سیلیکون: کاربرد، خواص شیمیایی و فیزیکی

2024 نویسنده: Angel Austin | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-17 05:24

یکی از رایج ترین عناصر در طبیعت سیلیسیم یا سیلیکون است. چنین توزیع گسترده ای از اهمیت و اهمیت این ماده صحبت می کند. این به سرعت توسط افرادی که یاد گرفتند چگونه از سیلیکون به درستی برای اهداف خود استفاده کنند، درک و پذیرفته شد. کاربرد آن بر اساس ویژگی های خاصی است که بعداً در مورد آنها صحبت خواهیم کرد.

سیلیکون یک عنصر شیمیایی است

اگر یک عنصر معین را با موقعیت در سیستم تناوبی مشخص کنیم، می توانیم نکات مهم زیر را شناسایی کنیم:

1. شماره ترتیبی - 14.
2. دوره سومین دوره کوچک است.
3. گروه - IV.
4. زیرگروه - اصلی.
5. ساختار لایه الکترونی خارجی با فرمول 3s²3p² بیان می شود.
6. عنصر سیلیکون با نماد شیمیایی Si نشان داده می شود که "سیلیسیم" تلفظ می شود.
7. وضعیت اکسیداسیون نشان می دهد: -4; +2; +4.
8. ظرفیت یک اتم IV است.
9. جرم اتمی سیلیکون 28.086 است.
10. در طبیعت، سه ایزوتوپ پایدار از این عنصر با اعداد جرمی 28، 29 و 30 وجود دارد.

پس اتماز نقطه نظر شیمیایی، سیلیکون عنصری است که به خوبی مطالعه شده است، بسیاری از خواص مختلف آن شرح داده شده است.

تاریخچه کشف

از آنجایی که ترکیبات مختلف عنصر مورد بررسی هستند که در طبیعت بسیار محبوب و گسترده هستند، از زمان های قدیم مردم از خواص بسیاری از آنها استفاده می کردند و از آنها اطلاع داشتند. سیلیکون خالص برای مدت طولانی فراتر از دانش بشر در شیمی باقی ماند.

محبوب ترین ترکیبات مورد استفاده در زندگی روزمره و صنعت توسط مردمان فرهنگ های باستانی (مصری ها، رومی ها، چینی ها، روس ها، ایرانی ها و دیگران) سنگ های قیمتی و زینتی بر پایه اکسید سیلیکون بودند. این موارد عبارتند از:

• opal;
• بدلیجات;
• توپاز;
• کریزوپراز؛
• onyx;
• کلسدونی و دیگران.

همچنین از قدیم الایام استفاده از کوارتز و ماسه کوارتز در ساختمان سازی مرسوم بوده است. با این حال، خود سیلیکون عنصری تا قرن نوزدهم کشف نشده باقی ماند، اگرچه بسیاری از دانشمندان تلاش بیهوده ای برای جداسازی آن از ترکیبات مختلف با استفاده از کاتالیزورها، دمای بالا و حتی جریان الکتریکی داشتند. اینها ذهن های روشنی هستند مانند:

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

Jens Jacobs Berzelius موفق شد در سال 1823 سیلیکون خالص را به دست آورد. برای انجام این کار، او آزمایشی را بر روی همجوشی بخارات سیلیکون فلوراید و پتاسیم فلزی انجام داد. در نتیجه، او تغییر بی شکل عنصر مورد نظر را دریافت کرد. همان دانشمند یک نام لاتین برای اتم کشف شده پیشنهاد کرد.

کمی بعد، در سال 1855، دانشمند دیگری - Saint Clair-Deville - موفق به سنتز یک نوع آلوتروپیک دیگر - سیلیکون کریستالی شد. از آن زمان، دانش در مورد این عنصر و خواص آن بسیار سریع شروع به رشد کرد. مردم متوجه شدند که ویژگی‌های منحصر به فردی دارد که می‌توان از آن به‌طور هوشمندانه برای رفع نیازهای خود استفاده کرد. بنابراین، امروزه یکی از عناصر مورد تقاضا در الکترونیک و فناوری، سیلیکون است. استفاده از آن تنها هر سال مرزهای خود را گسترش می دهد.

نام روسی اتم توسط دانشمند هس در سال 1831 داده شد. این چیزی است که تا به امروز باقی مانده است.

موجود در طبیعت

سیلیکون بعد از اکسیژن دومین فراوانی در طبیعت است. درصد آن در مقایسه با سایر اتم ها در ترکیب پوسته زمین 29.5 درصد است. علاوه بر این، کربن و سیلیکون دو عنصر خاص هستند که می توانند با اتصال به یکدیگر زنجیره تشکیل دهند. به همین دلیل است که بیش از 400 کانی طبیعی مختلف برای ماده دوم شناخته شده است که در لیتوسفر، هیدروسفر و زیست توده موجود است.

سیلیکون دقیقاً کجا یافت می شود؟

1. در لایه های عمیق خاک.
2. در سنگ‌ها، نهشته‌ها و توده‌ها.
3. در کف توده های آبی، به ویژه دریاها و اقیانوس ها.
4. در گیاهان و حیات دریایی قلمرو حیوانات.
5. در انسان و حیوانات خشکی.

می توان چند مورد از رایج ترین کانی ها و سنگ ها را که حاوی مقدار زیادیسیلیکون شیمی آنها به گونه ای است که محتوای جرمی یک عنصر خالص در آنها به 75 درصد می رسد. با این حال، رقم خاص به نوع ماده بستگی دارد. بنابراین، سنگ ها و مواد معدنی حاوی سیلیکون:

• فلدسپات;
• میکا;
• آمفیبول;
• opals;
• کلسدونی؛
• سیلیکات;
• ماسه سنگ;
• آلومینوسیلیکات;
• clays و دیگران.

سیلیکون با تجمع در پوسته ها و اسکلت های بیرونی حیوانات دریایی، در نهایت رسوبات قدرتمندی از سیلیس را در کف بدنه های آبی تشکیل می دهد. این یکی از منابع طبیعی این عنصر است.

علاوه بر این، مشخص شد که سیلیسیم می تواند به شکل طبیعی خالص خود - به شکل کریستال - وجود داشته باشد. اما چنین سپرده‌هایی بسیار نادر هستند.

خواص فیزیکی سیلیکون

اگر عنصر مورد نظر را با مجموعه ای از خواص فیزیکی و شیمیایی مشخص کنید، اول از همه، این پارامترهای فیزیکی هستند که باید نشان داده شوند. در اینجا چند مورد کلیدی وجود دارد:

1. به شکل دو تغییر آلوتروپیک وجود دارد - آمورف و کریستالی که در همه خواص متفاوت هستند.
2. شبکه کریستالی بسیار شبیه به الماس است، زیرا کربن و سیلیکون از این نظر تقریباً یکسان هستند. با این حال، فاصله بین اتم ها متفاوت است (سیلیکون بیشتر است)، بنابراین الماس بسیار سخت تر و قوی تر است. نوع مشبک - مکعبی در مرکز.
3. این ماده بسیار شکننده است، در دمای بالا تبدیل به پلاستیک می شود.
4. نقطه ذوب 1415 درجه سانتیگراد است.
5. دمانقطه جوش - 3250˚С.
6. چگالی ماده - 2.33 g/cm³.
7. رنگ اتصال خاکستری نقره‌ای، با درخشندگی متالیک مشخص است.
8. دارای خواص نیمه هادی خوبی است که می تواند با افزودن برخی عوامل متفاوت باشد.
9. نامحلول در آب، حلال های آلی و اسیدها.
10. به طور خاص در قلیاها محلول است.

خواص فیزیکی تعیین شده سیلیکون به افراد اجازه می دهد آن را کنترل کرده و از آن برای تولید محصولات مختلف استفاده کنند. به عنوان مثال، استفاده از سیلیکون خالص در الکترونیک بر اساس خواص نیمه رسانایی است.

خواص شیمیایی

خواص شیمیایی سیلیکون بسیار به شرایط واکنش بستگی دارد. اگر در مورد یک ماده خالص با پارامترهای استاندارد صحبت کنیم، باید یک فعالیت بسیار کم را تعیین کنیم. سیلیکون کریستالی و آمورف هر دو بسیار بی اثر هستند. با عوامل اکسید کننده قوی (به جز فلوئور) و یا با عوامل کاهنده قوی تعامل نکنید.

این به این دلیل است که یک فیلم اکسید SiO₂ فوراً روی سطح ماده تشکیل می شود که از فعل و انفعالات بیشتر جلوگیری می کند. می تواند تحت تأثیر آب، هوا، بخارات تشکیل شود.

اگر شرایط استاندارد را تغییر دهید و سیلیکون را تا دمای بالای 400 درجه سانتیگراد گرم کنید، فعالیت شیمیایی آن بسیار افزایش می یابد. در این مورد، با:

واکنش نشان می دهد

• اکسیژن؛
• انواع هالوژن؛
• هیدروژن.

با افزایش بیشتر دما، تشکیل محصولات دربرهمکنش با بور، نیتروژن و کربن. کربوراندوم - SiC از اهمیت ویژه ای برخوردار است، زیرا یک ماده ساینده خوب است.

همچنین، خواص شیمیایی سیلیکون به وضوح در واکنش با فلزات مشاهده می شود. در رابطه با آنها، یک عامل اکسید کننده است، بنابراین محصولات را سیلیسید می نامند. ترکیبات مشابه برای:

شناخته شده است

• قلیایی؛
• زمین قلیایی؛
• فلزات واسطه.

خواص غیرمعمول ترکیبی است که از همجوشی آهن و سیلیکون به دست می آید. این سرامیک فروسیلیکون نامیده می شود و با موفقیت در صنعت استفاده شده است.

سیلیکون با مواد پیچیده تعامل ندارد، بنابراین، از همه انواع آنها، تنها می تواند در:

حل شود.

• ودکای سلطنتی (مخلوطی از اسیدهای نیتریک و هیدروکلریک)؛
• قلیاهای سوزاننده.

در این حالت دمای محلول باید حداقل 60 درجه سانتیگراد باشد. همه اینها یک بار دیگر پایه فیزیکی ماده را تأیید می کند - یک شبکه کریستالی پایدار شبیه الماس که به آن قدرت و بی اثری می بخشد.

روش های به دست آوردن

دستیابی به سیلیکون خالص از نظر اقتصادی یک فرآیند نسبتاً پرهزینه است. علاوه بر این، با توجه به خواص آن، هر روشی تنها 90-99٪ محصول خالص می دهد، در حالی که ناخالصی ها به شکل فلزات و کربن یکسان باقی می مانند. بنابراین فقط دریافت ماده کافی نیست. همچنین باید از نظر کیفی از عناصر خارجی تمیز شود.

به طور کلی تولید سیلیکون به دو روش اصلی انجام می شود:

1. از ماسه سفیدکه اکسید سیلیکون خالص SiO₂ است. هنگامی که با فلزات فعال (اغلب با منیزیم) کلسینه می شود، یک عنصر آزاد به شکل یک اصلاح آمورف تشکیل می شود. خلوص این روش بالا است، محصول با بازده 99.9 درصد به دست می آید.
2. روش گسترده تر در مقیاس صنعتی، تف جوشی ماسه مذاب با کک در کوره های حرارتی تخصصی است. این روش توسط دانشمند روسی Beketov N. N.

توسعه داده شده است.

فرآوری بیشتر شامل قرار دادن محصولات به روش های تمیز کردن است. برای این کار از اسیدها یا هالوژن ها (کلر، فلوئور) استفاده می شود.

سیلیکون آمورف

اگر هر یک از اصلاحات آلوتروپیک آن را به طور جداگانه در نظر نگیریم، خصوصیات سیلیکون ناقص خواهد بود. اولی بی شکل است. در این حالت، ماده مورد نظر ما پودر قهوه ای مایل به قهوه ای است که ریز پراکنده شده است. دارای درجه بالایی از رطوبت سنجی است، در هنگام گرم شدن، فعالیت شیمیایی به اندازه کافی بالایی از خود نشان می دهد. تحت شرایط استاندارد، فقط می تواند با قوی ترین عامل اکسید کننده - فلوئور تعامل داشته باشد.

این کاملاً صحیح نیست که سیلیکون آمورف را انواع سیلیکون کریستالی بنامیم. شبکه آن نشان می دهد که این ماده تنها شکلی از سیلیکون ریز پراکنده است که به شکل کریستال وجود دارد. بنابراین، به این ترتیب، این اصلاحات همان ترکیب هستند.

با این حال، خواص آنها متفاوت است، بنابراین مرسوم است که از آلوتروپی صحبت شود. به خودی خود، سیلیکون آمورف داردظرفیت جذب نور بالا علاوه بر این، در شرایط خاص، این شاخص چندین برابر بیشتر از شکل کریستالی است. بنابراین، برای اهداف فنی استفاده می شود. در فرم در نظر گرفته شده (پودر)، این ترکیب به راحتی روی هر سطحی اعم از پلاستیک یا شیشه اعمال می شود. بنابراین، سیلیکون آمورف است که برای استفاده بسیار راحت است. این برنامه مبتنی بر ساخت پنل های خورشیدی در اندازه های مختلف است.

اگرچه فرسودگی این نوع باتری ها بسیار سریع است، که با ساییدگی لایه نازک این ماده همراه است، اما استفاده و تقاضا فقط در حال افزایش است. در واقع، حتی در یک عمر کوتاه، سلول های خورشیدی مبتنی بر سیلیکون آمورف قادر به تامین انرژی برای کل شرکت ها هستند. علاوه بر این، تولید چنین ماده ای بدون ضایعات است که آن را بسیار مقرون به صرفه می کند.

این اصلاح را با کاهش ترکیبات با فلزات فعال مانند سدیم یا منیزیم دریافت کنید.

سیلیکون کریستال

اصلاح براق خاکستری نقره ای عنصر مورد نظر. این فرم رایج ترین و بیشترین تقاضا است. این به دلیل مجموعه ای از خواص کیفی است که این ماده دارد.

ویژگی سیلیکون با شبکه کریستالی شامل طبقه بندی انواع آن است، زیرا چندین نوع آن وجود دارد:

1. کیفیت الکترونیکی - خالص ترین و بالاترین کیفیت. این نوع است که در الکترونیک برای ایجاد دستگاه‌های حساس استفاده می‌شود.
2. کیفیت آفتابی. خود ناممحدوده استفاده را مشخص می کند. همچنین یک سیلیکون با خلوص بالا است که استفاده از آن برای ایجاد سلول های خورشیدی با کیفیت و بادوام ضروری است. مبدل‌های فتوولتائیک که بر اساس ساختار کریستالی ایجاد می‌شوند، کیفیت بالاتر و دوام بیشتری نسبت به مبدل‌هایی دارند که با استفاده از یک اصلاح آمورف با رسوب‌گذاری بر روی انواع زیرلایه‌ها ایجاد می‌شوند.
3. سیلیکون فنی. این تنوع شامل آن دسته از نمونه های یک ماده است که حاوی حدود 98 درصد عنصر خالص است. همه چیز دیگر به انواع ناخالصی ها می رود:

• boron;
• آلومینیوم؛
• کلر؛
• کربن؛
• فسفر و دیگران.

آخرین نوع ماده مورد بحث برای به دست آوردن پلی کریستال های سیلیکونی استفاده می شود. برای این، فرآیندهای تبلور مجدد انجام می شود. در نتیجه از نظر خلوص محصولاتی به دست می‌آید که می‌توان آن را به گروه‌های کیفیت خورشیدی و الکترونیکی نسبت داد.

طبیعت، پلی سیلیکون یک محصول میانی بین اصلاح آمورف و کریستالی است. کار با این گزینه راحت تر است، بهتر است با فلوئور و کلر بازیافت و تمیز شود.

محصولات حاصل را می توان به صورت زیر طبقه بندی کرد:

• مولتی سیلیس;
• تک کریستالی؛
• کریستال های پروفایل؛
• ضایعات سیلیکون؛
• سیلیکون فنی؛
• ضایعات تولید به شکل قطعات و ضایعات مواد.

هر کدام در صنعت کاربرد پیدا کرده و مورد استفاده قرار می گیرندیک شخص به طور کامل بنابراین، فرآیندهای تولید شامل سیلیکون بدون ضایعات در نظر گرفته می شوند. این هزینه اقتصادی آن را تا حد زیادی کاهش می دهد بدون اینکه بر کیفیت تأثیر بگذارد.

استفاده از سیلیکون خالص

تولید سیلیکون در صنعت به خوبی ایجاد شده است و مقیاس آن بسیار حجیم است. این امر به این دلیل است که این عنصر چه خالص و چه به صورت ترکیبات مختلف در شاخه های مختلف علم و فناوری گسترده و مورد تقاضا است.

سیلیکون کریستالی خالص و آمورف کجا استفاده می شود؟

1. در متالورژی به عنوان یک افزودنی آلیاژی که قادر به تغییر خواص فلزات و آلیاژهای آنها است. بنابراین، در ذوب فولاد و آهن استفاده می شود.
2. انواع مختلفی از مواد برای ساختن نسخه تمیزتر استفاده می شود - پلی سیلیکون.
3. ترکیبات سیلیکون با مواد آلی - این یک صنعت شیمیایی کامل است که امروزه محبوبیت خاصی به دست آورده است. مواد سیلیکونی در پزشکی، در ساخت ظروف، ابزار و موارد دیگر استفاده می شود.
4. تولید انواع پنل های خورشیدی. این روش برای به دست آوردن انرژی یکی از امیدوار کننده ترین در آینده است. سازگار با محیط زیست، مقرون به صرفه و بادوام - مزایای اصلی چنین تولید برق.
5. سیلیکون برای مدت بسیار طولانی در فندک ها استفاده شده است. حتی در زمان های قدیم مردم از سنگ چخماق برای ایجاد جرقه هنگام روشن کردن آتش استفاده می کردند. این اصل اساس تولید فندک در انواع مختلف است. امروزه گونه هایی وجود دارند که در آنهاسنگ چخماق با آلیاژی با ترکیب خاصی جایگزین می شود که نتیجه ای حتی سریع تر می دهد (جرقه).
6. الکترونیک و انرژی خورشیدی.
7. تولید آینه در دستگاه های لیزر گازی.

بنابراین، سیلیکون خالص دارای بسیاری از خواص مفید و ویژه است که امکان استفاده از آن برای ایجاد محصولات مهم و ضروری را فراهم می کند.

کاربرد ترکیبات سیلیکون

علاوه بر یک ماده ساده، از ترکیبات مختلف سیلیکونی نیز استفاده می شود و بسیار گسترده است. یک شاخه کامل از صنعت به نام سیلیکات وجود دارد. این اوست که مبتنی بر استفاده از مواد مختلف است که شامل این عنصر شگفت انگیز است. این ترکیبات چیست و چه چیزی تولید می کنند؟

1. کوارتز یا ماسه رودخانه - SiO₂. برای ساخت مصالح ساختمانی و تزئینی مانند سیمان و شیشه استفاده می شود. این مواد کجا استفاده می شوند، همه می دانند. هیچ ساخت و ساز بدون این اجزاء کامل نمی شود، که اهمیت ترکیبات سیلیکونی را تایید می کند.
2. سرامیک سیلیکات که شامل موادی مانند فیانس، چینی، آجر و محصولات مبتنی بر آنها است. این اجزا در پزشکی، در ساخت ظروف، زیور آلات تزئینی، وسایل خانه، در ساخت و ساز و سایر بخش های خانگی از فعالیت های انسانی استفاده می شود.
3. ترکیبات سیلیکون - سیلیکون، ژل سیلیکا، روغن سیلیکون.
4. چسب سیلیکات - مورد استفاده به عنوان لوازم التحریر، در صنایع آتش نشانی و ساخت و ساز.

سیلیکون که قیمت آن در بازار جهانی متفاوت است اما متقاطع نیستاز بالا به پایین، علامت 100 روبل فدراسیون روسیه در هر کیلوگرم (به ازای هر کریستال)، یک ماده جستجو شده و ارزشمند است. به طور طبیعی، ترکیبات این عنصر نیز گسترده و قابل استفاده است.

نقش بیولوژیکی سیلیکون

از نقطه نظر اهمیت برای بدن، سیلیکون مهم است. محتوای و توزیع بافت آن به شرح زیر است:

• 0، 002% - عضلانی؛
• 0، 000017% - استخوان;
• خون - 3.9 میلی گرم در لیتر.

هر روز، حدود یک گرم سیلیکون باید وارد شود، در غیر این صورت بیماری ها شروع به رشد می کنند. هیچ کشنده ای در بین آنها وجود ندارد، با این حال، گرسنگی طولانی مدت سیلیکونی منجر به موارد زیر می شود:

• ریزش مو;
• ظاهر آکنه و جوش؛
• شکنندگی و شکنندگی استخوان؛
• نفوذپذیری آسان مویرگی؛
• خستگی و سردرد؛
• ظاهر کبودی ها و کبودی های متعدد.

برای گیاهان، سیلیکون یک عنصر کمیاب مهم است که برای رشد و نمو طبیعی لازم است. آزمایشات روی حیوانات نشان داده است که افرادی که روزانه سیلیکون کافی مصرف می کنند بهترین رشد را دارند.