Szilícium és vegyületei. Szilícium a természetben. Szilícium alkalmazása

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

A szilícium a technológia és az ipar egyik legkeresettebb eleme. Ezt szokatlan tulajdonságainak köszönheti. Ma ennek az elemnek számos különféle vegyülete létezik, amelyek fontos szerepet játszanak műszaki termékek, edények, üvegek, berendezések, építő- és befejező anyagok, ékszerek és más iparágak szintézisében és létrehozásában.

A szilícium általános jellemzői

Ha figyelembe vesszük a szilícium helyzetét a periódusos rendszerben, akkor ezt mondhatjuk:

1. A fő alcsoport IV. csoportjában található.
2. 14. sorszám.
3. Atomtömeg 28, 086.
4. Vegyi szimbólum Si.
5. Név - szilícium, vagy latinul - szilícium.
6. A külső réteg 4e:2e:8e elektronikus konfigurációja.

A szilícium kristályrácsa hasonló a gyémánthoz. Az atomok a csomópontokban helyezkednek el, típusa arcközpontú köbös. A hosszabb kötéshossz miatt azonban a szilícium fizikai tulajdonságai nagyon eltérnek a szén allotróp módosulásának tulajdonságaitól.

Fizikai és kémiai tulajdonságok

Kettő vanennek az elemnek allotróp módosulatai: amorf és kristályos. Nagyon hasonlóak. Más anyagokhoz hasonlóan azonban a fő különbség közöttük a szilícium kristályrácsa.

Ebben az esetben mindkét módosítás különböző színű por.

1. A kristályos szilícium sötétszürke, fényes fémszerű por. Szerkezete a gyémántnak felel meg, de tulajdonságai mások. Neki van:

• törékenység;
• alacsony keménység;
• félvezető tulajdonságai;
• olvadáspont 1415⁰C;
• 2,33g/cm³;
• forráspont 2700⁰C.

Kémiai aktivitása alacsony a többi allotróp formához képest.

2. Amorf szilícium – barna-barna por, erősen rendezetlen gyémánt szerkezetű. A kémiai aktivitás meglehetősen magas.

Általában meg kell jegyezni, hogy a szilícium nem szeret reagálni. Ahhoz, hogy reagáljon, legalább 400-500⁰C hőmérsékletre van szüksége. Ilyen körülmények között a szilícium különféle kémiai vegyületei képződnek. Például:

• oxidok;
• halogenidek;
• szilicidek;
• nitridek;
• borides;
• karbidok.

A szilícium lehetséges kölcsönhatása salétromsavval vagy lúggal, amelyet maratási eljárásnak neveznek. A szerves szilíciumvegyületek széles körben elterjedtek, és manapság egyre gyakoribbak.

A természetben lenni

A szilícium meglehetősen jelentős mennyiségben található a természetben. Elterjedtségét tekintve a második helyen áll az oxigén után. Tömeghányada körülbelül 30%. A tengervíz is tartalmazza ezt az elemet hozzávetőlegesen 3 mg/l koncentrációban. Ezért nem mondható, hogy a szilícium ritka elem a természetben.

Éppen ellenkezőleg, sok különböző kőzetben és ásványban fordul elő, és amelyekből bányászható. A leggyakoribb természetes szilíciumvegyületek a következők:

1. Szilícium-dioxid. A kémiai képlet: SiO₂. Az ásványok és kőzetek formáinak meglehetősen sokféle változata létezik rajta: homok, kovakő, földpát, kvarc, hegyikristály, ametiszt, kalcedon, karneol, opál, jáspis és mások.
2. Szilikátok és alumínium-szilikátok. Kaolin, spars, csillám, kovasav sók, azbeszt, talkum.

Így a szilícium széles körben elterjedt a természetben, és vegyületei népszerűek és keresettek az emberek körében műszaki alkalmazásokhoz.

Szilícium és vegyületei

Mivel a kérdéses elem nem létezhet tiszta formájában, ezért fontosak a különféle vegyületei. Kémiai szempontból három oxidációs állapotot mutathat fel: +2, +4, -4. Ebből, valamint tehetetlenségéből kifolyólag, de a kristályrács szerkezetében különleges, a következő fő anyagokat képezi:

• bináris vegyületek nemfémekkel (szilán, karbid, nitrid, foszfid és így tovább);
• oxidok;
• szilíciumsav;
• fémszilikátok.

Nézzük meg közelebbről a szilícium és vegyületeinek fontosságát, amelyek a legelterjedtebbek és a legkeresettebbek az emberek körében.

Szilícium-oxidok

Ennek az anyagnak két változata van, a következő képletekkel kifejezve:

• SiO;
• SiO₂.

A legelterjedtebb azonban a dioxid. A természetben nagyon szép féldrágakövek formájában létezik:

• agate;
• kalcedon;
• opál;
• karneol;
• jáspis;
• ametiszt;
• strasszkő.

A szilícium ilyen formában történő felhasználása az ékszerek gyártásában talált alkalmazásra. Hihetetlenül szép arany és ezüst ékszerek készülnek ezekkel a féldrágakövekkel és féldrágakövekkel.

A szilícium-dioxid néhány további változata:

• kvarc;
• folyami és kvarchomok;
• kőkő;
• földpátok.

Az ilyen típusú szilíciumot az építőiparban, a mérnöki munkákban, a rádióelektronikában, a vegyiparban és a kohászatban valósítják meg. A felsorolt oxidok együtt egyetlen anyaghoz tartoznak - a szilícium-dioxidhoz.

Szilícium-karbid és alkalmazásai

A szilícium és vegyületei a jövő és a jelen anyagai. Az egyik ilyen anyag a karborundum vagy ennek az elemnek a karbidja. A SiC kémiai képlete. A természetben moissanit ásványként fordul elő.

Tiszta formájában a szén és a szilícium vegyülete gyönyörűátlátszó kristályok, amelyek gyémánt szerkezetekre emlékeztetnek. Műszaki célokra azonban zöld és fekete színű anyagokat használnak.

Ennek az anyagnak a főbb jellemzői, amelyek lehetővé teszik a kohászatban, a gépészetben és a vegyiparban való felhasználását, a következők:

• széles résű félvezető;
• nagyon nagy szilárdság (7 a Mohs-skálán);
• magas hőmérsékletnek ellenáll;
• kiváló elektromos ellenállás és hővezető képesség.

Mindez lehetővé teszi a karborundum csiszolóanyagként történő alkalmazását a kohászatban és a kémiai szintézisben. És ennek alapján széles spektrumú LED-ek, üvegolvasztó kemencék alkatrészei, fúvókák, fáklyák, ékszerek gyártása (a moissanitot többre értékelik, mint a cirkóniát).

Silan és jelentése

A szilícium hidrogénvegyületét szilánnak nevezik, és nem nyerhető ki közvetlen szintézissel kiindulási anyagokból. Ennek előállításához különféle fémek szilicidjeit használják, amelyeket savakkal kezelnek. Ennek eredményeként gáznemű szilán szabadul fel, és fémsó képződik.

Érdekes módon a kérdéses kapcsolat soha nem jön létre egyedül. A reakció eredményeként mindig mono-, di- és triszilán keveréke keletkezik, amelyben a szilícium atomok láncban kapcsolódnak egymáshoz.

Tulajdonságaik alapján ezek a vegyületek erős redukálószerek. Ugyanakkor maguk is könnyen oxidálódnak oxigénnel, néha robbanással. Halogének esetén a reakciók mindig hevesek, nagy kibocsátássalenergia.

A szilánok alkalmazásai a következők:

1. A szerves szintézis reakciói, amelyek fontos szerves szilíciumvegyületek képződését eredményezik – szilikonok, gumik, tömítőanyagok, kenőanyagok, emulziók és mások.
2. Mikroelektronika (LCD-monitorok, integrált műszaki áramkörök stb.).
3. Ultratiszta poliszilícium beszerzése.
4. Fogászat protézissel.

Így a szilánok jelentősége nagy a modern világban.

Kovasav és szilikátok

A kérdéses elem hidroxidja különböző kovasavak. Kiemelés:

• meta;
• ortho;
• polikovasav és egyéb savak.

Mindegyiküket a közös tulajdonságok egyesítik – rendkívüli instabilitás a szabad állapotban. Könnyen lebomlanak a hőmérséklet hatására. Normál körülmények között nem léteznek sokáig, először szollá, majd géllé alakulnak. Szárítás után az ilyen szerkezeteket szilikagéleknek nevezik. A szűrőkben adszorbensként használják őket.

Az ipar szempontjából fontosak a kovasav sói – a szilikátok. Ezek alapozzák meg olyan anyagok előállítását, mint például:

• üveg;
• beton;
• cement;
• zeolit;
• kaolin;
• porcelán;
• faience;
• kristály;
• kerámia.

Az alkálifém-szilikátok oldódnak, a többi nem. Ezért a nátrium- és kálium-szilikátot folyékony üvegnek nevezik. Közönséges irodai ragasztó - ez nátriumkovasav só.

De a legérdekesebb vegyületek még mindig a szemüvegek. Nem számít, hány változatát találták ki ennek az anyagnak! Ma színes, optikai, matt opciókat kapnak. Az üvegáru pompájában és változatosságában feltűnő. Bizonyos fém- és nemfém-oxidok keverékhez adásával sokféle üvegtípus állítható elő. Néha még az azonos összetétel, de a komponensek eltérő százalékos aránya az anyag tulajdonságainak eltéréséhez vezet. Ilyen például a porcelán és a fajansz, amelyek képlete: SiO₂AL₂O₃ K 2_O.

A kvarcüveg nagy tisztaságú termék, amelynek összetétele szilícium-dioxid.

Felfedezések a szilíciumvegyületekben

Az elmúlt évek kutatásai során bebizonyosodott, hogy a szilícium és vegyületei az élő szervezetek normális állapotának legfontosabb szereplői. Ennek az elemnek a hiányával vagy feleslegével olyan betegségek jelentkezhetnek, mint:

• rák;
• tuberkulózis;
• arthritis;
• hályog;
• lepra;
• dizentéria;
• reuma;
• hepatitis és mások.

Maga az öregedési folyamat a szilícium mennyiségi tartalmával is összefügg. Emlősökön végzett számos kísérlet bebizonyította, hogy valamely elem hiánya esetén szívroham, agyvérzés, rák lép fel, és aktiválódik a hepatitis vírus.