Силиций: приложение, химични и физични свойства

2024 Автор: Angel Austin | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-17 05:17

Един от най-често срещаните елементи в природата е силиций или силиций. Такова широко разпространение говори за важността и значението на това вещество. Това бързо беше разбрано и възприето от хора, които се научиха как правилно да използват силиция за собствените си цели. Приложението му се основава на специални свойства, за които ще говорим по-късно.

Силицият е химичен елемент

Ако характеризираме даден елемент по позиция в периодичната система, можем да идентифицираме следните важни точки:

1. Пореден номер - 14.
2. Периодът е третият малък.
3. Група - IV.
4. Подгрупа - основна.
5. Структурата на външната електронна обвивка се изразява с формулата 3s²3p².
6. Елементът силиций се обозначава с химическия символ Si, който се произнася като "силиций".
7. Състоянията на окисление, които проявява: -4; +2; +4.
8. Валентността на атома е IV.
9. Атомната маса на силиция е 28,086.
10. В природата има три стабилни изотопа на този елемент с масови числа 28, 29 и 30.

Така че атомътОт химическа гледна точка силицийът е добре проучен елемент, много от различните му свойства са описани.

История на откриването

Тъй като различните съединения на разглеждания елемент са много популярни и масивни по съдържание в природата, от древни времена хората са използвали и са знаели за свойствата само на много от тях. Чистият силиций за дълго време остава извън човешките познания в химията.

Най-популярните съединения, използвани в ежедневието и индустрията от народите на древните култури (египтяни, римляни, китайци, руснаци, перси и други) са скъпоценни и декоративни камъни на основата на силициев оксид. Те включват:

• опал;
• кристал;
• топаз;
• хризопраз;
• оникс;
• халцедон и други.

Също така е обичайно да се използват кварц и кварцов пясък в строителството от древни времена. Самият елементарен силиций обаче остава неоткрит до 19-ти век, въпреки че много учени напразно се опитват да го изолират от различни съединения, използвайки катализатори, високи температури и дори електрически ток. Това са светли умове като:

• Карл Шееле;
• Гей-Люсак;
• Tenar;
• Хъмфри Дейви;
• Антоан Лавоазие.

Йенс Джейкъбс Берцелиус успява успешно да получи чист силиций през 1823 г. За да направи това, той проведе експеримент върху сливането на парите на силициев флуорид и метален калий. В резултат на това той получи аморфна модификация на въпросния елемент. Същият учен предложи латинско име за открития атом.

Малко по-късно, през 1855 г., друг учен - Saint Clair-Deville - успява да синтезира друг алотропен сорт - кристален силиций. Оттогава знанията за този елемент и неговите свойства започнаха да нарастват много бързо. Хората осъзнаха, че има уникални характеристики, които могат да бъдат използвани много интелигентно за задоволяване на собствените им нужди. Ето защо днес един от най-търсените елементи в електрониката и технологиите е силицият. Използването му само разширява границите му всяка година.

Руското име на атома е дадено от учения Хес през 1831 г. Това е, което е останало и до днес.

Съдържа се в природата

Силицият е вторият най-разпространен в природата след кислорода. Процентът му в сравнение с други атоми в състава на земната кора е 29,5%. В допълнение, въглеродът и силицийът са два специални елемента, които могат да образуват вериги, като се свързват един с друг. Ето защо за последния са известни повече от 400 различни природни минерала, в които се съдържа в литосферата, хидросферата и биомасата.

Къде точно се намира силиций?

1. В дълбоките слоеве на почвата.
2. В скали, находища и масиви.
3. На дъното на водни тела, особено на морета и океани.
4. В растенията и морския живот на животинското царство.
5. При хора и сухоземни животни.

Възможно е да се посочат няколко от най-често срещаните минерали и скали, които съдържат голямо количествосилиций. Химията им е такава, че масовото съдържание на чист елемент в тях достига 75%. Конкретната цифра обаче зависи от вида на материала. И така, скали и минерали, съдържащи силиций:

• фелдшпати;
• слюда;
• амфиболи;
• opals;
• халцедон;
• силикати;
• пясъчници;
• алумосиликати;
• глини и други.

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

Освен това беше установено, че силиций може да съществува в чистата си естествена форма - под формата на кристали. Но такива депозити са много редки.

Физически свойства на силиция

Ако характеризирате разглеждания елемент с набор от физични и химични свойства, тогава на първо място трябва да се посочат физическите параметри. Ето няколко ключови:

1. Съществува под формата на две алотропни модификации - аморфна и кристална, които се различават по всички свойства.
2. Кристалната решетка е много подобна на тази на диаманта, защото въглеродът и силицийът са почти еднакви в това отношение. Разстоянието между атомите обаче е различно (силиция има повече), така че диамантът е много по-твърд и здрав. Тип решетка - кубична лицево центрирана.
3. Веществото е много крехко, става пластично при високи температури.
4. Точка на топене е 1415˚C.
5. Температураточка на кипене - 3250˚С.
6. Плътност на материята - 2,33 g/cm³.
7. Цветът на връзката е сребристо-сив, с характерен метален блясък.
8. Притежава добри полупроводникови свойства, които могат да варират с добавянето на определени агенти.
9. Неразтворим във вода, органични разтворители и киселини.
10. Специално разтворим в основи.

Определените физически свойства на силиция позволяват на хората да го контролират и да го използват за създаване на различни продукти. Например, използването на чист силиций в електрониката се основава на свойствата на полупроводимост.

Химически свойства

Химичните свойства на силиция са много зависими от условията на реакцията. Ако говорим за чисто вещество при стандартни параметри, тогава трябва да обозначим много ниска активност. Както кристалният, така и аморфният силиций са много инертни. Не взаимодействайте със силни окислители (с изключение на флуор), нито със силни редуциращи агенти.

Това се дължи на факта, че върху повърхността на веществото моментално се образува оксиден филм SiO₂, което предотвратява по-нататъшни взаимодействия. Може да се образува под въздействието на вода, въздух, пари.

Ако промените стандартните условия и нагреете силиция до температура над 400˚С, тогава неговата химическа 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 образуването на продукти привзаимодействие с бор, азот и въглерод. От особено значение е карборундът - SiC, тъй като е добър абразивен материал.

Също така, химическите свойства на силиция се виждат ясно при реакции с метали. По отношение на тях той е окислител, поради което продуктите се наричат силициди. Подобни съединения са известни за:

• алкален;
• алкалноземни;
• преходни метали.

Необичайни свойства имат съединение, получено чрез сливане на желязо и силиций. Нарича се феросилициева керамика и се използва успешно в индустрията.

Силицият не взаимодейства със сложни вещества, следователно, от всичките им разновидности, той може да се разтвори само в:

• кралска водка (смес от азотна и солна киселина);
• каустични основи.

В този случай температурата на разтвора трябва да бъде най-малко 60˚С. Всичко това за пореден път потвърждава физическата основа на веществото - стабилна кристална решетка, подобна на диамант, която му придава здравина и инертност.

Методи за получаване

Получаването на чист силиций е икономически доста скъп процес. Освен това, поради своите свойства, всеки метод дава само 90-99% чист продукт, докато примесите под формата на метали и въглерод остават същите. Така че само получаването на веществото не е достатъчно. Също така трябва да се почисти качествено от чужди елементи.

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

1. От белия пясъккойто е чист силициев оксид SiO₂. При калциниране с активни метали (най-често с магнезий) се образува свободен елемент под формата на аморфна модификация. Чистотата на този метод е висока, продуктът се получава с добив 99,9 процента.
2. По-разпространен метод в индустриален мащаб е синтероването на разтопен пясък с кокс в специализирани термични пещи. Този метод е разработен от руския учен Бекетов Н. Н.

По-нататъшната обработка се състои в подлагане на продуктите на методи за почистване. За това се използват киселини или халогени (хлор, флуор).

Аморфен силиций

Характеризирането на силиция ще бъде непълно, ако не разгледаме отделно всяка от неговите алотропни модификации. Първият е аморфен. В това състояние веществото, което разглеждаме, е кафяво-кафяв прах, фино диспергиран. Има висока степен на хигроскопичност, проявява достатъчно висока химическа активност при нагряване. При стандартни условия той може да взаимодейства само с най-силния окислител - флуор.

Не е напълно правилно да наричаме аморфния силиций разновидност на кристалния силиций. Неговата решетка показва, че това вещество е само форма на фино диспергиран силиций, който съществува под формата на кристали. Следователно, като такива, тези модификации са едно и също съединение.

Свойствата им обаче се различават, поради което е прието да се говори за алотропия. Сам по себе си аморфният силиций имависок капацитет на поглъщане на светлина. Освен това, при определени условия, този индикатор е няколко пъти по-висок от този на кристалната форма. Поради това се използва за технически цели. В разглежданата форма (прах) съединението се нанася лесно върху всяка повърхност, било то пластмаса или стъкло. Следователно аморфният силиций е толкова удобен за използване. Приложението се основава на производството на слънчеви панели с различни размери.

Въпреки че износването на този тип батерии е доста бързо, което е свързано с изтриване на тънък филм от веществото, обаче употребата и търсенето само нарастват. Всъщност, дори при кратък експлоатационен живот, слънчевите клетки на базата на аморфен силиций са в състояние да осигурят енергия на цели предприятия. Освен това производството на такова вещество е безотпадно, което го прави много икономичен.

Вземете тази модификация, като намалите съединения с активни метали, като натрий или магнезий.

Кристал силикон

Сребристо сива лъскава модификация на въпросния елемент. Именно тази форма е най-често срещаната и най-търсената. Това се дължи на набора от качествени свойства, които притежава това вещество.

Характеристиката на силиция с кристална решетка включва класификация на неговите типове, тъй като има няколко от тях:

1. Електронно качество - най-чистото и най-високо качество. Именно този тип се използва в електрониката за създаване на особено чувствителни устройства.
2. Слънчево качество. Самото имеопределя областта на употреба. Освен това е силиций с висока чистота, използването на който е необходимо за създаване на висококачествени и дълготрайни слънчеви клетки. Фотоволтаичните преобразуватели, създадени на базата на кристална структура, са с по-високо качество и по-издръжливи от тези, създадени с помощта на аморфна модификация чрез отлагане върху различни видове субстрати.
3. Технически силиций. Този сорт включва онези проби от вещество, които съдържат около 98% от чистия елемент. Всичко останало отива за различни видове примеси:

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

Последната разновидност на въпросното вещество се използва за получаване на силициеви поликристали. За това се извършват процеси на прекристализация. В резултат на това по отношение на чистотата се получават продукти, които могат да бъдат отнесени към групите за слънчево и електронно качество.

По своята същност полисилицият е междинен продукт между аморфна и кристална модификация. Тази опция е по-лесна за работа, по-добре е рециклирана и почистена с флуор и хлор.

Получените продукти могат да бъдат класифицирани, както следва:

• multicilicon;
• монокристален;
• профилирани кристали;
• силициев скрап;
• технически силикон;
• производствени отпадъци под формата на фрагменти и остатъци от материя.

Всеки от тях намира приложение в индустрията и се използвачовек напълно. Следователно производствените процеси, включващи силиций, се считат за безотпадни. Това значително намалява икономическата му цена, без да се отразява на качеството.

Използване на чист силиций

Производството на силиций в индустрията е установено доста добре, а мащабът му е доста обемен. Това се дължи на факта, че този елемент, както чист, така и под формата на различни съединения, е широко разпространен и търсен в различни клонове на науката и технологиите.

Къде се използва чист кристален и аморфен силиций?

1. В металургията като легираща добавка, способна да променя свойствата на металите и техните сплави. И така, той се използва при топенето на стомана и желязо.
2. Различни видове вещества се използват за направата на по-чиста версия - полисилиций.
3. Съединения на силиций с органични вещества - това е цяла химическа индустрия, която днес придоби особена популярност. Силиконовите материали се използват в медицината, при производството на съдове, инструменти и много други.
4. Производство на различни соларни панели. Този метод за получаване на енергия е един от най-обещаващите в бъдеще. Екологично чисти, рентабилни и издръжливи - основните предимства на такова производство на електроенергия.
5. Силицият се използва в запалките от много дълго време. Още в древни времена хората са използвали кремък, за да създават искра при палене на огън. Този принцип е в основата на производството на различни видове запалки. Днес има видове, в коитокремъкът се заменя със сплав с определен състав, което дава още по-бърз резултат (искри).
6. Електроника и слънчева енергия.
7. Производство на огледала в газови лазерни устройства.

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

Прилагане на силициеви съединения

В допълнение към проста субстанция се използват и различни силициеви съединения и то много широко. Има цял отрасъл на индустрията, наречен силикат. Именно тя се основава на използването на различни вещества, които включват този невероятен елемент. Какви са тези съединения и какво произвеждат?

1. Кварц, или речен пясък - SiO₂. Използва се за производството на строителни и декоративни материали като цимент и стъкло. Къде се използват тези материали, всеки знае. Нито една конструкция не е завършена без тези компоненти, което потвърждава важността на силициевите съединения.
2. Силикатна керамика, която включва материали като фаянс, порцелан, тухла и продукти на тяхна основа. Тези компоненти се използват в медицината, при производството на съдове, декоративни орнаменти, предмети за бита, в строителството и други битови сфери на човешката дейност.
3. Силиконови съединения - силикони, силикагелове, силиконови масла.
4. Силикатно лепило - използва се като канцеларски материали, в пиротехниката и строителството.

Силиций, чиято цена варира на световния пазар, но не преминаваотгоре надолу, марката от 100 рубли на Руската федерация за килограм (за кристал) е търсено и ценно вещество. Естествено, съединенията на този елемент също са широко разпространени и приложими.

Биологичната роля на силиция

От гледна точка на значимостта за тялото, силицийът е важен. Неговото съдържание и разпределение в тъканите са както следва:

• 0, 002% - мускулест;
• 0, 000017% - кост;
• кръв - 3,9 mg/l.

Всеки ден около един грам силиций трябва да попадне вътре, в противен случай болестите ще започнат да се развиват. Сред тях няма смъртоносни, но продължителното гладуване на силиций води до:

• косопад;
• поява на акне и пъпки;
• чупливост и крехкост на костите;
• лесна капилярна пропускливост;
• умора и главоболие;
• появата на множество синини и синини.

За растенията силицийът е важен микроелемент, необходим за нормалния растеж и развитие. Експериментите с животни показват, че хората, които консумират достатъчно силиций всеки ден, растат най-добре.