SILICIUM: HISTORIE, EGENSKABER, STRUKTUR, OPNÅELSE, ANVENDELSER - KEMI - 2025

Den silicium er et ikke - metallisk og metalloid samtidig element er repræsenteret ved det kemiske symbol Si. Det er en halvleder, som er en væsentlig del af computere, regnemaskiner, mobiltelefoner, solceller, dioder osv.; Det er praktisk talt hovedkomponenten, der har muliggjort etableringen af ​​den digitale tidsalder.

Silicium har altid været til stede i kvarts og silicater, begge mineraler udgør ca. 28 vægtprocent af hele jordskorpen. Det er således det næst mest rigelige element på jordens overflade, og ørkenenes og strands breddepunkter giver et perspektiv af hvor rigeligt det er.

Ørkener er en rigelig naturlig kilde til silicapartikler eller granitter sammen med andre mineraler. Kilde: Pxhere.

Silicium tilhører gruppe 14 i det periodiske system, det samme som kulstof, der er placeret under den. Derfor betragtes dette element som en tetravalent metalloid; det har fire valenselektroner, og i teorien kan det miste dem alle til at danne Si ⁴⁺ -kationen.

En egenskab, den deler med kul, er dens evne til at forbinde; deres atomer er kovalent bundet til at definere molekylkæder. Silicium kan også danne sine egne "carbonhydrider", kaldet silaner.

De dominerende siliciumforbindelser i naturen er de berømte silikater. I sin rene form kan det fremstå som et monokrystallinsk, polykrystallinsk eller amorft fast stof. Det er et relativt inert fast stof, så det udgør ikke betydelige risici.

Historie

Siliciumsten

Silicium er måske et af de elementer, der har haft mest indflydelse i menneskehedens historie.

Dette element er hovedpersonen i stenalderen og også den digitale tidsalder. Dets oprindelse går tilbage til, da civilisationer engang arbejdede med kvarts og lavede deres egne briller; Og i dag er det hovedkomponenten i computere, bærbare computere og smartphones.

Silicium har praktisk taget været sten i to klart definerede epoker i vores historie.

Isolation

Da silica er så rigeligt, et navn født af flintrock, må det have indeholdt et ekstremt rigt element i jordskorpen; dette var den rette mistanke om Antoine Lavoisier, der i 1787 mislykkedes i hans forsøg på at reducere den fra dens rust.

Nogen tid senere, i 1808, gjorde Humphry Davy sine egne forsøg og gav elementet dets fornavn: 'silicium', som oversat ville blive 'flint metal'. Det vil sige, at silicium blev betragtet som et metal på det tidspunkt på grund af dets manglende karakterisering.

I 1811 lykkedes det de franske kemikere Joseph L. Gay-Lussac og Louis Jacques Thénard at forberede amorf silicium for første gang. Til dette reagerede de siliciumtetrafluorid med metallisk kalium. De oprensede eller karakteriserede imidlertid ikke det opnåede produkt, så de konkluderede ikke, at det var det nye element silicium.

Først i 1823 opnåede den svenske kemiker Jacob Berzelius et amorft silicium med tilstrækkelig renhed til at genkende det som silicium; navn givet i 1817 af den skotske kemiker Thomas Thomson, når han betragter det som et ikke-metallisk element. Berzelius udførte reaktionen mellem kaliumfluorosilicat og smeltet kalium for at fremstille dette silicium.

Krystallinsk silicium

Krystallinsk silicium blev først fremstillet i 1854 af den franske kemiker Henry Deville. For at opnå dette udførte Deville en elektrolyse af en blanding af aluminium og natriumchlorider og opnåede således siliciumkrystaller, der var dækket af et lag aluminiumsilicid, som han fjernede (tilsyneladende) ved at vaske dem med vand.

Fysiske og kemiske egenskaber

Fysisk fremtoning

Elementær silicium, der har en metallisk glans, men faktisk er en metalloid. Kilde: Hi-Res-billeder af kemiske elementer

Silicium i sin rene eller elementære form består af et gråligt eller blå-sort fast stof (øverste billede), som, selv om det ikke er et metal, har skinnende ansigter, som om det virkelig var.

Det er et hårdt, men sprødt fast stof, som også udviser en flassende overflade, hvis den består af polykrystaller. Amorf silicium ser på den anden side ud som et mørkebrunt pulveriseret fast stof. Takket være dette er det let at identificere og differentiere en type silicium (krystallinsk eller polykrystallinsk) fra en anden (amorf).

Molar masse

28,085 g / mol

Atomnummer (Z)

14 (₁₄ Ja)

Smeltepunkt

1414 ºC

Kogepunkt

3265 ºC

Massefylde

-Ved stuetemperatur: 2,33 g / ml

-Højre ved smeltepunkt: 2,57 g / ml

Bemærk, at flydende silicium er tættere end fast silicium; hvilket betyder, at dets krystaller flyder på en flydende fase af det samme, som det sker med isvandsystemet. Forklaringen skyldes, at det interatomiske rum mellem Si-atomerne i dets krystal er større (mindre tæt) end det tilsvarende i væsken (mere tæt).

Fusionsvarme

50,21 kJ / mol

Fordampningsvarme

383 kJ / mol

Molær varmekapacitet

19,789 J / (mol K)

elektronegativitet

1,90 på Pauling-skalaen

Ioniseringsenergier

-Først: 786,5 kJ / mol

-Sekund: 1577,1 kJ / mol

-Tredde: 3231,6 kJ / mol

Atomradio

111 pm (målt på deres respektive diamantkrystaller)

Varmeledningsevne

149 W / (mK)

Elektrisk modstand

2,3 · 10 ³ Ω · m ved 20 ºC

Mohs hårdhed

6.5

sammenkædning

Siliciumatomer har evnen til at danne enkle Si-Si-bindinger, som ender med at definere en kæde (Si-Si-Si…).

Denne egenskab manifesteres også af kulstof og svovl; imidlertid sp ³ hybridiseringer er af silicium dårligere sammenlignet med de to andre elementer, og endvidere deres 3p orbitaler er mere diffuse, så overlapningen af resulterende sp ³ orbitaler er svagere.

De gennemsnitlige energier for Si-Si og CC-kovalente bindinger er henholdsvis 226 kJ / mol og 356 kJ / mol. Derfor er Si-Si-obligationerne svagere. På grund af dette er silicium ikke hjørnestenen i livet (og heller ikke svovl). Faktisk er den længste kæde eller skelet at silicium kan formular er normalt fire-leddet (Si ₄).

Oxidationsnumre

Silicium kan have et hvilket som helst af følgende oxidationsnumre, idet de antager i hver af dem eksistensen af ​​ioner med deres respektive ladninger: -4 (Si ^4-), -3 (Si ^3-), -2 (Si ^2-)), -1 (Si ^-), +1 (Si ⁺), +2 (Si2 ⁺), +3 (Si3 ⁺) og +4 (Si4 ⁺). Af dem alle er -4 og +4 de vigtigste.

For eksempel er -4 antaget i silicider (Mg ₂ Si eller Mg ₂ ²⁺ Si ^4-); mens de +4 svarer til den af silica (SiO ₂ eller Si ⁴⁺ O ₂ ^2-).

Reaktivitet

Silicium er fuldstændig uopløselig i vand såvel som stærke syrer eller baser. Men det opløses i en koncentreret blanding af salpetersyre og flussyre (HNO ₃ -HF). Ligeledes opløses det i en varm alkalisk opløsning, følgende følgende kemiske reaktion opstår:

Si (s) + 2NaOH (aq) + H ₂ O (l) => Na ₂ SiO ₃ (aq) + 2H ₂ (g)

Natriummetasilikatet salt, Na ₂ SiO ₃, dannes også, når silicium opløses i smeltet natriumcarbonat:

Si (s) + Na ₂ CO ₃ (l) => Na ₂ SiO ₃ (l) + C (s)

Ved stuetemperatur reagerer det slet ikke med ilt, ikke engang ved 900 ºC, når et beskyttende glasagtige SiO ₂ begynder at dannes; og derefter, ved 1400 * C, silicium reagerer med nitrogen i luften for at danne en blanding af nitrider, SiN og Si ₃ N ₄.

Silicium reagerer også ved høje temperaturer med metaller til dannelse af metallsilicider:

2Mg (r) + Si (r) => Mg ₂ Si (r)

2Cu (r) + Si (r) => Cu ₂ Si (r)

Ved stuetemperatur reagerer det eksplosivt og direkte med halogener (der er intet SiO _2- lag for at beskytte det mod dette). For eksempel har vi dannelsesreaktionen af ​​SiF ₄:

Si (s) + 2F ₂ (g) => SiF ₄ (g)

Og selvom silicium er uopløseligt i vand, reagerer det rødglødende med en dampstrøm:

Si (s) + H ₂ O (g) => SiO ₂ (s) + 2H ₂ (g)

Struktur og elektronisk konfiguration

Krystallinsk struktur eller enhedscelle af silicium repræsenteret ved en kugle- og stavemodel. Kilde: Benjah-bmm27

Billedet ovenfor viser den ansigt-centrerede kubiske struktur (fcc), den samme som diamant, for siliciumkrystall. De grålige sfærer svarer til Si-atomerne, som, som det kan ses, er kovalent bundet til hinanden; Derudover har de igen tetraedrale miljøer, der er gengivet langs krystallen.

Siliciumkrystallen er fcc, fordi et Si-atom observeres placeret på hver af fladene på terningen (6 × 1/2). Ligeledes er der otte Si-atomer i terningene på terningen (8 × 1/8) og fire placeret inde i dem (dem, der viser en veldefineret tetrahedron omkring den, 4 × 1).

Når det er sagt, har hver enhedscelle i alt otte siliciumatomer (3 + 1 + 4, tal angivet i ovenstående afsnit); egenskab, der hjælper med at forklare dens høje hårdhed og stivhed, da rent silicium er en kovalent krystallignende diamant.

Kovalent karakter

Denne kovalente karakter skyldes, at silicium ligesom kulstof har fire valenselektroner i henhold til dets elektroniske konfiguration:

3s ² 3p ²

Til limning er de rene 3'ere og 2p orbitaler ubrugelige. Det er derfor atomet skaber fire sp ³ hybridorbitaler, med hvilken den kan danne fire Si-Si kovalente bindinger og, på denne måde, fuldføre valensen oktet for de to siliciumatomer.

Siliciumkrystallen visualiseres derefter som en tredimensionel, kovalent gitter, der er sammensat af sammenkoblet tetraeder.

Dette netværk er imidlertid ikke perfekt, da det har defekter og korngrænser, der adskiller og definerer en krystal fra en anden; og når sådanne krystaller er meget små og talrige, taler vi om et polykrystallinsk fast stof, identificeret ved dets heterogene glans (svarende til en sølvmosaik eller skællet overflade).

Elektrisk ledningsevne

Si-Si-bindinger med deres velplacerede elektroner adskiller sig principielt fra hvad der forventes af et metal: et hav af elektroner "befugter" dets atomer; i det mindste er dette ved stuetemperatur.

Når temperaturen stiger, begynder silicium imidlertid at lede elektricitet og opfører sig således som et metal; det vil sige at det er et metallisk ledende metalloidelement.

Amorf silicium

Siliconetetrahedra vedtager ikke altid et strukturelt mønster, men kan arrangeres på en uordentlig måde; og endda med siliciumatomer, hvis hybridisering ser ud til ikke at være sp ³ men sp ², hvilket bidrager til yderligere at øge graden af ​​forstyrrelse. Derfor taler vi om et amorft og ikke-krystallinsk silicium.

I amorf silicium er der elektroniske ledige stillinger, hvor nogle af dets atomer har en orbital med et parret elektron. Takket være dette kan dets faste stof hydrogeneres, hvilket giver anledning til dannelsen af ​​hydrogeneret amorf silicium; det vil sige, det har Si-H-bindinger, med hvilke tetraederen er afsluttet i uordnede og vilkårlige positioner.

Dette afsnit afsluttes derefter med at sige, at silicium kan præsenteres i tre typer faste stoffer (uden at nævne deres renhedsgrad): krystallinsk, polykrystallinsk og amorft.

Hver af dem har sin egen produktionsmetode eller -proces, såvel som dens applikationer og kompromisser, når de beslutter, hvilken af ​​de tre der skal bruges, vel vidende om fordele og ulemper.

Hvor man kan finde og skaffe

Kvarts (silica) -krystaller er en af ​​de vigtigste og mest ekstraordinære mineraler, hvor silicium findes. Kilde: James St. John (https://www.flickr.com/photos/jsjgeology/22437758830)

Silicium er det syvende hyppigste element i universet og det andet i jordskorpen, hvilket også beriger Jordens mantel med sin enorme familie af mineraler. Dette element forbinder ekstremt godt med ilt og danner en lang række oxider; blandt dem silica, SO ₂ og silicater (med forskellig kemisk sammensætning).

Silica kan ses med det blotte øje i ørkener og strande, da sand hovedsageligt består af SiO ₂. Dette oxid kan igen manifestere sig i nogle få polymorfer, hvor den mest almindelige er: kvarts, ametyst, agat, cristobalit, tripoli, coesite, stishovite og tridymite. Derudover kan det findes i amorfe faste stoffer, såsom opaler og diatoméjord.

Silikater er i mellemtiden endnu rigere strukturelt og kemisk. Nogle af silicatmineralerne inkluderer: asbest (hvid, brun og blålig), feldspat, ler, micas, oliviner, aluminosilicater, zeolitter, amfiboler og pyroxener.

Stort set alle klipper er sammensat af silicium og ilt med deres stabile Si-O-bindinger og deres silicater og silikater blandet med metaloxider og uorganiske arter.

-Reduktion af silica

Problemet med at opnå silicium bryder Si-O-bindingen, for hvilken der er behov for specielle ovne og en god reduktionsstrategi. Råmaterialet til denne proces er silica i form af kvarts, som tidligere males, indtil det er et fint pulver.

Fra denne malede silica kan enten amorf eller polykrystallinsk silicium fremstilles.

Amorf silicium

I lille skala, udført i et laboratorium og med passende foranstaltninger, blandes silica med magnesiumpulver i en digel og forbrændes i fravær af luft. Følgende reaktion finder sted derefter:

SiO ₂ (s) + Mg (s) => 2MgO (s) + Si (s)

Magnesium og dets oxid fjernes med en fortyndet saltsyreopløsning. Derefter det resterende faststof behandles med flussyre, således at overskydende SiO ₂ finish omsætning; ellers er overskuddet af magnesium fremmer dannelsen af dens respektive silicid, Mg ₂ Si, en uønsket forbindelse til processen.

SiO ₂ omdannes til den flygtige gas SiF ₄, der udvindes til andre kemiske synteser. Endelig tørres den amorfe siliciummasse under en strøm af brintgas.

En anden lignende metode til at opnå amorf silicium består i at anvende den samme SiF ₄ tidligere fremstillede, eller SiCl ₄ (tidligere erhvervet). Dampene af disse siliciumhalogenider ledes over flydende natrium i en inert atmosfære, så reduktionen af ​​gassen kan finde sted uden tilstedeværelse af ilt:

SiCl ₄ (g) + 4Na (l) => Si (s) + 4NaCl (l)

Interessant nok anvendes amorf silicium til at fremstille energieffektive solcellepaneler.

Krystallinsk silicium

Start igen fra pulveriseret silica eller kvarts, føres de til en elektrisk lysbueovn, hvor de reagerer med koks. På denne måde er reduktionsmidlet ikke længere et metal, men et kulstofholdigt materiale med høj renhed:

SiO ₂ (s) + 2C (s) => Si (s) + 2CO (g)

Reaktionen frembringer også siliciumcarbid, SiC, som er neutraliseret med et overskud af SiO ₂ (igen kvarts er i overskud):

2SiC (s) + SiO ₂ (s) => 3Si (s) + 2CO (g)

En anden metode til fremstilling af krystallinsk silicium er anvendelse af aluminium som reduktionsmiddel:

3SiO ₂ (s) + 4AI (l) => 3Si (s) + 2AL ₂ O ₃ (s)

Og ud fra kalium hexafluorurosilicate salt, K ₂, er det også omsættes med metallisk aluminium eller kalium for at fremstille det samme produkt:

K ₂ (l) + 4AI (l) => 3Si (s) + 6KF (l) + 4AlF ₃ (g)

Silicium opløses straks i smeltet aluminium, og når systemet afkøles, krystalliseres det første og adskiller sig fra det andet; det vil sige, siliciumkrystaller dannes, som ser grålige farver ud.

Polykrystallinsk silicium

Modsætning til de andre synteser eller produktioner til opnåelse polykrystallinsk silicium, en starter med en silan gasfase, SiH ₄. Denne gas underkastes pyrolyse over 500 ºC på en sådan måde, at der forekommer termisk nedbrydning, og polykrystaller af silicium ender med at deponere på en halvlederoverflade fra dens indledende damp.

Følgende kemiske ligning eksemplificerer reaktionen, der finder sted:

SiH ₄ (g) => Si (s) + H ₂ (g)

Der bør naturligvis ikke være ilt i kammeret, da det ville reagere med SiH ₄:

SiH ₄ (g) + 2O ₂ (g) => SiO ₂ (s) + 2H ₂ O (g)

Og sådan er spontaniteten af ​​forbrændingsreaktionen, at den sker hurtigt ved stuetemperatur med minimal eksponering af silanen for luft.

En anden syntetisk vej til fremstilling af denne type silicium starter fra krystallinsk silicium som et råmateriale. De får det til at reagere med hydrogenchlorid ved en temperatur omkring 300 ºC, således at der således dannes trichlorsilan:

Si (s) + 3HCl (g) => SiCl ₃ H (g) + H ₂ (g)

Og SiCl ₃ H reagerer ved 1100 ºC at regenerere silicium, men nu polykrystallinske:

4SiCl ₃ H (g) => Si (s) + 3SiCl ₄ (g) + 2H ₂ (g)

Bare se på ligningerne for at få en idé om det arbejde og de strenge produktionsparametre, der skal overvejes.

isotoper

Silicium forekommer naturligt og hovedsageligt som ²⁸ Si isotop, med en overflod på 92,23%.

Derudover er der to andre isotoper, der er stabile og derfor ikke gennemgår radioaktivt henfald: ²⁹ Si, med en overflod på 4,67%; og ³⁰ Ja, med en overflod på 3,10%. ²⁸ Si, da den er så rigelig, er det ikke overraskende, at atomvægten af ​​silicium er 28,084 u.

Silicium kan også findes i forskellige radioisotoper, blandt dem er ³¹ Si (t _1/2 = 2,62 timer) og ³² Si (t _1/2 = 153 år). De andre (²² Si - ⁴⁴ Si) har meget kort eller kort t _1/2 (mindre end hundrededele af et sekund).

Risici

Ren silicium er et relativt inert stof, så det ophobes normalt ikke i noget organ eller væv, så længe eksponeringen for det er lav. I pulverform kan det irritere øjnene og forårsage vanding eller rødme, mens du rører ved det kan forårsage hudbehag, kløe og skrælning.

Når eksponeringen er meget høj, kan silicium skade lungerne; men uden eftervirkninger, medmindre mængden er tilstrækkelig til at forårsage kvælning. Dette er dog ikke tilfældet med kvarts, der er forbundet med lungekræft og sygdomme som bronkitis og emfysem.

Ligeledes er ren silicium meget sjælden i naturen, og dens forbindelser, der er så rigelige i jordskorpen, udgør ikke nogen risiko for miljøet.

Med hensyn til organosilicium kunne disse være giftige; Men da der er mange af dem, afhænger det af, hvilken der overvejes, såvel som af andre faktorer (reaktivitet, pH, virkningsmekanisme osv.).

Applikationer

Byggeindustri

Siliciummineraler udgør den "sten", hvormed bygninger, huse eller monumenter er bygget op. For eksempel består cement, beton, stukker og ildsten af ​​faste blandinger baseret på silikater. Fra denne tilgang kan man forestille sig nytten af ​​dette element i byer og i arkitektur.

Glas og keramik

Krystaller der bruges i optiske apparater kan fremstilles af silica, enten som isolatorer, spektrofotometerprøveceller, piezoelektriske krystaller eller som linser.

Når materialet fremstilles med flere additiver, ender det også med at omdanne til et amorft fast stof, kendt som glas; og bjerg af sand er normalt kilden til silica eller kvarts, der er nødvendig for dens produktion. På den anden side fremstilles keramiske materialer og porcelæn med silikater.

Sammenflettet ideer, silicium er også til stede i håndværk og ornamentik.

Legeringer

Siliciumatomer kan kohesion og være blandbare med en metallisk matrix, hvilket gør det til et tilsætningsstof til mange legeringer eller metaller; for eksempel stål til fremstilling af magnetiske kerner; bronze til fremstilling af telefonkabler; og aluminium i produktionen af ​​aluminiumsiliciumlegeringen bestemt til lette bildele.

Derfor kan det ikke kun findes i bygningens "sten", men også i metallerne i deres søjler.

tørremidler

Gelatineholdige silicakugler brugt som tørremiddel. Kilde: Tørremidler

Silica, i gel eller amorf form, gør det muligt at fremstille faste stoffer, der fungerer som tørremiddel ved at fange vandmolekylerne, der kommer ind i beholderen og holde dets indre tørt.

Elektronisk industri

Polykrystallinsk og amorf silicium bruges til at fremstille solcellepaneler. Kilde: Pxhere.

Siliciumlag med forskellige tykkelser og farver er en del af computerchips, ligesom med deres faste (krystallinske eller amorfe), integrerede kredsløb og solceller er blevet designet.

Som halvleder indbefatter det atomer med færre (Al, B, Ga) eller flere elektroner (P, As, Sb) for at omdanne det til henholdsvis pon-type halvledere. Med forbindelserne mellem to silikoner, den ene n og den anden p, fremstilles lysemitterende dioder.

Silikonpolymerer

Den berømte silikonelim består af en organisk polymer understøttet af stabiliteten i kæderne af Si-O-Si-bindinger… Hvis disse kæder er meget lange, korte eller tværbundne, ændres silikonepolymerens egenskaber såvel som deres endelige anvendelser..

Blandt dens anvendelser, der er anført nedenfor, kan følgende nævnes:

-Lim eller klæbemiddel, ikke kun til sammenføjning af papirer, men byggesten, gummi, glasplader, klipper osv.

-Smøremidler i hydrauliske bremsesystemer

-Styrker maling og forbedrer lysstyrken og intensiteten af ​​deres farver, mens de tillader dem at modstå temperaturændringer uden at revne eller spise væk

-De bruges som vandafvisende spray, hvilket holder nogle overflader eller genstande tørre

-De giver personlige hygiejneprodukter (tandpastaer, shampooer, geler, barbercremer osv.) Følelsen af ​​at være silkeagtig

-Dens overtræk beskytter de elektroniske komponenter i sarte enheder, såsom mikroprocessorer, mod varme og fugtighed

-Med silikonepolymerer er der lavet flere af gummikuglerne, der springer, så snart de falder ned på gulvet.

Referencer

1. Shiver & Atkins. (2008). Uorganisk kemi. (Fjerde udgave). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Silicon. Gendannet fra: en.wikipedia.org
3. MicroChemicals. (Sf). Krystallografi af silicium. Gendannes fra: microchemicals.com
4. Lenntech BV (2019). Periodisk tabel: silicium. Gendannes fra: lenntech.com
5. Marques Miguel. (Sf). Silicon-forekomst. Gendannes fra: nautilus.fis.uc.pt
6. Mere Hemant. (05. november 2017). Silicon. Gendannes fra: hemantmore.org.in
7. Pilgaard Michael. (22. august 2018). Silicium: Forekomst, isolering og syntese. Gendannes fra: pilgaardelements.com
8. Dr. Doug Stewart. (2019). Fakta om siliciumelement. Chemicool. Gendannes fra: chemicool.com
9. Christiana Honsberg og Stuart Bowden. (2019). En samling af ressourcer til den fotovoltaiske underviser. PVeducation. Gendannes fra: pveducation.org
10. American Chemistry Council, Inc. (2019). Silikoner i hverdagen. Gendannes fra: sehsc.americanchemistry.com