Szilícium: alkalmazás, kémiai és fizikai tulajdonságok

2024 Szerző: Angel Austin | [email protected]. Utoljára módosítva: 2023-12-17 05:29

A természetben az egyik leggyakoribb elem a szilícium vagy szilícium. Az ilyen széles elterjedés ennek az anyagnak a fontosságáról és jelentőségéről beszél. Ezt gyorsan megértették és elfogadták azok az emberek, akik megtanulták, hogyan kell megfelelően használni a szilíciumot saját céljaikra. Alkalmazása speciális tulajdonságokon alapul, amelyekről később még szó lesz.

A szilícium egy kémiai elem

Ha egy adott elemet a periódusos rendszerben elfogl alt pozíció alapján jellemezünk, akkor a következő fontos pontokat azonosíthatjuk:

1. Sorszám - 14.
2. Az időszak a harmadik kicsi.
3. Csoport – IV.
4. Alcsoport - fő.
5. A külső elektronhéj szerkezetét a következő képlet fejezi ki: 3s²3p².
6. A szilícium elemet az Si vegyjele jelöli, amelyet "szilícium"-nak ejtenek.
7. Az általa mutatott oxidációs állapotok: -4; +2; +4.
8. Az atom vegyértéke IV.
9. A szilícium atomtömege 28.086.
10. A természetben ennek az elemnek három stabil izotópja van, amelyek tömegszáma 28, 29 és 30.

Szóval az atomKémiai szempontból a szilícium jól tanulmányozott elem, számos tulajdonságát leírták.

Felfedezési előzmények

Mivel a szóban forgó elem különféle vegyületei nagyon népszerűek és tömeges tartalommal bírnak a természetben, az ókortól kezdve az emberek csak sokukat használták és ismerték a tulajdonságait. A tiszta szilícium sokáig meghaladta az emberi tudást a kémiában.

Az ókori kultúrák népei (egyiptomiak, rómaiak, kínaiak, oroszok, perzsák és mások) által a mindennapi életben és az iparban használt legnépszerűbb vegyületek a szilícium-oxid alapú drágakövek és díszkövek voltak. Ezek a következők:

• opál;
• strasszkő;
• topáz;
• chrysoprase;
• onyx;
• kalcedon és mások.

A kvarcot és a kvarchomokot is ősidők óta szokás használni az építőiparban. Maga az elemi szilícium azonban egészen a 19. századig feltáratlan maradt, bár sok tudós hiába próbálta katalizátorok, magas hőmérséklet, sőt elektromos áram segítségével elkülöníteni a különféle vegyületektől. Ezek olyan világos elmék, mint:

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

Jens Jacobs Berzeliusnak sikerült tiszta szilíciumot szereznie 1823-ban. Ennek érdekében kísérletet végzett a szilícium-fluorid és a fémes kálium gőzeinek fúziójával. Ennek eredményeként megkapta a kérdéses elem amorf módosítását. Ugyanez a tudós latin nevet javasolt a felfedezett atomnak.

Kicsit később, 1855-ben egy másik tudósnak – Saint Clair-Deville-nek – sikerült egy másik allotróp fajtát – a kristályos szilíciumot – szintetizálnia. Azóta az elemről és tulajdonságairól szóló ismeretek nagyon gyorsan növekedtek. Az emberek rájöttek, hogy egyedi jellemzői vannak, amelyeket nagyon intelligensen fel lehet használni saját igényeik kielégítésére. Ezért ma az egyik legkeresettebb elem az elektronikában és a technológiában a szilícium. Használata minden évben csak kiterjeszti a határait.

Az atom orosz nevét Hess tudós adta 1831-ben. Ez az, ami a mai napig ragadt.

A természetben található

A szilícium az oxigén után a második legelterjedtebb a természetben. Százalékos aránya a földkéreg összetételében lévő többi atomhoz képest 29,5%. Ezenkívül a szén és a szilícium két speciális elem, amelyek egymással összekapcsolódva láncokat alkothatnak. Éppen ezért az utóbbihoz több mint 400 különböző természetes ásvány ismert, amelyekben a litoszféra, a hidroszféra és a biomassza megtalálható.

Hol található pontosan a szilícium?

1. A talaj mély rétegeiben.
2. Kövekben, lerakódásokban és masszívumokban.
3. A víztestek alján, különösen a tengereken és az óceánokon.
4. Az állatvilág növényvilágában és tengeri életében.
5. Emberekben és szárazföldi állatokban.

A legelterjedtebb ásványok és kőzetek közül több is kijelölhető, amelyek nagy mennyiségben tartalmaznakszilícium. Kémiájuk olyan, hogy egy tiszta elem tömegtartalma eléri a 75%-ot. A konkrét szám azonban az anyag típusától függ. Tehát szilíciumot tartalmazó kőzetek és ásványok:

• földpát;
• csillám;
• amfibolok;
• opálok;
• kalcedon;
• szilikátok;
• homokkövek;
• alumínium-szilikátok;
• agyag és mások.

A tengeri állatok héjában és külső csontvázában felhalmozódó szilícium végül erőteljes szilícium-dioxid-lerakódásokat képez a víztestek alján. Ez ennek az elemnek az egyik természetes forrása.

Ezen kívül azt találták, hogy a szilícium tiszta natív formájában – kristályok formájában – létezhet. De az ilyen betétek nagyon ritkák.

A szilícium fizikai tulajdonságai

Ha a vizsgált elemet fizikai és kémiai tulajdonságok összességével jellemzi, akkor mindenekelőtt a fizikai paramétereket kell feltüntetni. Íme néhány kulcsfontosságú:

1. Két allotróp módosulat formájában létezik – amorf és kristályos, amelyek minden tulajdonságban különböznek egymástól.
2. A kristályrács nagyon hasonlít a gyémánthoz, mert a szén és a szilícium ebből a szempontból szinte azonos. Az atomok közötti távolság azonban más (a szilíciumban több van), így a gyémánt sokkal keményebb és erősebb. Rács típusa - köbös felületű.
3. Az anyag nagyon törékeny, magas hőmérsékleten képlékeny lesz.
4. Olvadáspont 1415 ˚C.
5. Hőmérsékletforráspont - 3250˚С.
6. Az anyag sűrűsége - 2,33 g/cm³.
7. A csatlakozás színe ezüstszürke, jellegzetes fémes fényű.
8. Jó félvezető tulajdonságokkal rendelkezik, amelyek bizonyos szerek hozzáadásával változhatnak.
9. Vízben, szerves oldószerekben és savakban nem oldódik.
10. Kifejezetten lúgokban oldódik.

A szilícium meghatározott fizikai tulajdonságai lehetővé teszik az emberek számára, hogy ellenőrizzék, és különféle termékek készítésére használják fel. Például a tiszta szilícium elektronikai felhasználása a félvezető képességen alapul.

Kémiai tulajdonságok

A szilícium kémiai tulajdonságai nagymértékben függenek a reakciókörülményektől. Ha tiszta anyagról beszélünk standard paramétereken, akkor nagyon alacsony aktivitást kell jelölnünk. Mind a kristályos, mind az amorf szilícium nagyon inert. Ne lépjen kölcsönhatásba erős oxidálószerekkel (kivéve a fluort), sem erős redukálószerekkel.

Ez annak a ténynek köszönhető, hogy az anyag felületén azonnal oxidfilm SiO₂ képződik, amely megakadályozza a további kölcsönhatásokat. Víz, levegő, gőz hatására keletkezhet.

Ha megváltoztatja a normál körülményeket és 400˚С feletti hőmérsékletre melegíti a szilíciumot, akkor a kémiai aktivitása jelentősen megnő. Ebben az esetben a következővel reagál:

• oxigén;
• mindenféle halogén;
• hidrogén.

A hőmérséklet további emelkedésével a termékek képződése a következő időpontban lehetségeskölcsönhatás bórral, nitrogénnel és szénnel. Különösen fontos a karborundum - SiC, mivel ez jó koptatóanyag.

A szilícium kémiai tulajdonságai is jól láthatóak a fémekkel való reakciókban. Ezek vonatkozásában oxidálószer, ezért a termékeket szilicideknek nevezik. Hasonló vegyületek ismertek:

• lúgos;
• alkáliföld;
• átmeneti fémek.

Szokatlan tulajdonságokkal rendelkezik a vas és a szilícium olvasztásával nyert vegyület. Ezt ferroszilícium kerámiának hívják, és sikeresen használják az iparban.

A szilícium nem lép kölcsönhatásba összetett anyagokkal, ezért valamennyi fajtájuk közül csak a következőkben tud oldódni:

• királyi vodka (salétromsav és sósav keveréke);
• maró lúgok.

Ebben az esetben az oldat hőmérsékletének legalább 60˚С-nak kell lennie. Mindez ismét megerősíti az anyag fizikai alapját - egy gyémántszerű stabil kristályrácsot, amely erőt és tehetetlenséget ad neki.

Megszerzési módszerek

A tiszta szilícium beszerzése gazdaságilag meglehetősen költséges folyamat. Ráadásul tulajdonságaiból adódóan bármely módszer csak 90-99%-os tisztaságú terméket ad, miközben a fémek és szén formájú szennyeződések változatlanok maradnak. Tehát az anyag beszerzése nem elég. Minőségileg meg kell tisztítani az idegen elemektől is.

A szilícium előállítása általában két fő módon történik:

1. A fehér homokbólamely tiszta szilícium-oxid SiO₂. Amikor aktív fémekkel (leggyakrabban magnéziummal) kalcinálják, szabad elem képződik amorf módosulat formájában. Ennek a módszernek a tisztasága nagy, a terméket 99,9 százalékos hozammal kapjuk.
2. Ipari méretekben elterjedtebb módszer az olvadt homok koksszal történő szinterezése speciális hőkemencékben. Ezt a módszert az orosz tudós, Beketov N. N. fejlesztette ki

A további feldolgozás abból áll, hogy a termékeket tisztítási módszereknek vetik alá. Ehhez savakat vagy halogéneket (klór, fluor) használnak.

Amorf szilícium

A szilícium jellemzése hiányos lesz, ha nem vesszük figyelembe minden egyes allotróp módosulatát. Az első amorf. Ebben az állapotban az általunk vizsgált anyag barna-barna por, finoman eloszlatva. Magas fokú higroszkópos, melegítéskor kellően magas kémiai aktivitást mutat. Normál körülmények között csak a legerősebb oxidálószerrel, a fluorral tud kölcsönhatásba lépni.

Nem teljesen helyes az amorf szilíciumot különféle kristályos szilíciumnak nevezni. Rácsa azt mutatja, hogy ez az anyag csak finoman diszpergált szilícium, amely kristályok formájában létezik. Ezért ezek a módosítások ugyanazt a vegyületet jelentik.

Tulajdonságaik azonban különböznek, ezért szokás allotrópiáról beszélni. Önmagában az amorf szilícium rendelkeziknagy fényelnyelő képesség. Ezenkívül bizonyos körülmények között ez a mutató többszöröse a kristályos formának. Ezért technikai célokra használják. A szóban forgó formában (por) a vegyület könnyen felvihető bármilyen felületre, legyen az műanyag vagy üveg. Ezért az amorf szilícium az, ami annyira kényelmesen használható. Az alkalmazás különböző méretű napelemek gyártásán alapul.

Bár az ilyen típusú akkumulátorok elhasználódása meglehetősen gyors, ami az anyag vékony rétegének kopásával jár, azonban a felhasználás és a kereslet csak nő. Valójában az amorf szilícium alapú napelemek már rövid élettartam alatt is képesek egész vállalkozások energiáját ellátni. Ráadásul egy ilyen anyag előállítása hulladékmentes, ami nagyon gazdaságossá teszi.

Ezt a módosítást úgy érheti el, hogy redukálja a vegyületeket aktív fémekkel, például nátriummal vagy magnéziummal.

Kristályszilícium

A kérdéses elem ezüstszürke fényes módosítása. Ez a forma a leggyakoribb és a legkeresettebb. Ez annak köszönhető, hogy az anyag minőségi tulajdonságokkal rendelkezik.

A kristályrácsos szilícium jellemzője magában foglalja a típusok osztályozását, mivel ezek közül több is létezik:

1. Elektronikus minőség – a legtisztább és legjobb minőség. Ezt a típust használják az elektronikában különösen érzékeny eszközök létrehozására.
2. Napos minőség. Maga a névmeghatározza a felhasználási területet. Ez is egy nagy tisztaságú szilícium, amelynek használata szükséges a kiváló minőségű és hosszú élettartamú napelemek létrehozásához. A kristályos szerkezet alapján létrehozott fotovoltaikus konverterek jobb minőségűek és tartósabbak, mint azok, amelyeket különféle típusú hordozókra történő lerakással amorf módosítással hoztak létre.
3. Technikai szilícium. Ez a fajta olyan anyagmintákat tartalmaz, amelyek a tiszta elem körülbelül 98% -át tartalmazzák. Minden más a különféle szennyeződésekre megy át:

• bór;
• alumínium;
• klór;
• szén;
• foszfor és mások.

A szóban forgó anyag utolsó változatát szilícium-polikristályok előállítására használják. Ehhez átkristályosítási eljárásokat hajtanak végre. Ennek eredményeként a tisztaság szempontjából olyan termékeket kapunk, amelyek a szoláris és az elektronikai minőség csoportjába sorolhatók.

A poliszilícium természeténél fogva egy köztes termék az amorf és a kristályos módosulás között. Ezzel az opcióval könnyebb dolgozni, jobban hasznosítható, és fluorral és klórral tisztítható.

A kapott termékek a következőképpen osztályozhatók:

• multicilicon;
• monokristályos;
• profilozott kristályok;
• szilíciumhulladék;
• műszaki szilícium;
• gyártási hulladék töredékek és anyagdarabkák formájában.

Mindegyik megtalálható az iparban, és használatosegy személy teljesen. Ezért a szilíciumot tartalmazó gyártási folyamatok hulladékmentesnek minősülnek. Ez nagymértékben csökkenti a gazdasági költségeit anélkül, hogy a minőséget befolyásolná.

Tiszta szilícium használata

A szilíciumgyártás az iparban meglehetősen jól bejáratott, és méretei meglehetősen terjedelmesek. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy ez az elem, mind tisztán, mind különféle vegyületek formájában, széles körben elterjedt és keresett a tudomány és a technológia különböző ágaiban.

Hol használják a tiszta kristályos és amorf szilíciumot?

1. A kohászatban mint ötvöző adalékanyag, amely képes megváltoztatni a fémek és ötvözeteik tulajdonságait. Tehát acél és vas olvasztására használják.
2. Különböző típusú anyagokat használnak a tisztább változat – poliszilícium – előállításához.
3. Szilícium vegyületei szerves anyagokkal – ez egy egész vegyipar, amely ma különösen népszerűvé vált. A szilikon anyagokat a gyógyászatban, edények, szerszámok és még sok más gyártásában használják.
4. Különféle napelemek gyártása. Ez az energiaszerzési módszer az egyik legígéretesebb a jövőben. Környezetbarát, költséghatékony és tartós – az ilyen villamosenergia-termelés fő előnyei.
5. A szilíciumot nagyon régóta használják öngyújtókban. Már az ókorban is használták az emberek a kovakőt, hogy tüzet gyújtva szikrát keltsenek. Ez az elv a különféle öngyújtók gyártásának alapja. Ma már vannak olyan fajok, amelyekbena kovakő helyére egy bizonyos összetételű ötvözet kerül, ami még gyorsabb eredményt ad (szikraképződés).
6. Elektronika és napenergia.
7. Gázlézeres eszközök tükreinek gyártása.

Így a tiszta szilíciumnak számos előnyös és különleges tulajdonsága van, amelyek lehetővé teszik, hogy fontos és szükséges termékek előállításához használják fel.

Szilíciumvegyületek alkalmazása

Egy egyszerű anyagon kívül különféle szilíciumvegyületeket is használnak, és nagyon széles körben. Az iparnak van egy egész ága a szilikát. Ő az, aki különféle anyagok használatán alapul, amelyek magukban foglalják ezt a csodálatos elemet. Mik ezek a vegyületek és mit termelnek?

1. Kvarc, vagy folyami homok - SiO₂. Építő- és dekorációs anyagok, például cement és üveg gyártására használják. Hol használják ezeket az anyagokat, mindenki tudja. Egyetlen konstrukció sem teljes ezen alkatrészek nélkül, ami megerősíti a szilíciumvegyületek fontosságát.
2. Szilikát kerámia, amely olyan anyagokat foglal magában, mint a fajansz, porcelán, tégla és ezeken alapuló termékek. Ezeket az alkatrészeket a gyógyászatban, edények, dísztárgyak, háztartási cikkek gyártásában, az építőiparban és az emberi tevékenység egyéb háztartási területein használják.
3. Szilikonvegyületek – szilikonok, szilikagélek, szilikonolajok.
4. Szilikát ragasztó – írószerként, pirotechnikában és építőiparban használják.

Szilícium, melynek ára a világpiacon változó, de nem keresztezifelülről lefelé az Orosz Föderáció 100 rubel kilogrammonként (kristályonként) keresett és értékes anyag. Természetesen ennek az elemnek a vegyületei is széles körben elterjedtek és alkalmazhatók.

A szilícium biológiai szerepe

A szervezet számára jelentõssége szempontjából a szilícium fontos. Tartalma és szöveti megoszlása a következő:

• 0, 002% - izmos;
• 0, 000017% - csont;
• vér - 3,9 mg/l.

Minden nap körülbelül egy gramm szilíciumnak kell bejutnia, különben betegségek kezdenek kifejlődni. Nincs köztük halálos, de a hosszan tartó szilíciuméhezés a következőkhöz vezet:

• hajhullás;
• akne és pattanások megjelenése;
• a csontok törékenysége és törékenysége;
• könnyű kapilláris permeabilitás;
• fáradtság és fejfájás;
• számos zúzódás és zúzódás megjelenése.

A növények számára a szilícium a normál növekedéshez és fejlődéshez szükséges fontos nyomelem. Állatkísérletek kimutatták, hogy azok fejlődnek a legjobban, akik naponta elegendő szilíciumot fogyasztanak.