Silicium: toepassing, chemische en fysische eigenschappen

2024 Auteur: Angel Austin | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-17 05:37

Een van de meest voorkomende elementen in de natuur is silicium of silicium. Zo'n brede verspreiding spreekt van het belang en de betekenis van deze stof. Dit werd snel begrepen en overgenomen door mensen die leerden hoe ze silicium op de juiste manier voor hun eigen doeleinden konden gebruiken. De toepassing ervan is gebaseerd op speciale eigenschappen, waar we het later over zullen hebben.

Silicium is een scheikundig element

Als we een bepaald element karakteriseren door positie in het periodiek systeem, kunnen we de volgende belangrijke punten identificeren:

1. Rangnummer - 14.
2. De punt is de derde kleine.
3. Groep - IV.
4. Subgroep - hoofd.
5. De structuur van de buitenste elektronenschil wordt uitgedrukt door de formule 3s²3p².
6. Het element silicium wordt aangeduid met het chemische symbool Si, dat wordt uitgesproken als "silicium".
7. De oxidatietoestanden die het vertoont: -4; +2; +4.
8. De valentie van een atoom is IV.
9. De atomaire massa van silicium is 28,086.
10. In de natuur zijn er drie stabiele isotopen van dit element met massagetallen 28, 29 en 30.

Dus het atoomVanuit chemisch oogpunt is silicium een goed bestudeerd element, veel van zijn verschillende eigenschappen zijn beschreven.

Ontdekkingsgeschiedenis

Omdat het de verschillende verbindingen van het beschouwde element zijn die in de natuur erg populair en massaal van aard zijn, hebben mensen sinds de oudheid de eigenschappen van slechts veel van hen gebruikt en wisten ze ervan. Zuiver silicium bleef lange tijd buiten de menselijke kennis in de chemie.

De meest populaire verbindingen die in het dagelijks leven en in de industrie door de volkeren van oude culturen (Egyptenaren, Romeinen, Chinezen, Russen, Perzen en anderen) werden gebruikt, waren edelstenen en sierstenen op basis van siliciumoxide. Deze omvatten:

• opaal;
• strass;
• topaas;
• chrysopraas;
• onyx;
• chalcedoon en anderen.

Het is sinds de oudheid ook gebruikelijk om kwarts en kwartszand in de bouw te gebruiken. Elementair silicium zelf bleef echter onontdekt tot de 19e eeuw, hoewel veel wetenschappers tevergeefs probeerden het te isoleren van verschillende verbindingen, met behulp van katalysatoren, hoge temperaturen en zelfs elektrische stroom. Dit zijn slimme koppen zoals:

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

Jens Jacobs Berzelius slaagde erin om in 1823 met succes zuiver silicium te verkrijgen. Om dit te doen, voerde hij een experiment uit met de fusie van dampen van siliciumfluoride en metallisch kalium. Als resultaat kreeg hij een amorfe modificatie van het element in kwestie. Dezelfde wetenschapper stelde een Latijnse naam voor het ontdekte atoom voor.

Iets later, in 1855, slaagde een andere wetenschapper - Saint Clair-Deville - erin om een andere allotrope variëteit te synthetiseren - kristallijn silicium. Sindsdien begon de kennis over dit element en zijn eigenschappen zeer snel te groeien. Mensen realiseerden zich dat het unieke eigenschappen heeft die zeer intelligent kunnen worden gebruikt om aan hun eigen behoeften te voldoen. Daarom is silicium tegenwoordig een van de meest gevraagde elementen in elektronica en technologie. Het gebruik ervan verlegt alleen maar zijn grenzen elk jaar.

De Russische naam voor het atoom werd in 1831 gegeven door de wetenschapper Hess. Dat is tot op de dag van vandaag blijven hangen.

Vervat in de natuur

Silicium is na zuurstof het meest voorkomende in de natuur. Het percentage in vergelijking met andere atomen in de samenstelling van de aardkorst is 29,5%. Daarnaast zijn koolstof en silicium twee bijzondere elementen die ketens kunnen vormen door met elkaar te verbinden. Daarom staan er meer dan 400 verschillende natuurlijke mineralen bekend om deze laatste, waarin het zit in de lithosfeer, hydrosfeer en biomassa.

Waar wordt silicium precies gevonden?

1. In de diepe lagen van de grond.
2. In rotsen, afzettingen en massieven.
3. Op de bodem van waterlichamen, vooral zeeën en oceanen.
4. In de planten en het zeeleven van het dierenrijk.
5. Bij mensen en landdieren.

Het is mogelijk om een aantal van de meest voorkomende mineralen en gesteenten aan te wijzen, die een grote hoeveelheid bevattensilicium. Hun chemie is zodanig dat het massageh alte van een zuiver element daarin 75% bereikt. Het specifieke cijfer hangt echter af van het type materiaal. Dus gesteenten en mineralen die silicium bevatten:

• veldspaten;
• mica;
• amfibolen;
• opalen;
• chalcedoon;
• silicaten;
• zandstenen;
• aluminiumsilicaten;
• klei en anderen.

Silicon hoopt zich op in de schelpen en buitenste skeletten van zeedieren en vormt uiteindelijk krachtige afzettingen van silica op de bodem van waterlichamen. Dit is een van de natuurlijke bronnen van dit element.

Bovendien werd ontdekt dat silicium in zijn pure natuurlijke vorm kan bestaan - in de vorm van kristallen. Maar dergelijke afzettingen zijn zeer zeldzaam.

Fysieke eigenschappen van silicium

Als je het betreffende element karakteriseert door een reeks fysische en chemische eigenschappen, dan zijn het in de eerste plaats de fysieke parameters die moeten worden aangegeven. Hier zijn een paar belangrijke:

1. Bestaat in de vorm van twee allotrope modificaties - amorf en kristallijn, die in alle eigenschappen verschillen.
2. Het kristalrooster lijkt erg op dat van diamant, omdat koolstof en silicium in dit opzicht bijna hetzelfde zijn. De afstand tussen de atomen is echter anders (silicium heeft meer), dus de diamant is veel harder en sterker. Roostertype - kubisch vlak gecentreerd.
3. De stof is erg broos, wordt plastic bij hoge temperaturen.
4. Smeltpunt is 1415˚C.
5. Temperatuurkookpunt - 3250˚С.
6. Dichtheid van materie - 2,33 g/cm³.
7. De kleur van de verbinding is zilvergrijs, met een karakteristieke metaalachtige glans.
8. Beschikt over goede halfgeleidereigenschappen, die kunnen variëren met de toevoeging van bepaalde middelen.
9. Onoplosbaar in water, organische oplosmiddelen en zuren.
10. Specifiek oplosbaar in alkaliën.

Aangewezen fysieke eigenschappen van silicium stellen mensen in staat het te beheersen en te gebruiken om verschillende producten te maken. Het gebruik van puur silicium in de elektronica is bijvoorbeeld gebaseerd op de eigenschappen van halfgeleiders.

Chemische eigenschappen

De chemische eigenschappen van silicium zijn erg afhankelijk van de reactieomstandigheden. Als we het hebben over een zuivere stof bij standaardparameters, dan moeten we een zeer lage activiteit aanduiden. Zowel kristallijn als amorf silicium zijn zeer inert. Geen interactie met sterke oxidatiemiddelen (behalve fluor), noch met sterke reductiemiddelen.

Dit komt door het feit dat er direct een oxidefilm SiO₂ wordt gevormd op het oppervlak van de stof, waardoor verdere interacties worden voorkomen. Het kan worden gevormd onder invloed van water, lucht, dampen.

Als je de standaardomstandigheden verandert en silicium verwarmt tot een temperatuur boven 400˚С, dan zal de chemische activiteit ervan enorm toenemen. In dit geval zal het reageren met:

• zuurstof;
• alle soorten halogenen;
• waterstof.

Bij een verdere temperatuurstijging is de vorming van producten mogelijk bijinteractie met boor, stikstof en koolstof. Van bijzonder belang is carborundum - SiC, omdat het een goed schurend materiaal is.

Ook zijn de chemische eigenschappen van silicium duidelijk te zien in reacties met metalen. In relatie tot hen is het een oxidatiemiddel, daarom worden de producten siliciden genoemd. Vergelijkbare verbindingen staan bekend om:

• alkaline;
• alkalische aarde;
• overgangsmetalen.

Ongebruikelijke eigenschappen hebben een verbinding die wordt verkregen door ijzer en silicium te versmelten. Het wordt ferrosiliciumkeramiek genoemd en is met succes in de industrie gebruikt.

Silicium heeft geen interactie met complexe stoffen, daarom kan het van al hun varianten alleen oplossen in:

• royal wodka (een mengsel van salpeterzuur en zoutzuur);
• bijtende alkaliën.

In dit geval moet de temperatuur van de oplossing minimaal 60˚С zijn. Dit alles bevestigt nogmaals de fysieke basis van de substantie - een diamantachtig stabiel kristalrooster, dat het kracht en inertie geeft.

Methoden om te verkrijgen

Het verkrijgen van zuiver silicium is economisch gezien een vrij kostbaar proces. Bovendien geeft elke methode vanwege zijn eigenschappen slechts 90-99% zuiver product, terwijl onzuiverheden in de vorm van metalen en koolstof hetzelfde blijven. Dus alleen de stof binnenkrijgen is niet genoeg. Het moet ook kwalitatief worden ontdaan van vreemde elementen.

In het algemeen wordt de productie van silicium op twee manieren uitgevoerd:

1. Van het witte zanddat is puur siliciumoxide SiO₂. Wanneer het wordt gecalcineerd met actieve metalen (meestal met magnesium), wordt een vrij element gevormd in de vorm van een amorfe modificatie. De zuiverheid van deze methode is hoog, het product wordt verkregen met een opbrengst van 99,9 procent.
2. Een meer wijdverbreide methode op industriële schaal is het sinteren van gesmolten zand met cokes in gespecialiseerde thermische ovens. Deze methode is ontwikkeld door de Russische wetenschapper Beketov N. N.

Verdere verwerking bestaat uit het onderwerpen van de producten aan reinigingsmethoden. Hiervoor worden zuren of halogenen (chloor, fluor) gebruikt.

Amorf silicium

Karakterisatie van silicium zal onvolledig zijn als we niet elk van zijn allotrope modificaties afzonderlijk beschouwen. De eerste is amorf. In deze toestand is de stof die we overwegen een bruinbruin poeder, fijn gedispergeerd. Het heeft een hoge mate van hygroscopiciteit, vertoont een voldoende hoge chemische activiteit bij verhitting. Onder standaardomstandigheden kan het alleen interageren met het sterkste oxidatiemiddel - fluor.

Het is niet helemaal correct om amorf silicium een variëteit van kristallijn silicium te noemen. Het rooster laat zien dat deze stof slechts een vorm is van fijn verdeeld silicium dat bestaat in de vorm van kristallen. Daarom zijn deze modificaties als zodanig dezelfde samenstelling.

Hun eigenschappen verschillen echter, daarom is het gebruikelijk om van allotropie te spreken. Op zichzelf heeft amorf silicium:hoog lichtabsorberend vermogen. Bovendien is deze indicator onder bepaalde omstandigheden meerdere malen hoger dan die van de kristallijne vorm. Daarom wordt het gebruikt voor technische doeleinden. In de overwogen vorm (poeder) kan de verbinding gemakkelijk op elk oppervlak worden aangebracht, of het nu plastic of glas is. Daarom is het amorf silicium zo handig in gebruik. De applicatie is gebaseerd op de fabricage van zonnepanelen van verschillende afmetingen.

Hoewel de slijtage van dit type batterijen vrij snel is, wat gepaard gaat met het afslijten van een dunne film van de stof, neemt het gebruik en de vraag alleen maar toe. Zelfs met een korte levensduur zijn zonnecellen op basis van amorf silicium in staat om hele ondernemingen van energie te voorzien. Bovendien is de productie van zo'n stof afvalvrij, wat het erg zuinig maakt.

Krijg deze modificatie door verbindingen met actieve metalen, zoals natrium of magnesium, te verminderen.

Kristalsilicium

Zilvergrijze glanzende wijziging van het betreffende element. Het is deze vorm die het meest voorkomt en het meest gevraagd wordt. Dit komt door de reeks kwalitatieve eigenschappen die deze stof bezit.

Het kenmerk van silicium met een kristalrooster omvat een classificatie van zijn typen, aangezien er verschillende zijn:

1. Elektronische kwaliteit - de puurste en hoogste kwaliteit. Het is dit type dat in de elektronica wordt gebruikt om bijzonder gevoelige apparaten te maken.
2. Zonnige kwaliteit. De naam zelfdefinieert het toepassingsgebied. Het is ook een zeer zuiver silicium, waarvan het gebruik nodig is om hoogwaardige en duurzame zonnecellen te maken. Fotovoltaïsche omvormers die zijn gemaakt op basis van een kristallijne structuur zijn van hogere kwaliteit en duurzamer dan die gemaakt met behulp van een amorfe modificatie door afzetting op verschillende soorten substraten.
3. Technisch silicium. Deze variëteit omvat die monsters van een stof die ongeveer 98% van het pure element bevatten. Al het andere gaat naar verschillende soorten onzuiverheden:

• boor;
• aluminium;
• chloor;
• koolstof;
• fosfor en anderen.

De laatste variëteit van de stof in kwestie wordt gebruikt om siliciumpolykristallen te verkrijgen. Hiervoor worden herkristallisatieprocessen uitgevoerd. Hierdoor ontstaan in termen van zuiverheid producten die kunnen worden toegeschreven aan de groepen zonne- en elektronische kwaliteit.

Polysilicium is van nature een tussenproduct tussen amorfe en kristallijne modificatie. Deze optie is gemakkelijker om mee te werken, het is beter te recyclen en te reinigen met fluor en chloor.

De resulterende producten kunnen als volgt worden geclassificeerd:

• multicilicon;
• monokristallijn;
• geprofileerde kristallen;
• siliciumschroot;
• technisch silicium;
• productieafval in de vorm van brokstukken en snippers.

Elk van hen vindt toepassing in de industrie en wordt gebruikteen persoon volledig. Daarom worden productieprocessen met silicium als afvalvrij beschouwd. Dit vermindert de economische kosten aanzienlijk zonder de kwaliteit aan te tasten.

Puur silicium gebruiken

De productie van silicium in de industrie is vrij goed ingeburgerd en de schaal is behoorlijk omvangrijk. Dit komt door het feit dat dit element, zowel puur als in de vorm van verschillende verbindingen, wijdverbreid is en veel gevraagd is in verschillende takken van wetenschap en technologie.

Waar wordt zuiver kristallijn en amorf silicium gebruikt?

1. In de metallurgie als legeringsadditief dat de eigenschappen van metalen en hun legeringen kan veranderen. Het wordt dus gebruikt bij het smelten van staal en ijzer.
2. Er worden verschillende soorten stoffen gebruikt om een schonere versie te maken - polysilicium.
3. Siliconen met organische stoffen - dit is een hele chemische industrie die tegenwoordig bijzonder populair is geworden. Siliconenmaterialen worden gebruikt in de geneeskunde, bij de vervaardiging van borden, gereedschappen en nog veel meer.
4. Productie van verschillende zonnepanelen. Deze methode om energie te winnen is een van de meest veelbelovende in de toekomst. Milieuvriendelijk, kosteneffectief en duurzaam - de belangrijkste voordelen van dergelijke elektriciteitsproductie.
5. Silicium wordt al heel lang in aanstekers gebruikt. Zelfs in de oudheid gebruikten mensen vuursteen om een vonk te creëren bij het aansteken van een vuur. Dit principe is de basis voor de productie van verschillende soorten aanstekers. Tegenwoordig zijn er soorten waarinde vuursteen wordt vervangen door een legering van een bepaalde samenstelling, wat een nog sneller resultaat geeft (vonken).
6. Elektronica en zonne-energie.
7. Productie van spiegels in gaslaserapparaten.

Puur silicium heeft dus veel voordelige en speciale eigenschappen waardoor het kan worden gebruikt om belangrijke en noodzakelijke producten te maken.

Toepassing van siliciumverbindingen

Naast een eenvoudige stof worden ook verschillende siliciumverbindingen gebruikt, en op grote schaal. Er is een hele industrietak genaamd silicaat. Zij is het die is gebaseerd op het gebruik van verschillende stoffen, waaronder dit verbazingwekkende element. Wat zijn deze verbindingen en wat produceren ze?

1. Kwarts, of rivierzand - SiO₂. Het wordt gebruikt voor de vervaardiging van bouw- en decoratieve materialen zoals cement en glas. Waar deze materialen worden gebruikt, weet iedereen. Geen enkele constructie is compleet zonder deze componenten, wat het belang van siliciumverbindingen bevestigt.
2. Silicaatkeramiek, waaronder materialen zoals faience, porselein, baksteen en producten die daarop zijn gebaseerd. Deze componenten worden gebruikt in de geneeskunde, bij de vervaardiging van gerechten, decoratieve ornamenten, huishoudelijke artikelen, in de bouw en andere huishoudelijke gebieden van menselijke activiteit.
3. Siliconenverbindingen - siliconen, silicagels, siliconenoliën.
4. Silicaatlijm - gebruikt als briefpapier, in pyrotechniek en in de bouw.

Silicium, waarvan de prijs varieert op de wereldmarkt, maar niet kruistvan boven naar beneden is het cijfer van 100 roebel van de Russische Federatie per kilogram (per kristallijn) een gewilde en waardevolle stof. Natuurlijk zijn verbindingen van dit element ook wijdverbreid en toepasbaar.

De biologische rol van silicium

Vanuit het oogpunt van betekenis voor het lichaam is silicium belangrijk. De inhoud en weefseldistributie is als volgt:

• 0, 002% - gespierd;
• 0, 000017% - bot;
• bloed - 3,9 mg/l.

Elke dag moet er ongeveer één gram silicium binnenkomen, anders beginnen zich ziekten te ontwikkelen. Er zijn geen dodelijke onder hen, maar langdurige siliciumuithongering leidt tot:

• haaruitval;
• uiterlijk van acne en puistjes;
• breekbaarheid en kwetsbaarheid van botten;
• gemakkelijke capillaire permeabiliteit;
• vermoeidheid en hoofdpijn;
• het verschijnen van talloze kneuzingen en blauwe plekken.

Voor planten is silicium een belangrijk sporenelement dat nodig is voor normale groei en ontwikkeling. Dierproeven hebben aangetoond dat individuen die dagelijks voldoende silicium consumeren, het beste groeien.