Силикон: приложение, химични и физични свойства

Един от най-често срещаните елементи в природата е силиций или силиций. Такова широко разпространение говори за важността и значимостта на това вещество. Това бързо бе разбрано и разбрано от хора, които се научиха да използват правилно силиций за свои собствени цели. Приложението му се основава на специални свойства, за които ще говорим по-нататък.

Силицийът е химически елемент

Ако дадем характеристика на този елемент по позиция в периодичната система, можем да определим следните важни точки:

1. Серийният номер е 14.
2. Периодът е третият малък.
3. Група - IV.
4. Подгрупата е основната подгрупа.
5. Структурата на външната електронна обвивка се изразява чрез формулата 3s²3p².
6. Елементът силиций се обозначава с химическия символ Si, който се нарича "силиций".
7. Степените на окисление, които той проявява: -4- + 2-4.
8. Валентността на атома е IV.
9. Атомната маса на силиций е 28,086.
10. В природата съществуват три стабилни изотопа на този елемент с масови числа 28, 29 и 30.

По този начин, химическият атом на силиций е достатъчно изучен елемент, много от неговите различни свойства са описани.

История на откритието

Тъй като природата е много популярна и масово задоволена от различните съставки на въпросния елемент, хората я използват от време на време и знаят за свойствата на много от тях. Чистият силиций за дълго време остава извън знанието на човека в химията.

Най-популярните съединения, използвани в ежедневието и индустрията от народите на древните култури (напр. Египтяни, римляни, китайци, русич, перси и т.н.), са скъпоценни и декоративни камъни, от силициев оксид. Те включват:

• опал;
• скален кристал;
• топаз;
• хризопрас;
• оникс;
• хаалчедон и други.

Използва се още от древни времена за използване на кварц и кварцов пясък в строителната индустрия. Самият елементен силиций обаче остава неразкрит до 19-ти век, макар че много учени се опитвали напразно да го изолират от различни съединения, използвайки за целта катализатори, високи температури и дори електрически ток. Това са толкова ярки умове като:

• Карл Шели;
• Gay Lussac-;
• Tenar;
• Хъмфри Дейви;
• Антоан Лавоазие.

Успешното получаване на силиций в чиста форма е постигнато от Jens Jacobs Berzelius през 1823 година. За това той направи експеримент за сливането на силициев флуорид и метални калиеви пари. В резултат на това се получава аморфна модификация на разглеждания елемент. На същия учен се предлага латинско име за открития атом.

Малко по-късно, през 1855 г. друг учен - Сен Клер-Девил - успява да синтезира друго алоотропно разнообразие - кристален силиций. Оттогава познанието за този елемент и неговите свойства станаха много бързо възстановени. Хората осъзнават, че имат уникални черти, които могат да бъдат използвани много компетентно, за да задоволят собствените си нужди. Ето защо днес един от най-търсените елементи в областта на електрониката и инженерството е силиконът. Неговото приложение само разширява границите си всяка година.

Руското име е дадено на атома от учения Хес през 1831 г. Това е, което е фиксирано до този ден.

Съдържание в природата

Според разпространението в природата, силиконът заема второ място след кислород. Процентното му съотношение в сравнение с другите атоми в състава на земната кора е 29.5%. В допълнение, въглерод и силиций са два специални елемента, способни да образуват вериги, свързващи се един с друг. Ето защо последният е известен с повече от 400 различни естествени минерала, в които се съдържа в литосферата, хидросферата и биомасата.

Къде точно съдържа силиций?

1. В дълбоки слоеве на почвата.
2. В скалите, депозитите и масивите.
3. На дъното на водните тела, особено на моретата и океаните.
4. В растения и морски обитатели на животинското царство.
5. В човешкото тяло и земните животни.

Можете да идентифицирате няколко от най-разпространените минерали и скали, в които има голям брой силиций. Тяхната химия е такава, че масовото съдържание на чист елемент в тях достига 75%. Въпреки това, конкретната цифра зависи от вида на материала. Така че скалите и минералите със съдържание на силиций:

• фелдшпатите;
• слюда;
• амфиболови;
• опали;
• халцедон;
• силикати;
• пясъчници;
• алуминиеви силикати;
• глина и др.

Натрупвайки се в черупките и външните скелети на морските животни, силицийът в крайна сметка образува мощни отлагания на силициев диоксид в дъното на резервоарите. Това е един от естествените източници на този елемент.

В допълнение, беше установено, че силицидът може да съществува в чиста нативна форма - под формата на кристали. Но такива депозити са много редки.

Физични свойства на силиций

Ако дадем характеристика на разглеждания елемент по отношение на набор от физикохимични свойства, първо трябва да бъдат определени физическите параметри. Ето няколко основни неща:

1. Има две алотропни модификации - аморфни и кристални, които се различават във всички свойства.
2. Кристалната решетка е много подобна на тази на диаманта, защото въглеродът и силиконът са почти идентични в това отношение. Разстоянието между атомите обаче е различно (силицийът има повече), така че диамантът е много по-твърд и по-силен. Типът решетка е центриран на лицевата страна.
3. Веществото е много крехко и при високи температури става пластично.
4. Точката на топене е 1415 ° С.
5. Точката на кипене е 3250 ° С.
6. Плътност на веществото - 2.33 g / cm³.
7. Цветът на ставата е сребристосив, изразява се характерен метален блясък.
8. Има добри полупроводникови свойства, които могат да варират с добавянето на определени агенти.
9. Не се разтваря във вода, органични разтворители и киселини.
10. Специфично разтворим в алкали.

Определените физически свойства на силиций позволяват на хората да го управляват и да го прилагат, за да създават различни продукти. Така например, използването на чист силиций в електрониката се основава на свойствата на полупроводникостта.

Химични свойства

Химичните свойства на силиций зависят в голяма степен от реакционните условия. Ако говорим за чисто вещество със стандартни параметри, тогава е необходимо да определим много ниска активност. Както кристалният, така и аморфният силиций са много инертни. Не взаимодействайте със силни оксиданти (с изключение на флуор), нито със силни редуциращи агенти.

Това се дължи на факта, че на повърхността на веществото е оксиден филм от SiO₂, което предотвратява допълнителни взаимодействия. Той може да се образува под въздействието на вода, въздух, изпарения.

Ако стандартните условия се променят и силиконът се нагрява до температура над 400 ° C, химическата му активност ще се увеличи значително. В този случай той ще реагира с:

• кислород;
• всички видове халогени;
• водород.

При по-нататъшно повишаване на температурата е възможно да се образуват продукти при взаимодействие с бор, азот и въглерод. Особено важно е carborundum - SiC, тъй като е добър абразивен материал.

Също така, химичните свойства на силиций са ясно проследени по време на реакциите с метали. Във връзка с тях е окислител, така че продуктите се наричат ​​силициди. Такива съединения са известни за:

• алкална;
• алкалоземна пръст;
• преходни метали.

Необичайни свойства имат съединение, получено чрез топене на желязо и силиций. Тя се нарича феросиликонова керамика и се използва успешно в индустрията.

При сложни вещества, силиций не влиза в взаимодействието, поради което от всички техни сортове е възможно да се разтварят само в:

• царевична водка (смес от азотна и солна киселина);
• каустик основи.

В този случай температурата на разтвора трябва да бъде най-малко 60 ° С. Всичко това отново потвърждава физическата основа на веществото - диамант-подобна стабилна кристална решетка, която му дава сила и инерция.

Методи за получаване

Получаването на силиций в неговата чиста форма е икономически скъп процес. Освен това, поради свойствата си, всеки метод дава само 90-99% чист продукт, а примесите под формата на метали и въглерод остават същите. Така че просто да не се натрупват неща. Той също така трябва да се почиства качествено от външни елементи.

По принцип производството на силиций се извършва по два основни начина:

1. От бял пясък, който е чист SiO2₂. Когато се запалва с активни метали (най-често с магнезий), свободният елемент се формира под формата на аморфна модификация. Чистотата на този метод е висока, продуктът се получава с добив 99,9%.
2. По-широко разпространен метод в индустриален мащаб е синтероването на пясък с кокс в специализирани термични пещи за печене. Този метод е разработен от руския учен Н. Бекетов.

Допълнителната обработка се състои в излагането на продуктите на методи за почистване. За това се използват киселини или халогени (хлор, флуор).

Аморфен силиций

Силиконовата характеристика ще бъде непълна, ако не разгледаме отделно всяка от нейните алоотропни модификации. Първият от тях е аморфен. В това състояние веществото, което обмисляме, е кафявокафяв прах, фино диспергиран. Има висока степен на хигроскопичност, проявява сравнително висока химическа активност при нагряване. При стандартни условия той може да взаимодейства само с най-силния окислител - флуор.

Да се ​​нарече аморфен силиций точно като кристален не е съвсем вярна. Неговата решетка показва, че това вещество е просто форма на фино диспергиран силиций, който съществува под формата на кристали. Следователно, като такива, тези модификации са еднакви.

Въпреки това техните свойства са различни и затова е обичайно да се говори за алоотропия. Само по себе си аморфният силиций има висок капацитет на абсорбиране на светлина. Освен това при определени условия този показател е няколко пъти по-голям от този на кристалната форма. Следователно, тя се използва за технически цели. В разглежданата форма (прах) съединението лесно се нанася върху всяка повърхност, пластмаса или стъкло. Следователно, аморфният силиций е толкова удобен за употреба. Приложението се основава на производство на слънчеви панели различни размери.

Въпреки че влошаването на батериите от този тип е доста бързо, което е свързано с износването на тънък слой от материя, приложението и търсенето само се увеличават. В крайна сметка дори в кратък период от време слънчевите клетки, базирани на аморфен силиций, могат да осигурят енергия на цели предприятия. Освен това производството на такова вещество не е отпадък, което го прави много икономичен.

Такава модификация се получава чрез редуциране на съединенията с активни метали, например натрий или магнезий.

Кристален силиций

Сребриста сиво лъскаво модифициране на разглеждания елемент. Това е най-често срещаната и най-популярната форма. Това се обяснява с набор от качествени свойства, които това вещество притежава.

Характеристиката на силиций с кристална решетка включва класификацията на видовете, тъй като има няколко от тях:

1. Електронно качество - най-чистото и най-високо качество. Този вид се използва в електрониката за създаване на особено чувствителни инструменти.
2. Качество на слънцето. Самото име определя обхвата на използване. Също така има доста висока чистота на силиций, чието използване е необходимо за създаване на висококачествени и отдавна работещи слънчеви клетки. Фотоелектричните преобразуватели, създадени на основата на кристалната структура, са по-качествени и устойчиви на износване, отколкото тези, създадени чрез аморфна модификация чрез разпрашване върху различен тип субстрат.
3. Технически силиций. В този сорт са включени пробите от вещество, съдържащо около 98% чист елемент. Всички останали се изразходват за различни видове примеси:

• бор;
• алуминий;
• хлоро;
• въглерод;
• фосфор и други.

Последният вариант на въпросното вещество се използва за производството на поликристали от силиций. Процесите на прекристализация се извършват за тази цел. В резултат на това, по отношение на чистотата, се получават продукти, които могат да бъдат отнесени към групи от слънчево и електронно качество.

По своята същност, полисилиций е междинен продукт между аморфна модификация и кристална модификация. С тази опция е по-лесно да се работи, по-добре да се обработва и почиства с флуор и хлор.

Продуктите, които са резултат от това, могат да бъдат класифицирани както следва:

• мулти-силиций;
• единичен кристал;
• образни кристали;
• силиконов скрап;
• технически силиций;
• отпадъчни продукти под формата на отломки и скрап.

Всеки от тях намира приложение в индустрията и се използва напълно от човека. следователно производствени процеси, свързани със силиций, се считат за неотпадъци. Това значително намалява икономическата му стойност, като същевременно не оказва влияние върху качеството.

Използването на чист силиций

Производството на силиций в индустрията е добре установено и мащабът й е доста голям. Това се дължи на факта, че този елемент, чист и под формата на различни съединения, е широко разпространен и търсен в различни отрасли на науката и технологиите.

Къде е кристалният и аморфен силиций, използван в чиста форма?

1. В металургията като легираща добавка, способна да променя свойствата на металите и техните сплави. Така че се използва при топенето на стомана и чугун.
2. Различни видове вещества се изразходват за създаването на по-чиста версия - полисилиций.
3. Силиконови съединения с органични вещества - това е цялата химическа промишленост, която днес придоби специална популярност. Силиконовите органични материали се използват в медицината, при производството на съдове, инструменти и много други.
4. Производство на различни слънчеви батерии. Този начин на получаване на енергия е един от най-обещаващите в бъдеще. Екологично чисти, икономически изгодни и устойчиви на износване - основните предимства на това получаване на електроенергия.
5. Силиций за запалки се използва дълго време. В древни времена хората използват кремък, за да получат искри, когато запалят огън. Този принцип се основава на производството на запалки от различен вид. Днес има видове, в които кремъкът се заменя със сплав от определен състав, което дава още по-бърз резултат (искрящ).
6. Електроника и слънчева енергия.
7. Производство на огледала в газови лазерни устройства.

По този начин чистият силиций има много изгодни и специални свойства, които му позволяват да се използва за създаване на важни и необходими продукти.

Нанасяне на силициеви съединения

В допълнение към простата субстанция се използват различни силициеви съединения и много широко. Има цяла индустрия, наречена силикат. Тя се основава на използването на различни вещества, които включват този невероятен елемент. Какви са тези съединения и какво се произвежда от тях?

1. Кварц или речен пясък - SiO₂. Използва се за производство на такива строителни и декоративни материали като цимент и стъкло. Всеки знае къде се използват тези материали. Никоя конструкция не е завършена без тези компоненти, което потвърждава важността на силиконовите съединения.
2. Силикатна керамика, която включва материали като фаянс, порцелан, тухли и продукти, базирани на тях. Тези компоненти се използват в медицината, при производството на чинии, декоративни бижута, битови предмети, в строителството и в други области на човешката дейност в домакинството.
3. Силиконови съединения - силикони, силикагел, силиконови масла.
4. Силиконово лепило - използван като чиновник, в пиротехника и строителство.

Силикон, чиято цена варира на световния пазар, но не преминава отгоре до марката от 100 рубли на килограм (за кристален), е в търсене и ценна субстанция. Естествено, връзките на този елемент също са широко използвани и приложими.

Биологичната роля на силиций

По отношение на значимостта за организма, силициевото е важно. Съдържанието и разпространението му върху тъканите е както следва:

• 0.002% е мускулна;
• 0.000017% - кост;
• кръв - 3,9 mg / l.

Всеки ден вътре трябва да се получи около един грам силиций, в противен случай болестта ще започне да се развива. Смъртоносно сред тях обаче не е, че продължителното излагане на силиций води до:

• загуба на коса;
• появата на акне и акне;
• крехкостта и крехкостта на костите;
• лека капилярна пропускливост;
• умора и главоболия;
• появата на многобройни синини и натъртвания.

За растенията, силицийът е важен микроелемент, необходим за нормалния растеж и развитие. Експериментите върху животни показват, че индивидите, които дневно консумират достатъчно количество силиций, растат по-добре.