Един от най-разпространените елементи в природата е силицият или силиций. Такова широко разпространение показва важността и значението на това вещество. Това бързо беше разбрано и научено от хора, които се научиха как правилно да използват силиций за своите цели. Използването му се основава на специални свойства, които ще обсъдим допълнително.

Силиций - химичен елемент

Ако характеризираме даден елемент чрез позиция в периодичната таблица, можем да идентифицираме следните важни точки:

1. Сериен номер - 14.
2. Периодът е третият малък.
3. Група - IV.
4. Подгрупата е основната.
5. Структурата на външната електронна обвивка се изразява с формулата 3s 2 3p 2.
6. Елементът силиций е представен от химическия символ Si, който се произнася „силиций“.
7. Степените на окисление, които проявява са: -4; +2; +4.
8. Валентността на атома е IV.
9. Атомната маса на силиция е 28,086.
10. В природата има три стабилни изотопа на този елемент с масови числа 28, 29 и 30.

По този начин, от химическа гледна точка, силициевият атом е доста проучен елемент; много от неговите различни свойства са описани.

История на откритието

Тъй като различните съединения на въпросния елемент са много популярни и изобилни в природата, още от древни времена хората са използвали и знаели за свойствата на много от тях. Чистият силиций остава извън човешкото познание в химията дълго време.

Най-популярните съединения, използвани в ежедневието и индустрията от народите на древните култури (египтяни, римляни, китайци, руснаци, перси и други), са скъпоценни и декоративни камъни на основата на силициев оксид. Те включват:

• опал;
• страз;
• топаз;
• хризопраз;
• оникс;
• халцедон и др.

Освен това от древни времена е обичайно да се използва кварц в строителството. Самият елементарен силиций обаче остава неоткрит до 19 век, въпреки че много учени напразно се опитват да го изолират от различни съединения, използвайки катализатори, високи температури и дори електрически ток. Това са такива ярки умове като:

• Карл Шеле;
• Гей-Люсак;
• Тенар;
• Хъмфри Дейви;
• Антоан Лавоазие.

Йенс Якобс Берцелиус успява да получи силиций в неговата чиста форма през 1823 г. За да направи това, той проведе експеримент за сливане на пари от силициев флуорид и метален калий. В резултат получих аморфна модификация на въпросния елемент. Същите учени предложиха латинско име за открития атом.

Малко по-късно, през 1855 г., друг учен - Sainte-Clair-Deville - успява да синтезира друга алотропна разновидност - кристален силиций. Оттогава знанията за този елемент и неговите свойства започнаха да се разширяват много бързо. Хората разбраха, че има уникални характеристики, които могат да бъдат използвани много интелигентно, за да посрещнат собствените си нужди. Ето защо днес един от най-популярните елементи в електрониката и технологиите е силицият. Използването му само разширява границите си всяка година.

Руското име на атома е дадено от учения Хес през 1831 г. Това е останало и до днес.

По изобилие в природата силицият е на второ място след кислорода. Процентът му в сравнение с останалите атоми в земната кора е 29,5%. В допълнение, въглеродът и силицийът са два специални елемента, които могат да образуват вериги чрез свързване един с друг. Ето защо за последния са известни повече от 400 различни природни минерала, в които се намира в литосферата, хидросферата и биомасата.

Къде точно се намира силицият?

1. В дълбоките слоеве на почвата.
2. В скали, находища и масиви.
3. На дъното на водни тела, особено морета и океани.
4. В растенията и морския живот на животинското царство.
5. В човешкото тяло и сухоземните животни.

Можем да идентифицираме няколко от най-често срещаните минерали и скали, които съдържат големи количества силиций. Тяхната химия е такава, че масовото съдържание на чистия елемент в тях достига 75%. Конкретната цифра обаче зависи от вида на материала. И така, скали и минерали, съдържащи силиций:

• фелдшпати;
• слюда;
• амфиболи;
• опали;
• халцедон;
• силикати;
• пясъчници;
• алумосиликати;
• глини и други.

Натрупвайки се в черупките и екзоскелетите на морските животни, силицийът в крайна сметка образува мощни силициеви отлагания на дъното на водните тела. Това е един от естествените източници на този елемент.

Освен това е установено, че силицият може да съществува в чистата си естествена форма - под формата на кристали. Но такива депозити са много редки.

Физични свойства на силиция

Ако характеризираме разглеждания елемент според набор от физикохимични свойства, тогава на първо място е необходимо да посочим физическите параметри. Ето няколко основни:

1. Съществува под формата на две алотропни модификации - аморфна и кристална, които се различават по всички свойства.
2. Кристалната решетка е много подобна на тази на диаманта, тъй като въглеродът и силицият са практически еднакви в това отношение. Разстоянието между атомите обаче е различно (силицият е по-голям), така че диамантът е много по-твърд и по-силен. Решетъчен тип - кубичен лицево-центриран.
3. Веществото е много крехко и става пластично при високи температури.
4. Точката на топене е 1415˚C.
5. Точка на кипене - 3250˚С.
6. Плътността на веществото е 2,33 g/cm3.
7. Цветът на съединението е сребристосив, с характерен метален блясък.
8. Има добри полупроводникови свойства, които могат да варират с добавянето на определени агенти.
9. Неразтворим във вода, органични разтворители и киселини.
10. Специално разтворим в основи.

Идентифицираните физически свойства на силиция позволяват на хората да го манипулират и да го използват за създаване на различни продукти. Например, използването на чист силиций в електрониката се основава на свойствата на полупроводимостта.

Химични свойства

Химичните свойства на силиция са много зависими от условията на реакцията. Ако говорим за стандартни параметри, тогава трябва да посочим много ниска активност. Както кристалният, така и аморфният силиций са много инертни. Те не взаимодействат със силни окислители (с изключение на флуор) или със силни редуциращи агенти.

Това се дължи на факта, че върху повърхността на веществото моментално се образува оксиден филм от SiO 2, който предотвратява по-нататъшни взаимодействия. Може да се образува под въздействието на вода, въздух и пари.

Ако промените стандартните условия и загреете силиций до температура над 400˚C, тогава неговата химическа активност ще се увеличи значително. В този случай той ще реагира с:

• кислород;
• всички видове халогени;
• водород.

При по-нататъшно повишаване на температурата е възможно образуването на продукти чрез взаимодействие с бор, азот и въглерод. Карборундът - SiC - е от особено значение, тъй като е добър абразивен материал.

Също така химичните свойства на силиция са ясно видими при реакции с метали. По отношение на тях той е окислител, поради което продуктите се наричат ​​силициди. Подобни съединения са известни за:

• алкален;
• алкалоземни;
• преходни метали.

Съединението, получено чрез сливане на желязо и силиций, има необичайни свойства. Нарича се феросиликонова керамика и се използва успешно в индустрията.

Силицият не взаимодейства със сложни вещества, следователно от всичките им разновидности той може да се разтвори само в:

• царска вода (смес от азотна и солна киселина);
• разяждащи алкали.

В този случай температурата на разтвора трябва да бъде най-малко 60˚C. Всичко това още веднъж потвърждава физическата основа на веществото - диамантена стабилна кристална решетка, която му придава здравина и инертност.

Методи за получаване

Получаването на силиций в неговата чиста форма е доста скъп процес от икономическа гледна точка. Освен това, поради свойствата си, всеки метод дава само 90-99% чист продукт, докато примесите под формата на метали и въглерод остават същите. Следователно, просто получаването на веществото не е достатъчно. Също така трябва да се почисти старателно от чужди елементи.

Като цяло производството на силиций се извършва по два основни начина:

1. От бял пясък, който е чист силициев оксид SiO 2. Когато се калцинира с активни метали (най-често магнезий), се образува свободен елемент под формата на аморфна модификация. Чистотата на този метод е висока, продуктът се получава с 99,9% добив.
2. По-широко разпространен метод в индустриален мащаб е синтероването на разтопен пясък с кокс в специализирани термични пещи. Този метод е разработен от руския учен Н. Н. Бекетов.

По-нататъшната обработка включва подлагане на продуктите на методи за пречистване. За тази цел се използват киселини или халогени (хлор, флуор).

Аморфен силиций

Характеризирането на силиция ще бъде непълно, ако всяка от неговите алотропни модификации не се разглежда отделно. Първият от тях е аморфен. В това състояние веществото, което разглеждаме, е кафяво-кафяв прах, фино диспергиран. Има висока степен на хигроскопичност и проявява доста висока химическа активност при нагряване. При стандартни условия той е в състояние да взаимодейства само с най-силния окислител - флуор.

Не е напълно правилно аморфният силиций да се нарича вид кристален силиций. Неговата решетка показва, че това вещество е само форма на фино диспергиран силиций, съществуващ под формата на кристали. Следователно, като такива, тези модификации са едно и също съединение.

Техните свойства обаче се различават, поради което е обичайно да се говори за алотропия. Самият аморфен силиций има висока способност за поглъщане на светлина. Освен това при определени условия този показател е няколко пъти по-висок от този на кристалната форма. Поради това се използва за технически цели. В тази форма (прах) съединението лесно се нанася върху всякаква повърхност, било то пластмаса или стъкло. Ето защо аморфният силиций е толкова удобен за използване. Приложение на базата на различни размери.

Въпреки че батериите от този тип се износват доста бързо, което е свързано с абразията на тънък слой от веществото, тяхното използване и търсене само нараства. В края на краищата, дори за кратък експлоатационен живот, слънчевите батерии на базата на аморфен силиций могат да осигурят енергия на цели предприятия. В допълнение, производството на такова вещество е безотпадно, което го прави много икономично.

Тази модификация се получава чрез редуциране на съединения с активни метали, например натрий или магнезий.

Кристален силиций

Сребристо-сива блестяща модификация на въпросния елемент. Тази форма е най-често срещаната и най-търсената. Това се обяснява с набора от качествени свойства, които притежава това вещество.

Характеристиките на силиция с кристална решетка включват класификацията на неговите видове, тъй като има няколко от тях:

1. Електронно качество - най-чистото и високо качество. Този тип се използва в електрониката за създаване на особено чувствителни устройства.
2. Слънчево качество. Самото име определя областта на употреба. Това е и силиций с доста висока чистота, чието използване е необходимо за създаване на висококачествени и дълготрайни слънчеви клетки. Фотоелектричните преобразуватели, създадени на базата на кристална структура, са с по-високо качество и устойчивост на износване от тези, създадени с помощта на аморфна модификация чрез разпрашаване върху различни видове субстрати.
3. Технически силиций. Този сорт включва онези проби от веществото, които съдържат около 98% от чистия елемент. Всичко останало отива към различни видове примеси:

• алуминий;
• хлор;
• въглерод;
• фосфор и други.

Последният вид въпросното вещество се използва за получаване на поликристали от силиций. За тази цел се извършват процеси на прекристализация. В резултат на това по отношение на чистотата се получават продукти, които могат да бъдат класифицирани като соларни и електронни качествени.

По своята същност полисилицийът е междинен продукт между аморфните и кристалните модификации. Тази опция е по-лесна за работа, по-добре се обработва и почиства с флуор и хлор.

Получените продукти могат да бъдат класифицирани, както следва:

• мултисилиций;
• монокристален;
• профилирани кристали;
• силициев скрап;
• технически силиций;
• производствени отпадъци под формата на фрагменти и остатъци от материя.

Всеки от тях намира приложение в индустрията и се използва пълноценно от хората. Следователно тези, които докосват силиций, се считат за неотпадъчни. Това значително намалява неговата икономическа цена, без да се отразява на качеството.

Използване на чист силиций

Индустриалното производство на силиций е доста добре установено и мащабът му е доста голям. Това се дължи на факта, че този елемент, както чист, така и под формата на различни съединения, е широко разпространен и търсен в различни отрасли на науката и технологиите.

Къде се използва кристален и аморфен силиций в чист вид?

1. В металургията, като легираща добавка, способна да променя свойствата на металите и техните сплави. По този начин се използва при топенето на стомана и чугун.
2. Използват се различни видове вещества за направата на по-чист вариант – полисилиций.
3. Силициевите съединения са цяла химическа индустрия, която днес придоби особена популярност. Органосиликоновите материали се използват в медицината, в производството на съдове, инструменти и много други.
4. Производство на различни соларни панели. Този метод за получаване на енергия е един от най-обещаващите в бъдещето. Екологичност, икономически изгодност и устойчивост на износване са основните предимства на този вид производство на електроенергия.
5. Силицият се използва за запалки от много дълго време. Дори в древни времена хората са използвали кремък, за да произвеждат искра, когато запалват огън. Този принцип е в основата на производството на различни видове запалки. Днес има видове, в които кремъкът е заменен със сплав с определен състав, което дава още по-бърз резултат (искряне).
6. Електроника и слънчева енергия.
7. Производство на огледала в газови лазерни устройства.

По този начин чистият силиций има много предимства и специални свойства, които му позволяват да се използва за създаване на важни и необходими продукти.

Приложение на силициеви съединения

В допълнение към простото вещество се използват и различни силициеви съединения и то много широко. Има цяла индустрия, наречена силикат. Тя се основава на използването на различни вещества, които съдържат този невероятен елемент. Какви са тези съединения и какво се произвежда от тях?

1. Кварцов или речен пясък - SiO 2. Използва се за производство на строителни и декоративни материали като цимент и стъкло. Всеки знае къде се използват тези материали. Никоя конструкция не може да бъде завършена без тези компоненти, което потвърждава важността на силициевите съединения.
2. Силикатна керамика, която включва материали като фаянс, порцелан, тухли и продукти на тяхна основа. Тези компоненти се използват в медицината, при производството на съдове, декоративни бижута, предмети от бита, в строителството и други ежедневни области на човешката дейност.
3. - силикони, силикагелове, силиконови масла.
4. Силикатно лепило - използва се като канцеларски материали, в пиротехниката и строителството.

Силицият, чиято цена варира на световния пазар, но не преминава отгоре надолу марката от 100 руски рубли за килограм (за кристал), е търсено и ценно вещество. Естествено съединенията на този елемент също са широко разпространени и приложими.

Биологична роля на силиция

От гледна точка на значението му за организма, силицият е важен. Неговото съдържание и разпределение в тъканите е както следва:

• 0,002% - мускули;
• 0,000017% - кост;
• кръвно - 3,9 mg/l.

Около един грам силиций трябва да се приема всеки ден, в противен случай ще започнат да се развиват болести. Никой от тях не е смъртоносно опасен, но продължителното гладуване на силиций води до:

• косопад;
• появата на акне и пъпки;
• крехкост и чупливост на костите;
• лесна капилярна пропускливост;
• умора и главоболие;
• появата на множество синини и натъртвания.

За растенията силицият е важен микроелемент, необходим за нормалния растеж и развитие. Експерименти върху животни показват, че тези индивиди, които приемат достатъчно силиций ежедневно, растат по-добре.

• Обозначение - Si (Silicon);
• Период - III;
• Група - 14 (IVa);
• Атомна маса - 28.0855;
• Атомен номер - 14;
• Атомен радиус = 132 pm;
• Ковалентен радиус = 111 pm;
• Електронно разпределение - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 ;
• температура на топене = 1412°C;
• точка на кипене = 2355°C;
• Електроотрицателност (по Полинг/по Алпред и Рохов) = 1,90/1,74;
• Степен на окисление: +4, +2, 0, -4;
• Плътност (бр.) = 2,33 g/cm3;
• Моларен обем = 12,1 cm3/mol.

Силициеви съединения:

Силицият е изолиран за първи път в чист вид през 1811 г. (французите J. L. Gay-Lussac и L. J. Tenard). Чистият елементарен силиций е получен през 1825 г. (швед J. J. Berzelius). Химическият елемент получава името си „силиций“ (преведено от старогръцки като планина) през 1834 г. (руският химик Г. И. Хес).

Силицият е най-разпространеният (след кислорода) химичен елемент на Земята (съдържание в земната кора е 28-29% от теглото). В природата силицият най-често се среща под формата на силициев диоксид (пясък, кварц, кремък, фелдшпат), както и в силикати и алумосиликати. В чистата си форма силицият е изключително рядък. Много естествени силикати в тяхната чиста форма са скъпоценни камъни: изумруд, топаз, аквамарин - всичко това е силиций. Чистият кристален силициев (IV) оксид се среща под формата на планински кристал и кварц. Силициевият оксид, който съдържа различни примеси, образува скъпоценни и полускъпоценни камъни - аметист, ахат, яспис.

Ориз. Структура на силициевия атом.

Електронната конфигурация на силиция е 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 (виж Електронна структура на атомите). На външно енергийно ниво силицийът има 4 електрона: 2 сдвоени в подниво 3s + 2 несдвоени в p-орбитали. Когато силициевият атом преминава във възбудено състояние, един електрон от s-подниво „напуска” двойката си и се премества в p-подниво, където има една свободна орбитала. Така във възбудено състояние електронната конфигурация на силициевия атом приема следната форма: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3.

Ориз. Преход на силициев атом във възбудено състояние.

По този начин силицият в съединенията може да проявява валентност 4 (най-често) или 2 (виж Валентност). Силицият (както и въглеродът), реагирайки с други елементи, образува химични връзки, в които може както да отдаде своите електрони, така и да ги приеме, но способността да приема електрони в силициевите атоми е по-слабо изразена, отколкото при въглеродните атоми, поради по-големия силиций атом.

Състояния на окисление на силиций:

• -4 : SiH 4 (силан), Ca 2 Si, Mg 2 Si (метални силикати);
• +4 - най-стабилни: SiO 2 (силициев оксид), H 2 SiO 3 (силициева киселина), силикати и силициеви халиди;
• 0 : Si (просто вещество)

Силицият като просто вещество

Силицият е тъмно сиво кристално вещество с метален блясък. Кристален силицийе полупроводник.

Силицият образува само една алотропна модификация, подобна на диаманта, но не толкова силна, тъй като Si-Si връзките не са толкова силни, колкото в диамантената въглеродна молекула (вижте Диамант).

Аморфен силиций- кафяв прах, с точка на топене 1420°C.

Кристалният силиций се получава от аморфен силиций чрез прекристализация. За разлика от аморфния силиций, който е доста активен химикал, кристалният силиций е по-инертен по отношение на взаимодействие с други вещества.

Структурата на кристалната решетка на силиция повтаря структурата на диаманта - всеки атом е заобиколен от четири други атома, разположени във върховете на тетраедър. Атомите се държат заедно чрез ковалентни връзки, които не са толкова силни, колкото въглеродните връзки в диаманта. Поради тази причина дори и при бр. Някои ковалентни връзки в кристалния силиций се разкъсват, което води до освобождаване на някои електрони, което води до ниска електрическа проводимост на силиция. При нагряване на силиция, на светлина или при добавяне на определени примеси, броят на прекъснатите ковалентни връзки се увеличава, в резултат на което се увеличава броят на свободните електрони, а следователно и електрическата проводимост на силиция.

Химични свойства на силиция

Подобно на въглерода, силицият може да бъде както редуциращ агент, така и окислител, в зависимост от това с какво вещество реагира.

На бр. силиций взаимодейства само с флуор, което се обяснява с доста силната кристална решетка на силиция.

Силицият реагира с хлор и бром при температури над 400°C.

Силицият взаимодейства с въглерода и азота само при много високи температури.

• В реакции с неметали, силицият действа като редуциращ агент:
  • при нормални условия, от неметали, силицият реагира само с флуор, образувайки силициев халид:
    Si + 2F 2 = SiF 4
  • при високи температури силицият реагира с хлор (400°C), кислород (600°C), азот (1000°C), въглерод (2000°C):
    • Si + 2Cl 2 = SiCl 4 - силициев халогенид;
    • Si + O 2 = SiO 2 - силициев оксид;
    • 3Si + 2N 2 = Si 3 N 4 - силициев нитрид;
    • Si + C = SiC - карборунд (силициев карбид)
• При реакции с метали силицият е окислител(образувано салициди:
  Si + 2Mg = Mg 2 Si
• При реакции с концентрирани разтвори на алкали силицият реагира с отделяне на водород, образувайки разтворими соли на силициева киселина, т.нар. силикати:
  Si + 2NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 2H 2
• Силицият не реагира с киселини (с изключение на HF).

Приготвяне и използване на силиций

Получаване на силиций:

• в лабораторията - от силициев диоксид (алуминиева терапия):
  3SiO 2 + 4Al = 3Si + 2Al 2 O 3
• в промишлеността - чрез редукция на силициев оксид с кокс (технически чист силиций) при висока температура:
  SiO 2 + 2C = Si + 2CO
• Най-чистият силиций се получава чрез редукция на силициев тетрахлорид с водород (цинк) при висока температура:
  SiCl4 +2H2 = Si+4HCl

Приложение на силиций:

• производство на полупроводникови радиоелементи;
• като металургични добавки при производството на топлоустойчиви и киселиноустойчиви съединения;
• в производството на фотоклетки за слънчеви батерии;
• като AC токоизправители.

Силицият (Si) е неметал, който се нарежда на 2-ро място след кислорода по запаси и присъствие на Земята (25,8% в земната кора). Практически никога не се среща в чиста форма, присъства главно на планетата под формата на съединения.

Характеристики на силиций

Физични свойства

Силицият е крехък, светлосив материал с метален оттенък или кафяв прахообразен материал. Структурата на силициевия кристал е подобна на тази на диаманта, но поради разликите в дължината на връзката между атомите, твърдостта на диаманта е много по-висока.

Силицият е неметал, достъпен за електромагнитно излъчване. Поради някои качества той е по средата между неметалите и металите:

Когато температурата се повиши до 800 °C, той става гъвкав и пластичен;

При нагряване до 1417 °C се топи;

Започва да кипи при температури над 2600 °C;

Променя плътността при високо налягане;

Той има свойството да се магнетизира срещу посоката на външно магнитно поле (диамагнет).

Силицият е полупроводник и примесите, включени в неговите сплави, определят електрическите характеристики на бъдещите съединения.

Химични свойства

При нагряване Si реагира с кислород, бром, йод, азот, хлор и различни метали. При комбиниране с въглерод се получават твърди сплави с термична и химическа устойчивост.

Силицият не взаимодейства с водорода по никакъв начин, така че всички възможни смеси с него се получават по различен начин.

При нормални условия той реагира слабо с всички вещества, с изключение на флуорен газ. С него се образува силициев тетрафлуорид SiF4. Това бездействие се обяснява с факта, че в резултат на реакцията с кислорода, водата, неговите пари и въздух, върху повърхността на неметала се образува филм от силициев диоксид, който го обгръща. Следователно химическият ефект е бавен и незначителен.

За да премахнете този слой, използвайте смес от флуороводородна и азотна киселина или водни разтвори на основи. Някои специални течности за това изискват добавяне на хромен анхидрид и други вещества.

Намиране на силиций в природата

Силицият е толкова важен за Земята, колкото въглеродът за растенията и животните. Кората му е почти наполовина кислород и ако добавите силиций към това, получавате 80% от масата. Тази връзка е много важна за движението на химичните елементи.

75% от литосферата съдържа различни соли на силициева киселина и минерали (пясък, кварцити, кремък, слюда, фелдшпат и др.). По време на образуването на магма и различни магмени скали, Si се натрупва в гранити и ултраосновни скали (плутонични и вулканични).

В човешкото тяло има 1 g силиций. Повечето се намират в костите, сухожилията, кожата и косата, лимфните възли, аортата и трахеята. Участва в растежа на съединителната и костната тъкан, а също така поддържа еластичността на кръвоносните съдове.

Дневната доза за възрастен е 5 - 20 mg. Излишъкът причинява силикоза.

Приложения на силиций в промишлеността

Този неметал е познат на човека още от каменната ера и се използва широко и днес.

Приложение:

Той е добър редуциращ агент, така че се използва в металургията за производство на метали.

При определени условия силицият може да провежда електричество, поради което се използва в електрониката.

Силициевият оксид се използва в производството на стъкла и силикатни материали.

За производството на полупроводникови устройства се използват специални сплави.

Обърнете внимание на полуметалния силиций!

Силициевият метал е сив и лъскав полупроводников метал, който се използва за производството на стомана, слънчеви клетки и микрочипове.

Силицият е вторият най-разпространен елемент в земната кора (след само кислорода) и осмият най-разпространен елемент във Вселената. Всъщност почти 30 процента от теглото на земната кора може да се припише на силиций.

Елементът с атомен номер 14 се среща естествено в силикатни минерали, включително силициев диоксид, фелдшпат и слюда, които са основните компоненти на обикновени скали като кварц и пясъчник.

Полуметалният (или металоиден) силиций има някои свойства както на метали, така и на неметали.

Подобно на водата, но за разлика от повечето метали, силицият е уловен в течно състояние и се разширява, докато се втвърдява. Той има относително високи точки на топене и кипене и когато кристализира, образува кристална диамантена кристална структура.

От решаващо значение за ролята на силиция като полупроводник и използването му в електрониката е атомната структура на елемента, която включва четири валентни електрона, които позволяват на силиция лесно да се свързва с други елементи.

На шведския химик Джоунс Якоб Берсерлиус се приписва първият изолационен силиций през 1823 г. Berzerlius постигна това чрез нагряване на метален калий (който беше изолиран само десет години по-рано) в тигел заедно с калиев флуоросиликат.

Резултатът беше аморфен силиций.

Получаването на кристален силиций обаче отне повече време. Електролитна проба от кристален силиций няма да бъде произведена още три десетилетия.

Първата търговска употреба на силиция беше под формата на феросилиций.

След модернизацията на стоманодобивната промишленост от Хенри Бесемер в средата на 19-ти век има голям интерес към металургичната металургия и изследванията в технологията на стоманата.

По времето, когато феросилицийът е произведен за първи път в търговската мрежа през 1880 г., стойността на силиция за подобряване на пластичността на чугуна и деоксидиращата стомана е доста добре разбрана.

Ранното производство на феросилиций се извършва в доменни пещи чрез редуциране на съдържащи силиций руди с въглен, което води до сребърен чугун, феросилиций със съдържание на силиций до 20 процента.

Развитието на електродъговите пещи в началото на 20-ти век позволи не само увеличаване на производството на стомана, но и увеличаване на производството на феросилиций.

През 1903 г. група, специализирана в създаването на феросплави (Compagnie Generate d'Electrochimie), започва дейност в Германия, Франция и Австрия, а през 1907 г. е основан първият комерсиален завод за силиций в Съединените щати.

Производството на стомана не е единственото приложение на силициевите съединения, които са били комерсиализирани до края на 19 век.

За да произведе изкуствени диаманти през 1890 г., Едуард Гудрич Ачесън нагрява алуминосиликат с прахообразен кокс и случайно произвежда силициев карбид (SiC).

Три години по-късно Ачесън патентова производствения си метод и основава компанията Carborundum за производство и продажба на абразивни продукти.

До началото на 20-ти век проводимите свойства на силициевия карбид също са били осъзнати и съединението е използвано като детектор в ранните морски радиостанции. Патент за силициеви кристални детектори е предоставен на G. W. Pickard през 1906 г.

През 1907 г. е създаден първият диод, излъчващ светлина (LED), чрез прилагане на напрежение към кристал от силициев карбид.

През 30-те години на миналия век употребата на силиций нараства с разработването на нови химически продукти, включително силани и силикони.

Растежът на електрониката през последния век също е неразривно свързан със силиция и неговите уникални свойства.

Докато създаването на първите транзистори – предшествениците на съвременните микрочипове – през 40-те години на миналия век разчиташе на германий, не след дълго силицийът измести своя метален братовчед като по-издръжлив материал за полупроводников субстрат.

Bell Labs и Texas Instruments започват търговско производство на силициеви транзистори през 1954 г.
Първите силициеви интегрални схеми са направени през 60-те години на миналия век, а през 70-те години са разработени силициеви процесори.

Като се има предвид, че силициевата полупроводникова технология е в основата на съвременната електроника и компютри, не е изненадващо, че наричаме центъра на тази индустрия „Силиконовата долина“.

(За по-задълбочен поглед върху историята и развитието на технологията и микрочиповете от Силициевата долина, силно препоръчвам документалния филм на American Experience, наречен „Силиконовата долина“).

Малко след откриването на първите транзистори работата на Bell Labs със силиция доведе до втори голям пробив през 1954 г.: първата силициева фотоволтаична (слънчева) клетка.

Преди това мисълта за овладяване на слънчевата енергия за създаване на енергия на земята се смяташе за невъзможна от повечето. Но само четири години по-късно, през 1958 г., първият сателит със силициеви слънчеви панели обикаля около Земята.

До 70-те години на миналия век комерсиалните приложения на слънчевата технология се разраснаха до наземни приложения, като захранване на светлини на офшорни петролни платформи и железопътни прелези.

През последните две десетилетия използването на слънчева енергия нарасна експоненциално. Днес силициевите фотоволтаични технологии представляват около 90 процента от световния пазар на слънчева енергия.

производство

По-голямата част от рафинирания силиций всяка година - около 80 процента - се произвежда като феросилиций за използване в производството на желязо и стомана. Феросилицият може да съдържа от 15 до 90% силиций в зависимост от изискванията на топилната.

Сплавта от желязо и силиций се произвежда с помощта на потопяема електродъгова пещ чрез редукционно топене. Смляната руда от силикагел и източник на въглерод като коксуващи се въглища (металургични въглища) се раздробяват и зареждат в пещта заедно със скрап.

При температури над 1900 °C (3450 °F), въглеродът реагира с кислорода, присъстващ в рудата, за да образува газ въглероден оксид. Междувременно останалите желязо и силиций се комбинират, за да се получи разтопен феросилиций, който може да бъде събран чрез потупване в основата на пещта.

След като се охлади и втвърди, феросилиций може да бъде транспортиран и използван директно в производството на желязо и стомана.

Същият метод, без включване на желязо, се използва за получаване на силиций от металургичен клас, който е с повече от 99 процента чистота. Металургичният силиций се използва и в производството на стомана, както и в производството на алуминиеви сплави и силанови химикали.

Металургичният силиций се класифицира според нивата на примеси на желязо, алуминий и калций, присъстващи в сплавта. Например силициевият метал 553 съдържа по-малко от 0,5 процента желязо и алуминий и по-малко от 0,3 процента калций.

Светът произвежда около 8 милиона метрични тона феросилиций всяка година, като Китай представлява около 70 процента от това количество. Основните производители включват Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Group OM Materials и Elkem.

Други 2,6 милиона метрични тона металургичен силиций - или около 20 процента от общия рафиниран силициев метал - се произвеждат годишно. Китай, отново, представлява около 80 процента от това производство.

Това, което е изненадващо за мнозина, е, че слънчевите и електронните видове силиций представляват само малко количество (по-малко от два процента) от цялото производство на рафиниран силиций.

За надграждане до слънчев клас силициев метал (полисилиций), чистотата трябва да се увеличи до 99,9999% чист чист силиций (6N). Това се прави по един от трите начина, като най-често срещаният е процесът на Siemens.

Процесът на Siemens включва химическо отлагане на пари на летлив газ, известен като трихлорсилан. При 1150 °C (2102 °F) трихлоросиланът се издухва върху силиконов зародиш с висока чистота, монтиран в края на пръта. Докато преминава през него, високочистият силиций от газа се отлага върху семената.

Реактор с кипящ слой (FBR) и модернизирана технология за силиций от металургичен клас (UMG) също се използват за надграждане на метала до полисилиций, подходящ за фотоволтаичната индустрия.

През 2013 г. са произведени 230 000 метрични тона полисилиций. Сред водещите производители са GCL Poly, Wacker-Chemie и OCI.

И накрая, за да се направи силиций от клас електроника, подходящ за полупроводниковата индустрия и някои фотоволтаични технологии, полисилицийът трябва да бъде превърнат в ултра-чист монокристален силиций чрез процеса на Чохралски.

За да направите това, полисилиций се разтопява в тигел при 1425 °C (2597 °F) в инертна атмосфера. Депозираният зародишен кристал след това се потапя в разтопения метал и бавно се завърта и отстранява, като се оставя време на силиция да расте върху зародишния материал.

Полученият продукт е пръчка (или буле) от монокристален силициев метал, който може да бъде до 99,999999999 (11N) процента чистота. Тази пръчка може да бъде легирана с бор или фосфор, ако е необходимо, за да се модифицират квантово-механичните свойства според нуждите.

Монокристалната пръчка може да бъде доставена на клиентите такава, каквато е, или нарязана на вафли и полирана или текстурирана за конкретни потребители.

Приложение

Докато приблизително 10 милиона метрични тона феросилиций и силициев метал се рафинират всяка година, по-голямата част от предлагания на пазара силиций всъщност са силициеви минерали, които се използват за производството на всичко - от цимент, строителни разтвори и керамика до стъкло и полимери.

Феросилиций, както беше отбелязано, е най-често използваната форма на метален силиций. От първата си употреба преди около 150 години, феросилицийът остава важен дезоксидиращ агент в производството на въглеродна и неръждаема стомана. Днес производството на стомана остава най-големият потребител на феросилиций.

Въпреки това, феросилицийът има редица предимства извън производството на стомана. Това е предварителна сплав при производството на феросилициев магнезий, нодулатор, използван за производството на ковък чугун, а също и по време на процеса Pidgeon за рафиниране на магнезий с висока чистота.

Феросилиций може също да се използва за производство на термични и устойчиви на корозия железни сплави, както и силициева стомана, която се използва в производството на електродвигатели и сърцевини на трансформатори.

Металургичният силиций може да се използва в производството на стомана, а също и като легиращ агент при леене на алуминий. Алуминиево-силициевите (Al-Si) автомобилни части са по-леки и по-здрави от компонентите, излети от чист алуминий. Автомобилните части като двигателни блокове и гуми са едни от най-често използваните части от лят алуминий.

Почти половината от целия металургичен силиций се използва от химическата промишленост за производство на пирогенен силициев диоксид (сгъстител и изсушител), силани (свързващо вещество) и силикон (уплътнители, лепила и смазочни материали).

Фотоволтаичният полисилиций се използва предимно в производството на полисилициеви слънчеви клетки. За производството на един мегават слънчеви модули са необходими около пет тона полисилиций.

В момента полисилициевата слънчева технология представлява повече от половината от слънчевата енергия, произведена в световен мащаб, докато моносилициевата технология представлява около 35 процента. Общо 90 процента от слънчевата енергия, използвана от хората, се събира чрез силициева технология.

Монокристалният силиций също е важен полупроводников материал в съвременната електроника. Като субстратен материал, използван при производството на транзистори с полеви ефекти (FETs), светодиоди и интегрални схеми, силицийът може да се намери в почти всички компютри, мобилни телефони, таблети, телевизори, радиостанции и други съвременни комуникационни устройства.

Изчислено е, че повече от една трета от всички електронни устройства съдържат базирана на силиций полупроводникова технология.

И накрая, карбидният силициев карбид се използва в различни електронни и неелектронни приложения, включително синтетични бижута, високотемпературни полупроводници, твърда керамика, режещи инструменти, спирачни дискове, абразиви, бронирани жилетки и нагревателни елементи.

(Силиций), Si - химически. елемент от IV група на периодичната система от елементи; при. н. 14, при. м. 28 086. Кристалният силиций е тъмно сиво вещество със смолист блясък. В повечето съединения проявява степени на окисление - 4, +2 и +4. Естественият силиций се състои от стабилни изотопи 28Si (92,28%), 29Si (4,67%) и 30Si (3,05%). Получени са радиоактивни 27Si, 31Si и 32Si с период на полуразпад съответно 4,5 секунди, 2,62 часа и 700 години. К. е изолиран за първи път през 1811 г. от французите. химик и физик Ж. Л. Гей-Люсак и фр. от химика L. J. Tenar, но идентифициран едва през 1823 г. от шведа, химик и минералог J. J. Berzelius.

Силицият е вторият най-разпространен елемент в земната кора (27,6%) (след кислорода). Намира се преим. под формата на силициев диоксид Si02 и други кислородсъдържащи вещества (силикати, алумосиликати и др.). При нормални условия се образува стабилна полупроводникова модификация на медта, характеризираща се с лицево-центрирана кубична структура като диамант, с период a = 5,4307 A. Междуатомно разстояние 2,35 A. Плътност 2,328 g/cm. При високо налягане (120-150 kbar) се трансформира в по-плътни полупроводникови и метални модификации. Металната модификация е свръхпроводник с температура на преход от 6,7 K. С увеличаване на налягането точката на топене намалява от 1415 ± 3 ° C при налягане от 1 bar до 810 ° C при налягане от 15 104 bar (тройната точка на съвместно съществуване на полупроводник, метал и течен К. ). По време на топенето се наблюдава увеличаване на координационното число и метализация на междуатомните връзки. Аморфният силиций е близък до течността в неговия ред на къси разстояния, което съответства на силно изкривена кубична структура, центрирана върху тялото. Температурата на Дебай е близо до 645 К. Коеф. температурното линейно разширение се променя с температурни промени по екстремен закон, под температура от 100 K става отрицателно, достигайки минимум (-0,77 10 -6) deg -1 при температура от 80 K; при температура 310 K тя е равна на 2,33 · 10 -6 deg -1, а при температура 1273 K -4,8 · 10 deg -1. Топлина на топене 11,9 kcal/g-atom; точка на кипене 3520 K.

Топлината на сублимация и изпарение при точката на топене е съответно 110 и 98,1 kcal/g-atom. Топлинната и електрическата проводимост на силиция зависи от чистотата и съвършенството на кристалите. С увеличаване на t-ry коефициент. Топлинната проводимост на чист К. първо се увеличава (до 8,4 cal / cm X X sec · deg при температура 35 K), а след това намалява, достигайки 0,36 и 0,06 cal / cm · sec · deg при температура, съответно 300 и 1200 K. Енталпията, ентропията и топлинният капацитет на K. при стандартни условия са равни съответно на 770 cal/g-atom, 4,51 и 4,83 cal/g-atom - град. Силицият е диамагнитен, магнитната чувствителност на твърдо вещество (-1,1 · 10 -7 emu/g) и течност (-0,8 · 10 -7 emu/g). Силицият слабо зависи от температурата. Повърхностната енергия, плътността и кинематичният вискозитет на течния въглерод при точката на топене са 737 erg/cm2, 2,55 g/cm3 и 3 × 10 m2/s. Кристалният силиций е типичен полупроводник със забранена зона от 1,15 eV при температура от 0 K и 1,08 eV при температура от 300 K. При стайна температура концентрацията на присъщите носители на заряд е близо до 1,4 10 10 cm - 3, ефективната подвижност на електроните и дупките е съответно 1450 и 480 cm 2 /v · sec, а електрическото съпротивление е 2,5 · 105 ohm · cm.С повишаване на температурата те се променят експоненциално.

Електрическите свойства на силиция зависят от природата и концентрацията на примесите, както и от съвършенството на кристала. Обикновено, за да се получи полупроводникова мед с p- и n-тип проводимост, тя се легира с елементи от подгрупи IIIb (бор, алуминий, галий) и Vb (фосфор, арсен, антимон, бисмут), които създават набор от акцептор и донор нива, съответно разположени близо до границите на лентата. За легиране се използват други елементи (например), формоване и др. дълбоки нива, които определят улавянето и рекомбинацията на носители на заряд. Това дава възможност за получаване на материали с висока електрическа мощност. съпротивление (1010 ohm cm при температура 80 K) и кратък живот на малцинствените носители на заряд, което е важно за повишаване на производителността на различни устройства. коеф. Термоенергията на силиция зависи значително от температурата и съдържанието на примеси, като се увеличава с увеличаване на електрическото съпротивление (при p = 0,6 ohm - cm, a = 103 µV/deg). Диелектричната константа на силиция (от 11 до 15) слабо зависи от състава и съвършенството на монокристалите. Моделите на оптичната абсорбция на силиций се променят значително с промени в неговата чистота, концентрация и естество на структурните дефекти, както и дължината на вълната.

Границата на индиректно поглъщане на електромагнитни вибрации е близо до 1,09 eV, директно поглъщане - до 3,3 eV. Във видимата област на спектъра параметрите на комплексния показател на пречупване (n - ik) много силно зависят от състоянието на повърхността и наличието на примеси. За особено чист К. (сλ = 5461 A и t-re 293 K) n = 4,056 и k = 0,028. Работната работа на електрона е близо до 4,8 eV. Силицият е крехък. Твърдостта му (температура 300 К) по Моос е 7; HB = 240; HV = 103; I = 1250 kgf/mm2; модул на нормите, еластичност (поликристал) 10,890 kgf / mm2. Якостта на опън зависи от съвършенството на кристала: за огъване от 7 до 14, за компресия от 49 до 56 kgf / mm2; коефициент свиваемост 0,325 1066 cm2/kg.

При стайна температура силицийът практически не взаимодейства с газообразни (с изключение на) и твърди реагенти, с изключение на алкали. При повишени температури той активно взаимодейства с метали и неметали. По-специално, той образува SiC карбид (при температури над 1600 K), Si3N4 нитрид (при температури над 1300 K), SiP фосфид (при температури над 1200 K) и арсениди Si As, SiAS2 (при температури над 1000 K). Реагира с кислород при температури над 700 K, образувайки диоксид Si02, с халогени - флуорид SiF4 (при температури над 300 K), хлорид SiCl4 (при температури над 500 K), бромид SiBr4 (при температури над 700 K) и nodid SiI4 (при температура 1000 K). Реагира интензивно с много. метали, образуващи твърди разтвори на заместване в тях или хим. съединения - силициди. Концентрационните граници на хомогенност на твърдите разтвори зависят от естеството на разтворителя (например в германий от 0 до 100%, в желязо до 15%, в алфа-цирконий по-малко от 0,1%).

Металите и неметалите в твърдия кремък са много по-малко изобилни и обикновено са ретроградни. В същото време максималното съдържание на примеси, които създават плитки нива в K. достигат максимум (2 × 10 18, 10 19, 2 × 10 19, 1021, 2 × 10 21 cm) в температурния диапазон от 1400 до 1600 K. Примесите с дълбоки нива се характеризират със значително по-ниска разтворимост (от 1015 за селен и 5 10 16 за желязо до 7 10 17 за никел и 10 18 cm-3 за мед). В течно състояние силицият се смесва за неопределено време с всички метали, често с много голямо отделяне на топлина. Чистият силиций се получава от технически продукт от 99% Si и 0,03% всеки от Fe, Al и Co), получен чрез редуциране на кварц с въглерод в електрически пещи. Първо, примесите се измиват от него (със смес от солна и сярна киселина, а след това флуороводородна и сярна киселина), след което полученият продукт (99,98%) се третира с хлор. Синтезираните се пречистват чрез дестилация.

Полупроводниковият силиций се получава чрез редукция на SiCl4 (или SiHCl3) хлорид с водород или термично разлагане на SiH4 хидрид. Окончателното пречистване и отглеждане на монокристали се извършва чрез гладък метод без тигел или по метода на Чохралски, като се получават особено чисти блокове (съдържание на примеси до 1010-1013 cm-3) sr> 10 3 ohm cm. В зависимост от предназначението на хлоридите в процеса на получаване на хлориди или по време на растежа на монокристалите, в тях се въвеждат дозирани количества от необходимите примеси. Така се приготвят цилиндрични слитъци с диаметър 2-4 и дължина 3-10 см. За специални цели. по-големи монокристали също се произвеждат за целите. Техническият силиций и особено той с желязото се използват като дезоксиданти и редуктори на стоманата, както и като легиращи добавки. Особено чисти проби от монокристална мед, легирана с различни елементи, се използват като основа за различни слаботокови (по-специално термоелектрически, радио, осветителни и фототехнически) и силнотокови (изправители, преобразуватели) устройства.

Силиций или силиций

Силицият е неметал; неговите атоми имат 4 електрона на външно енергийно ниво. Може да ги дарява, показвайки степента на окисление + 4, и да прикрепя електрони, показвайки степента на окисление - 4. Въпреки това, способността за свързване на електрони към силиций е много по-малка от тази на въглерода. Силициевите атоми имат по-голям радиус от въглеродните атоми.

Намиране на силиций в природата

Силицият е много разпространен в природата. представлява над 26% от масата на земната кора. По отношение на разпространението той се нарежда на второ място (след кислорода). За разлика от въглерода, C не се среща в свободно състояние в природата. Той е част от различни химични съединения, главно различни модификации на силициев (IV) оксид и соли на силициева киселина (силикати).

Получаване на силиций

В промишлеността чрез редуциране на SiO се получава силиций с техническа чистота (95 - 98%) 2 кокс в електрически пещи по време на калциниране:

SiO 2 + 2C = Si + 2CO

SiO 2 + 2Mg = Si + 2MgO

По този начин се получава аморфен кафяв силициев прах с примеси. Чрез прекристализация от разтопени метали (Zn, Al) може да се прехвърли в кристално състояние.

За полупроводниковата технология, силиций с много висока чистота се получава чрез редукция на силициев тетрахлорид SiCl при 1000°C 4 чифта цинк:

SiCl 4 + 2Zn = Si + 2ZnCl 2

и почистването му след това със специални методи.

Физични и химични свойства на силиция

Чистият кристален силиций е крехък и твърд, драскотини. Подобно на диаманта, той има кубична кристална решетка с ковалентна връзка. Точката му на топене е 1423 °C. При нормални условия силицийът е слабо активен елемент, той се свързва само с флуор, но при нагряване влиза в различни химични реакции.

Използва се като ценен материал в полупроводниковата технология. В сравнение с други полупроводници, той се отличава със значителна устойчивост на киселини и способността да поддържа високо електрическо съпротивление до 300°C. Техническият силиций и феросилиций се използват и в металургията за производството на топлоустойчиви, киселинноустойчиви и инструментални стомани, чугун и много други сплави.

С металите силицият образува химически съединения, наречени силициди; при нагряване с магнезий се образува магнезиев силицид:

Si + 2Mg = Mg 2 Si

Металните силициди приличат на карбиди по структура и свойства, така че металоподобните силициди, като металоподобните карбиди, се отличават с висока твърдост, висока точка на топене и добра електрическа проводимост.

Когато смес от пясък и кокс се калцинира в електрически пещи, се образува съединение от силиций и въглерод - силициев карбид или карборунд:

SiO 2 + 3C = SiC + 2CO

Карборундът е огнеупорно, безцветно твърдо вещество, ценно като абразивен и топлоустойчив материал. Карборундът, като , има атомна кристална решетка. В чисто състояние е изолатор, но при наличие на примеси се превръща в полупроводник.

Като силиций , образува два оксида: силициев (II) оксид SiO и силициев (IV) оксид SiO 2 . Силициевият (IV) оксид е твърдо, огнеупорно вещество, широко разпространено в природата в свободно състояние. Това е химически стабилно вещество, което взаимодейства само с флуор и газообразен флуороводород или флуороводородна киселина:

SiO 2 + 2F 2 = SiF 4 + O 2

SiO 2 + 4HF = SiF 4 + 2H 2 O

Дадената посока на реакциите се обяснява с факта, че силицият има висок афинитет към флуора. В допълнение, силициевият тетрафлуорид е летливо вещество.

В технологията прозрачен SiO 2 използва се за производството на стабилно, огнеупорно кварцово стъкло, което пропуска добре ултравиолетовите лъчи, има висок коефициент на разширение и следователно издържа на значителни моментни температурни промени. Аморфна модификация на силициев (II) оксид, tripoli, има висока порьозност. Използва се като топло- и звукоизолатор, за производството на динамит (носител на експлозив) и др. Силициевият (IV) оксид под формата на обикновен пясък е един от основните строителни материали. Използва се в производството на огнеупорни и киселинноустойчиви материали, стъкло, като флюс в металургията и др.

Сравнявайки молекулните формули, химичните и физичните свойства на въглеродния оксид (IV) и силициевия оксид (IV), лесно е да се види, че свойствата на тези съединения, сходни по химичен състав, са различни. Това се обяснява с факта, че силициевият (IV) оксид се състои от повече от молекули SiO 2 , но от техните сътрудници, в които силициевите атоми са свързани помежду си чрез кислородни атоми. Силициев (IV) оксид (SiO 2 )n , Изображението му върху равнината е следното:

¦ ¦ ¦

О О О

¦ ¦ ¦

¦ ¦ ¦

О О О

¦ ¦ ¦

— O — Si — O — Si — O — Si — O —

¦ ¦ ¦

О О О

¦ ¦ ¦

Силициевите атоми са разположени в центъра на тетраедъра, а кислородните атоми са разположени в неговите ъгли. Si-O връзките са много силни, което обяснява високата твърдост на силициевия (IV) оксид.