SILISIUM: HISTORIE, EGENSKAPER, STRUKTUR, INNHENTING, BRUK - KJEMI - 2026

Den silisium er et ikke - metallisk og metalloid samtidig element er representert av den kjemiske symbol Si. Det er en halvleder, som er en viktig del av datamaskiner, kalkulatorer, mobiltelefoner, solceller, dioder osv.; Det er praktisk talt hovedkomponenten som har tillatt etablering av Digital Age.

Silisium har alltid vært til stede i kvarts og silikater, begge mineraler utgjør omtrent 28 vekt% av hele jordskorpen. Det er dermed det nest rikeste elementet på overflaten av jorden, og vidstrakten i ørkenene og strendene gir et perspektiv på hvor rikelig det er.

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

Silisium tilhører gruppe 14 i det periodiske systemet, det samme som karbon, som ligger under den. Det er grunnen til at dette elementet regnes som et tetravalent metalloid; den har fire valenselektroner og i teorien kan den miste alle av dem til å danne Si ⁴⁺ -kation .

En eiendom den deler med kull er dens evne til å koble sammen; det vil si atatomene deres er kovalent knyttet til å definere molekylkjeder. Dessuten kan silisium danne sine egne "hydrokarboner", kalt silaner.

De dominerende silikonforbindelsene i naturen er de berømte silikatene. I sin rene form kan det fremstå som et monokrystallinsk, polykrystallinsk eller amorft fast stoff. Det er et relativt inert fast stoff, så det utgjør ikke betydelig risiko.

Historie

Silisiumstein

Silisium er kanskje et av elementene som har hatt mest innflytelse i menneskehetens historie.

Dette elementet er hovedpersonen i steinalderen, og også den digitale tidsalderen. Opprinnelsen stammer fra når sivilisasjonene en gang jobbet med kvarts og laget sine egne briller; Og i dag er det hovedkomponenten i datamaskiner, bærbare datamaskiner og smarttelefoner.

Silisium har praktisk talt vært steinen i to klart definerte epoker i vår historie.

Isolering

Siden silika er så rikelig, et navn født av flintberg, må det ha inneholdt et ekstremt rikt element i jordskorpen; dette var rett mistanke om Antoine Lavoisier, som i 1787 mislyktes i sine forsøk på å redusere den fra rusten.

Senere, i 1808, gjorde Humphry Davy sine egne forsøk og ga elementet fornavnet: 'silicium', som oversatt ville bli "flint metal". Det vil si at silisium ble ansett som et metall på den tiden på grunn av manglende karakterisering.

Så, i 1811, lyktes franske kjemikere Joseph L. Gay-Lussac og Louis Jacques Thénard å forberede amorf silisium for første gang. For dette reagerte de silisiumtetrafluorid med metallisk kalium. De renset eller karakteriserte imidlertid ikke produktet som ble oppnådd, så de konkluderte ikke med at det var det nye elementet silicium.

Det var først i 1823 at den svenske kjemikeren Jacob Berzelius skaffet et amorft silisium med tilstrekkelig renhet til å anerkjenne det som silisium; navn gitt i 1817 av den skotske kjemikeren Thomas Thomson da han betraktet det som et ikke-metallisk element. Berzelius utførte reaksjonen mellom kaliumfluorosilikat og smeltet kalium for å produsere dette silisium.

Krystallinsk silisium

Krystallinsk silisium ble først fremstilt i 1854 av den franske kjemikeren Henry Deville. For å oppnå dette gjennomførte Deville en elektrolyse av en blanding av aluminium og natriumklorider, og oppnådde således silisiumkrystaller dekket av et lag aluminiumsilicid, som han fjernet (tilsynelatende) ved å vaske dem med vann.

Fysiske og kjemiske egenskaper

Fysisk utseende

Elementært silisium, som har en metallisk glans, men faktisk er en metalloid. Kilde: Hi-Res Images of Chemical Elements

Silisium i sin rene eller elementære form består av et grålig eller blåsvart solid (toppbilde), som, selv om det ikke er et metall, har skinnende ansikter som om det virkelig var.

Det er et hardt, men sprøtt fast stoff, som også utviser en flassete overflate hvis den består av polykrystaller. Amorf silisium derimot ser ut som et mørkebrunt pulverformet fast stoff. Takket være dette er det enkelt å identifisere og skille en type silisium (krystallinsk eller polykrystallinsk) fra en annen (amorf).

Molmasse

28,085 g / mol

Atomnummer (Z)

14 ( ₁₄ Ja)

Smeltepunkt

1414 ºC

Kokepunkt

3265 ºC

tetthet

-I romtemperatur: 2,33 g / ml

-Rett ved smeltepunkt: 2,57 g / ml

Merk at flytende silisium er tettere enn fast silisium; noe som betyr at dets krystaller vil flyte på en flytende fase av det samme, som det skjer med isvannssystemet. Forklaringen skyldes det faktum at det interatomiske rommet mellom Si-atomene i sin krystall er større (mindre tett) enn det tilsvarende i væsken (mer tett).

Fusjonsvarme

50,21 kJ / mol

Fordampingsvarme

383 kJ / mol

Molar varmekapasitet

19.789 J / (mol K)

elektro

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)

Termisk ledningsevne

149 W / (m K)

Elektrisk resistivitet

2,3 · 10 ³ Ω · m ved 20 ºC

Mohs hardhet

6.5

sammenkjeding

Silisiumatomer har muligheten til å danne enkle Si-Si-bindinger, som ender opp med å definere en kjede (Si-Si-Si …).

Denne egenskapen er også manifestert av karbon og svovel; imidlertid er SP ³ hybridiseringer er av silisium dårligere sammenlignet med den til de to andre elementer, og dessuten deres 3p orbitaler er mer diffuse, slik at overlappingen av den resulterende sp ³ orbitaler er svakere.

Den gjennomsnittlige energien for kovalente Si-Si og CC er henholdsvis 226 kJ / mol og 356 kJ / mol. Derfor er Si-Si-obligasjonene svakere. På grunn av dette er silisium ikke hjørnesteinen i livet (og heller ikke svovel). Faktisk er den lengste kjeden eller skjelettet som silisium kan danne vanligvis fire-leddet (Si ₄ ).

Oksidasjonsnummer

Silisium kan ha et av følgende oksidasjonsnumre, forutsatt i hver av dem eksistensen av 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 ⁺ ). Av dem alle er -4 og +4 de viktigste.

For eksempel antas -4 i silicider (Mg ₂ Si eller Mg ₂ ²⁺ Si ^4- ); mens det +4 tilsvarer det for silisiumdioksyd (SiO ₂ eller Si ⁴⁺ O ₂ ² ).

reaktivitet

Silisium er fullstendig uoppløselig i vann, så vel som sterke syrer eller baser. Imidlertid løses den opp i en konsentrert blanding av salpetersyre og fluoridsyrer (HNO _3- HF). På samme måte oppløses det i en varm alkalisk løsning, følgende kjemiske reaksjon oppstår:

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

Den natriummetasilikat salt, Na ₂ SiO ₃ , dannes også når silisium blir oppløst i smeltet natriumkarbonat:

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

Ved romtemperatur reagerer det ikke i det hele tatt med oksygen, ikke engang ved 900 ºC, når et beskyttende glasslag av SiO ₂ begynner å danne ; og deretter, ved 1400 ° C, silisium reagerer med nitrogen i luften for å danne en blanding av nitrider, SiN og Si ₃ N ₄ .

Silisium reagerer også ved høye temperaturer med metaller for å danne metallsilicider:

2Mg (s) + Si (s) => Mg ₂ Si (s)

2Cu (s) + Si (s) => Cu ₂ Si (s)

Ved romtemperatur reagerer den eksplosivt og direkte med halogener (det er ikke noe SiO _2- lag for å beskytte det mot dette). For eksempel har vi dannelsesreaksjonen til SiF ₄ :

Si (s) + 2F ₂ (g) => SiF ₄ (g)

Selv om silisium er uoppløselig i vann, reagerer det rødglødende med en dampstrøm:

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

Struktur og elektronisk konfigurasjon

Krystallinsk struktur eller enhetscelle av silisium representert ved en sfære- og stavemodell. Kilde: Benjah-bmm27

Bildet over viser den ansiktssentrerte kubiske strukturen (fcc), den samme som diamanten, for silisiumkrystall. De gråaktige kulene tilsvarer Si-atomer, som, som det fremgår, er kovalent bundet til hverandre; i tillegg har de igjen tetraedrale miljøer som er reprodusert langs krystallen.

Silisiumkrystallen er fcc fordi et Si-atom observeres plassert på hver av sidene på kuben (6 × 1/2). På samme måte er det åtte Si-atomer i toppkubene (8 × 1/8), og fire ligger inne i den (de som viser en veldefinert tetrahedron rundt den, 4 × 1).

Når det er sagt, har hver enhetscelle totalt åtte silisiumatomer (3 + 1 + 4, tall angitt i avsnittet ovenfor); kjennetegn som er med på å forklare dens høye hardhet og stivhet, da rent silisium er en kovalent krystalllignende diamant.

Kovalent karakter

Denne kovalente karakteren skyldes at silisium, i likhet med karbon, har fire valenselektroner i henhold til den elektroniske konfigurasjonen:

3s ² 3p ²

For liming er de rene 3'ere og 2p orbitalene ubrukelige. Det er grunnen til at atomet skaper fire sp ³ hybrid-orbitaler , som det kan danne fire Si-Si-kovalente bindinger og på denne måten fullføre valensoktetten for de to silisiumatomer.

Silisiumkrystallen blir deretter visualisert som et tredimensjonalt, kovalent gitter sammensatt av sammenkoblet tetraedre.

Imidlertid er dette nettverket ikke perfekt, siden det har mangler og korngrenser, som skiller og definerer en krystall fra en annen; og når slike krystaller er veldig små og tallrike, snakker vi om et polykrystallinsk fast stoff, identifisert av dets heterogene glans (ligner en sølvmosaikk eller skjellete overflate).

Elektrisk ledningsevne

Si-Si-bindinger, med sine godt beliggende elektroner, skiller seg først fra hva som forventes av et metall: et hav av elektroner som "fuktet" dets atomer; i det minste er dette slik ved romtemperatur.

Når temperaturen øker, begynner imidlertid silisiumet å lede strøm og oppfører seg som et metall; det vil si at det er et metalloidelement med halvleder.

Amorf silisium

Silisiumtetraedra bruker ikke alltid et strukturelt mønster, men kan ordnes på en uordnet måte; og selv med silisiumatomer hvis hybridisering ser ut til ikke å være sp ³ men sp ² , noe som bidrar til å øke graden av forstyrrelse ytterligere. Derfor snakker vi om et amorft og ikke-krystallinsk silisium.

I amorf silisium er det elektroniske ledige stillinger, hvor noen av atomene har en orbital med et uparret elektron. Takket være dette kan det faste stoffet være hydrogenert, noe som gir opphav til dannelse av hydrogenert amorft silisium; det vil si at den har Si-H-bindinger, som tetraederen er fullført i uordnede og vilkårlige posisjoner.

Denne delen avsluttes deretter med å si at silisium kan presenteres i tre typer faste stoffer (uten å nevne graden av renhet): krystallinsk, polykrystallinsk og amorft.

Hver av dem har sin egen produksjonsmetode eller -prosess, så vel som bruksområder og avveininger når de bestemmer hvilken av de tre som skal brukes, vel vitende om fordeler og ulemper.

Hvor å finne og skaffe

Kvarts (silika) -krystaller er et av de viktigste og mest ekstraordinære mineralene der silisium finnes. Kilde: James St. John (https://www.flickr.com/photos/jsjgeology/22437758830)

Silisium er det syvende mest tallrike elementet i universet, og det andre i jordskorpen, og beriker også jordas mantel med sin enorme familie av mineraler. Dette elementet forbinder ekstremt godt med oksygen, og danner et bredt spekter av oksider; blant dem silika, SO ₂ og silikater (med forskjellig kjemisk sammensetning).

Silika kan sees med det blotte øye i ørkener og strender, da sand hovedsakelig er sammensatt av SiO ₂ . I sin tur kan dette oksydet manifestere seg i noen få polymorfer, det vanligste er: kvarts, ametyst, agat, cristobalite, tripoli, coesite, stishovite og tridymite. I tillegg kan det finnes i amorfe faste stoffer som opaler og kiselgur.

Silikater er i mellomtiden enda rikere strukturelt og kjemisk. Noen av silikatmineralene inkluderer: asbest (hvit, brun og blåaktig), feltspat, leire, mikas, oliviner, aluminosilikater, zeolitter, amfiboler og pyroxener.

Praktisk talt alle bergarter er sammensatt av silisium og oksygen, med deres stabile Si-O-bindinger, og deres silikaer og silikater blandet med metalloksider og uorganiske arter.

-Reduksjon av silika

Problemet med å få tak i silisium er å bryte Si-O-bindingen, som spesielle ovner og en god reduksjonsstrategi er nødvendig for. Råmaterialet for denne prosessen er silika i form av kvarts, som tidligere er malt til det er et fint pulver.

Fra denne malte silikaen kan det fremstilles enten amorf eller polykrystallinsk silisium.

Amorf silisium

I liten skala, utført på et laboratorium og med passende tiltak, blandes silika med magnesiumpulver i en digel og forbrennes i fravær av luft. Følgende reaksjon finner sted deretter:

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

Magnesium og dets oksyd fjernes med en fortynnet saltsyreoppløsning. Deretter ble det gjenværende faststoff ble behandlet med flussyre, slik at overskytende SiO ₂ ferdig omsetning av ; ellers, overskudd av magnesium favoriserer dannelsen av sin respektive silisid, Mg ₂ Si, en uønsket forbindelse for prosessen.

SiO ₂ transformeres til den flyktige gassen SiF ₄ , som gjenvinnes for andre kjemiske synteser. Til slutt tørkes den amorfe silisiummassen under en strøm av hydrogengass.

En annen lignende fremgangsmåte for å oppnå amorfe silisium som består i å bruke den samme SIF ₄ fremstilt tidligere, eller den SiCl ₄ (tidligere ervervet). Dampene til disse silisiumhalogenidene føres over flytende natrium i en inert atmosfære, slik at reduksjonen av gassen kan skje uten tilstedeværelse av oksygen:

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

Interessant er at amorf silisium brukes til å lage energieffektive solcellepaneler.

Krystallinsk silisium

Start igjen fra pulverisert silisiumdioksyd eller kvarts, føres de til en elektrisk lysbueovn, hvor de reagerer med koks. På denne måten er reduksjonsmidlet ikke lenger et metall, men et karbonholdig materiale med høy renhet:

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

Reaksjonen gir også silisiumkarbid, SiC, som er nøytralisert med et overskudd av SiO ₂ (igjen kvarts er i overskudd):

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

En annen metode for å fremstille krystallinsk silisium er å bruke aluminium som reduksjonsmiddel:

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

Og med utgangspunkt i kaliumheksafluorurosilikatsaltet, K ₂ , reageres det også med metallisk aluminium eller kalium for å produsere det samme produktet:

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

Silisium løses umiddelbart opp i smeltet aluminium, og når systemet er avkjølt, krystalliserer det første og skilles fra det andre; det vil si at silisiumkrystaller dannes, som virker gråaktige farger.

Polykrystallinsk silisium

I motsetning til de andre syntesene eller produksjoner, for å oppnå polykrystallinsk silisium, man starter med et silan gassfase, SiH ₄ . Denne gassen blir utsatt for pyrolyse over 500 ºC, på en slik måte at termisk spaltning oppstår, og polykrystaller av silisium havner på en halvlederoverflate fra dens opprinnelige damper.

Følgende kjemiske ligning illustrerer reaksjonen som finner sted:

SiH ₄ (g) => Si (s) + H ₂ (g)

Det er klart, det skal ikke være oksygen i kammeret, da det ville reagere med SiH ₄ :

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

Og slik er spontaniteten til forbrenningsreaksjonen at den oppstår raskt ved romtemperatur med minimal eksponering av silan for luft.

En annen syntetisk rute for å produsere denne typen silisium starter fra krystallinsk silisium som råstoff. De får det til å reagere med hydrogenklorid ved en temperatur rundt 300 ºC, slik at triklorsilan blir dannet:

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

Og SiCl ₃ H, reagerer ved 1100 ° C for å regenerere den silisium, men nå polykrystallinsk:

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

Bare se på likningene for å få et inntrykk av arbeidet og strenge produksjonsparametere som må vurderes.

isotoper

Silisium forekommer naturlig og hovedsakelig som ²⁸ Si isotop , med en overflod på 92,23%.

I tillegg til dette er det to andre isotoper som er stabile og derfor ikke gjennomgår radioaktivt forfall: ²⁹ Si, med en overflod på 4,67%; og ³⁰ Ja, med en overflod på 3,10%. ²⁸ Si er så rikelig , det er ikke overraskende at atomvekten til silisium er 28,084 u.

Silisium kan også finnes i forskjellige radioisotoper, blant 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 veldig kort eller kort t _1/2 (mindre enn hundredeler av et sekund).

risiko

Rent silisium er et relativt inert stoff, så det hoper seg vanligvis ikke opp i noe organ eller vev så lenge eksponeringen for det er lav. I pulverform kan det irritere øynene, forårsake vanning eller rødhet, mens du berører det kan forårsake ubehag i huden, kløe og peeling.

Når eksponeringen er veldig høy, kan silisium skade lungene; men uten ettervirkninger, med mindre mengden er tilstrekkelig til å forårsake kvelning. Dette er imidlertid ikke tilfelle med kvarts, som er assosiert med lungekreft og sykdommer som bronkitt og emfysem.

På samme måte er rent silisium svært sjelden i naturen, og forbindelsene, så rikelig i jordskorpen, representerer ikke noen risiko for miljøet.

Nå, med hensyn til organosilisium, kan disse være giftige; men siden det er mange av dem, avhenger det av hvilken man blir vurdert, så vel som av andre faktorer (reaktivitet, pH, virkningsmekanisme, etc.).

applikasjoner

Anleggsbransjen

Silisiummineraler utgjør "steinen" som bygninger, hus eller monumenter er bygd med. For eksempel består sement, betong, stukker og firebricks av faste blandinger basert på silikater. Fra denne tilnærmingen kan man forestille seg nytten av dette elementet i byer og i arkitektur.

Glass og keramikk

Krystaller som brukes i optiske apparater kan være laget av silika, enten det er som isolatorer, spektrofotometerprøveceller, piezoelektriske krystaller eller bare linser.

Når materialet tilberedes med flere tilsetningsstoffer, ender det også opp med et amorft, fast stoff, kjent som glass; og fjell av sand er vanligvis kilden til silika eller kvarts som er nødvendig for produksjonen. På den annen side produseres keramiske materialer og porselen med silikater.

Sammenflettende ideer, silisium er også til stede i håndverk og ornamentikk.

legeringer

Silisiumatomer kan kohesjon og være blandbare med en metallmatrise, noe som gjør det til et tilsetningsstoff for mange legeringer eller metaller; for eksempel stål for å lage magnetiske kjerner; bronse, for fremstilling av telefonkabler; og aluminium, i produksjonen av aluminium-silisiumlegering bestemt til lette bildeler.

Derfor kan den ikke bare finnes i "steinen" av bygninger, men også i metallene i kolonnene deres.

tørkemidler

Gelatinøse silikakuler, brukt som tørkemiddel. Kilde: Tørkemidler

Silika, i gel eller amorf form, gjør det mulig å produsere faste stoffer som fungerer som tørkemiddel ved å fange vannmolekylene som kommer inn i beholderen og holde interiøret tørt.

Elektronisk industri

Polykrystallinsk og amorft silisium brukes til å lage solcellepaneler. Kilde: Pxhere.

Silisiumsjikt med forskjellige tykkelser og farger er en del av datamaskinbrikken, som med deres faste (krystallinske eller amorfe) integrerte kretsløp og solceller.

Som halvleder inkluderer den atomer med færre (Al, B, Ga) eller flere elektroner (P, As, Sb) for å transformere den til henholdsvis pon-type halvledere. Med krysningspunktene mellom to silikoner, den ene n og den andre p, lages lysemitterende dioder.

Silikonpolymerer

Det berømte silikonlimet består av en organisk polymer som støttes av stabiliteten til kjedene av Si-O-Si-bindinger … Hvis disse kjedene er veldig lange, korte eller tverrbundne, endres egenskapene til silikonpolymeren, så vel som deres endelige anvendelser. .

Følgende kan nevnes følgende:

-Lim eller lim, ikke bare for å legge sammen papir, men byggesteiner, gummier, glassplater, steiner, etc.

-Smøremidler i hydrauliske bremsesystemer

-Forsterker maling og forbedrer lysstyrken og intensiteten i fargene, samtidig som de lar dem motstå temperaturendringer uten å sprekke eller spise seg borte

-De brukes som vannavvisende spray, noe som holder noen overflater eller gjenstander tørre

-De gir personlige hygieneprodukter (tannkrem, sjampo, geler, barberkremer osv.) Følelsen av å være silkeaktig

-Det belegg beskytter de elektroniske komponentene i delikate enheter, for eksempel mikroprosessorer, mot varme og fuktighet

-Med silikonpolymerer er det laget flere av gummikulene som spretter så snart de slippes ned på gulvet.

referanser

1. Shiver & Atkins. (2008). Uorganisk kjemi. (Fjerde utgave). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Silisium. Gjenopprettet fra: en.wikipedia.org
3. MicroChemicals. (SF). Krystallografi av silisium. Gjenopprettet fra: microchemicals.com
4. Lenntech BV (2019). Periodisk tabell: silisium. Gjenopprettet fra: lenntech.com
5. Marques Miguel. (SF). Silicon forekomst. Gjenopprettet fra: nautilus.fis.uc.pt
6. Mer Hemant. (05. november 2017). Silisium. Gjenopprettet fra: hemantmore.org.in
7. Pilgaard Michael. (22. august 2018). Silisium: Forekomst, isolasjon og syntese. Gjenopprettet fra: pilgaardelements.com
8. Dr. Doug Stewart. (2019). Fakta om silisiumelement. Chemicool. Gjenopprettet fra: chemicool.com
9. Christiana Honsberg og Stuart Bowden. (2019). En samling ressurser for fotovoltaisk lærer. PVeducation. Gjenopprettet fra: pveducation.org
10. American Chemistry Council, Inc. (2019). Silikoner i hverdagen. Gjenopprettet fra: sehsc.americanchemistry.com