Silicon: ứng dụng, tính chất hóa học và vật lý

2024 Tác giả: Angel Austin | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-17 05:46

Một trong những nguyên tố phổ biến nhất trong tự nhiên là silicium, hoặc silicon. Sự phân bố rộng rãi như vậy đã nói lên tầm quan trọng và ý nghĩa của chất này. Điều này nhanh chóng được hiểu và áp dụng bởi những người học cách sử dụng silicon đúng cách cho các mục đích riêng của họ. Ứng dụng của nó dựa trên các thuộc tính đặc biệt mà chúng ta sẽ nói sau.

Silicon là một nguyên tố hóa học

Nếu chúng ta đặc trưng cho một nguyên tố nhất định theo vị trí trong hệ thống tuần hoàn, chúng ta có thể xác định những điểm quan trọng sau:

1. Số thứ tự - 14.
2. Kỳ là thứ ba nhỏ.
3. Nhóm - IV.
4. Nhóm phụ - chính.
5. Cấu trúc của lớp vỏ electron ngoài cùng được biểu thị bằng công thức 3s²3p².
6. Nguyên tố silicon được ký hiệu bằng ký hiệu hóa học Si, được phát âm là "silicium".
7. Các trạng thái oxi hóa mà nó thể hiện: -4; +2; + 4.
8. Hóa trị của nguyên tử là IV.
9. Khối lượng nguyên tử của silicon là 28.086.
10. Trong tự nhiên, có ba đồng vị bền của nguyên tố này với khối lượng 28, 29 và 30.

Vì vậy, nguyên tửTừ quan điểm hóa học, silicon là một nguyên tố đã được nghiên cứu kỹ lưỡng, nhiều đặc tính khác nhau của nó đã được mô tả.

Lịch sử khám phá

Vì các hợp chất khác nhau của nguyên tố đang được xem xét rất phổ biến và có hàm lượng lớn trong tự nhiên, nên từ thời cổ đại, con người đã sử dụng và biết về đặc tính của nhiều nguyên tố trong số đó. Silicon nguyên chất trong một thời gian dài vẫn nằm ngoài tầm hiểu biết của con người về hóa học.

Các hợp chất phổ biến nhất được sử dụng trong cuộc sống hàng ngày và công nghiệp của các dân tộc của các nền văn hóa cổ đại (người Ai Cập, La Mã, Trung Quốc, Nga, Ba Tư và những người khác) là đá quý và trang trí dựa trên oxit silic. Chúng bao gồm:

• opal;
• rhinestone;
• topaz;
• chrysoprase;
• mã não;
• chalcedony và các loại khác.

Người ta cũng đã có phong tục sử dụng thạch anh và cát thạch anh trong xây dựng từ xa xưa. Tuy nhiên, bản thân nguyên tố silic vẫn chưa được phát hiện cho đến thế kỷ 19, mặc dù nhiều nhà khoa học đã cố gắng cô lập nó từ các hợp chất khác nhau một cách vô ích, sử dụng chất xúc tác, nhiệt độ cao và thậm chí cả dòng điện. Đây là những tâm hồn tươi sáng như:

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

Jens Jacobs Berzelius đã thu được thành công silicon tinh khiết vào năm 1823. Để làm được điều này, ông đã tiến hành một thí nghiệm về sự kết hợp hơi của silic florua và kali kim loại. Kết quả là, anh ta nhận được một sửa đổi vô định hình của nguyên tố được đề cập. Cũng chính nhà khoa học này đã đề xuất một tên Latinh cho nguyên tử được phát hiện.

Một chút sau đó, vào năm 1855, một nhà khoa học khác - Saint Clair-Deville - đã tìm cách tổng hợp một giống dị hướng khác - silicon tinh thể. Kể từ đó, kiến thức về nguyên tố này và các đặc tính của nó bắt đầu phát triển rất nhanh. Mọi người nhận ra rằng nó có các tính năng độc đáo có thể được sử dụng rất thông minh để đáp ứng nhu cầu của riêng họ. Do đó, ngày nay một trong những nguyên tố được yêu cầu nhiều nhất trong điện tử và công nghệ là silicon. Việc sử dụng nó chỉ mở rộng ranh giới của nó mỗi năm.

Tên tiếng Nga cho nguyên tử do nhà khoa học Hess đặt vào năm 1831. Đó là những gì đã gắn bó cho đến ngày nay.

Chứa trong tự nhiên

Silicon có nhiều thứ hai trong tự nhiên sau oxy. Tỷ lệ phần trăm của nó so với các nguyên tử khác trong thành phần của vỏ trái đất là 29,5%. Ngoài ra, carbon và silicon là hai nguyên tố đặc biệt có thể tạo thành chuỗi bằng cách kết nối với nhau. Đó là lý do tại sao hơn 400 khoáng chất tự nhiên khác nhau được biết đến, trong đó nó được chứa trong thạch quyển, thủy quyển và sinh khối.

Silicon chính xác được tìm thấy ở đâu?

1. Ở tầng sâu của đất.
2. Trong đá, trầm tích và khối núi.
3. Ở dưới đáy của các vùng nước, đặc biệt là biển và đại dương.
4. Trong thực vật và sinh vật biển của vương quốc động vật.
5. Ở người và động vật trên cạn.

Có thể chỉ định một số khoáng chất và đá phổ biến nhất, chứa một lượng lớnsilicon. Hóa học của chúng là sao cho khối lượng của một nguyên tố nguyên chất trong chúng đạt 75%. Tuy nhiên, con số cụ thể còn tùy thuộc vào từng loại vật liệu. Vì vậy, đá và khoáng chất có chứa silic:

• fenspat;
• mica;
• lưỡng cực;
• opals;
• chalcedony;
• silicat;
• cát kết;
• aluminosilicates;
• đất sét và các loại khác.

Tích tụ trong vỏ và bộ xương bên ngoài của các loài động vật biển, silic cuối cùng tạo thành cặn silica cực mạnh ở đáy các thủy vực. Đây là một trong những nguồn tự nhiên của nguyên tố này.

Ngoài ra, người ta phát hiện ra rằng silicium có thể tồn tại ở dạng nguyên chất - ở dạng tinh thể. Nhưng những khoản tiền gửi như vậy rất hiếm.

Tính chất vật lý của silicon

Nếu bạn mô tả đặc tính của nguyên tố đang được xem xét bằng một tập hợp các tính chất vật lý và hóa học, thì trước hết, đó là các thông số vật lý cần được chỉ ra. Dưới đây là một số điều quan trọng:

1. Tồn tại ở dạng hai biến đổi dị hướng - vô định hình và tinh thể, khác nhau về tất cả các đặc tính.
2. Mạng tinh thể rất giống với mạng của kim cương, bởi vì carbon và silicon gần như giống nhau về mặt này. Tuy nhiên, khoảng cách giữa các nguyên tử là khác nhau (silicon có nhiều hơn) nên kim cương cứng và chắc hơn rất nhiều. Kiểu mạng - tâm mặt lập phương.
3. Chất này rất giòn, trở nên dẻo ở nhiệt độ cao.
4. Điểm nóng chảy là 1415˚C.
5. Nhiệt độđiểm sôi - 3250˚С.
6. Mật độ vật chất - 2,33 g / cm³.
7. Màu của kết nối là xám bạc, với ánh kim loại đặc trưng.
8. Có đặc tính bán dẫn tốt, có thể thay đổi khi bổ sung một số tác nhân.
9. Không tan trong nước, dung môi hữu cơ và axit.
10. Đặc biệt hòa tan trong kiềm.

Tính chất vật lý được chỉ định của silicon cho phép mọi người kiểm soát nó và sử dụng nó để tạo ra các sản phẩm khác nhau. Ví dụ, việc sử dụng silicon nguyên chất trong thiết bị điện tử dựa trên các đặc tính của chất bán dẫn.

Tính chất hóa học

Các tính chất hóa học của silicon rất phụ thuộc vào các điều kiện phản ứng. Nếu chúng ta nói về một chất tinh khiết ở các thông số tiêu chuẩn, thì chúng ta cần chỉ định một hoạt độ rất thấp. Cả silicon tinh thể và vô định hình đều rất trơ. Không tương tác với các chất oxy hóa mạnh (trừ flo), cũng như các chất khử mạnh.

Điều này là do màng oxit SiO₂được hình thành ngay lập tức trên bề mặt của chất, ngăn cản các tương tác tiếp theo. Nó có thể được hình thành dưới tác động của nước, không khí, hơi.

Nếu bạn thay đổi các điều kiện tiêu chuẩn và nung silicon đến nhiệt độ trên 400˚С, thì hoạt tính hóa học của nó sẽ tăng lên rất nhiều. Trong trường hợp này, nó sẽ phản ứng với:

• oxy;
• các loại halogen;
• hydro.

Với sự gia tăng nhiệt độ hơn nữa, sự hình thành các sản phẩm có thể xảy ra ởtương tác với bo, nitơ và cacbon. Đặc biệt quan trọng là carborundum - SiC, vì nó là vật liệu mài mòn tốt.

Ngoài ra, các tính chất hóa học của silicon được thấy rõ trong các phản ứng với kim loại. Trong mối quan hệ với họ, nó là một chất oxy hóa, do đó các sản phẩm được gọi là silicide. Các hợp chất tương tự được biết đến với:

• kiềm;
• kiềm thổ;
• kim loại chuyển tiếp.

Tính chất khác thường có một hợp chất thu được bằng cách nung chảy sắt và silic. Nó được gọi là gốm ferrosilicon và đã được sử dụng thành công trong ngành công nghiệp.

Silicon không tương tác với các chất phức tạp, do đó, trong tất cả các chất khác, nó chỉ có thể hòa tan trong:

• rượu vodka hoàng gia (hỗn hợp axit nitric và hydrochloric);
• kiềm ăn da.

Trong trường hợp này, nhiệt độ của dung dịch ít nhất phải là 60˚С. Tất cả điều này một lần nữa khẳng định cơ sở vật lý của chất - một mạng tinh thể ổn định giống như kim cương, mang lại cho nó sức mạnh và tính trơ.

Phương pháp đạt được

Lấy silicon nguyên chất là một quá trình khá tốn kém về mặt kinh tế. Ngoài ra, do tính chất của nó, bất kỳ phương pháp nào cũng chỉ cho sản phẩm nguyên chất từ 90-99%, còn các tạp chất ở dạng kim loại và cacbon vẫn được giữ nguyên. Vì vậy, chỉ lấy chất thôi là chưa đủ. Nó cũng phải được làm sạch về chất lượng khỏi các yếu tố ngoại lai.

Nói chung, việc sản xuất silicon được thực hiện theo hai cách chính:

1. Từ cát trắnglà oxit silic tinh khiết SiO₂. Khi nó được nung với các kim loại hoạt động (thường là với magiê), một nguyên tố tự do được hình thành dưới dạng biến đổi vô định hình. Độ tinh khiết của phương pháp này cao, sản phẩm thu được với hiệu suất 99,9%.
2. Một phương pháp phổ biến hơn ở quy mô công nghiệp là thiêu kết cát nóng chảy với than cốc trong các lò nhiệt chuyên dụng. Phương pháp này được phát triển bởi nhà khoa học người Nga Beketov N. N.

Quá trình xử lý tiếp theo bao gồm việc đưa sản phẩm vào các phương pháp làm sạch. Đối với điều này, axit hoặc halogen (clo, flo) được sử dụng.

Silicon vô định hình

Đặc tính của silicon sẽ không đầy đủ nếu chúng ta không xem xét riêng từng biến đổi dị hướng của nó. Cái đầu tiên là vô định hình. Ở trạng thái này, chất mà chúng ta đang xem xét là dạng bột màu nâu nâu, phân tán mịn. Nó có độ hút ẩm cao, thể hiện hoạt tính hóa học đủ cao khi đun nóng. Trong điều kiện tiêu chuẩn, nó chỉ có thể tương tác với chất oxy hóa mạnh nhất - flo.

Không hoàn toàn đúng khi gọi silicon vô định hình là một loại silicon tinh thể. Mạng tinh thể của nó cho thấy chất này chỉ là một dạng silic phân tán mịn tồn tại ở dạng tinh thể. Do đó, như vậy, những sửa đổi này là cùng một hợp chất.

Tuy nhiên, tính chất của chúng khác nhau, do đó, người ta thường nói về tính dị hướng. Tự nó, silicon vô định hình đãkhả năng hấp thụ ánh sáng cao. Ngoài ra, trong những điều kiện nhất định, chỉ tiêu này cao hơn nhiều lần so với ở dạng kết tinh. Do đó, nó được sử dụng cho các mục đích kỹ thuật. Ở dạng được xem xét (bột), hợp chất này dễ dàng áp dụng cho bất kỳ bề mặt nào, có thể là nhựa hoặc thủy tinh. Vì vậy, nó là silicon vô định hình rất thuận tiện cho việc sử dụng. Ứng dụng này dựa trên việc sản xuất các tấm pin mặt trời với nhiều kích cỡ khác nhau.

Mặc dù loại pin này hao mòn khá nhanh, dẫn đến mài mòn một lớp màng mỏng, tuy nhiên, nhu cầu sử dụng ngày càng tăng. Thật vậy, ngay cả trong thời gian sử dụng ngắn, pin mặt trời dựa trên silicon vô định hình vẫn có thể cung cấp năng lượng cho toàn bộ doanh nghiệp. Ngoài ra, việc sản xuất chất này không có chất thải nên rất tiết kiệm.

Nhận sửa đổi này bằng cách khử các hợp chất với kim loại hoạt động, chẳng hạn như natri hoặc magiê.

Silicon pha lê

Sửa đổi độ sáng bóng màu xám bạc của thành phần được đề cập. Đây là hình thức phổ biến nhất và có nhiều nhu cầu nhất. Điều này là do tập hợp các đặc tính định tính mà chất này sở hữu.

Đặc tính của silicon với mạng tinh thể bao gồm phân loại các loại của nó, vì có một số loại trong số chúng:

1. Chất lượng điện tử - chất lượng cao nhất và tinh khiết nhất. Đây là loại này được sử dụng trong điện tử để tạo ra các thiết bị đặc biệt nhạy cảm.
2. Nắng chất lượng. Chính cái tênxác định khu vực sử dụng. Nó cũng là một loại silicon có độ tinh khiết cao, việc sử dụng chúng là cần thiết để tạo ra các tế bào năng lượng mặt trời chất lượng cao và có tuổi thọ cao. Bộ chuyển đổi quang điện được tạo ra trên cơ sở cấu trúc tinh thể có chất lượng cao hơn và bền hơn so với những bộ chuyển đổi quang điện được tạo ra bằng cách biến đổi vô định hình bằng cách lắng đọng trên nhiều loại chất nền khác nhau.
3. Silicon kỹ thuật. Sự đa dạng này bao gồm những mẫu chất chứa khoảng 98% nguyên tố tinh khiết. Mọi thứ khác đều có nhiều loại tạp chất khác nhau:

• boron;
• nhôm;
• clo;
• cacbon;
• phốt pho và những thứ khác.

Loại cuối cùng của chất được đề cập được sử dụng để thu được đa tinh thể silicon. Đối với điều này, quá trình kết tinh lại được thực hiện. Kết quả là, về độ tinh khiết, các sản phẩm thu được có thể được quy cho các nhóm chất lượng năng lượng mặt trời và điện tử.

Về bản chất, polysilicon là sản phẩm trung gian giữa biến tính vô định hình và tinh thể. Tùy chọn này dễ làm việc hơn, nó được tái chế và làm sạch tốt hơn bằng flo và clo.

Các sản phẩm thu được có thể được phân loại như sau:

• multiilicon;
• đơn tinh thể;
• tinh thể định hình;
• phế liệu silicon;
• silicon kỹ thuật;
• chất thải sản xuất ở dạng mảnh vụn và mảnh vụn của vật chất.

Mỗi người trong số họ tìm thấy ứng dụng trong ngành và được sử dụngmột người hoàn toàn. Do đó, các quy trình sản xuất liên quan đến silicon được coi là không có chất thải. Điều này làm giảm đáng kể chi phí kinh tế của nó mà không ảnh hưởng đến chất lượng.

Sử dụng silicon nguyên chất

Sản xuất silicon trong ngành công nghiệp được thiết lập khá tốt, và quy mô của nó khá lớn. Điều này là do nguyên tố này, cả tinh khiết và ở dạng các hợp chất khác nhau, được phổ biến rộng rãi và có nhu cầu trong các ngành khoa học và công nghệ khác nhau.

Silicon tinh khiết và vô định hình được sử dụng ở đâu?

1. Trong luyện kim như một chất phụ gia tạo hợp kim có khả năng thay đổi tính chất của kim loại và hợp kim của chúng. Vì vậy, nó được sử dụng trong luyện thép và sắt.
2. Các loại chất khác nhau được sử dụng để tạo ra một phiên bản sạch hơn - polysilicon.
3. Hợp chất của silicon với các chất hữu cơ - đây là toàn bộ ngành công nghiệp hóa chất đã trở nên phổ biến ngày nay. Vật liệu silicone được sử dụng trong y tế, sản xuất bát đĩa, dụng cụ và nhiều hơn nữa.
4. Sản xuất các tấm pin mặt trời khác nhau. Phương pháp thu năng lượng này là một trong những phương pháp hứa hẹn nhất trong tương lai. Thân thiện với môi trường, tiết kiệm chi phí và bền - những ưu điểm chính của việc sản xuất điện như vậy.
5. Silicon đã được sử dụng trong bật lửa từ rất lâu. Ngay từ thời cổ đại, người ta đã sử dụng đá lửa để tạo ra tia lửa khi đốt lửa. Nguyên tắc này là cơ sở để sản xuất bật lửa các loại. Ngày nay có những loàiĐá lửa được thay thế bằng một hợp kim có thành phần nhất định, mang lại kết quả nhanh hơn (phát tia lửa).
6. Điện tử và năng lượng mặt trời.
7. Sản xuất gương trong thiết bị laser khí.

Vì vậy, silicon nguyên chất có rất nhiều đặc tính ưu việt và đặc biệt cho phép nó được sử dụng để tạo ra các sản phẩm quan trọng và cần thiết.

Ứng dụng của hợp chất silic

Ngoài một chất đơn giản, các hợp chất silicon khác nhau cũng được sử dụng và rất rộng rãi. Có cả một ngành công nghiệp được gọi là silicat. Đó là cô ấy dựa trên việc sử dụng các chất khác nhau, trong đó có yếu tố tuyệt vời này. Những hợp chất này là gì và chúng tạo ra cái gì?

1. Thạch anh, hoặc cát sông - SiO₂. Nó được sử dụng để sản xuất vật liệu xây dựng và trang trí như xi măng và kính. Những vật liệu này được sử dụng ở đâu thì mọi người đều biết. Không có công trình xây dựng nào hoàn thiện nếu không có những thành phần này, điều này khẳng định tầm quan trọng của các hợp chất silicon.
2. Gốm silicat, bao gồm các vật liệu như tiên, sứ, gạch và các sản phẩm dựa trên chúng. Các thành phần này được sử dụng trong y học, sản xuất bát đĩa, đồ trang trí trang trí, đồ gia dụng, trong xây dựng và các lĩnh vực gia đình khác có hoạt động của con người.
3. Hợp chất silicone - silicon, gel silica, dầu silicon.
4. Keo silicat - dùng làm văn phòng phẩm, trong pháo hoa và xây dựng.

Silicon, giá khác nhau trên thị trường thế giới, nhưng không chênh lệchtừ trên xuống dưới, mác 100 rúp của Liên bang Nga trên một kg (mỗi tinh thể), là một chất có giá trị và được săn lùng. Đương nhiên, các hợp chất của nguyên tố này cũng phổ biến và có thể áp dụng được.

Vai trò sinh học của silicon

Từ quan điểm về ý nghĩa đối với cơ thể, silicon là quan trọng. Nội dung và sự phân bố mô của nó như sau:

• 0, 002% - cơ bắp;
• 0, 000017% - xương;
• máu - 3,9 mg / l.

Mỗi ngày, khoảng một gam silicon nên đi vào bên trong, nếu không bệnh tật sẽ bắt đầu phát triển. Không có trường hợp chết người nào trong số đó, tuy nhiên, tình trạng đói silicon kéo dài dẫn đến:

• rụng tóc;
• xuất hiện mụn trứng cá và mụn nhọt;
• mong manh và dễ vỡ của xương;
• thẩm thấu mao mạch dễ dàng;
• mệt mỏi và đau đầu;
• xuất hiện nhiều vết thâm và vết thâm.

Đối với thực vật, silic là một nguyên tố vi lượng quan trọng cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển bình thường. Các thí nghiệm trên động vật đã chỉ ra rằng những cá nhân tiêu thụ đủ silicon hàng ngày sẽ phát triển tốt nhất.