Silīcijs: pielietojums, ķīmiskās un fizikālās īpašības

2024 Autors: Angel Austin | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-17 05:35

Viens no visizplatītākajiem elementiem dabā ir silīcijs jeb silīcijs. Tik plaša izplatība runā par šīs vielas nozīmi un nozīmi. To ātri saprata un pieņēma cilvēki, kuri iemācījās pareizi izmantot silīciju saviem mērķiem. Tās pielietojums ir balstīts uz īpašām īpašībām, par kurām mēs runāsim vēlāk.

Silīcijs ir ķīmisks elements

Ja mēs raksturojam noteiktu elementu pēc pozīcijas periodiskajā sistēmā, mēs varam identificēt šādus svarīgus punktus:

1. Kārtuma skaitlis - 14.
2. Periods ir trešais mazais.
3. Grupa - IV.
4. Apakšgrupa - galvenā.
5. Ārējā elektronu apvalka struktūru izsaka ar formulu 3s²3p².
6. Elements silīcijs ir apzīmēts ar ķīmisko simbolu Si, kas tiek izrunāts kā "silīcijs".
7. Oksidācijas pakāpes, ko tas parāda: -4; +2; +4.
8. Atoma valence ir IV.
9. Silīcija atomu masa ir 28,086.
10. Dabā ir trīs stabili šī elementa izotopi ar masas cipariem 28, 29 un 30.

Tātad atomsNo ķīmiskā viedokļa silīcijs ir labi izpētīts elements, ir aprakstītas daudzas tā dažādās īpašības.

Atklājumu vēsture

Tā kā tieši aplūkojamā elementa dažādie savienojumi dabā ir ļoti populāri un saturiski masveidā, no seniem laikiem cilvēki izmantoja un zināja tikai daudzu no tiem. Tīrs silīcijs ilgu laiku bija ārpus cilvēka zināšanu līmeņa ķīmijā.

Populārākie savienojumi, ko sadzīvē un rūpniecībā izmantoja seno kultūru tautas (ēģiptieši, romieši, ķīnieši, krievi, persieši un citi), bija dārgakmeņi un dekoratīvie akmeņi, kuru pamatā ir silīcija oksīds. Tie ietver:

• opāls;
• rhinestone;
• topaz;
• chrysoprase;
• onikss;
• halcedons un citi.

Kopš seniem laikiem celtniecībā ir pieņemts izmantot arī kvarcu un kvarca smiltis. Tomēr pats elementārais silīcijs palika neatklāts līdz pat 19. gadsimtam, lai gan daudzi zinātnieki veltīgi mēģināja to izolēt no dažādiem savienojumiem, izmantojot katalizatorus, augstu temperatūru un pat elektrisko strāvu. Tie ir gaiši prāti, piemēram:

• Karls Šēels;
• Gejs-Lussaks;
• Tenārs;
• Humfrijs Deivijs;
• Antuāns Lavuazjē.

Jensam Džeikobam Berzēliusam 1823. gadā izdevās veiksmīgi iegūt tīru silīciju. Lai to izdarītu, viņš veica eksperimentu par silīcija fluorīda un metāliskā kālija tvaiku saplūšanu. Rezultātā viņš saņēma attiecīgā elementa amorfu modifikāciju. Tas pats zinātnieks ieteica atklātajam atomam latīņu nosaukumu.

Nedaudz vēlāk, 1855. gadā, citam zinātniekam - Saint Clair-Deville - izdevās sintezēt citu alotropisko šķirni - kristālisko silīciju. Kopš tā laika zināšanas par šo elementu un tā īpašībām sāka augt ļoti ātri. Cilvēki saprata, ka tai ir unikālas funkcijas, kuras var ļoti saprātīgi izmantot, lai apmierinātu savas vajadzības. Tāpēc mūsdienās viens no pieprasītākajiem elementiem elektronikā un tehnoloģijās ir silīcijs. Tās izmantošana katru gadu tikai paplašina tās robežas.

Krievu nosaukumu atomam deva zinātnieks Hess 1831. gadā. Tas ir saglabājies līdz šai dienai.

Ievietots dabā

Silīcijs ir otrs visbiežāk sastopamais dabā aiz skābekļa. Tā procentuālais daudzums, salīdzinot ar citiem atomiem zemes garozas sastāvā, ir 29,5%. Turklāt ogleklis un silīcijs ir divi īpaši elementi, kas var veidot ķēdes, savienojoties viens ar otru. Tāpēc pēdējiem ir zināmi vairāk nekā 400 dažādu dabisko minerālu, kuros tas atrodas litosfērā, hidrosfērā un biomasā.

Kur tieši ir atrasts silīcijs?

1. Dziļajos augsnes slāņos.
2. Akmeņos, atradnēs un masīvos.
3. Ūdenstilpju, īpaši jūru un okeānu, dibenā.
4. Dzīvnieku valstības augos un jūras dzīvē.
5. Cilvēkiem un sauszemes dzīvniekiem.

Ir iespējams apzīmēt vairākus visbiežāk sastopamos minerālus un iežus, kas satur lielu daudzumusilīcijs. To ķīmija ir tāda, ka tīra elementa masas saturs tajos sasniedz 75%. Tomēr konkrētais skaitlis ir atkarīgs no materiāla veida. Tātad, ieži un minerāli, kas satur silīciju:

• laukšpats;
• vizla;
• amfiboles;
• opāls;
• halcedons;
• silikāti;
• smilšakmeņi;
• aluminosilikāti;
• māli un citi.

Krājoties jūras dzīvnieku čaulās un ārējos skeletos, silīcijs galu galā veido spēcīgas silīcija dioksīda nogulsnes ūdenstilpju dibenā. Šis ir viens no šī elementa dabiskajiem avotiem.

Turklāt tika konstatēts, ka silīcijs var pastāvēt tīrā dabiskajā formā – kristālu veidā. Taču šādi noguldījumi ir ļoti reti.

Silīcija fizikālās īpašības

Ja jūs raksturojat aplūkojamo elementu ar fizikālo un ķīmisko īpašību kopumu, tad vispirms jānorāda fizikālie parametri. Šeit ir daži galvenie:

1. Pastāv divu allotropu modifikāciju veidā – amorfā un kristāliskā, kas atšķiras pēc visām īpašībām.
2. Kristāla režģis ir ļoti līdzīgs dimanta režģim, jo ogleklis un silīcijs šajā ziņā ir gandrīz vienādi. Tomēr attālums starp atomiem ir atšķirīgs (silīcija ir vairāk), tāpēc dimants ir daudz cietāks un stiprāks. Režģa veids - kubiskā seja.
3. Viela ir ļoti trausla, augstā temperatūrā kļūst plastiska.
4. Kušanas temperatūra ir 1415˚C.
5. Temperatūraviršanas temperatūra - 3250˚С.
6. Vielas blīvums - 2,33 g/cm³.
7. Savienojuma krāsa ir sudrabaini pelēka, ar raksturīgu metālisku spīdumu.
8. Piemīt labas pusvadītāju īpašības, kas var mainīties, pievienojot noteiktus līdzekļus.
9. Nešķīst ūdenī, organiskajos šķīdinātājos un skābēs.
10. Īpaši šķīst sārmos.

Silīcijam noteiktās fiziskās īpašības ļauj cilvēkiem to kontrolēt un izmantot dažādu produktu radīšanai. Piemēram, tīra silīcija izmantošana elektronikā ir balstīta uz pusvadītspējas īpašībām.

Ķīmiskās īpašības

Silīcija ķīmiskās īpašības ir ļoti atkarīgas no reakcijas apstākļiem. Ja mēs runājam par tīru vielu ar standarta parametriem, tad mums ir jāapzīmē ļoti zema aktivitāte. Gan kristāliskais, gan amorfais silīcijs ir ļoti inerts. Neiedarboties ar spēcīgiem oksidētājiem (izņemot fluoru), kā arī ar spēcīgiem reducētājiem.

Tas ir saistīts ar faktu, ka uz vielas virsmas acumirklī veidojas oksīda plēve SiO₂, kas novērš turpmāku mijiedarbību. Tas var veidoties ūdens, gaisa, tvaiku ietekmē.

Ja mainīsit standarta apstākļus un silīciju karsēsiet līdz temperatūrai virs 400˚С, tā ķīmiskā aktivitāte ievērojami palielināsies. Šajā gadījumā tas reaģēs ar:

• skābeklis;
• visa veida halogēni;
• ūdeņradis.

Ar turpmāku temperatūras paaugstināšanos produktu veidošanās iespējama plkstmijiedarbība ar boru, slāpekli un oglekli. Īpaši svarīgs ir karborunds – SiC, jo tas ir labs abrazīvs materiāls.

Arī silīcija ķīmiskās īpašības ir skaidri redzamas reakcijās ar metāliem. Attiecībā uz tiem tas ir oksidētājs, tāpēc produktus sauc par silicīdiem. Līdzīgi savienojumi ir zināmi ar:

• sārmains;
• sārmzeme;
• pārejas metāli.

Neparastām īpašībām ir savienojums, ko iegūst, sakausējot dzelzi un silīciju. To sauc par ferosilīcija keramiku, un tas ir veiksmīgi izmantots rūpniecībā.

Silīcijs neiedarbojas ar sarežģītām vielām, tāpēc no visām to šķirnēm tas var izšķīst tikai:

• karaliskais degvīns (slāpekļskābes un sālsskābes maisījums);
• kaustiskie sārmi.

Šajā gadījumā šķīduma temperatūrai jābūt vismaz 60˚С. Tas viss kārtējo reizi apliecina vielas fizikālo pamatu – dimantam līdzīgu stabilu kristāla režģi, kas piešķir tai spēku un inerci.

Iegūšanas metodes

Tīra silīcija iegūšana ir ekonomiski diezgan dārgs process. Turklāt, pateicoties savām īpašībām, jebkura metode dod tikai 90-99% tīru produktu, savukārt piemaisījumi metālu un oglekļa veidā paliek nemainīgi. Tāpēc ar vielas saņemšanu vien nepietiek. Tas būtu arī kvalitatīvi jāattīra no svešķermeņiem.

Kopumā silīcija ražošana tiek veikta divos galvenajos veidos:

1. No b altajām smiltīmkas ir tīrs silīcija oksīds SiO₂. Kad to kalcinē ar aktīvajiem metāliem (visbiežāk ar magniju), veidojas brīvs elements amorfas modifikācijas veidā. Šīs metodes tīrība ir augsta, produkts tiek iegūts ar 99,9 procentu iznākumu.
2. Rūpnieciskā mērogā plašāk izplatīta metode ir izkausētu smilšu saķepināšana ar koksu specializētās termiskās krāsnīs. Šo metodi izstrādāja krievu zinātnieks Beketovs N. N.

Turpmākā apstrāde sastāv no produktu pakļaušanas tīrīšanas metodēm. Šim nolūkam tiek izmantotas skābes vai halogēni (hlors, fluors).

Amorfs silīcijs

Silīcija raksturojums būs nepilnīgs, ja atsevišķi neaplūkosim katru tā allotropo modifikāciju. Pirmais ir amorfs. Šajā stāvoklī viela, kuru mēs apsveram, ir brūni brūns pulveris, smalki izkliedēts. Tam ir augsta higroskopiskuma pakāpe, uzrāda pietiekami augstu ķīmisko aktivitāti karsējot. Standarta apstākļos tas var mijiedarboties tikai ar spēcīgāko oksidētāju - fluoru.

Nav pilnīgi pareizi saukt amorfo silīciju par dažādu kristālisko silīciju. Tās režģis parāda, ka šī viela ir tikai smalki izkliedēta silīcija forma, kas pastāv kristālu veidā. Tāpēc šīs modifikācijas ir viens un tas pats savienojums.

Tomēr to īpašības atšķiras, tāpēc pieņemts runāt par alotropiju. Pats par sevi amorfajam silīcijam iraugsta gaismas absorbcijas spēja. Turklāt noteiktos apstākļos šis rādītājs ir vairākas reizes augstāks nekā kristāliskā forma. Tāpēc to izmanto tehniskām vajadzībām. Aplūkotajā formā (pulverī) savienojums ir viegli uzklājams uz jebkuras virsmas, neatkarīgi no tā, vai tā ir plastmasa vai stikls. Tāpēc amorfais silīcijs ir tik ērts lietošanai. Lietojumprogramma ir balstīta uz dažādu izmēru saules paneļu ražošanu.

Lai gan šāda veida akumulatoru nolietojums ir diezgan ātrs, kas saistīts ar plānas vielas plēvītes noberšanos, tomēr lietojums un pieprasījums tikai aug. Patiešām, pat īsā kalpošanas laikā saules baterijas, kuru pamatā ir amorfs silīcijs, spēj nodrošināt enerģiju veseliem uzņēmumiem. Turklāt šādas vielas ražošana ir bez atkritumiem, kas padara to ļoti ekonomisku.

Iegūstiet šo modifikāciju, reducējot savienojumus ar aktīviem metāliem, piemēram, nātriju vai magniju.

Kristāla silīcijs

Attiecīgā elementa sudrabaini pelēka spīdīga modifikācija. Tieši šī forma ir visizplatītākā un pieprasītākā. Tas ir saistīts ar kvalitatīvo īpašību kopumu, kas šai vielai piemīt.

Silīcija ar kristālisko režģi raksturojums ietver tā tipu klasifikāciju, jo ir vairāki no tiem:

1. Elektroniskā kvalitāte - tīrākā un augstākā kvalitāte. Tieši šo tipu izmanto elektronikā, lai izveidotu īpaši jutīgas ierīces.
2. Saulaina kvalitāte. Pats nosaukumsnosaka lietošanas jomu. Tas ir arī augstas tīrības pakāpes silīcijs, kura izmantošana ir nepieciešama kvalitatīvu un ilgmūžīgu saules bateriju radīšanai. Fotoelementu pārveidotāji, kas izveidoti uz kristāliskas struktūras pamata, ir kvalitatīvāki un izturīgāki nekā tie, kas izveidoti, izmantojot amorfu modifikāciju, nogulsnējot uz dažāda veida substrātiem.
3. Tehniskais silīcijs. Šajā šķirnē ietilpst tie vielas paraugi, kas satur apmēram 98% tīra elementa. Viss pārējais attiecas uz dažāda veida piemaisījumiem:

• bors;
• alumīnijs;
• hlors;
• ogleklis;
• fosfors un citi.

Silīcija polikristālu iegūšanai tiek izmantota attiecīgās vielas pēdējā šķirne. Šim nolūkam tiek veikti pārkristalizācijas procesi. Rezultātā tīrības ziņā tiek iegūti produkti, kurus var attiecināt uz saules un elektroniskās kvalitātes grupām.

Pēc būtības polisilīcijs ir starpprodukts starp amorfu un kristālisku modifikāciju. Ar šo opciju ir vieglāk strādāt, to labāk pārstrādāt un tīrīt ar fluoru un hloru.

Iegūtos produktus var klasificēt šādi:

• multicilicon;
• monokristālisks;
• profilēti kristāli;
• silīcija lūžņi;
• tehniskais silīcijs;
• ražošanas atkritumi vielu fragmentu un lūžņu veidā.

Katrs no tiem atrod pielietojumu rūpniecībā un tiek izmantotscilvēks pilnībā. Tāpēc ražošanas procesi, kuros izmanto silīciju, tiek uzskatīti par bezatkritumiem. Tas ievērojami samazina tā ekonomiskās izmaksas, neietekmējot kvalitāti.

Izmantojot tīru silīciju

Silīcija ražošana nozarē ir izveidojusies diezgan labi, un tās apjoms ir diezgan apjomīgs. Tas ir saistīts ar faktu, ka šis elements gan tīrā veidā, gan dažādu savienojumu veidā ir plaši izplatīts un pieprasīts dažādās zinātnes un tehnikas nozarēs.

Kur tiek izmantots tīrs kristālisks un amorfs silīcijs?

1. Metalurģijā kā leģējoša piedeva, kas spēj mainīt metālu un to sakausējumu īpašības. Tātad to izmanto tērauda un dzelzs kausēšanai.
2. Tīrākas versijas izgatavošanai tiek izmantotas dažāda veida vielas - polisilīcija.
3. Silīcija savienojumi ar organiskām vielām – tā ir vesela ķīmiskā nozare, kas mūsdienās ir ieguvusi īpašu popularitāti. Silikona materiālus izmanto medicīnā, trauku, instrumentu ražošanā un daudz ko citu.
4. Dažādu saules paneļu ražošana. Šī enerģijas iegūšanas metode ir viena no perspektīvākajām nākotnē. Videi draudzīgs, ekonomisks un izturīgs - šādas elektroenerģijas ražošanas galvenās priekšrocības.
5. Silīciju šķiltavās izmanto ļoti ilgu laiku. Pat senatnē cilvēki izmantoja kramu, lai, iekurot uguni, radītu dzirksteli. Šis princips ir pamats dažādu veidu šķiltavu ražošanai. Mūsdienās ir sugas, kurāskramu aizstāj ar noteikta sastāva sakausējumu, kas dod vēl ātrāku rezultātu (dzirksteļošanu).
6. Elektronika un saules enerģija.
7. Spoguļu ražošana gāzes lāzerierīcēs.

Tādējādi tīram silīcijam ir daudz izdevīgu un īpašu īpašību, kas ļauj to izmantot svarīgu un vajadzīgu produktu radīšanai.

Silīcija savienojumu pielietošana

Papildus vienkāršai vielai tiek izmantoti arī dažādi silīcija savienojumi, turklāt ļoti plaši. Ir vesela rūpniecības nozare, ko sauc par silikātu. Tieši viņa balstās uz dažādu vielu izmantošanu, kas ietver šo apbrīnojamo elementu. Kas ir šie savienojumi un ko tie rada?

1. Kvarcs jeb upes smiltis - SiO₂. To izmanto celtniecības un dekoratīvo materiālu, piemēram, cementa un stikla, ražošanai. Kur šie materiāli tiek izmantoti, visi zina. Neviena konstrukcija nav pilnīga bez šiem komponentiem, kas apstiprina silīcija savienojumu nozīmi.
2. Silikāta keramika, kurā ietilpst tādi materiāli kā fajansa, porcelāns, ķieģelis un izstrādājumi uz to bāzes. Šīs sastāvdaļas izmanto medicīnā, trauku, dekoratīvo rotājumu, sadzīves priekšmetu ražošanā, celtniecībā un citās cilvēka darbības jomās.
3. Silikona savienojumi - silikoni, silikageli, silikona eļļas.
4. Silikāta līme - izmanto kā kancelejas preces, pirotehnikā un celtniecībā.

Silīcijs, kura cena pasaules tirgū mainās, bet nekrustojasno augšas uz leju, Krievijas Federācijas 100 rubļu atzīme par kilogramu (par kristālu), ir pieprasīta un vērtīga viela. Protams, arī šī elementa savienojumi ir plaši izplatīti un pielietojami.

Silīcija bioloģiskā loma

No ķermeņa nozīmes viedokļa silīcijs ir svarīgs. Tā saturs un sadalījums audos ir šāds:

• 0, 002% - muskuļots;
• 0, 000017% - kauls;
• asinis - 3,9 mg/l.

Katru dienu iekšā vajadzētu nokļūt apmēram vienam gramam silīcija, citādi sāks attīstīties slimības. Starp tiem nav neviena nāvējoša, taču ilgstoša silīcija badošanās noved pie:

• matu izkrišana;
• pūtīšu un pūtīšu parādīšanās;
• kaulu trauslums un trauslums;
• viegla kapilāru caurlaidība;
• nogurums un galvassāpes;
• daudzu zilumu un zilumu parādīšanās.

Augiem silīcijs ir svarīgs mikroelements, kas nepieciešams normālai augšanai un attīstībai. Eksperimenti ar dzīvniekiem ir parādījuši, ka cilvēki, kuri katru dienu patērē pietiekami daudz silīcija, vislabāk attīstās.