Silici: aplicació, propietats químiques i físiques

2024 Autora: Angel Austin | [email protected]. Última modificació: 2023-12-17 05:19

Un dels elements més comuns a la natura és el silici, o silici. Una distribució tan àmplia parla de la importància i la importància d'aquesta substància. Això va ser entès i adoptat ràpidament per persones que van aprendre a utilitzar correctament el silici per als seus propis propòsits. La seva aplicació es basa en propietats especials, de les quals parlarem més endavant.

El silici és un element químic

Si caracteritzem un determinat element per posició en el sistema periòdic, podem identificar els següents punts importants:

1. Número ordinal - 14.
2. El període és el tercer petit.
3. Grup - IV.
4. Subgrup - principal.
5. L'estructura de la capa d'electrons exterior s'expressa mitjançant la fórmula 3s²3p².
6. L'element silici es denota amb el símbol químic Si, que es pronuncia "silici".
7. Els estats d'oxidació que presenta: -4; +2; +4.
8. La valència d'un àtom és IV.
9. La massa atòmica del silici és 28.086.
10. A la natura, hi ha tres isòtops estables d'aquest element amb nombres de massa 28, 29 i 30.

Així que l'àtomDes del punt de vista químic, el silici és un element ben estudiat, s'han descrit moltes de les seves diverses propietats.

Historial de descobriments

Com que són els diferents compostos de l'element considerat els que són molt populars i de contingut massiu a la natura, des de l'antiguitat la gent utilitzava i coneixia les propietats de molts d'ells. El silici pur va romandre durant molt de temps més enllà del coneixement humà en química.

Els compostos més populars utilitzats en la vida quotidiana i la indústria pels pobles de les cultures antigues (egipcis, romans, xinesos, russos, perses i altres) eren les pedres precioses i ornamentals a base d'òxid de silici. Aquests inclouen:

• opal;
• pedreria;
• topaz;
• crisoprasa;
• onyx;
• calcedònia i altres.

També s'acostuma a utilitzar quars i sorra de quars a la construcció des de l'antiguitat. No obstant això, el silici elemental va romandre sense descobrir fins al segle XIX, tot i que molts científics van intentar en va aïllar-lo de diversos compostos, utilitzant catalitzadors, altes temperatures i fins i tot corrent elèctric. Aquestes són ments brillants com:

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

Jens Jacobs Berzelius va aconseguir obtenir silici pur amb èxit el 1823. Per fer-ho, va realitzar un experiment sobre la fusió de vapors de fluorur de silici i potassi metàl·lic. Com a resultat, va rebre una modificació amorfa de l'element en qüestió. El mateix científic va proposar un nom llatí per a l'àtom descobert.

Una mica més tard, l'any 1855, un altre científic, Saint Clair-Deville, va aconseguir sintetitzar una altra varietat al·lotròpica: el silici cristal·lí. Des de llavors, el coneixement sobre aquest element i les seves propietats va començar a créixer molt ràpidament. La gent es va adonar que té característiques úniques que es poden utilitzar de manera molt intel·ligent per satisfer les seves pròpies necessitats. Per tant, avui dia un dels elements més demandats en electrònica i tecnologia és el silici. El seu ús només amplia els seus límits cada any.

El nom rus de l'àtom va ser donat pel científic Hess el 1831. Això és el que s'ha mantingut fins avui.

Contingut a la natura

El silicona és el segon més abundant a la natura després de l'oxigen. El seu percentatge en comparació amb altres àtoms en la composició de l'escorça terrestre és del 29,5%. A més, el carboni i el silici són dos elements especials que poden formar cadenes connectant-se entre ells. És per això que es coneixen més de 400 minerals naturals diferents d'aquest últim, en els quals està contingut a la litosfera, la hidrosfera i la biomassa.

On es troba exactament el silici?

1. A les capes profundes del sòl.
2. En roques, dipòsits i massissos.
3. Al fons de les masses d'aigua, especialment mars i oceans.
4. A les plantes i la vida marina del regne animal.
5. En humans i animals terrestres.

És possible designar diversos dels minerals i roques més comuns, que contenen una gran quantitat desilici. La seva química és tal que el contingut en massa d'un element pur en ells arriba al 75%. Tanmateix, la xifra específica depèn del tipus de material. Per tant, roques i minerals que contenen silici:

• feldspats;
• mica;
• amfíbols;
• opals;
• calcedònia;
• silicats;
• gres;
• aluminosilicats;
• argiles i altres.

Acumulat a les petxines i als esquelets exteriors dels animals marins, el silici acaba formant potents dipòsits de sílice al fons dels cossos d'aigua. Aquesta és una de les fonts naturals d'aquest element.

A més, es va trobar que el silici pot existir en la seva forma nativa pura, en forma de cristalls. Però aquests dipòsits són molt rars.

Propietats físiques del silici

Si caracteritzeu l'element considerat per un conjunt de propietats físiques i químiques, en primer lloc, cal indicar els paràmetres físics. Aquests són alguns dels principals:

1. Existeix en forma de dues modificacions al·lotròpiques: amorf i cristal·lí, que es diferencien en totes les propietats.
2. La xarxa cristal·lina és molt semblant a la del diamant, perquè el carboni i el silici són gairebé els mateixos en aquest sentit. Tanmateix, la distància entre els àtoms és diferent (el silici en té més), de manera que el diamant és molt més dur i fort. Tipus de gelosia: cara cúbica centrada.
3. La substància és molt trencadissa, es converteix en plàstic a altes temperatures.
4. El punt de fusió és 1415˚C.
5. Temperaturapunt d'ebullició - 3250˚С.
6. Densitat de la matèria: 2,33 g/cm³.
7. El color de la connexió és gris plata, amb una brillantor metàl·lica característica.
8. Té bones propietats de semiconductor, que poden variar amb l'addició de determinats agents.
9. Insoluble en aigua, dissolvents orgànics i àcids.
10. Específicament soluble en àlcalis.

Les propietats físiques designades del silici permeten a les persones controlar-lo i utilitzar-lo per crear diversos productes. Per exemple, l'ús de silici pur en electrònica es basa en les propietats de la semiconductivitat.

Propietats químiques

Les propietats químiques del silici depenen molt de les condicions de reacció. Si parlem d'una substància pura amb paràmetres estàndard, hem de designar una activitat molt baixa. Tant el silici cristal·lí com el silici amorf són molt inerts. No interaccioneu amb agents oxidants forts (excepte el fluor) ni amb agents reductors forts.

Això es deu al fet que una pel·lícula d'òxid SiO₂ es forma instantàniament a la superfície de la substància, que impedeix noves interaccions. Es pot formar sota la influència de l'aigua, l'aire i els vapors.

Si canvieu les condicions estàndard i escalfeu el silici a una temperatura superior a 400˚С, la seva activitat química augmentarà molt. En aquest cas, reaccionarà amb:

• oxigen;
• tot tipus d'halògens;
• hidrogen.

Amb un nou augment de la temperatura, la formació de productes és possible ainteracció amb bor, nitrogen i carboni. De particular importància és el carborundum - SiC, ja que és un bon material abrasiu.

A més, les propietats químiques del silici es veuen clarament en les reaccions amb metalls. En relació amb ells, és un agent oxidant, per això els productes s'anomenen siliciurs. Es coneixen compostos similars per:

• alcalina;
• alcalinoterrós;
• metalls de transició.

Les propietats inusuals tenen un compost obtingut mitjançant la fusió de ferro i silici. S'anomena ceràmica de ferrosilici i s'ha utilitzat amb èxit a la indústria.

El silicona no interacciona amb substàncies complexes, per tant, de totes les seves varietats, només es pot dissoldre en:

• vodka reial (una barreja d'àcids nítric i clorhídric);
• àlcalis càustics.

En aquest cas, la temperatura de la solució hauria de ser com a mínim de 60˚С. Tot això confirma una vegada més la base física de la substància: una xarxa cristal·lina estable semblant a un diamant, que li dóna força i inercia.

Mètodes d'obtenció

Obtenir silici pur és un procés força costós econòmicament. A més, a causa de les seves propietats, qualsevol mètode dóna només un 90-99% de producte pur, mentre que les impureses en forma de metalls i carboni segueixen sent les mateixes. Així que només obtenir la substància no és suficient. També s'ha de netejar qualitativament d'elements estranys.

En general, la producció de silici es realitza de dues maneres principals:

1. De la sorra blancaque és òxid de silici pur SiO₂. Quan es calcina amb metalls actius (la majoria de vegades amb magnesi), es forma un element lliure en forma de modificació amorfa. La puresa d'aquest mètode és alta, el producte s'obté amb un rendiment del 99,9 per cent.
2. Un mètode més estès a escala industrial és la sinterització de sorra fosa amb coc en forns tèrmics especialitzats. Aquest mètode va ser desenvolupat pel científic rus Beketov N. N.

El processament posterior consisteix a sotmetre els productes a mètodes de neteja. Per a això s'utilitzen àcids o halògens (clor, fluor).

Silici amorf

La caracterització del silici serà incompleta si no considerem per separat cadascuna de les seves modificacions al·lotròpiques. El primer és amorf. En aquest estat, la substància que estem considerant és una pols marró-marró, finament dispersa. Té un alt grau d'higroscopicitat, presenta una activitat química prou alta quan s'escalfa. En condicions estàndard, només pot interactuar amb l'agent oxidant més fort: el fluor.

No és del tot correcte anomenar silici amorf una varietat de silici cristal·lí. La seva gelosia mostra que aquesta substància és només una forma de silici finament dispers que existeix en forma de cristalls. Per tant, com a tal, aquestes modificacions són el mateix compost.

No obstant això, les seves propietats difereixen, per tant, s'acostuma a parlar d'al·lotropia. Per si mateix, el silici amorf té alta capacitat d'absorció de llum. A més, en determinades condicions, aquest indicador és diverses vegades superior al de la forma cristal·lina. Per tant, s'utilitza amb finalitats tècniques. En la forma considerada (pols), el compost s'aplica fàcilment a qualsevol superfície, ja sigui plàstic o vidre. Per tant, el silici amorf és tan còmode d'utilitzar. L'aplicació es basa en la fabricació de plaques solars de diferents mides.

Tot i que el desgast d'aquest tipus de bateries és força ràpid, cosa que s'associa a l'abrasió d'una fina pel·lícula de la substància, no obstant això, l'ús i la demanda no fa més que créixer. De fet, fins i tot en una vida útil curta, les cèl·lules solars basades en silici amorf són capaços de proporcionar energia a empreses senceres. A més, la producció d'aquesta substància no té residus, la qual cosa la fa molt econòmica.

Aconsegueix aquesta modificació reduint compostos amb metalls actius, com el sodi o el magnesi.

Silici cristal·lí

Modificació brillant de color gris plata de l'element en qüestió. És aquesta forma la més comuna i la més demandada. Això es deu al conjunt de propietats qualitatives que posseeix aquesta substància.

La característica del silici amb una xarxa cristal·lina inclou una classificació dels seus tipus, ja que n'hi ha diversos:

1. Qualitat electrònica: la més pura i la més alta qualitat. És aquest tipus el que s'utilitza en electrònica per crear dispositius especialment sensibles.
2. Qualitat assolellada. El propi nomdefineix l'àmbit d'ús. També és un silici d' alta puresa, l'ús del qual és necessari per crear cèl·lules solars d' alta qualitat i de llarga durada. Els convertidors fotovoltaics creats a partir d'una estructura cristal·lina són de major qualitat i més duradors que els creats mitjançant una modificació amorfa per deposició sobre diversos tipus de substrats.
3. Silici tècnic. Aquesta varietat inclou aquelles mostres d'una substància que contenen al voltant del 98% de l'element pur. Tota la resta va a diferents tipus d'impureses:

• bor;
• alumini;
• clor;
• carboni;
• fòsfor i altres.

L'última varietat de la substància en qüestió s'utilitza per obtenir policristalls de silici. Per a això es duen a terme processos de recristal·lització. Com a resultat, pel que fa a la puresa, s'obtenen productes que es poden atribuir als grups de qualitat solar i electrònica.

Per naturalesa, el polisilici és un producte intermedi entre la modificació amorfa i la cristal·lina. Aquesta opció és més fàcil de treballar, es recicla millor i es neteja amb fluor i clor.

Els productes resultants es poden classificar de la següent manera:

• multiclicon;
• monocristal·lí;
• cristalls perfilats;
• ferralla de silici;
• silici tècnic;
• residus de producció en forma de fragments i restes de matèria.

Cada un d'ells troba aplicació a la indústria i s'utilitzauna persona completament. Per tant, els processos de producció amb silici es consideren lliures de residus. Això redueix molt el seu cost econòmic sense afectar la qualitat.

S'utilitza silici pur

La producció de silicona a la indústria està força ben establerta i la seva escala és força voluminosa. Això es deu al fet que aquest element, tant pur com en forma de diversos compostos, està molt estès i demandat en diverses branques de la ciència i la tecnologia.

On s'utilitza silici pur cristal·lí i amorf?

1. En metal·lúrgia com a additiu d'aliatge capaç de canviar les propietats dels metalls i els seus aliatges. Per tant, s'utilitza en la fosa d'acer i ferro.
2. S'utilitzen diferents tipus de substàncies per fer una versió més neta: polisilici.
3. Compostos de silici amb substàncies orgàniques: aquesta és tota una indústria química que avui ha guanyat una popularitat especial. Els materials de silicona s'utilitzen en medicina, en la fabricació de vaixelles, eines i molt més.
4. Producció de diverses plaques solars. Aquest mètode d'obtenció d'energia és un dels més prometedors del futur. Ecològic, rendible i durador: els principals avantatges d'aquesta producció d'electricitat.
5. El silicona s'ha utilitzat en encenedors durant molt de temps. Fins i tot en l'antiguitat, la gent utilitzava sílex per crear una espurna quan s'encenia el foc. Aquest principi és la base per a la producció d'encenedors de diversos tipus. Avui hi ha espècies en les qualsel sílex es substitueix per un aliatge d'una determinada composició, que dóna un resultat encara més ràpid (espurneig).
6. Electrònica i energia solar.
7. Producció de miralls en dispositius làser de gas.

Així, el silici pur té moltes propietats avantatjoses i especials que permeten utilitzar-lo per crear productes importants i necessaris.

Aplicació de compostos de silici

A més d'una substància simple, també s'utilitzen, i molt àmpliament, diversos compostos de silici. Hi ha tota una branca de la indústria anomenada silicat. És ella qui es basa en l'ús de diverses substàncies, que inclouen aquest element sorprenent. Quins són aquests compostos i què produeixen?

1. Quars o sorra de riu - SiO₂. S'utilitza per a la fabricació de materials de construcció i decoratius com el ciment i el vidre. On s'utilitzen aquests materials, tothom ho sap. Cap construcció no està completa sense aquests components, cosa que confirma la importància dels compostos de silici.
2. Cèràmica de silicats, que inclou materials com ara faïence, porcellana, maó i productes a base d'ells. Aquests components s'utilitzen en medicina, en la fabricació de plats, adorns decoratius, articles per a la llar, en construcció i altres àrees domèstiques de l'activitat humana.
3. Compostos de silicona: silicones, gels de sílice, olis de silicona.
4. Cola de silicat: s'utilitza com a papereria, en pirotècnia i construcció.

Silici, el preu del qual varia al mercat mundial, però no es creuade d alt a baix, la marca de 100 rubles de la Federació Russa per quilogram (per cristal·lí), és una substància buscada i valuosa. Naturalment, els compostos d'aquest element també estan molt estesos i aplicables.

El paper biològic del silici

Des del punt de vista de la importància per al cos, el silici és important. El seu contingut i distribució de teixits és la següent:

• 0, 002% - musculós;
• 0, 000017% - os;
• sang - 3,9 mg/l.

Cada dia hauria d'entrar al voltant d'un gram de silici, en cas contrari començaran a desenvolupar-se mal alties. No hi ha morts entre ells, però, la fam de silici prolongada condueix a:

• caiguda del cabell;
• aparició d'acne i grans;
• fragilitat i fragilitat dels ossos;
• permeabilitat capil·lar fàcil;
• fatiga i mals de cap;
• l'aparició de nombrosos contusions i contusions.

Per a les plantes, el silici és un oligoelement important necessari per al creixement i desenvolupament normals. Els experiments amb animals han demostrat que les persones que consumeixen prou silici diàriament creixen millor.