Silicio: applicazione, proprietà chimiche e fisiche

2024 Autore: Angel Austin | [email protected]. Ultima modifica: 2023-12-17 05:31

Uno degli elementi più comuni in natura è il silicio, o silicio. Una distribuzione così ampia parla dell'importanza e del significato di questa sostanza. Questo è stato rapidamente compreso e adottato da persone che hanno imparato a utilizzare correttamente il silicio per i propri scopi. La sua applicazione si basa su proprietà speciali, di cui parleremo più avanti.

Il silicio è un elemento chimico

Se caratterizziamo un dato elemento per posizione nel sistema periodico, possiamo identificare i seguenti punti importanti:

1. Numero ordinale - 14.
2. Il periodo è il terzo piccolo.
3. Gruppo - IV.
4. Sottogruppo - principale.
5. La struttura del guscio elettronico esterno è espressa dalla formula 3s²3p².
6. L'elemento silicio è indicato dal simbolo chimico Si, che si pronuncia "silicio".
7. Gli stati di ossidazione che mostra: -4; +2; +4.
8. La valenza di un atomo è IV.
9. La massa atomica del silicio è 28.086.
10. In natura, ci sono tre isotopi stabili di questo elemento con i numeri di massa 28, 29 e 30.

Quindi l'atomoDa un punto di vista chimico, il silicio è un elemento ben studiato, molte delle sue varie proprietà sono state descritte.

Cronologia delle scoperte

Poiché sono i vari composti dell'elemento in esame ad essere molto popolari e di enorme contenuto in natura, fin dall'antichità le persone usavano e conoscevano le proprietà di solo molti di essi. Il silicio puro è rimasto a lungo al di là della conoscenza umana in chimica.

I composti più utilizzati nella vita quotidiana e nell'industria dai popoli delle culture antiche (Egizi, Romani, Cinesi, Russi, Persiani e altri) erano pietre preziose e ornamentali a base di ossido di silicio. Questi includono:

• opale;
• strass;
• topazio;
• crisoprasio;
• onice;
• Calcedonio e altri.

È anche consuetudine utilizzare quarzo e sabbia di quarzo nelle costruzioni sin dai tempi antichi. Tuttavia, lo stesso silicio elementare è rimasto sconosciuto fino al 19° secolo, anche se molti scienziati hanno cercato invano di isolarlo da vari composti, usando catalizzatori, alte temperature e persino corrente elettrica. Queste sono menti brillanti come:

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

Jens Jacobs Berzelius riuscì a ottenere con successo silicio puro nel 1823. Per fare ciò, ha condotto un esperimento sulla fusione di vapori di fluoruro di silicio e potassio metallico. Di conseguenza, ha ricevuto una modifica amorfa dell'elemento in questione. Lo stesso scienziato propose un nome latino per l'atomo scoperto.

Poco dopo, nel 1855, un altro scienziato - Saint Clair-Deville - riuscì a sintetizzare un' altra varietà allotropica: il silicio cristallino. Da allora, la conoscenza di questo elemento e delle sue proprietà iniziò a crescere molto rapidamente. Le persone si sono rese conto che ha caratteristiche uniche che possono essere utilizzate in modo molto intelligente per soddisfare le proprie esigenze. Pertanto, oggi uno degli elementi più richiesti nell'elettronica e nella tecnologia è il silicio. Il suo utilizzo espande i suoi confini solo ogni anno.

Il nome russo per l'atomo fu dato dallo scienziato Hess nel 1831. Questo è ciò che è rimasto fino ad oggi.

Contenuto nella natura

Il silicio è il secondo più abbondante in natura dopo l'ossigeno. La sua percentuale rispetto ad altri atomi nella composizione della crosta terrestre è del 29,5%. Inoltre, carbonio e silicio sono due elementi speciali che possono formare catene collegandosi tra loro. Ecco perché per quest'ultimo sono noti più di 400 diversi minerali naturali, nei quali è contenuto nella litosfera, nell'idrosfera e nella biomassa.

Dove si trova esattamente il silicio?

1. Negli strati profondi del terreno.
2. Nelle rocce, depositi e massicci.
3. Sul fondo di specchi d'acqua, in particolare mari e oceani.
4. Nelle piante e nella vita marina del regno animale.
5. Negli esseri umani e negli animali terrestri.

È possibile designare molti dei minerali e delle rocce più comuni, che contengono una grande quantità disilicio. La loro chimica è tale che il contenuto di massa di un elemento puro in essi raggiunge il 75%. Tuttavia, la cifra specifica dipende dal tipo di materiale. Quindi, rocce e minerali contenenti silicio:

• feldspati;
• mica;
• anfiboli;
• opali;
• calcedonio;
• silicati;
• arenarie;
• silicati di alluminio;
• argille e altri.

Accumulandosi nei gusci e negli scheletri esterni degli animali marini, il silicio alla fine forma potenti depositi di silice sul fondo dei corpi idrici. Questa è una delle fonti naturali di questo elemento.

Inoltre, è stato scoperto che il silicio può esistere nella sua forma nativa pura - sotto forma di cristalli. Ma tali depositi sono molto rari.

Proprietà fisiche del silicio

Se caratterizzi l'elemento in esame mediante un insieme di proprietà fisiche e chimiche, prima di tutto dovrebbero essere indicati i parametri fisici. Eccone alcune chiave:

1. Esiste sotto forma di due modificazioni allotropiche: amorfe e cristalline, che differiscono in tutte le proprietà.
2. Il reticolo cristallino è molto simile a quello del diamante, perché carbonio e silicio sono quasi gli stessi sotto questo aspetto. Tuttavia, la distanza tra gli atomi è diversa (il silicio ne ha di più), quindi il diamante è molto più duro e più forte. Tipo di reticolo - centrato sulla faccia cubica.
3. La sostanza è molto fragile, diventa plastica ad alte temperature.
4. Il punto di fusione è 1415˚C.
5. Temperaturapunto di ebollizione - 3250˚С.
6. Densità della materia - 2,33 g/cm³.
7. Il colore della connessione è grigio argento, con una caratteristica lucentezza metallica.
8. Possiede buone proprietà di semiconduttore, che possono variare con l'aggiunta di determinati agenti.
9. Insolubile in acqua, solventi organici e acidi.
10. Specificamente solubile in alcali.

Le proprietà fisiche designate del silicio consentono alle persone di controllarlo e usarlo per creare vari prodotti. Ad esempio, l'uso del silicio puro nell'elettronica si basa sulle proprietà della semiconduttività.

Proprietà chimiche

Le proprietà chimiche del silicio dipendono molto dalle condizioni di reazione. Se parliamo di una sostanza pura a parametri standard, allora dobbiamo designare un'attività molto bassa. Sia il silicio cristallino che quello amorfo sono molto inerti. Non interagire con agenti ossidanti forti (tranne il fluoro), né con agenti riducenti forti.

Ciò è dovuto al fatto che un film di ossido SiO₂ si forma istantaneamente sulla superficie della sostanza, impedendo ulteriori interazioni. Può formarsi sotto l'influenza di acqua, aria, vapori.

Se modifichi le condizioni standard e riscaldi il silicio a una temperatura superiore a 400˚С, la sua attività chimica aumenterà notevolmente. In questo caso, reagirà con:

• ossigeno;
• tutti i tipi di alogeni;
• idrogeno.

Con un ulteriore aumento della temperatura è possibile la formazione di prodotti ainterazione con boro, azoto e carbonio. Di particolare importanza è il carborundum - SiC, in quanto è un buon materiale abrasivo.

Inoltre, le proprietà chimiche del silicio sono chiaramente visibili nelle reazioni con i metalli. In relazione ad essi è un agente ossidante, pertanto i prodotti sono chiamati siliciuri. Composti simili sono noti per:

• alcalino;
• terra alcalina;
• metalli di transizione.

Proprietà insolite hanno un composto ottenuto fondendo ferro e silicio. Si chiama ceramica ferrosilicio ed è stata utilizzata con successo nell'industria.

Il silicio non interagisce con sostanze complesse, quindi, di tutte le loro varietà, può dissolversi solo in:

• vodka reale (una miscela di acido nitrico e acido cloridrico);
• alcali caustici.

In questo caso, la temperatura della soluzione dovrebbe essere di almeno 60˚С. Tutto ciò conferma ancora una volta la base fisica della sostanza: un reticolo cristallino stabile simile a un diamante, che gli conferisce forza e inerzia.

Metodi per ottenere

L'ottenimento di silicio puro è un processo piuttosto costoso dal punto di vista economico. Inoltre, per le sue proprietà, qualsiasi metodo fornisce solo il 90-99% di prodotto puro, mentre le impurità sotto forma di metalli e carbonio rimangono le stesse. Quindi solo ottenere la sostanza non è sufficiente. Dovrebbe anche essere pulito qualitativamente da elementi estranei.

In generale, la produzione del silicio avviene principalmente in due modi:

1. Dalla sabbia biancache è ossido di silicio puro SiO₂. Quando viene calcinato con metalli attivi (il più delle volte con magnesio), si forma un elemento libero sotto forma di una modifica amorfa. La purezza di questo metodo è elevata, il prodotto si ottiene con una resa del 99,9%.
2. Un metodo più diffuso su scala industriale è la sinterizzazione di sabbia fusa con coke in forni termici specializzati. Questo metodo è stato sviluppato dallo scienziato russo Beketov N. N.

L'ulteriore lavorazione consiste nel sottoporre i prodotti a metodi di pulizia. Per questo vengono utilizzati acidi o alogeni (cloro, fluoro).

Silicio amorfo

La caratterizzazione del silicio sarà incompleta se non consideriamo separatamente ciascuna delle sue modifiche allotropiche. Il primo è amorfo. In questo stato, la sostanza che stiamo considerando è una polvere marrone-marrone, finemente dispersa. Ha un alto grado di igroscopicità, mostra un'attività chimica sufficientemente elevata quando riscaldato. In condizioni standard, può interagire solo con l'agente ossidante più forte: il fluoro.

Non è del tutto corretto chiamare silicio amorfo una varietà di silicio cristallino. Il suo reticolo mostra che questa sostanza è solo una forma di silicio finemente disperso che esiste sotto forma di cristalli. Pertanto, in quanto tali, queste modifiche sono lo stesso composto.

Tuttavia, le loro proprietà differiscono, quindi è consuetudine parlare di allotropia. Di per sé, il silicio amorfo haelevata capacità di assorbimento della luce. Inoltre, in determinate condizioni, questo indicatore è diverse volte superiore a quello della forma cristallina. Pertanto, viene utilizzato per scopi tecnici. Nella forma considerata (polvere), il composto si applica facilmente su qualsiasi superficie, sia essa plastica o vetro. Pertanto, è il silicio amorfo che è così conveniente per l'uso. L'applicazione si basa sulla produzione di pannelli solari di varie dimensioni.

Sebbene l'usura di questo tipo di batterie sia piuttosto rapida, il che è associato all'abrasione di un film sottile della sostanza, tuttavia, l'uso e la domanda sono in crescita. Infatti, anche in una breve vita utile, le celle solari a base di silicio amorfo sono in grado di fornire energia a intere imprese. Inoltre, la produzione di una tale sostanza è senza sprechi, il che la rende molto economica.

Ottieni questa modifica riducendo i composti con metalli attivi, come sodio o magnesio.

Silicio cristallino

Modifica lucida grigio argento dell'elemento in questione. È questa forma che è la più comune e la più richiesta. Ciò è dovuto all'insieme delle proprietà qualitative che questa sostanza possiede.

La caratteristica del silicio con un reticolo cristallino include una classificazione dei suoi tipi, poiché ce ne sono diversi:

1. Qualità elettronica: la più pura e la più alta qualità. È questo tipo che viene utilizzato nell'elettronica per creare dispositivi particolarmente sensibili.
2. Qualità solare. Il nome stessodefinisce l'area di utilizzo. È anche un silicio di elevata purezza, il cui utilizzo è necessario per creare celle solari di alta qualità e di lunga durata. I convertitori fotovoltaici realizzati sulla base di una struttura cristallina sono di qualità superiore e più durevoli di quelli realizzati utilizzando una modifica amorfa per deposizione su vari tipi di substrati.
3. Silicio tecnico. Questa varietà include quei campioni di una sostanza che contengono circa il 98% dell'elemento puro. Tutto il resto va a vari tipi di impurità:

• boro;
• alluminio;
• cloro;
• carbonio;
• fosforo e altri.

L'ultima varietà della sostanza in questione viene utilizzata per ottenere policristalli di silicio. Per questo vengono eseguiti processi di ricristallizzazione. Di conseguenza, in termini di purezza, si ottengono prodotti attribuibili ai gruppi di qualità solare ed elettronica.

Per natura, il polisilicio è un prodotto intermedio tra la modificazione amorfa e quella cristallina. Questa opzione è più facile da usare, è meglio riciclata e pulita con fluoro e cloro.

I prodotti risultanti possono essere classificati come segue:

• multicilicon;
• monocristallino;
• cristalli profilati;
• rottame di silicio;
• silicone tecnico;
• scarti di produzione sotto forma di frammenti e ritagli di materia.

Ognuno di loro trova applicazione nell'industria e viene utilizzatouna persona completamente. Pertanto, i processi di produzione che coinvolgono il silicio sono considerati privi di sprechi. Ciò riduce notevolmente il suo costo economico senza influire sulla qualità.

Usare silicio puro

La produzione di silicio nel settore è ben consolidata e la sua scala è piuttosto voluminosa. Ciò è dovuto al fatto che questo elemento, sia puro che sotto forma di vari composti, è diffuso e richiesto in vari rami della scienza e della tecnologia.

Dove viene utilizzato il silicio cristallino e amorfo?

1. In metallurgia come additivo legante in grado di modificare le proprietà dei metalli e delle loro leghe. Quindi, è usato nella fusione di acciaio e ferro.
2. Diversi tipi di sostanze vengono utilizzati per creare una versione più pulita: il polisilicio.
3. Composti di silicio con sostanze organiche: questa è un'intera industria chimica che oggi ha guadagnato particolare popolarità. I materiali siliconici sono usati in medicina, nella fabbricazione di stoviglie, strumenti e molto altro.
4. Produzione di vari pannelli solari. Questo metodo per ottenere energia è uno dei più promettenti in futuro. Ecologico, conveniente e durevole: i principali vantaggi di tale produzione di elettricità.
5. Il silicio è stato usato negli accendini per molto tempo. Anche nei tempi antichi, le persone usavano la selce per creare una scintilla quando si accendeva un fuoco. Questo principio è alla base della produzione di accendini di vario genere. Oggi ci sono specie in cuila selce viene sostituita con una lega di una certa composizione, che dà un risultato ancora più veloce (scintilla).
6. Elettronica ed energia solare.
7. Produzione di specchi in dispositivi laser a gas.

Quindi, il silicio puro ha molte proprietà vantaggiose e speciali che gli consentono di essere utilizzato per creare prodotti importanti e necessari.

Applicazione di composti siliconici

Oltre a una semplice sostanza, vengono utilizzati anche vari composti di silicio, e molto ampiamente. C'è un intero ramo dell'industria chiamato silicato. È lei che si basa sull'uso di varie sostanze, che includono questo straordinario elemento. Cosa sono questi composti e cosa producono?

1. Quarzo o sabbia di fiume - SiO₂. Viene utilizzato per la fabbricazione di materiali da costruzione e decorativi come cemento e vetro. Dove vengono utilizzati questi materiali, lo sanno tutti. Nessuna costruzione è completa senza questi componenti, il che conferma l'importanza dei composti di silicio.
2. Ceramica ai silicati, che include materiali come maiolica, porcellana, mattoni e prodotti a base di essi. Questi componenti sono utilizzati in medicina, nella fabbricazione di piatti, ornamenti decorativi, articoli per la casa, nell'edilizia e in altri settori domestici dell'attività umana.
3. Composti siliconici - siliconi, gel di silice, oli di silicone.
4. Colla ai silicati - usata come cancelleria, in pirotecnica e edilizia.

Silicio, il cui prezzo varia sul mercato mondiale, ma non incrociadall' alto verso il basso, il segno di 100 rubli della Federazione Russa per chilogrammo (per cristallino), è una sostanza ricercata e preziosa. Naturalmente, anche i composti di questo elemento sono diffusi e applicabili.

Il ruolo biologico del silicio

Dal punto di vista dell'importanza per il corpo, il silicio è importante. Il suo contenuto e la distribuzione dei tessuti sono i seguenti:

• 0, 002% - muscoloso;
• 0, 000017% - osso;
• sangue - 3,9 mg/l.

Ogni giorno dovrebbe entrare circa un grammo di silicio, altrimenti inizieranno a svilupparsi malattie. Non ci sono mortali tra di loro, tuttavia, la fame prolungata di silicio porta a:

• caduta dei capelli;
• comparsa di acne e brufoli;
• fragilità e fragilità delle ossa;
• facile permeabilità capillare;
• stanchezza e mal di testa;
• la comparsa di numerosi lividi e lividi.

Per le piante, il silicio è un importante oligoelemento necessario per la normale crescita e sviluppo. Gli esperimenti sugli animali hanno dimostrato che gli individui che consumano abbastanza silicio ogni giorno crescono meglio.