Silicon: uwekaji, kemikali na sifa halisi

2024 Mwandishi: Angel Austin | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2023-12-17 05:42

Mojawapo ya vipengele vya kawaida katika asili ni silisiamu, au silikoni. Usambazaji mkubwa kama huo unazungumza juu ya umuhimu na umuhimu wa dutu hii. Hii ilieleweka haraka na kupitishwa na watu ambao walijifunza jinsi ya kutumia vizuri silicon kwa madhumuni yao wenyewe. Utumiaji wake unategemea sifa maalum, ambazo tutazungumzia baadaye.

Silicon ni kipengele cha kemikali

Ikiwa tutaangazia kipengele fulani kwa nafasi katika mfumo wa muda, tunaweza kutambua vipengele muhimu vifuatavyo:

1. Nambari ya kawaida - 14.
2. Kipindi ni cha tatu kidogo.
3. Kundi - IV.
4. Kikundi kidogo - kikuu.
5. Muundo wa ganda la elektroni la nje unaonyeshwa kwa fomula 3s²3p².
6. Silicon ya elementi inaashiria kwa alama ya kemikali Si, ambayo hutamkwa "silicium".
7. Uoksidishaji unasema inaonyesha: -4; +2; +4.
8. Valency ya atomi ni IV.
9. Uzito wa atomiki wa silikoni ni 28.086.
10. Kwa asili, kuna isotopu tatu thabiti za kipengele hiki zenye nambari za wingi 28, 29 na 30.

Kwa hivyo chembeKwa mtazamo wa kemikali, silikoni ni kipengele kilichosomwa vizuri, sifa zake nyingi zimeelezwa.

Historia ya uvumbuzi

Kwa vile ni viambajengo mbalimbali vya kipengele kinachozingatiwa ambacho ni maarufu sana na kikubwa katika maudhui asilia, tangu nyakati za kale watu walitumia na kujua kuhusu sifa za wengi wao. Silicon safi kwa muda mrefu ilibakia nje ya maarifa ya binadamu katika kemia.

Kampani maarufu zaidi zilizotumiwa katika maisha ya kila siku na tasnia na watu wa tamaduni za kale (Wamisri, Warumi, Wachina, Warusi, Waajemi na wengineo) zilikuwa vito vya thamani na vya mapambo vilivyotegemea oksidi ya silicon. Hizi ni pamoja na:

• opal;
• rhinestone;
• topazi;
• krisopraso;
• onyx;
• kalkedoni na nyinginezo.

Imekuwa pia desturi kutumia mchanga wa quartz na quartz katika ujenzi tangu zamani. Walakini, silicon ya msingi yenyewe ilibaki bila kugunduliwa hadi karne ya 19, ingawa wanasayansi wengi walijaribu bila mafanikio kuitenga kutoka kwa misombo anuwai, kwa kutumia vichocheo, joto la juu, na hata mkondo wa umeme. Hizi ni akili angavu kama:

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

Jens Jacobs Berzelius alifanikiwa kupata silikoni safi mnamo 1823. Ili kufanya hivyo, alifanya majaribio juu ya muunganisho wa mivuke ya silicon fluoride na potasiamu ya metali. Kama matokeo, alipokea muundo wa amofasi wa kitu kinachohusika. Mwanasayansi huyo huyo alipendekeza jina la Kilatini la atomi iliyogunduliwa.

Baadaye kidogo, mwaka wa 1855, mwanasayansi mwingine - Saint Clair-Deville - aliweza kuunganisha aina nyingine ya allotropiki - silicon ya fuwele. Tangu wakati huo, ujuzi juu ya kipengele hiki na mali zake zilianza kukua haraka sana. Watu waligundua kuwa ina sifa za kipekee ambazo zinaweza kutumiwa kwa akili sana kukidhi mahitaji yao wenyewe. Kwa hiyo, leo moja ya vipengele vinavyohitajika zaidi katika umeme na teknolojia ni silicon. Matumizi yake huongeza tu mipaka yake kila mwaka.

Jina la Kirusi la atomi lilitolewa na mwanasayansi Hess mnamo 1831. Hilo ndilo limekwama hadi leo.

Iliyomo katika asili

Silicon ni ya pili kwa wingi kwa asili baada ya oksijeni. Asilimia yake kwa kulinganisha na atomi zingine katika muundo wa ukoko wa dunia ni 29.5%. Kwa kuongeza, kaboni na silicon ni vipengele viwili maalum vinavyoweza kuunda minyororo kwa kuunganisha na kila mmoja. Ndio maana zaidi ya madini 400 tofauti ya asili yanajulikana kwa madini haya, ambayo ndani yake yamo katika lithosphere, haidrosphere na biomasi.

Silicone inapatikana wapi hasa?

1. Katika tabaka za kina za udongo.
2. Katika miamba, amana na wingi.
3. Chini ya vyanzo vya maji, hasa bahari na bahari.
4. Katika mimea na viumbe vya baharini vya ulimwengu wa wanyama.
5. Katika binadamu na wanyama wa nchi kavu.

Inawezekana kuteua madini na mawe kadhaa ya kawaida, ambayo yana kiasi kikubwa chasilicon. Kemia yao ni kwamba maudhui ya wingi wa kipengele safi ndani yao hufikia 75%. Hata hivyo, takwimu maalum inategemea aina ya nyenzo. Kwa hivyo, mawe na madini yaliyo na silicon:

• feldspars;
• mica;
• amfiboli;
• pali;
• kalkedoni;
• silicates;
• mawe ya mchanga;
• aluminosilicates;
• udongo na mengine.

Silicone hujilimbikiza kwenye ganda na mifupa ya nje ya wanyama wa baharini, hatimaye huunda amana zenye nguvu za silika chini ya vyanzo vya maji. Hii ni mojawapo ya vyanzo asilia vya kipengele hiki.

Aidha, ilibainika kuwa silisiamu inaweza kuwepo katika umbo lake la asili - katika umbo la fuwele. Lakini amana kama hizo ni nadra sana.

Sifa za kimwili za silikoni

Ikiwa unabainisha kipengele kinachozingatiwa kwa seti ya sifa za kimwili na kemikali, basi kwanza kabisa, ni vigezo halisi vinavyopaswa kuonyeshwa. Hapa kuna chache muhimu:

1. Ipo katika muundo wa marekebisho mawili ya allotropiki - amofasi na fuwele, ambayo hutofautiana katika sifa zote.
2. Miani ya fuwele inafanana sana na ile ya almasi, kwa sababu kaboni na silikoni zinakaribia kufanana katika suala hili. Hata hivyo, umbali kati ya atomi ni tofauti (silicon ina zaidi), hivyo almasi ni ngumu zaidi na yenye nguvu. Aina ya kimiani - kitovu cha uso wa ujazo.
3. Dutu hii ni brittle sana, huwa plastiki kwenye joto la juu.
4. Kiwango myeyuko ni 1415˚C.
5. Halijotokiwango cha mchemko - 3250˚С.
6. Msongamano wa maada - 2.33 g/cm³.
7. Rangi ya muunganisho ni kijivu-fedha, yenye mng'ao maalum wa metali.
8. Inayo sifa nzuri za semicondukta, ambazo zinaweza kutofautiana kwa kuongezwa kwa mawakala fulani.
9. Hakuna katika maji, viyeyusho vya kikaboni na asidi.
10. Huyeyushwa haswa katika alkali.

Sifa maalum za silicon huruhusu watu kuidhibiti na kuitumia kuunda bidhaa mbalimbali. Kwa mfano, matumizi ya silikoni safi katika vifaa vya elektroniki yanatokana na sifa za utaftaji.

Sifa za kemikali

Sifa za kemikali za silikoni hutegemea sana hali ya mmenyuko. Ikiwa tunazungumza juu ya dutu safi kwa vigezo vya kawaida, basi tunahitaji kuteua shughuli ya chini sana. Silicon ya fuwele na amofasi zote mbili ni ajizi sana. Usiingiliane na vioksidishaji vikali (isipokuwa florini), wala vinakisishaji vikali.

Hii ni kutokana na ukweli kwamba filamu ya oksidi SiO₂ hutengenezwa papo hapo juu ya uso wa dutu hii, ambayo huzuia mwingiliano zaidi. Inaweza kutengenezwa kwa kuathiriwa na maji, hewa, mvuke.

Ukibadilisha hali ya kawaida na silikoni ya kuongeza joto hadi joto linalozidi 400˚С, basi shughuli zake za kemikali zitaongezeka sana. Katika kesi hii, itachukua hatua kwa:

• oksijeni;
• aina zote za halojeni;
• hidrojeni.

Kwa ongezeko zaidi la halijoto, uundaji wa bidhaa unawezekana saamwingiliano na boroni, nitrojeni na kaboni. Ya umuhimu hasa ni carborundum - SiC, kwani ni nyenzo nzuri ya abrasive.

Pia, sifa za kemikali za silikoni huonekana wazi katika miitikio ya metali. Kuhusiana nao, ni wakala wa oksidi, kwa hiyo bidhaa huitwa silicides. Michanganyiko inayofanana inajulikana kwa:

• alkali;
• ardhi yenye alkali;
• madini ya mpito.

Sifa zisizo za kawaida zina mchanganyiko unaopatikana kwa kuunganisha chuma na silikoni. Inaitwa kauri ya ferrosilicon na imetumika kwa mafanikio katika tasnia.

Silikoni haiingiliani na dutu changamano, kwa hivyo, ya aina zake zote, inaweza tu kuyeyuka katika:

• vodka ya kifalme (mchanganyiko wa asidi ya nitriki na hidrokloriki);
• alkali za caustic.

Katika hali hii, halijoto ya myeyusho inapaswa kuwa angalau 60˚С. Haya yote kwa mara nyingine tena yanathibitisha msingi halisi wa dutu hii - kimiani thabiti kama almasi, ambayo huipa nguvu na ajizi.

Njia za kupata

Kupata silikoni safi ni mchakato wa gharama kubwa kiuchumi. Kwa kuongeza, kutokana na mali zake, njia yoyote inatoa tu 90-99% ya bidhaa safi, wakati uchafu katika mfumo wa metali na kaboni hubakia sawa. Kwa hivyo kupata tu dutu haitoshi. Inapaswa pia kusafishwa kwa ubora kutoka kwa vipengele vya kigeni.

Kwa ujumla, utengenezaji wa silikoni unafanywa kwa njia kuu mbili:

1. Kutoka kwenye mchanga mweupeambayo ni oksidi halisi ya silicon SiO₂. Wakati ni calcined na metali hai (mara nyingi na magnesiamu), kipengele cha bure huundwa kwa namna ya muundo wa amorphous. Usafi wa njia hii ni wa juu, bidhaa hupatikana kwa mavuno ya asilimia 99.9.
2. Mbinu iliyoenea zaidi katika kiwango cha viwanda ni uwekaji wa mchanga ulioyeyushwa na koka katika tanuu maalumu za mafuta. Njia hii ilitengenezwa na mwanasayansi wa Kirusi Beketov N. N.

Uchakataji zaidi unajumuisha kuelekeza bidhaa kwenye njia za kusafisha. Kwa hili, asidi au halojeni (klorini, florini) hutumiwa.

Silicon ya amofasi

Tabia za silikoni hazitakamilika ikiwa hatutazingatia kando kila marekebisho yake ya allotropiki. Ya kwanza ni amofasi. Katika hali hii, dutu tunayozingatia ni poda ya kahawia-kahawia, iliyotawanywa vizuri. Ina kiwango cha juu cha hygroscopicity, inaonyesha shughuli za kutosha za kemikali wakati wa joto. Chini ya hali ya kawaida, inaweza tu kuingiliana na wakala wenye nguvu zaidi wa kuongeza vioksidishaji - florini.

Si sahihi kabisa kuita silikoni ya amofasi aina mbalimbali za silikoni ya fuwele. Latisi yake inaonyesha kuwa dutu hii ni aina tu ya silicon iliyotawanywa vizuri ambayo inapatikana katika mfumo wa fuwele. Kwa hivyo, kwa hivyo, marekebisho haya ni mchanganyiko sawa.

Hata hivyo, mali zao hutofautiana, kwa hivyo ni desturi kuzungumzia allotropy. Kwa yenyewe, silicon ya amorphous inauwezo wa juu wa kunyonya mwanga. Kwa kuongeza, chini ya hali fulani, kiashiria hiki ni mara kadhaa zaidi kuliko ile ya fomu ya fuwele. Kwa hiyo, hutumiwa kwa madhumuni ya kiufundi. Katika fomu inayozingatiwa (poda), kiwanja hutumiwa kwa urahisi kwenye uso wowote, iwe ni plastiki au kioo. Kwa hivyo, ni silicon ya amorphous ambayo ni rahisi kutumia. Programu hii inategemea utengenezaji wa paneli za sola za ukubwa mbalimbali.

Ingawa uchakavu wa aina hii ya betri ni wa haraka sana, ambao unahusishwa na mkwaruzo wa filamu nyembamba ya dutu hii, hata hivyo, matumizi na mahitaji yanaongezeka tu. Hakika, hata katika maisha mafupi ya huduma, seli za jua kulingana na silicon ya amorphous zinaweza kutoa nishati kwa makampuni yote. Zaidi ya hayo, utayarishaji wa dutu kama hii hautumiwi taka, ambayo inafanya kuwa ya kiuchumi sana.

Pata marekebisho haya kwa kupunguza misombo yenye metali amilifu, kama vile sodiamu au magnesiamu.

Silicon ya kioo

Mabadiliko ya rangi ya kijivu yanayong'aa ya kipengele kinachohusika. Ni fomu hii ambayo ni ya kawaida na inayohitajika zaidi. Hii ni kutokana na seti ya sifa za ubora ambazo dutu hii inamiliki.

Sifa ya silicon iliyo na kimiani ya fuwele inajumuisha uainishaji wa aina zake, kwa kuwa kuna kadhaa kati yao:

1. Ubora wa kielektroniki - safi na ubora wa juu zaidi. Ni aina hii inayotumika katika kielektroniki kuunda vifaa nyeti haswa.
2. Ubora wa jua. Jina lenyeweinafafanua eneo la matumizi. Pia ni silicon ya usafi wa juu, matumizi ambayo ni muhimu kuunda seli za jua za ubora na za muda mrefu. Vigeuzi vya Photovoltaic vilivyoundwa kwa misingi ya muundo wa fuwele ni vya ubora wa juu na vinadumu zaidi kuliko vile vilivyoundwa kwa kutumia urekebishaji wa amofasi kwa kuweka kwenye aina mbalimbali za substrates.
3. Silicone ya kiufundi. Aina hii inajumuisha sampuli za dutu ambayo ina karibu 98% ya kipengele safi. Kila kitu kingine huenda kwa aina mbalimbali za uchafu:

• boroni;
• alumini;
• klorini;
• kaboni;
• fosforasi na nyinginezo.

Aina ya mwisho ya dutu inayohusika hutumika kupata polycrystals za silicon. Kwa hili, taratibu za recrystallization hufanyika. Kwa hivyo, kwa suala la usafi, bidhaa hupatikana ambazo zinaweza kuhusishwa na vikundi vya ubora wa jua na elektroniki.

Kwa asili, polysilicon ni bidhaa ya kati kati ya urekebishaji wa amofasi na fuwele. Chaguo hili ni rahisi kufanya kazi nalo, ni bora kusindika tena na kusafishwa kwa florini na klorini.

Bidhaa zinazotokana zinaweza kuainishwa kama ifuatavyo:

• multicilicon;
• monocrystalline;
• fuwele zilizoangaziwa;
• chakavu cha silicon;
• silicon ya kiufundi;
• uchafu wa uzalishaji katika mfumo wa vipande na mabaki ya mabaki.

Kila moja hupata matumizi kwenye tasnia na hutumikamtu kabisa. Kwa hivyo, michakato ya uzalishaji inayohusisha silicon inachukuliwa kuwa isiyo na taka. Hii inapunguza sana gharama yake ya kiuchumi bila kuathiri ubora.

Kutumia silikoni safi

Uzalishaji wa silicon kwenye tasnia umeanzishwa vyema, na kiwango chake ni kikubwa sana. Hii ni kutokana na ukweli kwamba kipengele hiki, safi na katika mfumo wa misombo mbalimbali, kimeenea na kinahitajika katika matawi mbalimbali ya sayansi na teknolojia.

Silikoni safi ya fuwele na amofasi hutumika wapi?

1. Katika madini kama kiongezeo cha aloi chenye uwezo wa kubadilisha sifa za metali na aloi zake. Kwa hivyo, hutumika katika kuyeyusha chuma na chuma.
2. Aina tofauti za dutu hutumika kutengeneza toleo safi - polysilicon.
3. Michanganyiko ya silicon iliyo na viambatanisho - hii ni tasnia nzima ya kemikali ambayo imepata umaarufu mahususi leo. Nyenzo za silikoni hutumika katika dawa, katika utengenezaji wa vyombo, zana na mengine mengi.
4. Utengenezaji wa paneli mbalimbali za sola. Njia hii ya kupata nishati ni mojawapo ya kuahidi zaidi katika siku zijazo. Rafiki wa mazingira, gharama nafuu na kudumu - faida kuu za uzalishaji huo wa umeme.
5. Silicon imekuwa ikitumika katika njiti kwa muda mrefu sana. Hata katika nyakati za zamani, watu walitumia jiwe ili kuunda cheche wakati wa kuwasha moto. Kanuni hii ni msingi wa uzalishaji wa njiti za aina mbalimbali. Leo kuna aina ambazogumegume hubadilishwa na aloi ya muundo fulani, ambayo hutoa matokeo ya haraka zaidi (kuchochea).
6. Elektroniki na nishati ya jua.
7. Utengenezaji wa vioo katika vifaa vya leza ya gesi.

Kwa hivyo, silikoni safi ina sifa nyingi za manufaa na maalum ambazo huiruhusu kutumika kutengeneza bidhaa muhimu na zinazohitajika.

Utumiaji wa misombo ya silicon

Mbali na dutu rahisi, misombo mbalimbali ya silicon pia hutumiwa, na kwa upana sana. Kuna tawi zima la tasnia inayoitwa silicate. Ni yeye ambaye ni msingi wa matumizi ya vitu mbalimbali, ambayo ni pamoja na kipengele hiki cha kushangaza. Michanganyiko hii ni nini na inazalisha nini?

1. Quartz, au mchanga wa mto - SiO₂. Inatumika kwa utengenezaji wa vifaa vya ujenzi na mapambo kama saruji na glasi. Ambapo nyenzo hizi hutumiwa, kila mtu anajua. Hakuna ujenzi unaokamilika bila vijenzi hivi, jambo ambalo linathibitisha umuhimu wa misombo ya silicon.
2. Kauri za silika, zinazojumuisha nyenzo kama vile faience, porcelaini, matofali na bidhaa kulingana na hizo. Vipengele hivi hutumiwa katika dawa, katika utengenezaji wa sahani, mapambo ya mapambo, vitu vya nyumbani, katika ujenzi na maeneo mengine ya kaya ya shughuli za binadamu.
3. Miunganisho ya silikoni - silikoni, jeli za silika, mafuta ya silikoni.
4. Gundi ya silicate - hutumika kama vifaa vya kuandikia, katika pyrotechnics na ujenzi.

Silicon, bei ambayo inatofautiana kwenye soko la dunia, lakini haivukikutoka juu hadi chini, alama ya rubles 100 za Shirikisho la Urusi kwa kilo (kwa fuwele), ni dutu inayotafutwa na yenye thamani. Kwa kawaida, misombo ya kipengele hiki pia imeenea na inatumika.

Jukumu la kibayolojia la silikoni

Kwa mtazamo wa umuhimu kwa mwili, silikoni ni muhimu. Maudhui yake na usambazaji wa tishu ni kama ifuatavyo:

• 0, 002% - misuli;
• 0, 000017% - mfupa;
• damu - 3.9 mg/l.

Kila siku, takriban gramu moja ya silikoni inapaswa kuingia ndani, vinginevyo magonjwa yataanza kukua. Hakuna mauti kati yao, hata hivyo, njaa ya muda mrefu ya silicon husababisha:

• kupoteza nywele;
• kuonekana kwa chunusi na chunusi;
• udhaifu na udhaifu wa mifupa;
• upenyezaji rahisi wa kapilari;
• uchovu na maumivu ya kichwa;
• kuonekana kwa michubuko na michubuko mingi.

Kwa mimea, silikoni ni kipengele muhimu cha ufuatiliaji kinachohitajika kwa ukuaji na ukuaji wa kawaida. Majaribio ya wanyama yameonyesha kuwa watu wanaotumia silicon ya kutosha kila siku hukua vyema zaidi.