Siliciu: caracteristici, caracteristici și aplicații. Siliciu (element chimic): proprietăți, caracteristici, formulă. Istoria descoperirii siliciului Caracteristicile proprietăților chimice ale siliciului

Ca element chimic independent, siliciul a devenit cunoscut omenirii abia în 1825. Ceea ce, desigur, nu a împiedicat utilizarea compușilor de siliciu în atât de multe domenii încât este mai ușor să le enumerați pe cele în care elementul nu este utilizat. Acest articol va face lumină asupra proprietăților fizice, mecanice și chimice utile ale siliciului și ale compușilor săi, aplicații și vom vorbi, de asemenea, despre modul în care siliciul afectează proprietățile oțelului și ale altor metale.

În primul rând, să ne uităm la caracteristicile generale ale siliciului. De la 27,6 la 29,5% din masa scoarței terestre este siliciu. În apa de mare, concentrația elementului este de asemenea considerabilă - până la 3 mg/l.

În ceea ce privește abundența în litosferă, siliciul ocupă locul al doilea după oxigen. Cu toate acestea, forma sa cea mai faimoasă, siliciul, este un dioxid, iar proprietățile sale au devenit baza unei utilizări atât de răspândite.

Acest videoclip vă va spune ce este siliciul:

Concept și caracteristici

Siliciul este un nemetal, dar în diferite condiții poate prezenta atât proprietăți acide, cât și bazice. Este un semiconductor tipic și este extrem de utilizat pe scară largă în inginerie electrică. Proprietățile sale fizice și chimice sunt în mare măsură determinate de starea sa alotropică. Cel mai adesea se ocupă de forma cristalină, deoarece calitățile sale sunt mai solicitate în economia națională.

• Siliciul este unul dintre macroelementele de bază ale corpului uman. Deficiența sa are un efect dăunător asupra stării țesutului osos, părului, pielii și unghiilor. În plus, siliciul afectează performanța sistemului imunitar.
• În medicină, elementul, sau mai degrabă compușii săi, și-au găsit prima aplicare tocmai în această calitate. Apa din fântânile căptușite cu siliciu nu era doar curată, dar avea și un efect pozitiv asupra rezistenței la boli infecțioase. Astăzi, compușii cu siliciu servesc drept bază pentru medicamentele împotriva tuberculozei, aterosclerozei și artritei.
• În general, nemetalul este slab activ, dar este dificil să îl găsești în forma sa pură. Acest lucru se datorează faptului că în aer este pasivizat rapid de un strat de dioxid și nu mai reacționează. Când este încălzit, activitatea chimică crește. Drept urmare, omenirea este mult mai familiarizată cu compușii materiei, mai degrabă decât cu ea însăși.

Astfel, siliciul formează aliaje cu aproape toate metalele - siliciuri. Toate acestea se caracterizează prin refractaritate și duritate și sunt utilizate în zone adecvate: turbine cu gaz, încălzitoare de cuptor.

Nemetalul este plasat în tabelul lui D.I. Mendeleev în grupa 6 împreună cu carbonul și germaniul, ceea ce indică o anumită asemănare cu aceste substanțe. Astfel, ceea ce are în comun cu carbonul este capacitatea sa de a forma compuși de tip organic. În același timp, siliciul, precum germaniul, poate prezenta proprietățile unui metal în unele reacții chimice, care este utilizat în sinteză.

Avantaje și dezavantaje

Ca orice altă substanță din punct de vedere al utilizării în economia națională, siliciul are anumite calități utile sau nu foarte utile. Ele sunt importante tocmai pentru determinarea zonei de utilizare.

• Un avantaj semnificativ al substanței este ea disponibilitate. În natură, este adevărat că nu se găsește în formă liberă, dar totuși, tehnologia de producere a siliciului nu este atât de complicată, deși este consumatoare de energie.
• Al doilea cel mai important avantaj este formarea multor compuși cu proprietăți neobișnuit de utile. Acestea includ silani, siliciuri, dioxid și, desigur, o mare varietate de silicați. Capacitatea siliciului și a compușilor săi de a forma soluții solide complexe este aproape infinită, ceea ce face posibilă obținerea la nesfârșit a unei game largi de variații de sticlă, piatră și ceramică.
• Proprietăți semiconductoare nemetalul îi oferă un loc ca material de bază în ingineria electrică și radio.
• Nemetal este netoxice, care permite utilizarea în orice industrie și, în același timp, nu transformă procesul tehnologic într-unul potențial periculos.

Dezavantajele materialului includ doar fragilitatea relativă cu duritate bună. Siliciul nu este utilizat pentru structuri portante, dar această combinație permite ca suprafața cristalelor să fie prelucrată corespunzător, ceea ce este important pentru fabricarea instrumentelor.

Să vorbim acum despre proprietățile de bază ale siliciului.

Proprietăți și caracteristici

Deoarece siliciul cristalin este cel mai des folosit în industrie, proprietățile sale sunt cele mai importante și sunt cele date în specificațiile tehnice. Proprietățile fizice ale substanței sunt următoarele:

• punct de topire – 1417 C;
• punctul de fierbere – 2600 C;
• densitatea este de 2,33 g/cu. cm, ceea ce indică fragilitate;
• capacitatea termică, precum și conductibilitatea termică, nu sunt constante nici măcar pe cele mai pure probe: 800 J/(kg K), sau 0,191 cal/(g deg) și 84-126 W/(m K), sau 0,20-0, respectiv 30 cal/(cm·sec·deg);
• radiația infraroșie transparentă până la unde lungi, care este utilizată în optica infraroșie;
• constanta dielectrică – 1,17;
• duritate pe scara Mohs – 7.

Proprietățile electrice ale unui nemetalic sunt foarte dependente de impurități. În industrie, această caracteristică este utilizată prin modularea tipului dorit de semiconductor. La temperaturi normale, siliciul este casant, dar atunci când este încălzit peste 800 C, este posibilă deformarea plastică.

Proprietățile siliciului amorf sunt izbitor de diferite: este foarte higroscopic și reacționează mult mai activ chiar și la temperaturi normale.

Structura și compoziția chimică, precum și proprietățile siliciului sunt discutate în videoclipul de mai jos:

Compoziție și structură

Siliciul există în două forme alotrope, care sunt la fel de stabile la temperaturi normale.

• Cristal are aspectul unei pulberi de culoare gri închis. Substanța, deși are o rețea cristalină asemănătoare unui diamant, este fragilă din cauza legăturilor excesiv de lungi dintre atomi. De interes sunt proprietățile sale semiconductoare.
• La presiuni foarte mari poți obține hexagonal modificare cu o densitate de 2,55 g/cu. cm.Totuși, această fază nu și-a găsit încă semnificație practică.
• Amorf– pulbere maro-brun. Spre deosebire de forma cristalină, ea reacționează mult mai activ. Acest lucru se datorează nu atât inerției primei forme, cât și faptului că în aer substanța este acoperită cu un strat de dioxid.

În plus, este necesar să se țină cont de un alt tip de clasificare legat de dimensiunea cristalului de siliciu, care împreună formează substanța. O rețea cristalină, așa cum se știe, presupune ordinea nu numai a atomilor, ci și a structurilor pe care le formează acești atomi - așa-numita ordine pe distanță lungă. Cu cât este mai mare, cu atât substanța va fi mai omogenă în proprietăți.

• Monocristalin– proba este un singur cristal. Structura sa este ordonată maxim, proprietățile sale sunt omogene și bine previzibile. Acesta este materialul cel mai solicitat în inginerie electrică. Cu toate acestea, este și una dintre cele mai scumpe specii, deoarece procesul de obținere a acesteia este complex, iar rata de creștere este scăzută.
• Multicristalin– proba constă dintr-un număr de boabe cristaline mari. Granițele dintre ele formează niveluri suplimentare de defect, ceea ce reduce performanța probei ca semiconductor și duce la o uzură mai rapidă. Tehnologia de creștere a multicristalelor este mai simplă și, prin urmare, materialul este mai ieftin.
• Policristalină– constă dintr-un număr mare de boabe situate aleatoriu unul față de celălalt. Acesta este cel mai pur tip de siliciu industrial, folosit în microelectronică și energia solară. Destul de des folosit ca materie primă pentru creșterea cristalelor multiple și simple.
• Siliciul amorf ocupă, de asemenea, o poziție separată în această clasificare. Aici ordinea atomilor se mentine doar la cele mai scurte distante. Cu toate acestea, în inginerie electrică este încă folosit sub formă de pelicule subțiri.

Producție nemetalică

Obținerea siliciului pur nu este atât de ușoară, având în vedere inerția compușilor săi și punctul de topire ridicat al majorității acestora. În industrie, ei recurg cel mai adesea la reducerea cu carbon din dioxid. Reacția se realizează în cuptoare cu arc la o temperatură de 1800 C. În acest fel, se obține un nemetal cu o puritate de 99,9%, ceea ce nu este suficient pentru utilizarea sa.

Materialul rezultat este clorurat pentru a produce cloruri și clorhidrati. Apoi compușii sunt purificați prin toate metodele posibile de impurități și reducți cu hidrogen.

Substanța poate fi purificată și prin obținerea siliciurului de magneziu. Siliciul este expus la acid clorhidric sau acetic. Se obține silan, iar acesta din urmă este purificat prin diferite metode - sorbție, rectificare și așa mai departe. Apoi silanul se descompune în hidrogen și siliciu la o temperatură de 1000 C. În acest caz, se obține o substanță cu o fracție de impurități de 10 -8 -10 -6%.

Aplicarea substanței

Pentru industrie, caracteristicile electrofizice ale unui nemetalic sunt de cel mai mare interes. Forma sa de un singur cristal este un semiconductor cu gol indirect. Proprietățile sale sunt determinate de impurități, ceea ce face posibilă obținerea de cristale de siliciu cu proprietăți specificate. Astfel, adăugarea de bor și indiu face posibilă creșterea unui cristal cu conductivitate în găuri, iar introducerea fosforului sau a arsenului face posibilă creșterea unui cristal cu conductivitate electronică.

• Siliciul servește literalmente ca bază a ingineriei electrice moderne. Din el sunt fabricate tranzistori, fotocelule, circuite integrate, diode și așa mai departe. Mai mult decât atât, funcționalitatea dispozitivului este aproape întotdeauna determinată doar de stratul aproape de suprafață al cristalului, ceea ce determină cerințe foarte specifice pentru tratarea suprafeței.
• În metalurgie, siliciul tehnic este utilizat atât ca modificator de aliaj - dă o rezistență mai mare, cât și ca component - în, de exemplu, și ca agent de dezoxidare - în producția de fontă.
• Materialele metalurgice ultrapure și purificate formează baza energiei solare.
• Dioxidul nemetalic apare în natură sub multe forme diferite. Varietățile sale de cristale - opal, agat, carnelian, ametist, cristal de stâncă - și-au găsit locul în bijuterii. Modificările care nu sunt atât de atractive ca aspect - silex, cuarț - sunt folosite în metalurgie, construcții și radio-electronică.
• Un compus dintr-un nemetal cu carbon, carbură, este utilizat în metalurgie, fabricarea de instrumente și industria chimică. Este un semiconductor cu bandă largă, caracterizat prin duritate mare - 7 pe scara Mohs și rezistență, ceea ce îi permite să fie folosit ca material abraziv.
• Silicați - adică săruri ale acidului silicic. Instabil, se descompune ușor sub influența temperaturii. Caracteristica lor remarcabilă este că formează săruri numeroase și variate. Dar acestea din urmă stau la baza producției de sticlă, ceramică, faianță, cristal etc. Putem spune cu siguranță că construcția modernă se bazează pe o varietate de silicați.
• Sticla reprezintă cel mai interesant caz aici. Baza sa este aluminosilicații, dar amestecurile nesemnificative ale altor substanțe - de obicei oxizi - dau materialului o mulțime de proprietăți diferite, inclusiv culoarea. -, faianta, portelanul, de fapt, are aceeasi formula, desi cu un raport diferit de componente, iar diversitatea sa este si ea uimitoare.
• Nemetalul mai are o abilitate: formează compuși precum cei de carbon, sub forma unui lanț lung de atomi de siliciu. Astfel de compuși se numesc compuși organosiliciici. Domeniul de aplicare al acestora nu este mai puțin cunoscut - acestea sunt siliconi, etanșanți, lubrifianți și așa mai departe.

Siliciul este un element foarte comun și are o importanță neobișnuit de mare în multe domenii ale economiei naționale. În plus, nu numai substanța în sine, ci toți compușii săi diferiți și numeroși sunt utilizați în mod activ.

Acest videoclip vă va spune despre proprietățile și utilizările siliciului:

DEFINIȚIE

Siliciu- al paisprezecelea element al Tabelului Periodic. Denumirea - Si din latinescul „silicium”. Situat in a treia perioada, grupa IVA. Se referă la nemetale. Sarcina nucleară este 14.

Siliciul este unul dintre cele mai comune elemente din scoarța terestră. Reprezintă 27% (greutate) din partea scoarței terestre accesibilă studiului nostru, ocupându-se pe locul al doilea ca abundență după oxigen. În natură, siliciul se găsește numai în compuși: sub formă de dioxid de siliciu SiO 2, numit anhidridă de siliciu sau silice, sub formă de săruri ale acizilor silicici (silicați). Aluminosilicații sunt cei mai răspândiți în natură, adică. silicati care contin aluminiu. Acestea includ feldspați, mica, caolin etc.

La fel ca carbonul, care face parte din toate substanțele organice, siliciul este cel mai important element al regnului vegetal și animal.

În condiții normale, siliciul este o substanță gri închis (Fig. 1). Arată ca metal. Refractar - punctul de topire este de 1415 o C. Caracterizat prin duritate mare.

Orez. 1. Siliciu. Aspect.

Greutatea atomică și moleculară a siliciului

Masa moleculară relativă a unei substanțe (M r) este un număr care arată de câte ori masa unei molecule date este mai mare de 1/12 din masa unui atom de carbon, iar masa atomică relativă a unui element (A r) este de câte ori masa medie a atomilor unui element chimic este mai mare decât 1/12 masa unui atom de carbon.

Deoarece în stare liberă siliciul există sub formă de molecule de Si monoatomic, valorile maselor sale atomice și moleculare coincid. Ele sunt egale cu 28.084.

Alotropia și modificările alotropice ale siliciului

Siliciul poate exista sub forma a două modificări alotropice: asemănător diamantului (cubic) (stabil) și asemănător grafitului (instabil). Siliciul asemănător diamantului este într-o stare de agregat solid, iar siliciul asemănător grafitului este într-o stare amorfă. De asemenea, diferă prin aspect și activitate chimică.

Siliciul cristalin este o substanță gri închis cu un luciu metalic, iar siliciul amorf este o pulbere maro. A doua modificare este mai reactivă decât prima.

Izotopi de siliciu

Se știe că în natură siliciul poate fi găsit sub formă de trei izotopi stabili 28 Si, 29 Si și 30 Si. Numerele lor de masă sunt 28, 29 și, respectiv, 30. Nucleul unui atom al izotopului de siliciu 28 Si conține paisprezece protoni și paisprezece neutroni, iar izotopii 29 Si și 30 Si conțin același număr de protoni, cincisprezece și, respectiv, șaisprezece neutroni.

Există izotopi artificiali de siliciu cu numere de masă de la 22 la 44, dintre care cel mai longeviv este 32 Si cu un timp de înjumătățire de 170 de ani.

Ioni de siliciu

La nivelul energetic exterior al atomului de siliciu există patru electroni, care sunt de valență:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 .

Ca rezultat al interacțiunii chimice, siliciul poate renunța la electronii de valență, adică. să fie donatorul lor și să se transforme într-un ion încărcat pozitiv sau să accepte electroni de la un alt atom, adică fi un acceptor și se transformă într-un ion încărcat negativ:

Si 0 -4e → Si 4+;

Si 0 +4e → Si 4- .

Moleculă și atom de siliciu

În stare liberă, siliciul există sub formă de molecule de Si monoatomic. Iată câteva proprietăți care caracterizează atomul și molecula de siliciu:

Aliaje de siliciu

Siliciul este folosit în metalurgie. Acesta servește ca o componentă a multor aliaje. Cele mai importante dintre ele sunt aliajele pe bază de fier, cupru și aluminiu.

Exemple de rezolvare a problemelor

EXEMPLUL 1

Exercițiu	Cât de mult oxid de siliciu (IV) care conține 0,2 impurități de masă este necesară pentru a obține 6,1 g de silicat de sodiu.
Soluţie	Să scriem ecuația reacției pentru producerea silicatului de sodiu din oxid de siliciu (IV): SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O. Să aflăm cantitatea de silicat de sodiu: n(Na2Si03) = m (Na2Si03)/M(Na2Si03); n(Na2Si03) = 6,1/122 = 0,05 mol. Conform ecuației reacției n(Na ​​​​2 SiO 3) : n(SiO 2) = 1:1, adică n(Na2Si03) = n(Si02) = 0,05 mol. Masa de oxid de siliciu (IV) (fără impurități) va fi egală cu: M(SiO2) = Ar(Si) + 2×Ar(O) = 28 + 2×16 = 28 + 32 = 60 g/mol. m pur (SiO2) = n(SiO2) ×M(SiO2) = 0,05 × 60 = 3 g. Apoi masa de oxid de siliciu (IV) necesară pentru reacție va fi egală cu: m(SiO2) =m pur (Si02)/w impuritate = 3 / 0,2 = 15 g.
Răspuns	15 g

EXEMPLUL 2

Exercițiu	Ce masă de silicat de sodiu poate fi obținută prin topirea oxidului de siliciu (IV) cu 64,2 g de sodă, fracția de masă a impurităților în care este de 5%?
Soluţie	Să scriem ecuația reacției pentru producerea silicatului de sodiu prin topirea sodei și a oxidului de siliciu (IV): Si02 + Na2CO3 = Na2SiO3 + CO2-. Să determinăm masa teoretică de sifon (calculată folosind ecuația reacției): n(Na2C03) = 1 mol. M(Na 2 CO 3) = 2×Ar(Na) + Ar(C) + 3×Ar(O) = 2×23 + 12 + 3×16 = 106 g/mol. m(Na 2 CO 3) = n(Na ​​​​2 CO 3) ×M(Na 2 CO 3) = 1 × 106 = 106g. Să găsim masa practică de sifon: w pur (Na2CO3) = 100% - w impuritate = 100% - 5% = 95% = 0,95. m pur (Na2CO3) = m (Na2CO3) ×w pur (Na2CO3); m pur (Na 2 CO 3) = 64,2 × 0,95 = 61 g. Să calculăm masa teoretică a silicatului de sodiu: n(Na2Si03) = 1 mol. M(Na2SiO3) = 2×Ar(Na) + Ar(Si) + 3×Ar(O) = 2×23 + 28 + 3×16 = 122 g/mol. m(Na2SiO3) = n(Na ​​​​2SiO3) ×M(Na2SiO3) = 1 × 122 = 122g. Fie masa practică de silicat de sodiu x g. Să facem proporția: 61 g Na2C03-x g Na2Si03; 106 g Na2C03 - 122 g Na2Si03. Prin urmare, x va fi egal cu: x = 122 × 61 / 106 = 70,2 g. Aceasta înseamnă că masa de silicat de sodiu eliberat este de 70,2 g.
Răspuns	70,2 g

Siliciu (Si) - se află în perioada 3, grupa IV a subgrupului principal al tabelului periodic. Proprietăți fizice: siliciul există în două modificări: amorf și cristalin. Siliciul amorf este o pulbere brună cu o densitate de 2,33 g/cm3, solubilă în topituri de metal. Siliciul cristalin este cristale de culoare gri închis cu un luciu oțel, dur și casant, cu o densitate de 2,4 g/cm3. Siliciul este format din trei izotopi: Si (28), Si (29), Si (30).

Proprietăți chimice: configuratie electronica: 1s22s22p63 s23p2 . Siliciul este un nemetal. La nivelul energetic exterior, siliciul are 4 electroni, ceea ce determină stările sale de oxidare: +4, -4, -2. Valența – 2.4 Siliciul amorf are o reactivitate mai mare decât siliciul cristalin. În condiții normale, interacționează cu fluorul: Si + 2F2 = SiF4. La 1000 °C Si reacționează cu nemetale: CL2, N2, C, S.

Dintre acizi, siliciul reacționează numai cu un amestec de acizi azotic și fluorhidric:

Se comportă diferit în raport cu metalele: în Zn, Al, Sn, Pb topit se dizolvă bine, dar nu reacționează cu acestea; Siliciul interacționează cu alte topituri metalice - cu Mg, Cu, Fe - pentru a forma siliciuri: Si + 2Mg = Mg2Si. Siliciul arde în oxigen: Si + O2 = SiO2 (nisip).

Dioxid de siliciu sau silice– conexiune stabilă Si, larg răspândit în natură. Reacționează prin fuziunea cu alcaline și oxizi bazici, formând săruri de acid silicic - silicați. Chitanță: in industrie, siliciul in forma sa pura se obtine prin reducerea dioxidului de siliciu cu cocs in cuptoare electrice: SiO2 + 2C = Si + 2CO?.

În laborator, siliciul se obține prin calcinarea nisipului alb cu magneziu sau aluminiu:

SiO2 + 2Mg = 2MgO + Si.

3SiO2 + 4Al = Al2O3 + 3Si.

Siliciul formează acizi: H2 SiO3 – acid meta-silicic; H2 Si2O5 este acid dimetasilicic.

Găsirea în natură: mineral de cuarț – SiO2. Cristalele de cuarț au forma unei prisme hexagonale, incolore și transparente și se numesc cristal de stâncă. Ametistul este un cristal de stâncă de culoare violet cu impurități; topazul fumuriu are o culoare maronie; agatul și jaspul sunt soiuri cristaline de cuarț. Silicea amorfă este mai puțin comună și există sub forma mineralului opal – SiO2 nH2O. Diatomit, tripoli sau pământ de diatomee (pământ de diatomee) sunt forme pământoase de siliciu amorf.

42. Conceptul de soluții coloidale

Soluții coloidale– sisteme bifazate foarte dispersate, formate dintr-un mediu de dispersie și o fază dispersată. Dimensiunile particulelor sunt intermediare între soluțiile, suspensiile și emulsiile adevărate. U particule coloidale compoziție moleculară sau ionică.

Există trei tipuri de structură internă a particulelor primare.

1. Suspensoizi (sau coloizi ireversibili)– sisteme eterogene ale căror proprietăți pot fi determinate de suprafața interfazelor dezvoltate. În comparație cu suspensiile, acestea sunt mai puternic dispersate. Ele nu pot exista mult timp fără un stabilizator de dispersie. Ei sunt numiti, cunoscuti coloizi ireversibili datorită faptului că sedimentele lor nu formează din nou soluri după evaporare. Concentrația lor este scăzută - 0,1%. Ele diferă ușor de vâscozitatea mediului dispersat.

Se pot obține suspensoizi:

1) metode de dispersie (zdrobirea corpurilor mari);

2) metode de condensare (producerea de compuși insolubili prin reacții de schimb, hidroliză etc.).

Scăderea spontană a dispersității în suspensii depinde de energia de suprafață liberă. Pentru a obține o suspensie de lungă durată, sunt necesare condiții pentru a o stabiliza.

Sisteme de dispersie stabile:

1) mediu de dispersie;

2) fază dispersată;

3) stabilizator al sistemului dispersat.

Stabilizatorul poate fi ionic, molecular, dar cel mai adesea cu un nivel molecular ridicat.

Coloizi de protecție– compuși cu molecul mare care se adaugă pentru stabilizare (proteine, peptide, alcool polivinilic etc.).

2. Asociativi (sau coloizi micelari) – semicoloizii care apar atunci când există o concentrație suficientă de molecule formate din radicali hidrocarburi (molecule difile) de substanțe cu greutate moleculară mică atunci când se asociază în agregate de molecule (micele). Micele se formează în soluții apoase de detergenți (săpunuri), coloranți organici.

3. Coloizi moleculari (coloizi reversibili sau liofili) – substanțe naturale și sintetice cu o greutate moleculară mare. Moleculele lor au dimensiunea particulelor coloidale (macromolecule).

Soluțiile diluate de coloizi de compuși cu greutate moleculară mare sunt soluții omogene. Când sunt foarte diluate, aceste soluții respectă legile soluțiilor diluate.

Macromoleculele nepolare se dizolvă în hidrocarburi, cele polare - în solvenți polari.

Coloizi reversibile– substanțe, al căror reziduu uscat, la adăugarea unei noi porțiuni de solvent, revine în soluție.

Unul dintre cele mai populare elemente din tehnologie și industrie este siliciul. Acesta își datorează proprietățile sale neobișnuite. Astăzi există o mulțime de compuși diferiți ai acestui element care joacă un rol important în sinteza și crearea de produse tehnice, vase, sticlă, echipamente, materiale de construcție și finisare, bijuterii și alte industrii.

Caracteristicile generale ale siliciului

Dacă luăm în considerare poziția siliciului în tabelul periodic, putem spune așa:

1. Situat în grupa IV a subgrupului principal.
2. Numărul de serie 14.
3. Masa atomică 28.086.
4. Simbol chimic Si.
5. Numele este siliciu, sau în latină - silicium.
6. Configurația electronică a stratului exterior este 4e:2e:8e.

Rețeaua cristalină a siliciului este similară cu cea a diamantului. Atomii sunt localizați la noduri; tipul său este cubic centrat pe față. Cu toate acestea, datorită lungimii mai mari a legăturii, proprietățile fizice ale siliciului sunt foarte diferite de proprietățile modificării alotropice a carbonului.

Proprietati fizice si chimice

Încă câteva variante ale dioxidului de siliciu:

• cuarţ;
• râu și;
• cremene;
• feldspați.

Utilizarea siliciului în astfel de forme este realizată în lucrări de construcții, tehnologie, electronică radio, industria chimică și metalurgie. Toți oxizii enumerați împreună aparțin unei singure substanțe - silice.

Carbura de siliciu și aplicațiile sale

Siliciul și compușii săi sunt reali. Un astfel de material este carborundul sau carbura acestui element. Formula chimică a SiC. Apare în natură ca mineral moissanit.

În forma sa pură, compusul de carbon și siliciu este cristale frumoase, transparente, care amintesc de structurile de diamant. Cu toate acestea, în scopuri tehnice, se folosesc substanțe colorate în verde și negru.

Principalele caracteristici ale acestei substanțe, care permit utilizarea acesteia în metalurgie, tehnologie și industria chimică, sunt următoarele:

• semiconductor cu decalaj larg;
• grad foarte ridicat de forță (7 pe scara Mohs);
• rezistent la temperaturi ridicate;
• stabilitate electrică și conductivitate termică excelentă.

Toate acestea permit utilizarea carborundumului ca material abraziv în metalurgie și sinteza chimică. Și, de asemenea, pe baza sa pentru a produce LED-uri cu spectru larg, piese pentru cuptoare de sticlă, duze, torțe, bijuterii (moissanitul este evaluat mai mult decât zirconia cubica).

Silan și semnificația lui

Compusul hidrogen al siliciului se numește silan și nu poate fi obținut prin sinteză directă din materii prime. Pentru obținerea acestuia se folosesc siliciuri de diferite metale, care sunt tratate cu acizi. Ca rezultat, se eliberează gaz silan și se formează o sare metalică.

Lucrul interesant este că compusul în cauză nu se formează niciodată singur. Reacția are ca rezultat întotdeauna un amestec de mono-, di- și trisilan, în care atomii de siliciu sunt legați între ei în lanțuri.

Prin proprietățile lor, acești compuși sunt agenți reducători puternici. În același timp, ei înșiși sunt ușor oxidați de oxigen, uneori cu o explozie. Reacțiile cu halogenii sunt întotdeauna violente, cu o eliberare mare de energie.

Domeniile de aplicare a silanilor sunt următoarele:

1. Reacții de sinteză organică care au ca rezultat formarea unor compuși organosilici importanți - siliconi, cauciucuri, etanșanți, lubrifianți, emulsii și altele.
2. Microelectronica (monitoare cu cristale lichide, circuite tehnice integrate etc.).
3. Obținerea polisiliciului ultra-pur.
4. Stomatologie pentru protezare.

Astfel, importanța silanilor în lumea modernă este mare.

Acid silicic și silicați

Hidroxidul elementului în cauză este diferiți acizi silicici. A evidentia:

• meta;
• orto;
• acizi polisilicici și alți acizi.

Toate au proprietăți comune - instabilitate extremă într-o stare liberă. Se descompun ușor sub influența temperaturii. În condiții normale, ele nu există mult timp, transformându-se mai întâi într-un sol și apoi într-un gel. După uscare, astfel de structuri se numesc silicagels. Sunt folosiți ca adsorbanți în filtre.

Importante, din punct de vedere industrial, sunt sărurile acizilor silicici – silicații. Acestea stau la baza producției de substanțe precum:

• sticlă;
• beton;
• ciment;
• zeolit;
• caolin;
• porţelan;
• faianţă;
• cristal;
• ceramică.

Silicații de metale alcaline sunt solubili, toți ceilalți nu. Prin urmare, silicatul de sodiu și potasiu se numește sticlă lichidă. Adezivul obișnuit de birou este sarea de sodiu a acidului silicic.

Dar cei mai interesanți compuși sunt încă sticla. Cu ce ​​variante ale acestei substanțe au venit! Astăzi primesc opțiuni color, optice, mate. Sticlăria uimește prin splendoarea și varietatea sa. Prin adăugarea anumitor oxizi metalici și nemetalici la amestec, se poate produce o mare varietate de tipuri de sticlă. Uneori, chiar și aceeași compoziție, dar procente diferite de componente duce la diferențe în proprietățile substanței. Un exemplu este porțelanul și faianța, a căror formulă este SiO 2 * AL 2 O 3 * K 2 O.

Aceasta este o formă de produs extrem de pur a cărui compoziție este descrisă ca dioxid de siliciu.

Descoperiri în domeniul compuşilor de siliciu

În ultimii câțiva ani de cercetare, s-a dovedit că siliciul și compușii săi sunt cei mai importanți participanți în starea normală a organismelor vii. Boli precum:

• tuberculoză;
• artrită;
• cataractă;
• lepră;
• dizenterie;
• reumatism;
• hepatită și altele.

Procesele de îmbătrânire ale organismului în sine sunt, de asemenea, asociate cu conținutul cantitativ de siliciu. Numeroase experimente pe mamifere au dovedit că cu o deficiență a elementului apar infarcte, accidente vasculare cerebrale, cancer și se activează virusul hepatitei.

Unul dintre cele mai comune elemente din natură este siliciul sau siliciul. O distribuție atât de largă indică importanța și semnificația acestei substanțe. Acest lucru a fost înțeles și învățat rapid de oamenii care au învățat cum să folosească corect siliciul în scopurile lor. Utilizarea sa se bazează pe proprietăți speciale, despre care vom discuta în continuare.

Siliciu - element chimic

Dacă caracterizăm un element dat prin poziție în tabelul periodic, putem identifica următoarele puncte importante:

1. Număr de serie - 14.
2. Perioada este a treia mică.
3. Grupa - IV.
4. Subgrupul este cel principal.
5. Structura învelișului electron exterior este exprimată prin formula 3s 2 3p 2.
6. Elementul siliciu este reprezentat de simbolul chimic Si, care se pronunță „siliciu”.
7. Stările de oxidare pe care le prezintă sunt: ​​-4; +2; +4.
8. Valența atomului este IV.
9. Masa atomică a siliciului este de 28,086.
10. În natură, există trei izotopi stabili ai acestui element cu numere de masă 28, 29 și 30.

Astfel, din punct de vedere chimic, atomul de siliciu este un element destul de studiat; multe dintre proprietățile sale diferite au fost descrise.

Istoria descoperirii

Deoarece diverși compuși ai elementului în cauză sunt foarte populari și abundenți în natură, din cele mai vechi timpuri oamenii au folosit și știut despre proprietățile multora dintre ei. Siliciul pur a rămas mult timp dincolo de cunoștințele umane în chimie.

Cei mai populari compuși folosiți în viața de zi cu zi și în industrie de către popoarele culturilor antice (egipteni, romani, chinezi, ruși, perși și alții) au fost pietrele prețioase și ornamentale pe bază de oxid de siliciu. Acestea includ:

• opal;
• stras;
• topaz;
• crisoprază;
• onix;
• calcedonie și altele.

De asemenea, se obișnuiește utilizarea cuarțului în construcții încă din cele mai vechi timpuri. Cu toate acestea, siliciul elementar în sine a rămas nedescoperit până în secolul al XIX-lea, deși mulți oameni de știință au încercat în zadar să-l izoleze de diferiți compuși, folosind catalizatori, temperaturi ridicate și chiar curent electric. Acestea sunt minți atât de strălucitoare ca:

• Karl Scheele;
• Gay-Lussac;
• Palmă a mâinii;
• Humphry Davy;
• Antoine Lavoisier.

Jens Jacobs Berzelius a reușit să obțină siliciu în forma sa pură în 1823. Pentru a face acest lucru, el a efectuat un experiment privind fuziunea vaporilor de fluorură de siliciu și potasiu metal. Ca urmare, am obținut o modificare amorfă a elementului în cauză. Aceiași oameni de știință au propus un nume latin pentru atomul descoperit.

Puțin mai târziu, în 1855, un alt om de știință - Sainte-Clair-Deville - a reușit să sintetizeze o altă varietate alotropă - siliciul cristalin. De atunci, cunoștințele despre acest element și proprietățile sale au început să se extindă foarte repede. Oamenii și-au dat seama că are caracteristici unice care pot fi folosite foarte inteligent pentru a-și satisface propriile nevoi. Prin urmare, astăzi unul dintre cele mai populare elemente din electronică și tehnologie este siliciul. Utilizarea sa își extinde limitele doar în fiecare an.

Numele rusesc pentru atom a fost dat de omul de știință Hess în 1831. Acesta este ceea ce a rămas până în ziua de azi.

În ceea ce privește abundența în natură, siliciul ocupă locul al doilea după oxigen. Procentul său în comparație cu alți atomi din scoarța terestră este de 29,5%. În plus, carbonul și siliciul sunt două elemente speciale care pot forma lanțuri prin legarea unul cu celălalt. De aceea, pentru acestea din urmă sunt cunoscute peste 400 de minerale naturale diferite, în care se găsește în litosferă, hidrosferă și biomasă.

Unde se găsește mai exact siliciul?

1. În straturile adânci ale solului.
2. În roci, depozite și masive.
3. Pe fundul corpurilor de apă, în special al mărilor și oceanelor.
4. În plante și viața marina din regnul animal.
5. În corpul uman și animalele terestre.

Putem identifica câteva dintre cele mai comune minerale și roci care conțin cantități mari de siliciu. Chimia lor este de așa natură încât conținutul de masă al elementului pur din ele ajunge la 75%. Cu toate acestea, cifra specifică depinde de tipul de material. Deci, roci și minerale care conțin siliciu:

• feldspați;
• mica;
• amfiboli;
• opale;
• calcedonie;
• silicati;
• gresii;
• aluminosilicați;
• argile si altele.

Acumulându-se în cochiliile și exoscheletele animalelor marine, siliciul formează în cele din urmă depozite puternice de siliciu pe fundul corpurilor de apă. Aceasta este una dintre sursele naturale ale acestui element.

În plus, s-a constatat că siliciul poate exista în forma sa nativă pură - sub formă de cristale. Dar astfel de depozite sunt foarte rare.

Proprietățile fizice ale siliciului

Dacă caracterizăm elementul luat în considerare în funcție de un set de proprietăți fizico-chimice, atunci în primul rând este necesar să desemnăm parametrii fizici. Iată câteva dintre cele principale:

1. Există sub forma a două modificări alotrope - amorfe și cristaline, care diferă în toate proprietățile.
2. Rețeaua cristalină este foarte asemănătoare cu cea a diamantului, deoarece carbonul și siliciul sunt practic la fel în acest sens. Cu toate acestea, distanța dintre atomi este diferită (siliciul este mai mare), astfel încât diamantul este mult mai dur și mai puternic. Tip zăbrele - cubică centrată pe față.
3. Substanța este foarte fragilă și devine plastică la temperaturi ridicate.
4. Punctul de topire este de 1415°C.
5. Punct de fierbere - 3250˚С.
6. Densitatea substanței este de 2,33 g/cm3.
7. Culoarea compusului este gri-argintiu, cu un luciu metalic caracteristic.
8. Are proprietăți semiconductoare bune, care pot varia odată cu adăugarea anumitor agenți.
9. Insolubil în apă, solvenți organici și acizi.
10. Solubil în mod specific în alcalii.

Proprietățile fizice identificate ale siliciului permit oamenilor să-l manipuleze și să-l folosească pentru a crea diverse produse. De exemplu, utilizarea siliciului pur în electronică se bazează pe proprietățile semiconductivității.

Proprietăți chimice

Proprietățile chimice ale siliciului sunt foarte dependente de condițiile de reacție. Dacă vorbim despre parametri standard, atunci trebuie să indicăm o activitate foarte scăzută. Atât siliciul cristalin, cât și cel amorf sunt foarte inert. Nu interacționează cu agenți oxidanți puternici (cu excepția fluorului) sau cu agenți reducători puternici.

Acest lucru se datorează faptului că pe suprafața substanței se formează instantaneu o peliculă de oxid de SiO 2, ceea ce previne interacțiunile ulterioare. Se poate forma sub influența apei, a aerului și a vaporilor.

Dacă modificați condițiile standard și încălziți siliciul la o temperatură de peste 400˚C, atunci activitatea sa chimică va crește foarte mult. În acest caz, va reacționa cu:

• oxigen;
• toate tipurile de halogeni;
• hidrogen.

Odată cu o creștere suplimentară a temperaturii, este posibilă formarea de produse prin interacțiunea cu borul, azotul și carbonul. Carborundum - SiC - este de o importanță deosebită, deoarece este un bun material abraziv.

De asemenea, proprietățile chimice ale siliciului sunt clar vizibile în reacțiile cu metalele. În raport cu acestea, este un agent oxidant, motiv pentru care produsele se numesc siliciuri. Compuși similari sunt cunoscuți pentru:

• alcalin;
• alcalino-pământos;
• metale de tranziție.

Compusul obținut prin topirea fierului și a siliciului are proprietăți neobișnuite. Se numește ceramică ferosilicioasă și este folosită cu succes în industrie.

Siliciul nu interacționează cu substanțe complexe, prin urmare, din toate soiurile lor, se poate dizolva numai în:

• aqua regia (un amestec de acizi azotic și clorhidric);
• alcalii caustici.

În acest caz, temperatura soluției trebuie să fie de cel puțin 60˚C. Toate acestea confirmă încă o dată baza fizică a substanței - o rețea cristalină stabilă asemănătoare unui diamant, care îi conferă rezistență și inerție.

Metode de obținere

Obținerea siliciului în forma sa pură este un proces destul de costisitor din punct de vedere economic. În plus, datorită proprietăților sale, orice metodă dă doar un produs pur 90-99%, în timp ce impuritățile sub formă de metale și carbon rămân toate la fel. Prin urmare, simpla obținere a substanței nu este suficientă. De asemenea, trebuie curățat bine de elemente străine.

În general, producția de siliciu se realizează în două moduri principale:

1. Din nisip alb, care este oxid de siliciu pur SiO2. Când este calcinat cu metale active (cel mai adesea magneziu), se formează un element liber sub forma unei modificări amorfe. Puritatea acestei metode este ridicată, produsul se obține cu un randament de 99,9 la sută.
2. O metodă mai răspândită la scară industrială este sinterizarea nisipului topit cu cocs în cuptoare termice specializate. Această metodă a fost dezvoltată de omul de știință rus N. N. Beketov.

Prelucrarea ulterioară implică supunerea produselor la metode de purificare. În acest scop se folosesc acizi sau halogeni (clor, fluor).

Siliciu amorf

Caracterizarea siliciului va fi incompletă dacă fiecare dintre modificările sale alotropice nu este luată în considerare separat. Prima dintre ele este amorfă. În această stare, substanța pe care o luăm în considerare este o pulbere maro-maroniu, fin dispersată. Are un grad ridicat de higroscopicitate și prezintă o activitate chimică destul de mare când este încălzit. În condiții standard, este capabil să interacționeze numai cu cel mai puternic agent oxidant - fluorul.

Nu este în întregime corect să numim siliciul amorf un tip de siliciu cristalin. Rețeaua sa arată că această substanță este doar o formă de siliciu fin dispersat, existent sub formă de cristale. Prin urmare, ca atare, aceste modificări sunt unul și același compus.

Cu toate acestea, proprietățile lor diferă, motiv pentru care se obișnuiește să se vorbească despre alotropie. Siliciul amorf în sine are o capacitate mare de absorbție a luminii. În plus, în anumite condiții, acest indicator este de câteva ori mai mare decât cel al formei cristaline. Prin urmare, este utilizat în scopuri tehnice. Sub această formă (pulbere), compusul se aplică cu ușurință pe orice suprafață, fie ea din plastic sau sticlă. Acesta este motivul pentru care siliciul amorf este atât de convenabil de utilizat. Aplicație bazată pe diferite dimensiuni.

Deși bateriile de acest tip se uzează destul de repede, ceea ce este asociat cu abraziunea unei pelicule subțiri a substanței, utilizarea și cererea lor sunt în creștere. La urma urmei, chiar și pe o durată scurtă de viață, bateriile solare bazate pe siliciu amorf pot furniza energie întregi întreprinderi. În plus, producția unei astfel de substanțe este fără deșeuri, ceea ce o face foarte economică.

Această modificare se obține prin reducerea compușilor cu metale active, de exemplu, sodiu sau magneziu.

Siliciu cristalin

Modificare strălucitoare gri-argintie a elementului în cauză. Această formă este cea mai comună și cea mai solicitată. Acest lucru se explică prin setul de proprietăți calitative pe care le posedă această substanță.

Caracteristicile siliciului cu o rețea cristalină includ clasificarea tipurilor sale, deoarece există mai multe dintre ele:

1. Calitate electronică - cea mai pură și cea mai înaltă calitate. Acest tip este folosit în electronică pentru a crea dispozitive deosebit de sensibile.
2. Calitate însorită. Numele în sine determină zona de utilizare. Este, de asemenea, siliciu de puritate destul de ridicată, a cărui utilizare este necesară pentru a crea celule solare de înaltă calitate și de lungă durată. Convertizoarele fotoelectrice create pe baza unei structuri cristaline sunt de calitate superioară și rezistente la uzură decât cele create folosind o modificare amorfă prin pulverizare pe diferite tipuri de substraturi.
3. Siliciu tehnic. Această varietate include acele mostre de substanță care conțin aproximativ 98% din elementul pur. Orice altceva merge la diferite tipuri de impurități:

• aluminiu;
• clor;
• carbon;
• fosfor și altele.

Ultimul tip de substanță în cauză este utilizat pentru a obține policristale de siliciu. În acest scop, se efectuează procese de recristalizare. Drept urmare, din punct de vedere al purității, se obțin produse care pot fi clasificate ca calitate solară și electronică.

Prin natura sa, polisiliciul este un produs intermediar între modificările amorfe și cristaline. Această opțiune este mai ușor de lucrat, este mai bine procesată și curățată cu fluor și clor.

Produsele rezultate pot fi clasificate după cum urmează:

• multisiliciu;
• monocristalin;
• cristale profilate;
• resturi de siliciu;
• siliciu tehnic;
• deșeuri de producție sub formă de fragmente și resturi de materie.

Fiecare dintre ele își găsește aplicație în industrie și este utilizat pe deplin de oameni. Prin urmare, cei care ating siliciul sunt considerați non-deșeuri. Acest lucru reduce semnificativ costul său economic fără a afecta calitatea.

Folosind siliciu pur

Producția industrială de siliciu este destul de bine stabilită, iar scara sa este destul de mare. Acest lucru se datorează faptului că acest element, atât pur, cât și sub formă de diverși compuși, este larg răspândit și solicitat în diferite ramuri ale științei și tehnologiei.

Unde se folosește siliciul cristalin și amorf în forma sa pură?

1. În metalurgie, ca aditiv de aliere capabil să modifice proprietățile metalelor și aliajelor acestora. Astfel, se folosește la topirea oțelului și a fontei.
2. Diferite tipuri de substanțe sunt folosite pentru a face o versiune mai pură - polisiliciu.
3. Compușii de siliciu reprezintă o întreagă industrie chimică care a câștigat o popularitate deosebită astăzi. Materialele organosilicioase sunt folosite în medicină, la fabricarea de vase, unelte și multe altele.
4. Fabricarea diverselor panouri solare. Această metodă de obținere a energiei este una dintre cele mai promițătoare în viitor. Ecologic, benefic din punct de vedere economic și rezistent la uzură sunt principalele avantaje ale acestui tip de generare de energie electrică.
5. Siliciul a fost folosit pentru brichete de foarte mult timp. Chiar și în cele mai vechi timpuri, oamenii foloseau silex pentru a produce o scânteie atunci când aprindeau focul. Acest principiu stă la baza producerii diferitelor tipuri de brichete. Astăzi există tipuri în care silexul este înlocuit cu un aliaj cu o anumită compoziție, care dă un rezultat și mai rapid (scântei).
6. Electronică și energie solară.
7. Fabricarea de oglinzi în dispozitive cu laser cu gaz.

Astfel, siliciul pur are o mulțime de proprietăți avantajoase și speciale care îi permit să fie folosit pentru a crea produse importante și necesare.

Aplicarea compușilor de siliciu

Pe lângă substanța simplă, sunt utilizați și diverși compuși de siliciu, și pe scară largă. Există o întreagă industrie numită silicat. Se bazează pe utilizarea diferitelor substanțe care conțin acest element uimitor. Care sunt acești compuși și ce se produce din ei?

1. Cuarț sau nisip de râu - SiO2. Folosit la fabricarea materialelor de construcție și decorative precum ciment și sticlă. Toată lumea știe unde sunt folosite aceste materiale. Nicio construcție nu poate fi finalizată fără aceste componente, ceea ce confirmă importanța compușilor de siliciu.
2. Ceramica de silicat, care include materiale precum faianța, porțelanul, cărămida și produse pe bază de acestea. Aceste componente sunt utilizate în medicină, în fabricarea de vase, bijuterii decorative, articole de uz casnic, în construcții și în alte domenii de zi cu zi ale activității umane.
3. - siliconi, silicageluri, uleiuri siliconice.
4. Adeziv silicat - folosit ca papetărie, în pirotehnică și construcții.

Siliciul, al cărui preț variază pe piața mondială, dar nu trece de sus în jos marca de 100 de ruble rusești pe kilogram (pe cristalin), este o substanță căutată și valoroasă. Desigur, compușii acestui element sunt, de asemenea, răspândiți și aplicabili.

Rolul biologic al siliciului

Din punctul de vedere al importanței sale pentru organism, siliciul este important. Conținutul și distribuția sa în țesuturi sunt după cum urmează:

• 0,002% - mușchi;
• 0,000017% - os;
• sânge - 3,9 mg/l.

Aproximativ un gram de siliciu trebuie ingerat în fiecare zi, altfel bolile vor începe să se dezvolte. Niciuna dintre ele nu este mortal, dar foamea prelungită de siliciu duce la:

• Pierderea parului;
• apariția acneei și a cosurilor;
• fragilitatea și fragilitatea oaselor;
• permeabilitate capilară ușoară;
• oboseală și dureri de cap;
• apariția a numeroase vânătăi și vânătăi.

Pentru plante, siliciul este un microelement important necesar pentru creșterea și dezvoltarea normală. Experimentele pe animale au arătat că acei indivizi care consumă zilnic cantități suficiente de siliciu cresc mai bine.