סיליקון: יישום, תכונות כימיות ופיזיקליות

2024 מְחַבֵּר: Angel Austin | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-12-17 05:26

אחד היסודות הנפוצים ביותר בטבע הוא סיליקון, או סיליקון. תפוצה כה רחבה מדברת על החשיבות והמשמעות של החומר הזה. זה הבין ואומץ במהירות על ידי אנשים שלמדו כיצד להשתמש נכון בסיליקון למטרותיהם. היישום שלו מבוסס על מאפיינים מיוחדים, עליהם נדבר בהמשך.

סיליקון הוא יסוד כימי

אם נאפיין אלמנט נתון לפי מיקום במערכת המחזורית, נוכל לזהות את הנקודות החשובות הבאות:

1. מספר רגיל - 14.
2. התקופה היא השלישית הקטנה.
3. קבוצה - IV.
4. תת-קבוצה - ראשי.
5. מבנה מעטפת האלקטרון החיצונית מבוטא בנוסחה 3s²3p².
6. היסוד סיליקון מסומן בסמל הכימי Si, אשר מבוטא "סיליקיום".
7. מצבי החמצון שהוא מציג: -4; +2; +4.
8. הערך של אטום הוא IV.
9. מסה האטומית של סיליקון היא 28.086.
10. בטבע, ישנם שלושה איזוטופים יציבים של יסוד זה עם מספרי המסה 28, 29 ו-30.

אז האטוםמנקודת מבט כימית, סיליקון הוא יסוד שנחקר היטב, רבים מתכונותיו השונות תוארו.

היסטוריית גילוי

מכיוון שהתרכובות השונות של היסוד הנבדקות הן מאוד פופולריות ומסיביות בתוכן בטבע, מימי קדם אנשים השתמשו וידעו על תכונותיהם של רבים מהם. סיליקון טהור במשך זמן רב נותר מעבר לידע האנושי בכימיה.

התרכובות הפופולריות ביותר ששימשו בחיי היומיום ובתעשייה על ידי עמי התרבויות העתיקות (מצרים, רומאים, סינים, רוסים, פרסים ואחרים) היו אבנים יקרות ונוי המבוססות על תחמוצת סיליקון. אלה כוללים:

• opal;
• rhinestone;
• topaz;
• chrysoprase;
• onyx;
• chalcedony ואחרים.

גם נהוג להשתמש בקוורץ וחול קוורץ בבנייה עוד מימי קדם. עם זאת, הסיליקון היסודי עצמו נותר בלתי נתגלה עד המאה ה-19, אם כי מדענים רבים ניסו לשווא לבודד אותו מתרכובות שונות, תוך שימוש בזרזים, טמפרטורות גבוהות ואפילו זרם חשמלי. אלו מוחות בהירים כמו:

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

Jens Jacobs Berzelius הצליח להשיג סיליקון טהור בהצלחה ב-1823. לשם כך, הוא ערך ניסוי על היתוך של אדי סיליקון פלואוריד ואשלגן מתכתי. כתוצאה מכך, הוא קיבל שינוי אמורפי של היסוד המדובר. אותו מדען הציע שם לטיני לאטום שהתגלה.

מעט מאוחר יותר, בשנת 1855, הצליח מדען אחר - Saint Clair-Deville - לסנתז זן אלוטרופי נוסף - סיליקון גבישי. מאז, הידע על יסוד זה ותכונותיו החל לצמוח מהר מאוד. אנשים הבינו שיש לו תכונות ייחודיות שניתן להשתמש בהן בצורה חכמה מאוד כדי לענות על הצרכים שלהם. לכן, כיום אחד האלמנטים המבוקשים ביותר באלקטרוניקה ובטכנולוגיה הוא סיליקון. השימוש בו רק מרחיב את גבולותיו מדי שנה.

השם הרוסי לאטום ניתן על ידי המדען הס ב-1831. זה מה שדבק עד היום.

כולל בטבע

סיליקון הוא השני בשכיחותו בטבע אחרי חמצן. אחוזו בהשוואה לאטומים אחרים בהרכב קרום כדור הארץ הוא 29.5%. בנוסף, פחמן וסיליקון הם שני יסודות מיוחדים שיכולים ליצור שרשראות על ידי חיבור זה עם זה. לכן ידועים יותר מ-400 מינרלים טבעיים שונים עבור האחרון, שבהם הוא כלול בליתוספירה, בהידרוספירה וביומסה.

איפה בדיוק נמצא סיליקון?

1. בשכבות העמוקות של האדמה.
2. בסלעים, מרבצים ומסיפים.
3. בקרקעית מקווי מים, במיוחד ימים ואוקיינוסים.
4. בצמחים ובחיים הימיים של ממלכת החיות.
5. בבני אדם ובחיות יבשה.

אפשר לציין כמה מהמינרלים והסלעים הנפוצים ביותר, המכילים כמות גדולה שלסִילִיקוֹן. הכימיה שלהם היא כזו שתכולת המסה של יסוד טהור בהם מגיעה ל-75%. עם זאת, הנתון הספציפי תלוי בסוג החומר. אז, סלעים ומינרלים המכילים סיליקון:

• feldspars;
• mica;
• amphiboles;
• opals;
• chalcedony;
• silicates;
• אבני חול;
• aluminosilicates;
• חימר ואחרים.

הצטבר בקונכיות ובשלדים החיצוניים של בעלי חיים ימיים, סיליקון יוצר בסופו של דבר מרבצים רבי עוצמה של סיליקה בתחתית מקווי המים. זהו אחד המקורות הטבעיים של יסוד זה.

בנוסף, נמצא שסיליקיום יכול להתקיים בצורתו המקומית הטהורה - בצורת גבישים. אבל הפקדות כאלה נדירות מאוד.

מאפיינים פיזיים של סיליקון

אם אתה מאפיין את היסוד הנחשב לפי קבוצה של תכונות פיסיקליות וכימיות, אז קודם כל, יש לציין את הפרמטרים הפיזיקליים. הנה כמה מפתחות:

1. קיים בצורה של שני שינויים אלוטרופיים - אמורפי וקריסטלי, הנבדלים זה מזה בכל המאפיינים.
2. סריג הגביש דומה מאוד לזה של יהלום, מכיוון שפחמן וסיליקון כמעט זהים מבחינה זו. עם זאת, המרחק בין האטומים שונה (בסיליקון יש יותר), כך שהיהלום הרבה יותר קשה וחזק. סוג סריג - מרוכז פנים מעוקב.
3. החומר שביר מאוד, הופך לפלסטיק בטמפרטורות גבוהות.
4. נקודת ההיתוך היא 1415˚C.
5. טמפרטורהנקודת רתיחה - 3250˚С.
6. צפיפות החומר - 2.33 גרם/ס"מ³.
7. צבע החיבור אפור-כסף, עם ברק מתכתי אופייני.
8. בעל מאפייני מוליכים למחצה טובים, שיכולים להשתנות עם הוספת סוכנים מסוימים.
9. לא מסיס במים, ממסים אורגניים וחומצות.
10. מסיס במיוחד באלקליות.

מאפיינים פיזיים ייעודיים של סיליקון מאפשרים לאנשים לשלוט בו ולהשתמש בו כדי ליצור מוצרים שונים. לדוגמה, השימוש בסיליקון טהור באלקטרוניקה מבוסס על תכונות של מוליכות למחצה.

מאפיינים כימיים

התכונות הכימיות של סיליקון תלויות מאוד בתנאי התגובה. אם אנחנו מדברים על חומר טהור בפרמטרים סטנדרטיים, אז אנחנו צריכים לייעד פעילות נמוכה מאוד. גם סיליקון גבישי וגם אמורפי אינרטי מאוד. אין לקיים אינטראקציה עם חומרים מחמצנים חזקים (למעט פלואור), וגם לא עם חומרים מפחיתים חזקים.

זה נובע מהעובדה שסרט תחמוצת SiO₂ נוצר באופן מיידי על פני החומר, מה שמונע אינטראקציות נוספות. זה יכול להיווצר בהשפעת מים, אוויר, אדים.

אם תשנה את התנאים הסטנדרטיים ותחמם סיליקון לטמפרטורה מעל 400˚С, הפעילות הכימית שלו תגדל מאוד. במקרה זה, הוא יגיב ב:

• oxygen;
• כל מיני הלוגנים;
• מימן.

עם עלייה נוספת בטמפרטורה, היווצרות מוצרים אפשרית באינטראקציה עם בורון, חנקן ופחמן. חשיבות מיוחדת היא קרבורונדום - SiC, מכיוון שהוא חומר שוחק טוב.

כמו כן, התכונות הכימיות של סיליקון נראות בבירור בתגובות עם מתכות. ביחס אליהם, זהו חומר מחמצן, ולכן המוצרים נקראים סיליקידים. תרכובות דומות ידועות ב:

• alkaline;
• אדמה בסיסית;
• מתכות מעבר.

למאפיינים יוצאי דופן יש תרכובת המתקבלת על ידי מיזוג ברזל וסיליקון. זה נקרא קרמיקה פרוסיליקון והוא שימש בהצלחה בתעשייה.

סיליקון אינו יוצר אינטראקציה עם חומרים מורכבים, לכן, מכל הזנים שלהם, הוא יכול להתמוסס רק ב:

• וודקה מלכותית (תערובת של חומצות חנקתיות וחומצות הידרוכלוריות);
• אלקליות קאוסטיות.

במקרה זה, הטמפרטורה של התמיסה צריכה להיות לפחות 60˚С. כל זה שוב מאשר את הבסיס הפיזי של החומר - סריג קריסטל יציב דמוי יהלום, המעניק לו חוזק ואינרטיות.

שיטות להשגה

השגת סיליקון טהור היא תהליך יקר למדי מבחינה כלכלית. בנוסף, בשל תכונותיה, כל שיטה נותנת רק 90-99% תוצר טהור, בעוד זיהומים בצורת מתכות ופחמן נשארים זהים. אז רק לקבל את החומר זה לא מספיק. יש גם לנקות אותו באופן איכותי מאלמנטים זרים.

באופן כללי, ייצור הסיליקון מתבצע בשתי דרכים עיקריות:

1. מהחול הלבןשהוא תחמוצת סיליקון טהורה SiO₂. כאשר הוא מבושל עם מתכות פעילות (לרוב עם מגנזיום), נוצר יסוד חופשי בצורה של שינוי אמורפי. הטוהר של שיטה זו הוא גבוה, המוצר מתקבל עם 99.9 אחוז תשואה.
2. שיטה נפוצה יותר בקנה מידה תעשייתי היא סינטרה של חול מותך עם קולה בכבשנים תרמיים מיוחדים. שיטה זו פותחה על ידי המדען הרוסי Beketov N. N.

עיבוד נוסף כולל הכפפת המוצרים לשיטות ניקוי. לשם כך משתמשים בחומצות או הלוגנים (כלור, פלואור).

סיליקון אמורפי

אפיון הסיליקון לא יהיה שלם אם לא נשקול בנפרד כל אחד מהשינויים האלוטרופיים שלו. הראשון אמורפי. במצב זה, החומר שאנו שוקלים הוא אבקה חומה-חומה, מפוזרת דק. יש לו רמה גבוהה של היגרוסקופיות, מפגין פעילות כימית גבוהה מספיק בחימום. בתנאים סטנדרטיים, הוא יכול לקיים אינטראקציה רק עם חומר החמצון החזק ביותר - פלואור.

זה לא לגמרי נכון לקרוא לסיליקון אמורפי מגוון של סיליקון גבישי. הסריג שלו מראה שחומר זה הוא רק צורה של סיליקון מפוזר דק הקיים בצורה של גבישים. לכן, ככאלה, שינויים אלה הם אותה תרכובת.

עם זאת, תכונותיהם שונות, לכן נהוג לדבר על אלוטרופיה. כשלעצמו, יש לסיליקון אמורפייכולת ספיגת אור גבוהה. בנוסף, בתנאים מסוימים, אינדיקטור זה גבוה פי כמה מזה של הצורה הגבישית. לכן, הוא משמש למטרות טכניות. בצורה הנחשבת (אבקה), התרכובת מיושמת בקלות על כל משטח, בין אם זה פלסטיק או זכוכית. לכן, זהו סיליקון אמורפי שכל כך נוח לשימוש. האפליקציה מבוססת על ייצור פאנלים סולאריים בגדלים שונים.

למרות שהבלאי של סוללות מסוג זה די מהיר, מה שקשור לשחיקה של סרט דק של החומר, עם זאת, השימוש והביקוש רק הולכים וגדלים. ואכן, אפילו בחיי שירות קצרים, תאים סולאריים המבוססים על סיליקון אמורפי מסוגלים לספק אנרגיה למפעלים שלמים. בנוסף, ייצור חומר כזה הוא ללא פסולת, מה שהופך אותו לחסכוני מאוד.

קבל את השינוי הזה על ידי הפחתת תרכובות עם מתכות פעילות, כגון נתרן או מגנזיום.

סיליקון קריסטל

שינוי מבריק בצבע אפור כסף של האלמנט המדובר. צורה זו היא הנפוצה והמבוקשת ביותר. זה נובע מקבוצת התכונות האיכותיות שיש לחומר הזה.

המאפיין של סיליקון עם סריג קריסטל כולל סיווג של סוגיו, מכיוון שיש כמה מהם:

1. איכות אלקטרונית - הטהורה והאיכותית ביותר. סוג זה משמש באלקטרוניקה ליצירת מכשירים רגישים במיוחד.
2. איכות שטופת שמש. השם עצמומגדיר את תחום השימוש. זהו גם סיליקון בטוהר גבוה, שהשימוש בו הכרחי ליצירת תאים סולאריים איכותיים ועמידים לאורך זמן. ממירים פוטו-וולטאיים שנוצרו על בסיס מבנה גבישי הם איכותיים ועמידים יותר מאלה שנוצרו באמצעות שינוי אמורפי על ידי שקיעה על סוגים שונים של מצעים.
3. סיליקון טכני. מגוון זה כולל את אותן דוגמאות של חומר המכילות כ-98% מהיסוד הטהור. כל השאר הולך לסוגים שונים של זיהומים:

• boron;
• aluminium;
• כלור;
• carbon;
• פוספור ואחרים.

הזן האחרון של החומר המדובר משמש להשגת פוליקריסטלים של סיליקון. לשם כך מתבצעים תהליכי התגבשות מחדש. כתוצאה מכך, מבחינת טוהר, מתקבלים מוצרים שניתן לשייך לקבוצות האיכות הסולארית והאלקטרונית.

מטבעו, פוליסיליקון הוא תוצר ביניים בין שינוי אמורפי לשינוי גבישי. אפשרות זו קלה יותר לעבודה, היא עדיף למחזר ולנקות אותה עם פלואור וכלור.

ניתן לסווג את המוצרים המתקבלים באופן הבא:

• multicilicon;
• מונוקריסטלי;
• קריסטלים עם פרופיל;
• פסולת סיליקון;
• סיליקון טכני;
• פסולת ייצור בצורת שברים ושאריות של חומר.

כל אחד מהם מוצא יישום בתעשייה ונמצא בשימושאדם לחלוטין. לכן, תהליכי ייצור הכוללים סיליקון נחשבים ללא פסולת. זה מפחית מאוד את העלות הכלכלית שלו מבלי להשפיע על האיכות.

שימוש בסיליקון טהור

ייצור הסיליקון בתעשייה מבוסס די טוב, והיקפו גדול למדי. זאת בשל העובדה כי יסוד זה, הן טהור והן בצורה של תרכובות שונות, נפוץ ומבוקש בענפים שונים של מדע וטכנולוגיה.

היכן משתמשים בסיליקון גבישי ואמורפי טהור?

1. במטלורגיה כתוסף סגסוג המסוגל לשנות את תכונות המתכות והסגסוגות שלהן. אז, הוא משמש בהתכה של פלדה וברזל.
2. סוגים שונים של חומרים משמשים לייצור גרסה נקייה יותר - פוליסיליקון.
3. תרכובות של סיליקון עם חומרים אורגניים - זוהי תעשייה כימית שלמה שזכתה לפופולריות מיוחדת כיום. חומרי סיליקון משמשים ברפואה, בייצור כלים, כלי עבודה ועוד הרבה יותר.
4. ייצור פאנלים סולאריים שונים. שיטה זו להשגת אנרגיה היא אחת המבטיחות ביותר בעתיד. ידידותית לסביבה, חסכונית ועמידה - היתרונות העיקריים של ייצור חשמל כזה.
5. סיליקון נמצא בשימוש במציתים במשך זמן רב מאוד. אפילו בימי קדם, אנשים השתמשו בצור כדי ליצור ניצוץ בעת הדלקת אש. עקרון זה הוא הבסיס לייצור מציתים מסוגים שונים. כיום ישנם מינים שבהםהצור מוחלף בסגסוגת בהרכב מסוים, מה שנותן תוצאה מהירה עוד יותר (ניצוץ).
6. אלקטרוניקה ואנרגיה סולארית.
7. ייצור מראות במכשירי לייזר גז.

לכן, לסיליקון טהור יש הרבה תכונות מועילות ומיוחדות המאפשרות להשתמש בו ליצירת מוצרים חשובים והכרחיים.

יישום של תרכובות סיליקון

בנוסף לחומר פשוט, נעשה שימוש גם בתרכובות סיליקון שונות, ובאופן נרחב מאוד. יש ענף שלם של תעשייה שנקרא סיליקט. היא זו שמתבססת על שימוש בחומרים שונים, הכוללים את האלמנט המדהים הזה. מהן התרכובות הללו ומה הן מייצרות?

1. קוורץ, או חול נהר - SiO₂. הוא משמש לייצור חומרי בניין ודקורטיביים כגון מלט וזכוכית. היכן משתמשים בחומרים אלה, כולם יודעים. שום בנייה אינה שלמה ללא רכיבים אלה, מה שמאשר את החשיבות של תרכובות סיליקון.
2. קרמיקה סיליקט, הכוללת חומרים כמו פאיאנס, פורצלן, לבנים ומוצרים המבוססים עליהם. רכיבים אלו משמשים ברפואה, בייצור כלים, חפצי נוי, חפצי בית, בבנייה ובאזורים ביתיים אחרים של פעילות אנושית.
3. תרכובות סיליקון - סיליקונים, סיליקה ג'לים, שמני סיליקון.
4. דבק סיליקט - משמש ככלי כתיבה, בפירוטכניקה ובבנייה.

סיליקון שמחירו משתנה בשוק העולמי, אך אינו חוצהמלמעלה למטה, הסימן של 100 רובל של הפדרציה הרוסית לק ג (לגביש), הוא חומר מבוקש ויקר ערך. באופן טבעי, גם תרכובות של יסוד זה נפוצות וישימות.

התפקיד הביולוגי של הסיליקון

מנקודת מבט של משמעות לגוף, הסיליקון חשוב. התוכן ותפוצת הרקמות שלו היא כדלקמן:

• 0, 002% - שרירי;
• 0, 000017% - עצם;
• דם - 3.9 מ"ג/ליטר.

כל יום, בערך גרם אחד של סיליקון אמור להיכנס פנימה, אחרת יתחילו להתפתח מחלות. אין קטלניים ביניהם, עם זאת, רעב ממושך בסיליקון מוביל ל:

• נשירת שיער;
• הופעת אקנה ופצעונים;
• שבירות ושבריריות של עצמות;
• חדירות נימי קלה;
• עייפות וכאבי ראש;
• הופעתם של חבורות וחבורות רבות.

לצמחים, סיליקון הוא יסוד קורט חשוב הנחוץ לצמיחה והתפתחות תקינים. ניסויים בבעלי חיים הראו שאנשים שצורכים מספיק סיליקון מדי יום גדלים הכי טוב.