekorative ornamenter, husholdningsartikler, i konstruksjon og andre husholdningsområder med menneskelig aktivitet.
3. Siliconforbindelser - silikoner, silikageler, silikonoljer.
4. Silikatlim - brukes som skrivesaker, i pyroteknikk og konstruksjon.

Silisium, hvis pris varierer på verdensmarkedet, men ikke krysserfra topp til bunn, merket på 100 rubler av den russiske føderasjonen per kilo (per krystallinsk), er et ettertraktet og verdifullt stoff. Naturligvis er forbindelser av dette elementet også utbredt og anvendelige.

Silisiums biologiske rolle

Ut fra et synspunkt av betydning for kroppen er silisium viktig. Innholdet og vevsdistribusjonen er som følger:

• 0, 002 % - muskuløs;
• 0, 000017 % - bein;
• blod - 3,9 mg/l.

Hver dag bør det komme inn omtrent ett gram silisium, ellers vil sykdommer begynne å utvikle seg. Det er ingen dødelige blant dem, men langvarig silisiumsult fører til:

• hårtap;
• utseende av akne og kviser;
• skjørhet og skjørhet av bein;
• enkel kapillærpermeabilitet;
• tretthet og hodepine;
• utseendet til mange blåmerker og blåmerker.

For planter er silisium et viktig sporstoff som er nødvendig for normal vekst og utvikling. Dyreforsøk har vist at individer som bruker nok silisium daglig vokser best.