Siliciu

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Siliciu
 

14
da
 
        
        
                  
                  
                                
                                
  

aluminiu ← siliciu → fosfor

Aspect
Aspectul elementului
Gri închis cu reflexe albăstrui
Generalitate
Numele, simbolul, numărul atomic siliciu, Si, 14
Serie semimetale
Grup , punct , bloc 14 (TVA) , 3 , p
Densitate 2 330 kg / m³
Duritate 7
Configurare electronică
Configurare electronică
Termen spectroscopic 3 P 0
Proprietăți atomice
Greutate atomica 28.0855
Raza atomică (calc.) 110 pm
Raza covalentă Ora 110
Raza Van der Waals 210 pm
Configurare electronică [ Ne ] 3s 2 3p 2
și - după nivelul de energie 2, 8, 4
Stări de oxidare ± 2, 4 ( amfoteric ), -4
Structură cristalină cubic centrat pe față cu cavitate tetraedrică
Proprietăți fizice
Stare a materiei solid (nemagnetic)
Punct de fuziune 1 687 K (1 414 ° C )
Punct de fierbere 3 173 K (2 900 ° C)
Volumul molar 12,06 × 10 −6 m³ / mol
Entalpia vaporizării 384,22 kJ / mol
Căldura de fuziune 50,55 kJ / mol
Presiunea de vapori 4,77 Pa la 1 683 K.
Alte proprietăți
numar CAS 7440-21-3
Electronegativitate 1,90 (scară Pauling)
Căldura specifică 700 J / (kg K)
Conductibilitate electrică 2,52 × 10 −4 / m Ω
Conductivitate termică 148 W / (m K)
Energia primei ionizări 786,5 kJ / mol
A doua energie de ionizare 1 577,1 kJ / mol
A treia energie de ionizare 3 231,6 kJ / mol
Energia celei de-a patra ionizări 4 355,5 kJ / mol
A cincea energie de ionizare 16 091 kJ / mol
Energia celei de-a șasea ionizări 19 805 kJ / mol
Energia celei de-a șaptea ionizări 23 780 kJ / mol
A opta energie de ionizare 29 287 kJ / mol
A noua energie de ionizare 33 878 kJ / mol
A zecea energie de ionizare 38 726 kJ / mol
Izotopi mai stabili
iso N / A TD DM DE DP
28 Da 92,23% Este stabil cu 14 neutroni
29 Da 4,67% Este stabil cu 15 neutroni
30 Da 3,1% Este stabil cu 16 neutroni
32 Da sintetic 276 de ani β - 0,224 32 P
iso: izotop
NA: abundență în natură
TD: timpul de înjumătățire
DM: modul de descompunere
DE: energia de descompunere în MeV
DP: produs de descompunere

Siliciul este elementul chimic al tabelului periodic al elementelor care are ca simbol Si cu valența 26 și ca număr atomic 14. Este un semimetal și un semiconductor . Mai puțin reactiv decât analogul său chimic, carbonul , este al doilea cel mai abundent element din scoarța terestră după oxigen , reprezentând 27,72% din greutatea sa [1] . Se găsește în lut , feldspat , granit și cuarț , în principal sub formă de dioxid de siliciu , silicați și aluminosilicați (compuși care conțin siliciu, oxigen și metale). Siliciul este componenta principală a sticlei , betonului , ceramicii și siliconului .

Istorie

Siliciul (din latinescul silex , silicis care înseamnă silex ) a fost identificat pentru prima dată de Antoine Lavoisier în 1787 și ulterior a fost confundat cu un compus de Humphry Davy în 1800 . În 1811, Gay Lussac și Thenard au pregătit probabil siliciu amorf impur prin încălzirea potasiului cu tetrafluorură de siliciu . În 1824 Berzelius a preparat siliciu amorf folosind aproximativ aceeași metodă ca și Lussac. De asemenea, Berzelius a purificat produsul prin spălări succesive.

Caracteristici

În forma sa cristalină , siliciul are o culoare gri și un luciu metalic, dar culoarea sa poate varia. Deși este un element relativ inert, reacționează cu halogeni și cu alcalii diluați, dar majoritatea acizilor (cu excepția acidului fluorhidric ) nu îl afectează.

Siliciul transmite mai mult de 95% din toate lungimile de undă ale luminii în infraroșu .

Siliciul este baza tuturor silicaților , mineralelor formate din siliciu și oxigen plus alte elemente sub formă ionică. Silicații sunt conținuți în magme și, datorită structurii tetraedrice a silicei, magma devine mai vâscoasă și capabilă să rețină cantități mai mari de gaz. Aciditatea unei magme și a rocilor din care derivă este determinată pe baza conținutului de silice. Dacă magma nu este prezentă, va fi numită de bază.

Disponibilitate

Siliciul este componenta principală a aeroliților , care sunt o clasă de meteoroizi, precum și tektita , care este o formă naturală de sticlă.

Calculat în greutate, siliciul reprezintă 27,7% din scoarța terestră și este al doilea cel mai abundent element după oxigen [2] . Siliciul elementar nu se găsește în natură, apare în general ca oxid ( ametist , agat , cuarț , roci cristaline, silex , jasp , opal ) și silicați ( granit , azbest , feldspat , argilă , hornblendă , mică și altele).

Izotopi

Siliciul are nouă izotopi, cu numere de masă cuprinse între 25 și 33. 28 Si (cel mai abundent izotop, cu 92,23%), 29 Si (4,67%) și 30 Si (3,1%) sunt stabile; 32 Si este un izotop radioactiv produs de spalația nucleară a argonului . Timpul său de înjumătățire , după o lungă dezbatere, a fost determinat în aproximativ 276 de ani și se degradează prin emisia beta în 32 P (care are un timp de înjumătățire de 14,28 ani) și apoi în 32 S.

Compuși

Structura chimică a silicei (dioxid de siliciu)

Exemple de compuși de siliciu sunt monoxid de siliciu (SiO), dioxid de siliciu (SiO 2 ), acid silicic (H 4 SiO 4 ), silicați , ceramice de siliciu, cum ar fi carbură de siliciu (SiC) și nitrură de siliciu (Si 3 N 4 ), halogenuri de siliciu cum ar fi tetraclorura de siliciu (SiCl 4 ) și tetrafluorura de siliciu (SiF 4 ), siliconi .

Siliciul este, de asemenea, capabil să formeze compuși în care iese în evidență natura sa nemetalică, silicide , cum ar fi silicida de magneziu , care poate avea o natură covalentă ionică sau polară datorită electropozitivității ridicate a elementului.

Rolul biologic

Siliciul în compușii săi anorganici, cum ar fi silica, este răspândit pe scară largă în viețuitoare; poate fi prezent în țesături sub diferite forme. Principalul rol cunoscut este reprezentat de formarea de structuri de protecție și de sprijin pe bază de compuși anorganici precum acidul silicic și silice (dioxid de siliciu), în microorganisme, bureți, plante.

Silica este foarte importantă pentru viața plantelor și a animalelor . Diatomeele extrag silice din apă pentru a construi pereții de protecție ai celulelor lor; cozile de cal o concentrează în tulpina plantei folosind-o pentru a-i conferi rezistență și rezistență considerabilă la mestecat, pentru a descuraja ierbivorele.

Diatomeele și radiolarii , de exemplu, utilizează în principal silice, ca bază structurală a schelelor celulare, bureții folosesc silice pentru spiculule și alte structuri de susținere, coada calului are mai multe granule de silice în epiderma externă care o fac ușor abrazivă (și indigestibilă pentru unii erbivori) , urzica are vârful firelor înțepătoare silicizate.
În compușii metazoanici ai siliciului s-au găsit în concentrații mai mari în țesuturile conjunctive și de susținere (oase, colagen tunica externă a arterelor , cartilajele) și în regiunile extracelulare ale creierului. Corpul uman conține în total o cantitate estimată de 250 de miligrame. Prezența siliciului nu este identificată cu o funcție biochimică cunoscută [3] și ar putea fi de natură accidentală (acumularea în țesuturi cu afinitate mai mare pentru compus); efectele clinice ale deficienței la om sunt necunoscute, în timp ce un exces de siliciu poate provoca hemoliza globulelor roșii și poate provoca modificări celulare ca o consecință directă [4] . Farmacopeea examinează posibilele utilizări ale compușilor organici de siliciu pentru dezvoltarea medicamentelor [5]

Simptomele carențiale nu sunt cunoscute la mamifere, cu excepția celor induse experimental, deoarece siliciul este aproape omniprezent (al doilea cel mai abundent element prezent pe scoarța terestră după oxigen). Există dezvăluiri pe scară largă care ar încuraja consumul de așa-numitele suplimente organice pe bază de siliciu (adesea preparate pe bază de plante în care siliciu este prezent în schimb sub formă de silice anorganică din coadă de cal sau urzică, din acizi silicici sau din alchilsilanoli, aceștia din urmă strict compuși organici ) asumarea rolurilor în sinteza hidroxiprolinei , implicată în lanțul polimeric de colagen . Activitatea enzimei responsabile de această sinteză, procolagen-prolină dioxigenază , este în schimb reglată de prezența acidului 2-ketoglutaric , ascorbat (cofactor în reducere) și fier (Fe 3+ redus la Fe 2+ ) [6] , și nu din compuși de siliciu. Cu toate acestea, siliciul este absorbit de organism prin omniprezentul ion anorganic ortosilic. [7]

Siliciul a fost recunoscut ca un factor de dezvoltare la animalele tinere și la copii. La nivel cutanat, prezent în cea mai mare parte în straturile conjunctive profunde, are proprietăți hidratante și acceleratoare de vindecare a rănilor [ este necesară citarea ] . La nivel osos, există dovezi că suplimentele alimentare din siliciu organic (în special provenite din coada calului , ovăz și urzică ) pot accelera sudarea fracturilor, în timp ce la nivel sanguin, există studii care oferă dovezi că silicații organici pot induce diferențierea neutrofilelor granulocitelor și pot stimula fagocitoză . Studiile preliminare ar indica faptul că silicații au o anumită influență asupra sistemului endocrin general al omului. [ citație necesară ] Mecanismele modului în care acest lucru ar putea avea loc sunt totuși necunoscute.

Cu toate acestea, medicina pe bază de plante nu recomandă fitoterapia pe bază de plante care sunt prea remineralizante (și în special bogate în siliciu), atunci când există leziuni osoase degenerative (de exemplu osteoartrita ). Cu toate acestea, obținerea silicaților organici din dietă nu este dificilă. Siliciul este abundent în apă potabilă, ceapă, conopidă, fasole, mazăre, mere și căpșuni. Dintre plantele obișnuite, bogate în silicați organici se numesc mușchiul , coada calului, pătlagina , arnica , urzicile și buruienile .

Producție

Siliciul este preparat comercial încălzind silice de înaltă puritate într-un cuptor electric folosind electrozi de carbon. La temperaturi peste 1 900 ° C , carbonul reduce silica în siliciu conform ecuației chimice

Siliciul lichid se colectează la baza cuptorului și este apoi retras și răcit. Siliciul produs prin acest proces se numește siliciu de calitate metalurgică (MGS) și este pur în proporție de 98%. Un exces de carbon poate duce la formarea carburii de siliciu

Cu toate acestea, în cazul în care concentrația de SiO2 este menținut ridicată, carbură de siliciu poate fi eliminată

Pentru a atinge gradele de puritate mai mari necesare, de exemplu, pentru fabricarea dispozitivelor electronice semiconductoare, este necesar să se efectueze o purificare suplimentară, de exemplu cu metoda Siemens . În 2016, siliciul metalurgic a costat aproximativ 1,74 / kg [8] .

Purificare

Utilizarea siliciului în semiconductori necesită o puritate mai mare decât cea oferită de siliciu de calitate metalurgică. Din punct de vedere istoric, au fost utilizate o serie de metode diferite pentru a produce siliciu de înaltă puritate.

Metode fizice

Bara de siliciu monocristalină

Tehnicile timpurii de purificare a siliciului s-au bazat pe faptul că atunci când siliciu este topit și resolidificat, ultima parte a siliciului care se solidifică conține majoritatea impurităților. Primul sistem de purificare, descris în 1919 și utilizat la scară limitată pentru fabricarea componentelor radar în timpul celui de-al doilea război mondial , a necesitat pulverizarea siliciului de calitate metalurgică și dizolvarea parțială a acestuia în acid. Când este pulverizat, siliciul s-a crăpat astfel încât zonele cele mai slabe, cele mai bogate în impurități, să rămână în afara granulelor de siliciu rezultate. Ca rezultat, siliciul bogat în impurități a fost primul care s-a dizolvat când a fost tratat cu acid, lăsând un produs mai pur.

În topirea zonei , prima metodă de purificare a siliciului utilizată la scară industrială, tijele de siliciu de calitate metalurgică au fost încălzite de la un capăt până când a început să se topească. Încălzitorul a fost mutat încet de-a lungul barei, menținând o mică porțiune topită, pe măsură ce siliciu s-a răcit și s-a solidificat în spatele acestuia. Deoarece majoritatea impurităților tindeau să rămână în partea topită mai degrabă decât să se solidifice, la sfârșitul procesului se mutaseră în ultima parte a barei pentru a fi topite. Acest scop a fost apoi tăiat și aruncat, repetând procesul dacă era nevoie de o puritate mai mare.

Metode chimice

În zilele noastre siliciul este purificat transformându-l într-un compus care poate fi purificat mai ușor decât siliciu însuși și apoi transformat înapoi în siliciu pur. Triclorosilanul este cel mai frecvent utilizat compus de siliciu în acest proces, deși tetraclorura de siliciu și silanul sunt, de asemenea, uneori utilizate. Acești compuși, lichizi sau gazoși, sunt purificați prin distilare fracționată până când se obține un amestec de compuși numai din siliciu. Apoi, aceste gaze sunt suflate peste siliciu la o temperatură ridicată și se descompun, depunând siliciu policristalin de înaltă puritate.

În procesul Siemens , bare de siliciu ultrapur sunt expuse la triclorosilan la 1150 ° C; gazul triclorosilan se descompune și depune mai mult siliciu pe bară, extinzându-l în funcție de reacția chimică

Siliciul produs de acest proces și de procese similare se numește siliciu policristalin . Siliciul policristalin are un nivel de impuritate de 1 parte pe miliard sau mai puțin.

Pentru o vreme, DuPont a produs siliciu ultra-pur reacționând tetraclorură de siliciu cu vapori de zinc de înaltă puritate la 950 ° C, producând siliciu conform formulei

Această tehnică a fost afectată de probleme practice (cum ar fi clorura de zinc , un produs secundar, care s-a solidificat prin blocarea liniilor) și a fost abandonată în favoarea procesului Siemens .

Cristalizare

Procesul Czochralski este utilizat pentru a crea cristale de siliciu unic de înaltă puritate. Sistemul izometric este sinonim cu sistemul cubic.

Există șapte sisteme cristaline posibile, clasificate în funcție de

simetria rețelei:

Rețea de simetrie

1) triclină -1

2) monoclinic 2 / m

3) mmm ortorombic

4) tetragonal 4 / mmm

5) trigonal -3m

6) hexagonal 6 / mmm

7) m-3m cubi

Simetria este dată cu simbolul Hermann-Mauguin. simbolul -n (ex. -1, -3) indică o axă de rotoinversie (-1 este centrul de inversare). Trebuie remarcat faptul că este posibilă „centrarea” unor rețele în diferite moduri (rețele centrate pe față, centrate pe corp, centrate pe bază) pentru a obține un total de 14 rețele (Bravais). Pentru cub, combinația de simetrii (m: reflexie față de un plan paralel cu (100); -3: rotație de 120 °, cu inversare, în jurul axei [111]; m: reflecție față de un plan paralel to (110)) impune o metrică de tip "G = aI" unde "a" este constanta celulei și "I" matricea de identitate. În practică, întrucât elementele lui G sunt produsele scalare ale vectorilor de bază ai zăbrelei (g11 = a ^ 2 ...), G = aI corespunde unei zăbrele cubice de „latură” a.

Trebuie remarcat faptul că, având în vedere o rețea, este întotdeauna posibilă definirea celulelor

elementar de diverse forme și volume. Ceea ce rămâne invariant este simetria

a zăbrelei.

Aplicații

Siliciul este un semiconductor intrinsec (sau pur) și poate fi dopat cu arsenic , fosfor , galiu sau bor pentru a-l face mai conductiv și a-l utiliza în tranzistoare , panouri solare sau celule solare și alte echipamente semiconductoare , care sunt utilizate în electronică și altele aplicații de înaltă tehnologie. Există două tipuri de dopaj de siliciu care permit accesul electronilor la banda de conducție (siliciu de tip n) sau găuri de electroni la banda de valență (siliciu de tip p).

Siliciul este, de asemenea, un component important al unor tipuri de oțel ; limita sa de concentrație este de 5%, deoarece dincolo de aceasta există o scădere notabilă a rezistenței datorită potențialului său de creștere a bobului cristalin. De asemenea, face posibilă separarea grafitului în oțeluri, chiar și pornind de la concentrații de carbon mai mari de 0,50%. Se remarcă prezența sa (1-2%) în oțelurile de primăvară , unde crește limita elastică, apropiindu-l de punctul de rupere și favorizează întărirea .

Aplicații ale compușilor de siliciu

Precauții

O boală pulmonară severă numită silicoză este foarte frecventă în rândul minerilor, tăietorilor de piatră și altor lucrători care sunt angajați în locuri de muncă în care praful de silicat este inhalat în cantități mari.

Silicon Valley

Deoarece siliciul este un element semiconductor important, elementul principal al întregii industrii electronice , regiunea Silicon Valley din California , cunoscută pentru numeroasele sale companii de calculatoare și electronice, își ia numele de la acest element ( siliciu în engleză).

Silicon și silicon în traduceri în engleză

Traducătorii traduc adesea cuvântul englez silicon (care înseamnă siliciu) cu silicon , datorită similitudinii celor două cuvinte. În timp ce traducerea siliciului este siliciu ( / ˈsɪlɪkən / ), cea a siliconului este silicon ( / ˈsɪlɪkəʊn / ).

Prin urmare, se întâmplă adesea să găsim cuvinte precum chipsuri de silicon care derivă din această traducere incorectă. În episodul Monstrul întunericului din seria Star Trek se vorbește mult despre o specie vie bazată pe silicon în loc de forma de viață originală bazată pe siliciu [9] . În filmul din 1983 Wargames - War Games cu Matthew Broderick , regizat de John Badham într-o conversație, un general american spune, potrivit unei traduceri greșite, „masă de siliciu” pentru a defini un computer. În filmul 007 - Moving Target, un microcip de siliciu este identificat ca un microcip de siliciu, dezvăluind o lipsă de atenție în traducerea din limba engleză. Tot într-un episod din The Simpsons , Dr. Hibbert îl întreabă pe Homer dacă extratereștrii pe care i-a văzut sunt „pe bază de carbon sau pe bază de silicon”; în acest caz eroarea este dublă: „ carbon ” este, de asemenea, tradus incorect (ar fi trebuit să fie „carbon”, deoarece cărbunele în engleză este „ coal ”).

Siliconul este tradus și în silicon în romanul lui Andy Weir Artemis - Primul oraș pe lună din 2017. [10]

Siliciul în science fiction

O temă recurentă în arta științifico-fantastică este ipoteza existenței unor forme de viață bazate pe siliciu în loc de carbon. Probabil că tema trebuie atribuită apropierii celor două elemente din tabelul periodic și discuțiilor filosofice care pun sub semnul întrebării dacă computerele și roboții (ai căror microprocesoare sunt construiți în siliciu) pot fi considerați ca „forme de viață” particulare.

Dispozitivul creaturii pe bază de siliciu este adesea folosit pentru a propune tema extraterestrului ca „ceva ce nu poate fi înțeles”, ceva alternativ și incompatibil, atât de diferit încât se bazează chiar pe elemente chimice diferite. Seria manga Blame! de exemplu, dezvoltă considerabil tema făcând din ființele bazate pe siliciu câțiva dintre principalii antagoniști cu abilități fizice extrem de dezvoltate decât cele ale unei ființe umane obișnuite, poate pentru a ipoteza superioritatea elementului, comparativ cu carbonul, în generarea formelor de rezistent la viață.

Notă

  1. ^ (EN) Elemente, abundență terestră , pe daviddarling.info.
  2. ^ (EN) Elemente, abundență terestră , pe daviddarling.info.
  3. ^ Organosilicon Chemistry S. Pawlenko Walter de Gruyter New York, 1986
  4. ^ AF Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg. Manual de chimie anorganică. Ediția 101 .. de Gruyter, Berlin 1995 ISBN 3-11-012641-9 , S. 880
  5. ^ Bains, W; Tacke, R. "Chimia siliciului ca sursă nouă de diversitate chimică în proiectarea medicamentelor" Curr Opin Drug Discov Devel. 2003 iulie; 6 (4): 526-43.
  6. ^ (EN) L. De Jong, Stoicheiometrie și cinetică a reacției parțiale prolil 4-hidroxilază , în Biochimie și Biophysica Acta, vol. 787, nr. 1, 1984, pp. 105-111, DOI : 10.1016 / 0167-4838 (84) 90113-4 , PMID 6326839 .
  7. ^ JJ, Hampson GN. Acidul ortosilicic stimulează sinteza colagenului de tip 1 și diferențierea osteoblastică în celulele umane asemănătoare osteoblastelor in vitro. Os. 2003 februarie; 32 (2): 127-35
  8. ^ (EN) Prețurile medii ale siliciului în Statele Unite din 2012 până în 2016, după tip (în cenți SUA pe lire sterline) , pe statista.com.
  9. ^ (EN) The Devil in the Dark , pe hypertrek.org.
  10. ^ Andy Weir , Artemis - The first city on the Moon , traducere de Marta Lanfranco, Roma, Newton Compton Editori, 2017, ISBN 978-88-227-1021-5 .

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității Tesauro BNCF 38210 · LCCN (EN) sh85122512 · GND (DE) 4077445-4 · BNF (FR) cb11976956v (dată) · NDL (EN, JA) 00.56539 milioane
Chimica Portale Chimica : il portale della scienza della composizione, delle proprietà e delle trasformazioni della materia