السيليكون: الخصائص الكيميائية والفيزيائية للتطبيق

2024 مؤلف: Angel Austin | [email protected]. آخر تعديل: 2023-12-17 05:16

أحد العناصر الأكثر شيوعًا في الطبيعة هو السيليكون ، أو السيليكون. مثل هذا التوزيع الواسع يتحدث عن أهمية وأهمية هذه المادة. تم فهم هذا وتبنيه بسرعة من قبل الأشخاص الذين تعلموا كيفية استخدام السيليكون بشكل صحيح لأغراضهم الخاصة. تطبيقه مبني على خصائص خاصة سنتحدث عنها لاحقا

السيليكون عنصر كيميائي

إذا قمنا بتمييز عنصر معين حسب الموضع في النظام الدوري ، فيمكننا تحديد النقاط المهمة التالية:

1. الرقم الترتيبي - 14.
2. الفترة هي الثالثة الصغيرة.
3. المجموعة - IV.
4. مجموعة فرعية - رئيسي
5. يتم التعبير عن بنية غلاف الإلكترون الخارجي بالصيغة 3s²3p².
6. عنصر السيليكون يُرمز إليه بالرمز الكيميائي Si ، والذي يُنطق بـ "silicium".
7. توضح الأكسدة: -4 ؛ +2 ؛ + 4.
8. تكافؤ الذرة هو الرابع.
9. الكتلة الذرية للسيليكون 28.086.
10. في الطبيعة ، هناك ثلاثة نظائر مستقرة لهذا العنصر بأعداد كتلتها 28 و 29 و 30.

إذن الذرةمن وجهة نظر كيميائية ، يعتبر السيليكون عنصرًا مدروسًا جيدًا ، وقد تم وصف العديد من خصائصه المختلفة.

تاريخ الاكتشاف

نظرًا لأن المركبات المختلفة للعنصر قيد الدراسة تحظى بشعبية كبيرة وذات محتوى ضخم في الطبيعة ، فمنذ العصور القديمة استخدم الناس وعرفوا بخصائص العديد منهم فقط. ظل السيليكون النقي لفترة طويلة بعيدًا عن المعرفة البشرية في الكيمياء.

أكثر المركبات شيوعًا المستخدمة في الحياة اليومية والصناعة من قبل شعوب الثقافات القديمة (المصريون ، والرومان ، والصينيون ، والروس ، والفرس وغيرهم) كانت أحجار كريمة ونفيسة تعتمد على أكسيد السيليكون. وتشمل هذه:

• أوبال ؛
• حجر الراين ؛
• توباز ؛
• شريسوبراسي ؛
• الجزع ؛
• كالسيدونى و غيرها

كان من المعتاد أيضًا استخدام رمل الكوارتز والكوارتز في البناء منذ العصور القديمة. ومع ذلك ، ظل عنصر السيليكون نفسه غير مكتشف حتى القرن التاسع عشر ، على الرغم من أن العديد من العلماء حاولوا عبثًا عزله من المركبات المختلفة ، باستخدام المحفزات ، ودرجات الحرارة المرتفعة ، وحتى التيار الكهربائي. هذه عقول مشرقة مثل:

• كارل سكيل ؛
• جاي-لوساك ؛
• تينار ؛
• همفري ديفي ؛
• انطوان لافوازييه.

نجح Jens Jacobs Berzelius في الحصول على السيليكون النقي بنجاح في عام 1823. للقيام بذلك ، أجرى تجربة على اندماج أبخرة فلوريد السيليكون والبوتاسيوم المعدني. نتيجة لذلك ، حصل على تعديل غير متبلور للعنصر المعني. اقترح نفس العالم اسمًا لاتينيًا للذرة المكتشفة.

بعد ذلك بقليل ، في عام 1855 ، تمكن عالم آخر - سانت كلير ديفيل - من تصنيع مجموعة متنوعة أخرى متآصلة - وهي السيليكون البلوري. منذ ذلك الحين ، بدأت المعرفة حول هذا العنصر وخصائصه تنمو بسرعة كبيرة. أدرك الناس أن لها ميزات فريدة يمكن استخدامها بذكاء شديد لتلبية احتياجاتهم الخاصة. لذلك ، يعد السيليكون اليوم أحد العناصر الأكثر طلبًا في مجال الإلكترونيات والتكنولوجيا. استخدامه يوسع حدوده فقط كل عام.

الاسم الروسي للذرة من قبل العالم هيس في عام 1831. هذا ما علق حتى يومنا هذا

محتواة في الطبيعة

السيليكون هو ثاني أكثر وفرة في الطبيعة بعد الأكسجين. وتبلغ نسبته مقارنة بالذرات الأخرى في تكوين القشرة الأرضية 29.5٪. بالإضافة إلى ذلك ، يعتبر الكربون والسيليكون عنصرين خاصين يمكنهما تكوين سلاسل من خلال الاتصال ببعضهما البعض. هذا هو السبب في أن أكثر من 400 من المعادن الطبيعية المختلفة معروفة لهذا الأخير ، حيث يوجد في الغلاف الصخري والغلاف المائي والكتلة الحيوية.

أين يوجد السيليكون بالضبط؟

1. في الطبقات العميقة من التربة.
2. في الصخور والودائع والكتل
3. في قاع المسطحات المائية وخاصة البحار والمحيطات.
4. في النباتات والحياة البحرية في مملكة الحيوان
5. في البشر والحيوانات البرية.

من الممكن تحديد العديد من المعادن والصخور الأكثر شيوعًا ، والتي تحتوي على كمية كبيرة منالسيليكون. إن كيميائهم هي أن المحتوى الكتلي لعنصر نقي فيها يصل إلى 75 ٪. ومع ذلك ، فإن الرقم المحدد يعتمد على نوع المادة. إذن ، الصخور والمعادن التي تحتوي على السيليكون:

• فيلدسبار ؛
• ميكا ؛
• برمائيات ؛
• أوبال
• العقيق الأبيض ؛
• سيليكات ؛
• حجر رملي ؛
• سيليكات الألمنيوم ؛
• طين و غيرها

يتراكم السيليكون في الأصداف والهياكل العظمية الخارجية للحيوانات البحرية ، ويشكل في النهاية رواسب قوية من السيليكا في قاع المسطحات المائية. هذا هو أحد المصادر الطبيعية لهذا العنصر.

بالإضافة إلى ذلك ، وجد أن السيليسيوم يمكن أن يوجد في شكله الأصلي النقي - في شكل بلورات. لكن هذه الودائع نادرة جدًا.

الخصائص الفيزيائية للسيليكون

إذا قمت بتمييز العنصر قيد النظر من خلال مجموعة من الخصائص الفيزيائية والكيميائية ، إذن أولاً وقبل كل شيء ، يجب الإشارة إلى المعلمات الفيزيائية. فيما يلي بعض العناصر الأساسية:

1. موجود في شكل تعديلين متآصلين - غير متبلور وبلوري ، ويختلفان في جميع الخصائص.
2. تشبه الشبكة البلورية إلى حد كبير تلك الموجودة في الماس ، لأن الكربون والسيليكون متماثلان تقريبًا في هذا الصدد. ومع ذلك ، فإن المسافة بين الذرات مختلفة (السيليكون أكثر) ، وبالتالي فإن الماس أقوى بكثير وأقوى. نوع شعرية - مكعب متمركز في الوجه.
3. المادة هشة للغاية ، وتصبح بلاستيكية في درجات حرارة عالية.
4. نقطة الانصهار هي 1415 درجة مئوية.
5. درجة الحرارةنقطة الغليان - 3250 درجة مئوية.
6. كثافة المادة - 2.33 جم / سم³.
7. لون الاتصال رمادي فضي ، مع لمعان معدني مميز.
8. يمتلك خصائص جيدة لأشباه الموصلات ، والتي يمكن أن تختلف مع إضافة عوامل معينة.
9. غير قابلة للذوبان في الماء والمذيبات العضوية والأحماض.
10. قابل للذوبان في القلويات على وجه التحديد.

تسمح الخصائص الفيزيائية المحددة للسيليكون للناس بالتحكم فيه واستخدامه لإنشاء منتجات متنوعة. على سبيل المثال ، يعتمد استخدام السيليكون النقي في الإلكترونيات على خصائص أشباه الموصلية.

الخصائص الكيميائية

تعتمد الخصائص الكيميائية للسيليكون بشكل كبير على ظروف التفاعل. إذا تحدثنا عن مادة نقية وفقًا لمعايير قياسية ، فنحن بحاجة إلى تحديد نشاط منخفض جدًا. كل من السيليكون البلوري وغير المتبلور خامل جدًا. لا تتفاعل مع عوامل مؤكسدة قوية (باستثناء الفلور) ولا مع عوامل اختزال قوية.

هذا يرجع إلى حقيقة أن فيلم أكسيد SiO₂يتشكل على الفور على سطح المادة ، مما يمنع المزيد من التفاعلات. يمكن تشكيلها تحت تأثير الماء والهواء والأبخرة.

إذا قمت بتغيير الظروف القياسية وقمت بتسخين السيليكون إلى درجة حرارة أعلى من 400 درجة مئوية ، فإن نشاطه الكيميائي سيزداد بشكل كبير. في هذه الحالة سيتفاعل مع:

• أكسجين ؛
• جميع أنواع الهالوجينات
• الهيدروجين.

مع زيادة أخرى في درجة الحرارة ، يمكن تكوين المنتجات فيالتفاعل مع البورون والنيتروجين والكربون. من الأهمية بمكان كربوراندوم - كربيد السيليكون ، لأنه مادة كاشطة جيدة.

أيضًا ، تظهر الخصائص الكيميائية للسيليكون بوضوح في التفاعلات مع المعادن. بالنسبة لهم ، فهو عامل مؤكسد ، لذلك تسمى المنتجات بمبيدات السيليكات. المركبات المماثلة معروفة بـ:

• قلوي ؛
• الأرض القلوية ؛
• معادن انتقالية.

الخصائص غير العادية لها مركب تم الحصول عليه عن طريق دمج الحديد والسيليكون. يطلق عليه اسم سيراميك الفيروسيليكون وقد استخدم بنجاح في الصناعة.

لا يتفاعل السيليكون مع المواد المعقدة ، لذلك ، من بين جميع أنواعها ، يمكن أن يذوب فقط في:

• الفودكا الملكية (خليط من أحماض النيتريك والهيدروكلوريك) ؛
• قلويات كاوية.

في هذه الحالة ، يجب أن تكون درجة حرارة المحلول 60 درجة مئوية على الأقل. كل هذا يؤكد مرة أخرى الأساس المادي للمادة - شبكة بلورية مستقرة تشبه الماس ، مما يمنحها القوة والخمول.

طرق الحصول على

يعد الحصول على السيليكون النقي عملية مكلفة اقتصاديًا إلى حد ما. بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا لخصائصها ، فإن أي طريقة تعطي منتجًا نقيًا بنسبة 90-99 ٪ فقط ، بينما تظل الشوائب على شكل معادن وكربون كما هي. لذا فإن مجرد الحصول على الجوهر لا يكفي. يجب أيضًا تنظيفه نوعياً من العناصر الأجنبية.

بشكل عام ، يتم إنتاج السيليكون بطريقتين رئيسيتين:

1. من الرمال البيضاءوهو أكسيد السيليكون النقي SiO₂. عندما يتم تكليسها بالمعادن النشطة (غالبًا مع المغنيسيوم) ، يتم تكوين عنصر حر في شكل تعديل غير متبلور. درجة نقاء هذه الطريقة عالية ، يتم الحصول على المنتج بنسبة 99.9 بالمائة.
2. الطريقة الأكثر انتشارًا على المستوى الصناعي هي تلبيد الرمل المنصهر بفحم الكوك في أفران حرارية متخصصة. تم تطوير هذه الطريقة من قبل العالم الروسي بيكيتوف ن.

المعالجة الإضافية تتمثل في إخضاع المنتجات لطرق التنظيف. لهذا الغرض ، يتم استخدام الأحماض أو الهالوجينات (الكلور والفلور).

سيليكون غير متبلور

سيكون توصيف السيليكون غير مكتمل إذا لم نفكر بشكل منفصل في كل من تعديلاته المتآصلة. الأول غير متبلور. في هذه الحالة ، المادة التي نفكر فيها هي مسحوق بني-بني ، مشتت بدقة. تتمتع بدرجة عالية من الرطوبة ، وتظهر نشاطًا كيميائيًا مرتفعًا بدرجة كافية عند تسخينها. في ظل الظروف القياسية ، يمكن أن يتفاعل فقط مع أقوى عامل مؤكسد - الفلور.

ليس من الصحيح تمامًا تسمية السيليكون غير المتبلور بمجموعة متنوعة من السيليكون البلوري. تُظهر شبكتها أن هذه المادة ليست سوى شكل من أشكال السيليكون المشتت بدقة والموجود في شكل بلورات. لذلك ، فهذه التعديلات هي نفس المركب.

ومع ذلك ، تختلف خصائصها ، لذلك من المعتاد التحدث عن التآصل. في حد ذاته ، السليكون غير متبلورقدرة عالية على امتصاص الضوء. بالإضافة إلى ذلك ، في ظل ظروف معينة ، يكون هذا المؤشر أعلى بعدة مرات من الشكل البلوري. لذلك ، يتم استخدامه للأغراض الفنية. في الشكل المدروس (مسحوق) ، يتم وضع المركب بسهولة على أي سطح ، سواء كان من البلاستيك أو الزجاج. لذلك ، يعتبر السيليكون غير المتبلور مناسبًا جدًا للاستخدام. التطبيق يعتمد على صناعة الألواح الشمسية بمختلف الأحجام

على الرغم من أن تآكل هذا النوع من البطاريات سريع جدًا ، والذي يرتبط بتآكل طبقة رقيقة من المادة ، إلا أن الاستخدام والطلب يتزايدان فقط. في الواقع ، حتى في فترة الخدمة القصيرة ، فإن الخلايا الشمسية القائمة على السيليكون غير المتبلور قادرة على توفير الطاقة لمؤسسات بأكملها. بالإضافة إلى ذلك ، فإن إنتاج مثل هذه المادة يكون خاليًا من النفايات ، مما يجعلها اقتصادية للغاية.

احصل على هذا التعديل عن طريق تقليل المركبات التي تحتوي على معادن نشطة ، مثل الصوديوم أو المغنيسيوم.

كريستال سيليكون

تعديل لامع باللون الرمادي الفضي للعنصر المعني. هذا هو الشكل الأكثر شيوعًا والأكثر طلبًا. هذا بسبب مجموعة الخصائص النوعية التي تمتلكها هذه المادة.

خاصية السليكون ذات الشبكة البلورية تتضمن تصنيفًا لأنواعها ، حيث يوجد العديد منها:

1. الجودة الإلكترونية - أنقى وأعلى جودة. هذا هو النوع الذي يستخدم في الإلكترونيات لإنشاء أجهزة حساسة بشكل خاص.
2. جودة مشمسة. الاسم نفسهيحدد مجال الاستخدام. إنه أيضًا سيليكون عالي النقاء ، يعد استخدامه ضروريًا لإنشاء خلايا شمسية عالية الجودة وطويلة الأمد. المحولات الكهروضوئية التي تم إنشاؤها على أساس هيكل بلوري هي ذات جودة أعلى وأكثر متانة من تلك التي تم إنشاؤها باستخدام تعديل غير متبلور عن طريق الترسيب على أنواع مختلفة من الركائز.
3. السيليكون التقني. يشمل هذا التنوع عينات مادة تحتوي على حوالي 98٪ من العنصر النقي. كل شيء آخر يذهب إلى أنواع مختلفة من الشوائب:

• بورون ؛
• الألومنيوم ؛
• الكلور
• كربون
• الفوسفور و غيرها

يتم استخدام آخر صنف من المادة المعنية للحصول على بلورات السيليكون المتعددة. لهذا ، يتم تنفيذ عمليات إعادة التبلور. ونتيجة لذلك ومن حيث النقاء يتم الحصول على المنتجات التي يمكن أن تنسب إلى مجموعتي الجودة الشمسية والإلكترونية.

بطبيعتها ، البولي سيليكون هو منتج وسيط بين التعديل غير المتبلور والبلوري. هذا الخيار أسهل في العمل ، فمن الأفضل إعادة تدويره وتنظيفه بالفلور والكلور.

يمكن تصنيف المنتجات الناتجة على النحو التالي:

• متعدد السيليكون ؛
• أحادي البلورية ؛
• بلورات لمحة
• خردة السيليكون
• السيليكون التقني ؛
• انتاج نفايات على شكل شظايا و قصاصات من مادة

يجد كل منهم تطبيقًا في الصناعة ويتم استخدامهشخص تماما. لذلك ، تعتبر عمليات الإنتاج التي تنطوي على السيليكون خالية من النفايات. هذا يقلل بشكل كبير من التكلفة الاقتصادية دون التأثير على الجودة.

باستخدام السيليكون النقي

إنتاج السيليكون في الصناعة جيد جدًا ، وحجمه ضخم جدًا. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن هذا العنصر ، سواء النقي أو في شكل مركبات مختلفة ، منتشر ومطلوب في مختلف فروع العلوم والتكنولوجيا.

أين يتم استخدام السيليكون البلوري النقي وغير المتبلور؟

1. في علم المعادن كمادة مضافة لصناعة السبائك قادرة على تغيير خصائص المعادن وسبائكها. لذا فهو يستخدم في صهر الحديد والصلب.
2. تستخدم أنواع مختلفة من المواد لصنع نسخة أنظف - البولي سيليكون.
3. مركبات السيليكون مع المواد العضوية - هذه صناعة كيميائية كاملة اكتسبت شعبية خاصة اليوم. تستخدم مواد السيليكون في الطب وفي صناعة الأطباق والأدوات وأكثر من ذلك بكثير
4. إنتاج الألواح الشمسية المختلفة. هذه الطريقة للحصول على الطاقة هي واحدة من أكثر الطرق الواعدة في المستقبل. صديقة للبيئة وفعالة من حيث التكلفة ودائمة - المزايا الرئيسية لإنتاج الكهرباء.
5. تم استخدام السيليكون في الولاعات لفترة طويلة جدًا. حتى في العصور القديمة ، استخدم الناس الصوان لخلق شرارة عند إشعال النار. هذا المبدأ هو الأساس لإنتاج الولاعات بمختلف أنواعها. اليوم هناك أنواع فيهايتم استبدال الصوان بسبيكة ذات تركيبة معينة ، مما يعطي نتيجة أسرع (شرارة).
6. الالكترونيات والطاقة الشمسية.
7. انتاج مرايا في اجهزة الليزر الغازي

وهكذا ، يمتلك السيليكون النقي الكثير من الخصائص المفيدة والخاصة التي تسمح باستخدامه لإنشاء منتجات مهمة وضرورية.

تطبيق مركبات السيليكون

بالإضافة إلى مادة بسيطة ، تُستخدم أيضًا مركبات السيليكون المختلفة ، وعلى نطاق واسع جدًا. هناك فرع كامل من الصناعة يسمى السيليكات. هي التي تعتمد على استخدام مواد مختلفة ، بما في ذلك هذا العنصر المذهل. ما هذه المركبات وماذا تنتج؟

1. كوارتز ، أو رمال النهر - SiO₂. يتم استخدامه لصناعة مواد البناء والديكور مثل الاسمنت والزجاج. يعلم الجميع أين تستخدم هذه المواد. لا يكتمل البناء بدون هذه المكونات مما يؤكد أهمية مركبات السيليكون.
2. سيراميك السيليكات ، والذي يشمل مواد مثل القيشاني والبورسلين والطوب والمنتجات القائمة عليها. تستخدم هذه المكونات في الطب ، في صناعة الأطباق ، والحلي الزخرفية ، والأدوات المنزلية ، في البناء وغيرها من المجالات المنزلية للنشاط البشري.
3. مركبات السيليكون - السيليكون ، هلام السيليكا ، زيوت السيليكون.
4. غراء السيليكات - يستخدم كقرطاسية ، في الألعاب النارية والبناء.

السيليكون الذي يختلف سعره في الأسواق العالمية لكنه لا يتعدىمن أعلى إلى أسفل ، علامة 100 روبل من الاتحاد الروسي لكل كيلوغرام (لكل بلوري) ، مادة مرغوبة وقيمة. وبطبيعة الحال ، فإن مركبات هذا العنصر منتشرة على نطاق واسع وقابلة للتطبيق.

الدور البيولوجي للسيليكون

من وجهة نظر الأهمية بالنسبة للجسم ، فإن السيليكون مهم. محتواه وتوزيع الأنسجة على النحو التالي:

• 0، 002٪ - عضلي؛
• 0 ، 000017٪ - عظم ؛
• دم - 3.9 ملغم / لتر.

كل يوم ، يجب أن يدخل حوالي جرام واحد من السيليكون إلى الداخل ، وإلا ستبدأ الأمراض في التطور. لا توجد قاتلة بينهم ، ومع ذلك ، فإن تجويع السيليكون لفترات طويلة يؤدي إلى:

• تساقط الشعر
• ظهور حب الشباب و البثور
• هشاشة العظام و هشاشتها
• نفاذية الشعرية سهلة
• تعب وصداع ؛
• ظهور العديد من الكدمات والكدمات

بالنسبة للنباتات ، يعد السيليكون عنصرًا نادرًا مهمًا ضروريًا للنمو والتطور الطبيعي. أظهرت التجارب على الحيوانات أن الأفراد الذين يستهلكون كمية كافية من السيليكون يوميًا ينمون بشكل أفضل.