Много съвременни технологични устройства и устройства са създадени благодарение на уникалните свойства на веществата, открити в природата. Човечеството, чрез експериментиране и внимателно изучаване на елементите около нас, непрекъснато модернизира собствените си изобретения - този процес се нарича технически прогрес. Тя се основава на елементарни, достъпни за всеки неща, които ни заобикалят в ежедневието. Например пясък: какво може да бъде изненадващо и необичайно в него? Учените успяха да изолират от него силиций – химичен елемент, без който компютърните технологии не биха съществували. Обхватът на приложението му е разнообразен и непрекъснато се разширява. Това се постига благодарение на уникалните свойства на силициевия атом, неговата структура и способността да се комбинира с други прости вещества.
Характеристика
В периодичната система, разработена от Д. И. Менделеев, силиций (химичен елемент) е обозначенсимвол Si. Той принадлежи към неметалите, намира се в основната четвърта група на третия период, има атомен номер 14. Близостта му до въглерода не е случайна: в много отношения свойствата им са сравними. Не се среща в природата в чиста форма, тъй като е активен елемент и има доста силни връзки с кислорода. Основното вещество е силициев диоксид, който е оксид, и силикати (пясък). В същото време силицийът (природните му съединения) е един от най-разпространените химични елементи на Земята. По масова част от съдържанието той се нарежда на второ място след кислорода (повече от 28%). Най-горният слой на земната кора съдържа силициев диоксид (това е кварц), различни видове глини и пясък. Втората най-разпространена група са нейните силикати. На дълбочина около 35 km от повърхността има пластове от гранит и базалт, които включват силициеви съединения. Процентът на съдържанието в земното ядро все още не е изчислен, но най-близките до повърхността (до 900 km) слоеве на мантията съдържат силикати. В състава на морската вода концентрацията на силиций е 3 mg / l, лунната почва е 40% съставена от нейните съединения. Космическите простори, които човечеството е изучавало досега, съдържат този химичен елемент в големи количества. Например, спектрален анализ на метеорити, които се приближиха до Земята на разстояние, достъпно за изследователите, показа, че те се състоят от 20% силиций. Има възможност за формиране на живот въз основа на този елемент в нашата галактика.
Изследователски процес
Историята на откриването на химическия елемент силиций има няколко етапа. Много вещества, систематизирани от Менделеев, се използват от човечеството от векове. В същото време елементите са били в естествената си форма, т.е. в съединения, които не са били подложени на химическа обработка и всичките им свойства не са били известни на хората. В процеса на изучаване на всички характеристики на веществото се появиха нови посоки на употреба за него. Свойствата на силиция не са напълно проучени до момента – този елемент, с доста широк и разнообразен спектър от приложения, оставя място за нови открития за бъдещите поколения учени. Съвременните технологии значително ще ускорят този процес. През 19 век много известни химици се опитват да получат чист силиций. За първи път Л. Тенар и Ж. Гей-Люсак успяват да направят това през 1811 г., но откритието на елемента принадлежи на Дж. Берцелиус, който успя не само да изолира веществото, но и да го опише. Шведски химик получава силиций през 1823 г., използвайки метален калий и калиева сол. Реакцията протича с катализатор под формата на висока температура. Полученото просто сиво-кафяво вещество е аморфен силиций. Кристалният чист елемент е получен през 1855 г. от Сейнт Клер Девил. Сложността на изолацията е пряко свързана с високата якост на атомните връзки. И в двата случая химичната реакция е насочена към процеса на пречистване от примеси, докато аморфният и кристалният модел имат различни свойства.
Силиконово произношение на химически елемент
Имеполученият прах - кисел - е предложен от Берцелиус. В Обединеното кралство и САЩ силицият все още се нарича нищо повече от силиций (Silicium) или силикон (Silicon). Терминът идва от латинското "кремен" (или "камък") и в повечето случаи е обвързан с понятието "земя" поради широкото му разпространение в природата. Руското произношение на този химикал е различно, всичко зависи от източника. Нарича се силициев диоксид (Захаров използва този термин през 1810 г.), сицилия (1824 г., Двигубски, Соловьов), силициев диоксид (1825 г., Страхов) и едва през 1834 г. руският химик Герман Иванович Хес въвежда името, което се използва и до днес. повечето източници - силиций. В периодичната система на Менделеев се обозначава със символа Si. Как се чете химическият елемент силиций? Много учени в англоезичните страни произнасят името му като "si" или използват думата "силикон". От тук идва и световноизвестното име на долината, която е изследователска и производствена площадка за компютърни технологии. Рускоезичното население нарича елемента силиций (от старогръцката дума за "скала, планина").
Намиране в природата: депозити
Цели планински системи са съставени от силициеви съединения, които не се срещат в чиста форма, тъй като всички известни минерали са диоксиди или силикати (алумосиликати). Камъните с удивителна красота се използват от хората като декоративен материал - това са опали, аметисти, различни видове кварц, яспис, халцедон, ахат, скален кристал, карнеол и много други. Те са се образували поради включването на различни вещества в състава на силиция, което определя тяхната плътност, структура, цвят и посока на употреба. Целият неорганичен свят може да бъде свързан с този химичен елемент, който в естествената среда образува силни връзки с метали и неметали (цинк, магнезий, калций, манган, титан и др.). В сравнение с други вещества, силицийът е лесно достъпен за добив в промишлен мащаб: намира се в повечето видове руди и минерали. Следователно активно развиваните находища са обвързани с наличните енергийни източници, а не с териториалните натрупвания на материя. Кварцитите и кварцовите пясъци се срещат във всички страни по света. Най-големите производители и доставчици на силиций са: Китай, Норвегия, Франция, САЩ (Западна Вирджиния, Охайо, Алабама, Ню Йорк), Австралия, Южна Африка, Канада, Бразилия. Всички производители използват различни методи, които зависят от вида на произвеждания продукт (технически, полупроводников, високочестотен силиций). Химичният елемент, допълнително обогатен или, обратно, пречистен от всички видове примеси, има индивидуални свойства, от които зависи по-нататъшното му използване. Това се отнася и за това вещество. Структурата на силиция определя обхвата на неговото приложение.
История на употреба
Много често, поради сходството на имената, хората бъркат силиций и кремък, но тези понятия не са идентични. Нека внесем яснота. Както вече споменахме, силиций в чистата му форма не се среща в природата, което не може да се каже за негосъединения (същият силициев диоксид). Основните минерали и скали, образувани от диоксида на разглежданото вещество, са пясък (речен и кварц), кварц и кварцити, фелдшпати и кремък. Всеки трябва да е чувал за последното, защото му се отдава голямо значение в историята на развитието на човечеството. Първите инструменти, създадени от хората през каменната епоха, са свързани с този камък. Острите му ръбове, образувани при откъсване от основната скала, значително улесняваха работата на древните домакини, а възможността за заточване - на ловци и рибари. Кремъкът нямаше здравината на металните изделия, но неуспешните инструменти се заменяха лесно с нови. Използването му като запалител на огъня продължило в продължение на много векове - до изобретяването на алтернативни източници.
По отношение на съвременните реалности, свойствата на силиция позволяват използването на веществото за интериорна декорация или създаване на керамични съдове, като в допълнение към красивия естетичен вид, има много отлични функционални качества. Отделна посока на приложението му е свързана с изобретяването на стъклото преди около 3000 години. Това събитие направи възможно създаването на огледала, съдове, мозаечни витражи от съединения, съдържащи силиций. Формулата на първоначалното вещество беше допълнена с необходимите компоненти, което позволи на продукта да се даде необходимия цвят и повлия на здравината на стъклото. Произведения на изкуството с удивителна красота и разнообразие са направени от човека от минерали и камъни, съдържащи силиций. Лечебните свойства на този елемент са описани от учени от древността и са били използвани навсякъдеисторията на човечеството. Те изложиха кладенци за питейна вода, килери за съхранение на храна, използвани както в ежедневието, така и в медицината. Полученият в резултат на смилане прах се нанася върху рани. Особено внимание беше обърнато на водата, която се влива в съдове, направени от съединения, съдържащи силиций. Химическият елемент взаимодейства с неговия състав, което дава възможност да се унищожат редица патогенни бактерии и микроорганизми. И това далеч не е във всички индустрии, в които веществото, което разглеждаме, е много, много търсено. Структурата на силиция определя неговата гъвкавост.
Свойства
За по-подробно запознаване с характеристиките на дадено вещество, трябва да се разгледа, като се вземат предвид всички възможни свойства. Планът за характеризиране на химичния елемент на силиция включва физични свойства, електрофизични показатели, изследване на съединения, реакции и условия за тяхното преминаване и др. Силицият в кристална форма има тъмно сив цвят с метален блясък. Лицецентрираната кубична решетка е подобна на въглеродната (диамант), но поради по-дългите връзки не е толкова силна. Загряването до 800 оС го прави пластичен, в други случаи остава крехък. Физичните свойства на силиция правят това вещество наистина уникално: то е прозрачно за инфрачервеното лъчение. Точка на топене - 1410 0С, точка на кипене - 2600 0С, плътност при нормални условия - 2330 kg/m3. Топлопроводимостта не е постоянна, за различните проби се вземаприблизителна стойност от 25 0S. Свойствата на силициевия атом позволяват да се използва като полупроводник. Тази посока на приложение е най-търсената в съвременния свят. Величината на електрическата проводимост се влияе от състава на силиция и елементите, които са в комбинация с него. Така че, за повишена електронна проводимост се използват антимон, арсен, фосфор, за перфорирани - алуминий, галий, бор, индий. При създаване на устройства със силиций като проводник се използва повърхностна обработка с определен агент, който влияе върху работата на устройството.
Свойствата на силиция като отличен проводник се използват широко в съвременните инструменти. Особено актуално е използването му при производството на сложно оборудване (например модерни изчислителни устройства, компютри).
Силиций: характеристики на химичен елемент
В повечето случаи силицийът е четиривалентен, има и връзки, в които той може да има стойност +2. При нормални условия той е неактивен, има силни съединения и при стайна температура може да реагира само с флуор, който е в газообразно агрегатно състояние. Това се дължи на ефекта на блокиране на повърхността с диоксиден филм, който се наблюдава при взаимодействие с околния кислород или вода. За да се стимулират реакциите, трябва да се използва катализатор: повишаването на температурата е идеално за вещество като силиций. Химическият елемент взаимодейства с кислород при 400-500 0С, в резултат на това диоксидният филм се увеличава, процесътокисляване. При повишаване на температурата до 50 0С се наблюдава реакция с бром, хлор, йод, което води до образуване на летливи тетрахалиди. Силицият не взаимодейства с киселини, с изключение на смес от флуороводородна и азотна киселина, докато всяка алкална основа в нагрято състояние е разтворител. Силициевите водороди се образуват само при разлагането на силициди; той не реагира с водород. Съединенията с бор и въглерод се отличават с най-голяма якост и химическа пасивност. Високата устойчивост на алкали и киселини има връзка с азота, което се проявява при температури над 1000 0С. Силицидите се получават чрез реакция с метали и в този случай валентността, която показва силиций, зависи от допълнителния елемент. Формулата на веществото, образувано с участието на преходния метал, е устойчива на киселини. Структурата на силициевия атом пряко влияе върху неговите свойства и способност да взаимодейства с други елементи. Процесът на образуване на връзки в природата и при въздействие върху вещество (в лабораторни, промишлени условия) се различава значително. Структурата на силиция предполага неговата химическа активност.
Сграда
Структурата на силициевия атом има свои собствени характеристики. Зарядът на ядрото е +14, което съответства на поредния номер в периодичната система. Броят на заредените частици: протони - 14; електрони - 14; неутрони - 14. Схемата на структурата на силициевия атом има следния вид: Si +14) 2) 8) 4. На последното (външно) ниво има 4електрон, който определя степента на окисление със знака "+" или "-". Силициевият оксид има формулата SiO2 (валентност 4+), летливото водородно съединение е SiH4 (валентност -4). Големият обем на силициевия атом прави възможно в някои съединения да имат координационно число от 6, например, когато се комбинират с флуор. Моларна маса - 28, атомен радиус - 132 pm, конфигурация на електронната обвивка: 1S22S22P6 3S23P2.
Заявление
Повърхностният или напълно легиран силиций се използва като полупроводник при създаването на много, включително високо прецизни устройства (например слънчеви фотоклетки, транзистори, токоизправители и др.). Изключително чист силиций се използва за създаване на слънчеви клетки (енергия). Монокристалният тип се използва за направата на огледала и газов лазер. От силициеви съединения се получават стъкло, керамични плочки, съдове, порцелан, фаянс. Трудно е да се опише разнообразието от видове получени стоки, тяхното действие се извършва на ниво домакинство, в изкуството и науката и в производството. Полученият цимент служи като суровина за създаване на строителни смеси и тухли, довършителни материали. Разпространението на масла, смазочни материали на базата на органосилициеви съединения може значително да намали силата на триене в подвижните части на много механизми. Силицидите намират широко приложение в индустрията поради уникалните си свойства в областта на устойчивостта на агресивни среди (киселини, температури). Техните електрически, ядрени и химични характеристики се вземат предвид от специалисти в сложни индустрии,не последната роля играе структурата на силициевия атом.
Изброихме най-високотехнологичните и усъвършенствани приложения до момента. Най-често срещаният технически силиций с голям обем се използва в различни приложения:
- Като суровина за производството на по-чисто вещество.
- За легиране на сплави в металургичната индустрия: наличието на силиций повишава огнеупорността, повишава устойчивостта на корозия и механичната якост (излишъкът от този елемент може да направи сплавта твърде крехка).
- Като деоксидант за отстраняване на излишния кислород от метала.
- Суровина за производство на силани (силициеви съединения с органични вещества).
- За производството на водород от сплав от силиций и желязо.
- Производство на слънчеви панели.
Значението на това вещество е голямо и за нормалното функциониране на човешкото тяло. Структурата на силиция, неговите свойства са решаващи в този случай. В същото време излишъкът или липсата му води до сериозни заболявания.
В човешкото тяло
Медицината отдавна използва силиция като бактерицидно и антисептично средство. Но с всички предимства на външната употреба, този елемент трябва постоянно да се обновява в човешкото тяло. Нормалното ниво на съдържанието му ще подобри живота като цяло. В случай на недостиг, повече от 70 микроелемента и витамини няма да бъдат усвоени от тялото, което значително ще намалиустойчивост към редица заболявания. Най-висок процент силиций се наблюдава в костите, кожата, сухожилията. Той играе ролята на структурен елемент, който поддържа здравината и придава еластичност. Всички скелетни твърди тъкани се образуват от неговите съединения. В резултат на скорошни проучвания е установено съдържание на силиций в бъбреците, панкреаса и съединителната тъкан. Ролята на тези органи във функционирането на тялото е доста голяма, така че намаляването на съдържанието му ще има пагубен ефект върху много основни показатели за поддържане на живота. Организмът трябва да получава 1 грам силиций на ден с храна и вода – това ще помогне да се избегнат възможни заболявания, като възпаление на кожата, омекване на костите, образуване на камъни в черния дроб, бъбреците, зрителни увреждания, коса и нокти, атеросклероза. При достатъчно ниво на този елемент имунитетът се повишава, метаболитните процеси се нормализират и се подобрява усвояването на много елементи, необходими за човешкото здраве. Най-голямо количество силиций има в зърнените храни, репичките, елдата. Силициевата вода ще донесе значителни ползи. За да определите количеството и честотата на употребата му, по-добре е да се консултирате със специалист.
