Χημικός δεσμός πυριτίου. Δομή του ατόμου πυριτίου
(πρώτο ηλεκτρόνιο)
(σύμφωνα με τον Pauling)
| Σι | 14 |
| 28,0855 | |
| 3s 2 3p 2 | |
| Πυρίτιο | |
Ιστορία
Στην πιο αγνή του μορφή πυρίτιοαπομονώθηκε το 1811 από τους Γάλλους επιστήμονες Joseph Louis Gay-Lussac και Louis Jacques Thénard.
προέλευση του ονόματος
Το 1825, ο Σουηδός χημικός Jons Jakob Berzelius έλαβε καθαρό στοιχειακό πυρίτιο με τη δράση του μετάλλου καλίου σε φθοριούχο πυρίτιο SiF 4. Στο νέο στοιχείο δόθηκε το όνομα «πυρίτιο» (από το λατ. πυρόλιθος- πυριτόλιθο). Το ρωσικό όνομα «πυρίτιο» εισήχθη το 1834 από τον Ρώσο χημικό Γερμανό Ιβάνοβιτς Χες. Μετάφραση από τα ελληνικά κρεμνος- «Βράχος, βουνό».
Όντας στη φύση
Όσον αφορά την επικράτηση στον φλοιό της γης, το πυρίτιο κατέχει τη δεύτερη θέση μεταξύ όλων των χημικών στοιχείων (μετά το οξυγόνο). Η μάζα του φλοιού της γης είναι 27,6-29,5% πυρίτιο. Το πυρίτιο είναι συστατικό πολλών εκατοντάδων διαφορετικών φυσικών πυριτικών και αργιλοπυριτικών. Το πιο συνηθισμένο είναι το πυρίτιο - πολυάριθμες μορφές διοξειδίου του πυριτίου (IV) SiO2 (άμμος ποταμού, χαλαζίας, πυριτόλιθος κ.λπ.), που αποτελούν περίπου το 12% του φλοιού της γης (κατά μάζα). Το πυρίτιο δεν υπάρχει σε ελεύθερη μορφή στη φύση, αν και το ένα τέταρτο της γης αποτελείται από πυρίτιο.
Παραλαβή
Στη βιομηχανία, το πυρίτιο λαμβάνεται με αναγωγή του τήγματος SiO 2 με οπτάνθρακα σε θερμοκρασία περίπου 1800 °C σε καμίνους τόξου. Η καθαρότητα του πυριτίου που λαμβάνεται με αυτόν τον τρόπο είναι περίπου 99,9%. Εφόσον απαιτείται πυρίτιο υψηλότερης καθαρότητας για πρακτική χρήση, το πυρίτιο που προκύπτει χλωριώνεται. Σχηματίζονται ενώσεις της σύνθεσης SiCl 4 και SiCl 3 H. Αυτά τα χλωρίδια καθαρίζονται περαιτέρω με διάφορους τρόπους από ακαθαρσίες και στο τελικό στάδιο ανάγεται με καθαρό υδρογόνο. Είναι επίσης δυνατός ο καθαρισμός του πυριτίου λαμβάνοντας πρώτα πυριτικό μαγνήσιο Mg 2 Si. Στη συνέχεια, το πτητικό μονοσιλάνιο SiH 4 λαμβάνεται από πυριτικό μαγνήσιο χρησιμοποιώντας υδροχλωρικά ή οξικά οξέα. Το μονοσιλάνιο καθαρίζεται περαιτέρω με ανόρθωση, ρόφηση και άλλες μεθόδους και στη συνέχεια αποσυντίθεται σε πυρίτιο και υδρογόνο σε θερμοκρασία περίπου 1000 °C. Η περιεκτικότητα σε ακαθαρσίες σε πυρίτιο που λαμβάνεται με αυτές τις μεθόδους μειώνεται σε 10 -8 -10 -6% κατά βάρος.
Μια μέθοδος για τη λήψη πυριτίου στην καθαρή του μορφή αναπτύχθηκε από τον Nikolai Nikolaevich Beketov. Ο μεγαλύτερος παραγωγός πυριτίου στη Ρωσία είναι η OK Rusal - το πυρίτιο παράγεται σε εργοστάσια στο Kamensk-Uralsky (περιοχή Sverdlovsk) και στο Shelekhov (περιοχή Irkutsk).
Φυσικές ιδιότητες
Κρυσταλλική δομή πυριτίου.
Το κρυσταλλικό πλέγμα του πυριτίου είναι κυβικό, με επίκεντρο πρόσωπο, τύπου διαμαντιού, παράμετρος a = 0,54307 nm (άλλες πολυμορφικές τροποποιήσεις του πυριτίου έχουν ληφθεί σε υψηλές πιέσεις), αλλά λόγω του μεγαλύτερου μήκους δεσμού μεταξύ των ατόμων Si-Si σε σύγκριση με το μήκος του δεσμού C-C, η σκληρότητα του πυριτίου είναι σημαντικά μικρότερη από ένα διαμάντι. Το πυρίτιο είναι εύθραυστο· μόνο όταν θερμαίνεται πάνω από 800 °C γίνεται πλαστική ουσία. Είναι ενδιαφέρον ότι το πυρίτιο είναι διαφανές στην υπέρυθρη ακτινοβολία, ξεκινώντας από ένα μήκος κύματος 1,1 μικρόμετρα.
Ηλεκτροφυσικές ιδιότητες
Το στοιχειώδες πυρίτιο είναι ένας τυπικός έμμεσος ημιαγωγός. Το διάκενο ζώνης σε θερμοκρασία δωματίου είναι 1,12 eV και σε T = 0 K είναι 1,21 eV. Η συγκέντρωση των φορέων φορτίου στο πυρίτιο με εγγενή αγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου είναι 1,5·10 16 m−3. Οι ηλεκτρικές ιδιότητες του κρυσταλλικού πυριτίου επηρεάζονται σε μεγάλο βαθμό από τις μικροακαθαρσίες που περιέχει. Για τη λήψη μονοκρυστάλλων πυριτίου με αγωγιμότητα οπών, εισάγονται στο πυρίτιο πρόσθετα στοιχείων της ομάδας III - βόριο, αλουμίνιο, γάλλιο και ίνδιο· με ηλεκτρονική αγωγιμότητα - πρόσθετα στοιχείων της ομάδας V - φώσφορος, αρσενικό ή αντιμόνιο. Οι ηλεκτρικές ιδιότητες του πυριτίου μπορούν να ποικίλουν αλλάζοντας τις συνθήκες επεξεργασίας μονοκρυστάλλων, ειδικότερα, με επεξεργασία της επιφάνειας του πυριτίου με διάφορους χημικούς παράγοντες.
- Κινητικότητα ηλεκτρονίων: 1300-1400 cm²/(v*s).
- Κινητικότητα οπών: 500 cm²/(v*s).
- Διάκενο ζώνης 1.205-2.84*10(^-4)*Τ
- Διάρκεια ζωής ηλεκτρονίων: 50 - 500 µsec
- Μέση ελεύθερη διαδρομή ηλεκτρονίων: 0,1 cm
- Μήκος διαδρομής χωρίς τρύπα: 0,02 - 0,06 cm
Χημικές ιδιότητες
Στις ενώσεις, το πυρίτιο τείνει να εμφανίζει μια κατάσταση οξείδωσης +4 ή -4, καθώς η κατάσταση sp³-υβριδισμού των τροχιακών είναι πιο χαρακτηριστική για το άτομο του πυριτίου. Επομένως, σε όλες τις ενώσεις εκτός από το οξείδιο του πυριτίου (II) SiO, το πυρίτιο είναι τετρασθενές.
Χημικά, το πυρίτιο είναι ανενεργό. Σε θερμοκρασία δωματίου αντιδρά μόνο με αέριο φθόριο, με αποτέλεσμα το σχηματισμό πτητικού τετραφθοριούχου πυριτίου SiF 4 . Όταν θερμαίνεται σε θερμοκρασία 400-500 °C, το πυρίτιο αντιδρά με το οξυγόνο για να σχηματίσει διοξείδιο SiO 2, με χλώριο, βρώμιο και ιώδιο - για να σχηματίσει τα αντίστοιχα εξαιρετικά πτητικά τετρααλογονίδια SiHal 4.
Το πυρίτιο δεν αντιδρά απευθείας με το υδρογόνο· οι ενώσεις του πυριτίου με το υδρογόνο—σιλάνια με τον γενικό τύπο Si nH 2n+2—λαμβάνονται έμμεσα. Το μονοσιλάνιο SiH 4 (συχνά αποκαλούμενο απλά σιλάνιο) απελευθερώνεται όταν τα μεταλλικά πυριτίδια αντιδρούν με όξινα διαλύματα, για παράδειγμα:
Ca 2 Si + 4HCl → 2CaCl 2 + SiH 4.
Το σιλάνιο SiH 4 που σχηματίζεται σε αυτή την αντίδραση περιέχει ένα μείγμα άλλων σιλανίων, συγκεκριμένα, δισιλανίου Si 2 H 6 και τρισιλανίου Si 3 H 8, στα οποία υπάρχει μια αλυσίδα ατόμων πυριτίου που διασυνδέονται με απλούς δεσμούς (—Si—Si—Si —) .
Με άζωτο, το πυρίτιο σε θερμοκρασία περίπου 1000 °C σχηματίζει το νιτρίδιο Si 3 N 4, με το βόριο - τα θερμικά και χημικά σταθερά βορίδια SiB 3, SiB 6 και SiB 12. Μια ένωση πυριτίου και το πλησιέστερο ανάλογό του στον περιοδικό πίνακα - άνθρακας - καρβίδιο του πυριτίου SiC (καρβορούνδιο) χαρακτηρίζεται από υψηλή σκληρότητα και χαμηλή χημική αντιδραστικότητα. Το καρβορούνδιο χρησιμοποιείται ευρέως ως λειαντικό υλικό.
Ως ανεξάρτητο χημικό στοιχείο, το πυρίτιο έγινε γνωστό στην ανθρωπότητα μόλις το 1825. Κάτι που, φυσικά, δεν εμπόδισε τη χρήση ενώσεων πυριτίου σε τόσους πολλούς τομείς που είναι ευκολότερο να απαριθμηθούν εκείνες όπου το στοιχείο δεν χρησιμοποιείται. Αυτό το άρθρο θα ρίξει φως στις φυσικές, μηχανικές και χρήσιμες χημικές ιδιότητες του πυριτίου και των ενώσεων του, τις εφαρμογές, και θα μιλήσουμε επίσης για το πώς το πυρίτιο επηρεάζει τις ιδιότητες του χάλυβα και άλλων μετάλλων.
Αρχικά, ας δούμε τα γενικά χαρακτηριστικά του πυριτίου. Από 27,6 έως 29,5% της μάζας του φλοιού της γης είναι πυρίτιο. Στο θαλασσινό νερό, η συγκέντρωση του στοιχείου είναι επίσης σημαντική - έως 3 mg/l.
Όσον αφορά την αφθονία στη λιθόσφαιρα, το πυρίτιο κατέχει τη δεύτερη θέση μετά το οξυγόνο. Ωστόσο, η πιο διάσημη μορφή του, το πυρίτιο, είναι ένα διοξείδιο και είναι οι ιδιότητές του που έχουν γίνει η βάση για μια τέτοια ευρεία χρήση.
Αυτό το βίντεο θα σας πει τι είναι το πυρίτιο:
Έννοια και χαρακτηριστικά
Το πυρίτιο είναι ένα μη μέταλλο, αλλά υπό διαφορετικές συνθήκες μπορεί να εμφανίσει τόσο όξινες όσο και βασικές ιδιότητες. Είναι ένας τυπικός ημιαγωγός και χρησιμοποιείται εξαιρετικά ευρέως στην ηλεκτρική μηχανική. Οι φυσικές και χημικές του ιδιότητες καθορίζονται σε μεγάλο βαθμό από την αλλοτροπική του κατάσταση. Τις περισσότερες φορές ασχολούνται με την κρυστάλλινη μορφή, καθώς οι ιδιότητές της είναι πιο απαιτητικές στην εθνική οικονομία.
- Το πυρίτιο είναι ένα από τα βασικά μακροστοιχεία στο ανθρώπινο σώμα. Η έλλειψή του έχει επιζήμια επίδραση στην κατάσταση του οστικού ιστού, των μαλλιών, του δέρματος και των νυχιών. Επιπλέον, το πυρίτιο επηρεάζει την απόδοση του ανοσοποιητικού συστήματος.
- Στην ιατρική, το στοιχείο, ή μάλλον οι ενώσεις του, βρήκαν την πρώτη τους εφαρμογή ακριβώς με αυτή την ιδιότητα. Το νερό από πηγάδια επενδεδυμένα με πυρίτιο δεν ήταν μόνο καθαρό, αλλά είχε επίσης θετική επίδραση στην αντοχή σε μολυσματικές ασθένειες. Σήμερα, οι ενώσεις με πυρίτιο χρησιμεύουν ως βάση για φάρμακα κατά της φυματίωσης, της αθηροσκλήρωσης και της αρθρίτιδας.
- Γενικά, το αμέταλλο είναι χαμηλής ενεργότητας, αλλά είναι δύσκολο να το βρεις στην καθαρή του μορφή. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι στον αέρα παθητικοποιείται γρήγορα από ένα στρώμα διοξειδίου και σταματά να αντιδρά. Όταν θερμαίνεται, η χημική δραστηριότητα αυξάνεται. Ως αποτέλεσμα, η ανθρωπότητα είναι πολύ πιο εξοικειωμένη με τις ενώσεις της ύλης, παρά με τον εαυτό της.
Έτσι, το πυρίτιο σχηματίζει κράματα με όλα σχεδόν τα μέταλλα - πυριτικά. Όλα χαρακτηρίζονται από ανθεκτικότητα και σκληρότητα και χρησιμοποιούνται σε κατάλληλους χώρους: αεριοστρόβιλους, θερμαντήρες κλιβάνων.
Το αμέταλλο τοποθετείται στον πίνακα του D.I. Mendeleev στην ομάδα 6 μαζί με τον άνθρακα και το γερμάνιο, γεγονός που υποδηλώνει κάποια κοινά στοιχεία με αυτές τις ουσίες. Έτσι, αυτό που έχει κοινό με τον άνθρακα είναι η ικανότητά του να σχηματίζει ενώσεις οργανικού τύπου. Ταυτόχρονα, το πυρίτιο, όπως και το γερμάνιο, μπορεί να παρουσιάσει τις ιδιότητες ενός μετάλλου σε ορισμένες χημικές αντιδράσεις, το οποίο χρησιμοποιείται στη σύνθεση.
Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα
Όπως κάθε άλλη ουσία από την άποψη της χρήσης στην εθνική οικονομία, το πυρίτιο έχει ορισμένες χρήσιμες ή όχι πολύ χρήσιμες ιδιότητες. Είναι σημαντικά για τον προσδιορισμό της περιοχής χρήσης.
- Ένα σημαντικό πλεονέκτημα της ουσίας είναι διαθεσιμότητα. Στη φύση, είναι αλήθεια ότι δεν βρίσκεται σε ελεύθερη μορφή, αλλά και πάλι, η τεχνολογία για την παραγωγή πυριτίου δεν είναι τόσο περίπλοκη, αν και είναι ενεργοβόρα.
- Το δεύτερο σημαντικότερο πλεονέκτημα είναι σχηματισμός πολλών ενώσεωνμε ασυνήθιστα χρήσιμες ιδιότητες. Αυτά περιλαμβάνουν σιλάνια, πυριτικά, διοξείδιο και, φυσικά, μεγάλη ποικιλία πυριτικών αλάτων. Η ικανότητα του πυριτίου και των ενώσεων του να σχηματίζουν σύνθετα στερεά διαλύματα είναι σχεδόν άπειρη, γεγονός που καθιστά δυνατή την ατελείωτη απόκτηση μιας μεγάλης ποικιλίας παραλλαγών από γυαλί, πέτρα και κεραμικά.
- Ιδιότητες ημιαγωγώνΤο μη μέταλλο του παρέχει μια θέση ως βασικό υλικό στην ηλεκτρική και ραδιομηχανική.
- Το μη μεταλλικό είναι μη τοξικό, που επιτρέπει τη χρήση σε οποιονδήποτε κλάδο, και ταυτόχρονα δεν μετατρέπει την τεχνολογική διαδικασία σε δυνητικά επικίνδυνη.
Τα μειονεκτήματα του υλικού περιλαμβάνουν μόνο σχετική ευθραυστότητα με καλή σκληρότητα. Το πυρίτιο δεν χρησιμοποιείται για φέρουσες κατασκευές, αλλά αυτός ο συνδυασμός επιτρέπει την κατάλληλη επεξεργασία της επιφάνειας των κρυστάλλων, κάτι που είναι σημαντικό για την κατασκευή οργάνων.
Ας μιλήσουμε τώρα για τις βασικές ιδιότητες του πυριτίου.
Ιδιότητες και χαρακτηριστικά
Δεδομένου ότι το κρυσταλλικό πυρίτιο χρησιμοποιείται συχνότερα στη βιομηχανία, οι ιδιότητές του είναι πιο σημαντικές και είναι αυτές που δίνονται στις τεχνικές προδιαγραφές. Οι φυσικές ιδιότητες της ουσίας είναι οι εξής:
- Σημείο τήξης – 1417 C;
- σημείο βρασμού - 2600 C;
- η πυκνότητα είναι 2,33 g/cu. cm, που υποδηλώνει ευθραυστότητα.
- Η θερμοχωρητικότητα, καθώς και η θερμική αγωγιμότητα, δεν είναι σταθερές ακόμη και στα πιο καθαρά δείγματα: 800 J/(kg K), ή 0,191 cal/(g deg) και 84-126 W/(m K), ή 0,20-0, 30 θερμίδες/(cm·sec·deg) αντίστοιχα.
- διαφανής σε υπέρυθρη ακτινοβολία μακρών κυμάτων, η οποία χρησιμοποιείται στην υπέρυθρη οπτική.
- διηλεκτρική σταθερά – 1,17;
- σκληρότητα στην κλίμακα Mohs – 7.
Οι ηλεκτρικές ιδιότητες ενός αμέταλλου εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τις ακαθαρσίες. Στη βιομηχανία, αυτό το χαρακτηριστικό χρησιμοποιείται διαμορφώνοντας τον επιθυμητό τύπο ημιαγωγού. Σε κανονικές θερμοκρασίες, το πυρίτιο είναι εύθραυστο, αλλά όταν θερμαίνεται πάνω από 800 C, είναι δυνατή η πλαστική παραμόρφωση.
Οι ιδιότητες του άμορφου πυριτίου είναι εντυπωσιακά διαφορετικές: είναι ιδιαίτερα υγροσκοπικό και αντιδρά πολύ πιο ενεργά ακόμη και σε κανονικές θερμοκρασίες.
Η δομή και η χημική σύνθεση, καθώς και οι ιδιότητες του πυριτίου συζητούνται στο παρακάτω βίντεο:
Σύνθεση και δομή
Το πυρίτιο υπάρχει σε δύο αλλοτροπικές μορφές, οι οποίες είναι εξίσου σταθερές σε κανονικές θερμοκρασίες.
- Κρύσταλλοέχει την εμφάνιση μιας σκούρας γκρι σκόνης. Η ουσία, αν και έχει ένα κρυσταλλικό πλέγμα που μοιάζει με διαμάντι, είναι εύθραυστη λόγω των υπερβολικά μακρών δεσμών μεταξύ των ατόμων. Ενδιαφέρον παρουσιάζουν οι ημιαγωγικές του ιδιότητες.
- Σε πολύ υψηλές πιέσεις μπορείτε να πάρετε εξαγώνιοςτροποποίηση με πυκνότητα 2,55 g/cu. εκ. Ωστόσο, αυτή η φάση δεν έχει βρει ακόμη πρακτική σημασία.
- Αμορφος– καφέ-καφέ σκόνη. Σε αντίθεση με την κρυσταλλική μορφή, αντιδρά πολύ πιο ενεργά. Αυτό οφείλεται όχι τόσο στην αδράνεια της πρώτης μορφής, αλλά στο γεγονός ότι στον αέρα η ουσία καλύπτεται με ένα στρώμα διοξειδίου.
Επιπλέον, είναι απαραίτητο να ληφθεί υπόψη ένας άλλος τύπος ταξινόμησης που σχετίζεται με το μέγεθος του κρυστάλλου πυριτίου, που μαζί σχηματίζουν την ουσία. Ένα κρυσταλλικό πλέγμα, όπως είναι γνωστό, προϋποθέτει την τάξη όχι μόνο των ατόμων, αλλά και των δομών που σχηματίζουν αυτά τα άτομα - τη λεγόμενη τάξη μεγάλης εμβέλειας. Όσο μεγαλύτερο είναι, τόσο πιο ομοιογενής θα είναι η ουσία σε ιδιότητες.
- Μονοκρυσταλλικό– το δείγμα είναι ένας κρύσταλλος. Η δομή του είναι στο μέγιστο ταξινομημένο, οι ιδιότητές του είναι ομοιογενείς και καλά προβλέψιμες. Αυτό είναι το υλικό που έχει μεγαλύτερη ζήτηση στην ηλεκτρική μηχανική. Είναι όμως και ένα από τα πιο ακριβά είδη, αφού η διαδικασία απόκτησής του είναι πολύπλοκη και ο ρυθμός ανάπτυξης χαμηλός.
- Πολυκρυσταλλικό– το δείγμα αποτελείται από έναν αριθμό μεγάλων κρυσταλλικών κόκκων. Τα όρια μεταξύ τους σχηματίζουν πρόσθετα επίπεδα ελαττώματος, γεγονός που μειώνει την απόδοση του δείγματος ως ημιαγωγού και οδηγεί σε ταχύτερη φθορά. Η τεχνολογία για την καλλιέργεια πολυκρυστάλλων είναι απλούστερη και επομένως το υλικό είναι φθηνότερο.
- Πολυκρυσταλλικό– αποτελείται από μεγάλο αριθμό κόκκων που βρίσκονται τυχαία μεταξύ τους. Αυτός είναι ο πιο καθαρός τύπος βιομηχανικού πυριτίου, που χρησιμοποιείται στη μικροηλεκτρονική και την ηλιακή ενέργεια. Πολύ συχνά χρησιμοποιείται ως πρώτη ύλη για την καλλιέργεια πολλαπλών και μονοκρυστάλλων.
- Το άμορφο πυρίτιο καταλαμβάνει επίσης ξεχωριστή θέση σε αυτήν την ταξινόμηση. Εδώ η σειρά των ατόμων διατηρείται μόνο στις μικρότερες αποστάσεις. Ωστόσο, στην ηλεκτρική μηχανική εξακολουθεί να χρησιμοποιείται με τη μορφή λεπτών μεμβρανών.
Παραγωγή μη μετάλλων
Η απόκτηση καθαρού πυριτίου δεν είναι τόσο εύκολη, δεδομένης της αδράνειας των ενώσεων του και του υψηλού σημείου τήξης των περισσότερων από αυτές. Στη βιομηχανία, καταφεύγουν συχνότερα σε αναγωγή με άνθρακα από διοξείδιο. Η αντίδραση πραγματοποιείται σε καμίνους τόξου σε θερμοκρασία 1800 C. Με τον τρόπο αυτό προκύπτει ένα αμέταλλο καθαρότητας 99,9%, που δεν επαρκεί για τη χρήση του.
Το προκύπτον υλικό χλωριώνεται για να παραχθούν χλωρίδια και υδροχλωρίδια. Στη συνέχεια οι ενώσεις καθαρίζονται με όλες τις πιθανές μεθόδους από ακαθαρσίες και ανάγεται με υδρογόνο.
Η ουσία μπορεί επίσης να καθαριστεί με τη λήψη πυριτικού μαγνησίου. Το πυριτικό εκτίθεται σε υδροχλωρικό ή οξικό οξύ. Λαμβάνεται σιλάνιο και το τελευταίο καθαρίζεται με διάφορες μεθόδους - ρόφηση, ανόρθωση και ούτω καθεξής. Στη συνέχεια το σιλάνιο αποσυντίθεται σε υδρογόνο και πυρίτιο σε θερμοκρασία 1000 C. Στην περίπτωση αυτή λαμβάνεται μια ουσία με κλάσμα προσμίξεων 10 -8 -10 -6%.
Εφαρμογή της ουσίας
Για τη βιομηχανία, τα ηλεκτροφυσικά χαρακτηριστικά ενός μη μετάλλου έχουν μεγαλύτερο ενδιαφέρον. Η μονοκρυσταλλική του μορφή είναι ένας έμμεσος ημιαγωγός. Οι ιδιότητές του προσδιορίζονται από ακαθαρσίες, γεγονός που καθιστά δυνατή τη λήψη κρυστάλλων πυριτίου με καθορισμένες ιδιότητες. Έτσι, η προσθήκη βορίου και ινδίου καθιστά δυνατή την ανάπτυξη ενός κρυστάλλου με αγωγιμότητα οπής και η εισαγωγή φωσφόρου ή αρσενικού καθιστά δυνατή την ανάπτυξη κρυστάλλου με ηλεκτρονική αγωγιμότητα.
- Το πυρίτιο χρησιμεύει κυριολεκτικά ως βάση της σύγχρονης ηλεκτρικής μηχανικής. Από αυτό κατασκευάζονται τρανζίστορ, φωτοκύτταρα, ολοκληρωμένα κυκλώματα, δίοδοι κ.λπ. Επιπλέον, η λειτουργικότητα της συσκευής καθορίζεται σχεδόν πάντα μόνο από το στρώμα του κρυστάλλου κοντά στην επιφάνεια, το οποίο καθορίζει πολύ συγκεκριμένες απαιτήσεις για την επιφανειακή επεξεργασία.
- Στη μεταλλουργία, το τεχνικό πυρίτιο χρησιμοποιείται τόσο ως τροποποιητής κράματος - δίνει μεγαλύτερη αντοχή και ως συστατικό - για παράδειγμα, και ως αποοξειδωτικός παράγοντας - στην παραγωγή χυτοσιδήρου.
- Τα υπερκαθαρά και καθαρισμένα μεταλλουργικά υλικά αποτελούν τη βάση της ηλιακής ενέργειας.
- Το μη μεταλλικό διοξείδιο εμφανίζεται στη φύση με πολλές διαφορετικές μορφές. Οι κρυστάλλινες ποικιλίες του - οπάλιο, αχάτης, καρνελιάνος, αμέθυστος, κρύσταλλος βράχου - έχουν βρει τη θέση τους στα κοσμήματα. Τροποποιήσεις που δεν είναι τόσο ελκυστικές στην εμφάνιση - πυριτόλιθος, χαλαζίας - χρησιμοποιούνται στη μεταλλουργία, τις κατασκευές και τη ραδιοηλεκτρονική.
- Μια ένωση ενός μη μετάλλου με άνθρακα, καρβίδιο, χρησιμοποιείται στη μεταλλουργία, την κατασκευή οργάνων και τη χημική βιομηχανία. Είναι ένας ημιαγωγός ευρείας ζώνης, που χαρακτηρίζεται από υψηλή σκληρότητα - 7 στην κλίμακα Mohs, και αντοχή, που του επιτρέπει να χρησιμοποιείται ως λειαντικό υλικό.
- Πυριτικά - δηλαδή άλατα πυριτικού οξέος. Ασταθής, αποσυντίθεται εύκολα υπό την επίδραση της θερμοκρασίας. Το αξιοσημείωτο χαρακτηριστικό τους είναι ότι σχηματίζουν πολυάριθμα και ποικίλα άλατα. Όμως τα τελευταία αποτελούν τη βάση για την παραγωγή γυαλιού, κεραμικών, πήλινων, κρυστάλλων κ.λπ. Μπορούμε να πούμε με ασφάλεια ότι η σύγχρονη κατασκευή βασίζεται σε μια ποικιλία πυριτικών αλάτων.
- Το γυαλί αντιπροσωπεύει την πιο ενδιαφέρουσα περίπτωση εδώ. Η βάση του είναι αργιλοπυριτικά άλατα, αλλά ασήμαντες προσμίξεις άλλων ουσιών - συνήθως οξειδίων - δίνουν στο υλικό πολλές διαφορετικές ιδιότητες, συμπεριλαμβανομένου του χρώματος. -, πήλινα, πορσελάνη, μάλιστα, έχει την ίδια φόρμουλα, αν και με διαφορετική αναλογία εξαρτημάτων, και η ποικιλομορφία του είναι επίσης εκπληκτική.
- Το αμέταλλο έχει μια ακόμη ικανότητα: σχηματίζει ενώσεις όπως αυτές του άνθρακα, με τη μορφή μιας μακριάς αλυσίδας ατόμων πυριτίου. Τέτοιες ενώσεις ονομάζονται οργανοπυριτικές ενώσεις. Το πεδίο εφαρμογής τους δεν είναι λιγότερο γνωστό - πρόκειται για σιλικόνες, στεγανωτικά, λιπαντικά και ούτω καθεξής.
Το πυρίτιο είναι ένα πολύ κοινό στοιχείο και έχει ασυνήθιστα μεγάλη σημασία σε πολλούς τομείς της εθνικής οικονομίας. Επιπλέον, όχι μόνο η ίδια η ουσία, αλλά όλες οι διάφορες και πολυάριθμες ενώσεις της χρησιμοποιούνται ενεργά.
Αυτό το βίντεο θα σας πει για τις ιδιότητες και τις χρήσεις του πυριτίου:
Οι ενώσεις του πυριτίου, ευρέως διαδεδομένες στη γη, είναι γνωστές στον άνθρωπο από την εποχή του λίθου. Η χρήση λίθινων εργαλείων για εργασία και κυνήγι συνεχίστηκε για αρκετές χιλιετίες. Η χρήση ενώσεων πυριτίου που σχετίζεται με την επεξεργασία τους - παραγωγή γυαλιού - ξεκίνησε γύρω στο 3000 π.Χ. μι. (στην Αρχαία Αίγυπτο). Η παλαιότερη γνωστή ένωση πυριτίου είναι το οξείδιο SiO 2 (πυρίτιο). Τον 18ο αιώνα, το πυρίτιο θεωρούνταν απλό στερεό και αναφερόταν ως «γη» (όπως αντικατοπτρίζεται στο όνομά του). Η πολυπλοκότητα της σύνθεσης του πυριτίου διαπιστώθηκε από τον I. Ya. Berzelius. Για πρώτη φορά, το 1825, έλαβε στοιχειώδες πυρίτιο από φθοριούχο πυρίτιο SiF 4, ανάγεται το τελευταίο με μέταλλο κάλιο. Στο νέο στοιχείο δόθηκε το όνομα "πυρίτιο" (από το λατινικό silex - πυριτόλιθο). Το ρωσικό όνομα εισήχθη από τον G. I. Hess το 1834.
Κατανομή πυριτίου στη φύση.Το πυρίτιο είναι το δεύτερο πιο άφθονο στοιχείο στον φλοιό της γης (μετά το οξυγόνο), η μέση περιεκτικότητά του στη λιθόσφαιρα είναι 29,5% (κατά μάζα). Στον φλοιό της γης, το πυρίτιο παίζει τον ίδιο πρωταρχικό ρόλο με τον άνθρακα στον κόσμο των ζώων και των φυτών. Για τη γεωχημεία του πυριτίου, η εξαιρετικά ισχυρή σύνδεσή του με το οξυγόνο είναι σημαντική. Περίπου το 12% της λιθόσφαιρας είναι πυρίτιο SiO 2 με τη μορφή του ορυκτού χαλαζία και των ποικιλιών του. Το 75% της λιθόσφαιρας αποτελείται από διάφορα πυριτικά και αργιλοπυριτικά άλατα (άστριο, μαρμαρυγία, αμφιβολίες κ.λπ.). Ο συνολικός αριθμός ορυκτών που περιέχουν πυρίτιο ξεπερνά τα 400.
Κατά τη διάρκεια των μαγματικών διεργασιών, εμφανίζεται ασθενής διαφοροποίηση του πυριτίου: συσσωρεύεται τόσο σε γρανιτοειδή (32,3%) όσο και σε υπερβασικά πετρώματα (19%). Σε υψηλές θερμοκρασίες και υψηλή πίεση, η διαλυτότητα του SiO 2 αυξάνεται. Η μετακίνησή του με υδρατμούς είναι επίσης δυνατή, επομένως οι πηγματίτες υδροθερμικών φλεβών χαρακτηρίζονται από σημαντικές συγκεντρώσεις χαλαζία, ο οποίος συχνά συνδέεται με μεταλλεύματα (χρυσός-χαλαζίας, χαλαζίας-κασιτρίτης και άλλες φλέβες).
Φυσικές ιδιότητες του πυριτίου.Το πυρίτιο σχηματίζει σκούρου γκρι κρυστάλλους με μεταλλική λάμψη, που έχουν ένα επικεντρωμένο κυβικό πλέγμα τύπου διαμαντιού με περίοδο a = 5,431 Å και πυκνότητα 2,33 g/cm 3 . Σε πολύ υψηλές πιέσεις, ελήφθη μια νέα (προφανώς εξαγωνική) τροποποίηση με πυκνότητα 2,55 g/cm3. Το πυρίτιο λιώνει στους 1417 °C και βράζει στους 2600 °C. Ειδική θερμοχωρητικότητα (στους 20-100 °C) 800 J/(kg K), ή 0,191 cal/(g deg); Η θερμική αγωγιμότητα ακόμη και για τα πιο καθαρά δείγματα δεν είναι σταθερή και είναι στην περιοχή (25 °C) 84-126 W/(m K) ή 0,20-0,30 cal/(cm sec deg). Ο συντελεστής θερμοκρασίας γραμμικής διαστολής είναι 2,33·10 -6 K-1, κάτω από 120 K γίνεται αρνητικός. Το πυρίτιο είναι διαφανές στις υπέρυθρες ακτίνες μεγάλου κύματος. δείκτης διάθλασης (για λ = 6 μm) 3,42; διηλεκτρική σταθερά 11.7. Το πυρίτιο είναι διαμαγνητικό, η ατομική μαγνητική επιδεκτικότητα είναι -0,13-10-6. Σκληρότητα πυριτίου κατά Mohs 7.0, κατά Brinell 2,4 Gn/m2 (240 kgf/mm2), μέτρο ελαστικότητας 109 Gn/m2 (10.890 kgf/mm2), συντελεστής συμπιεστότητας 0,325·10 -6 cm2 /kg. Το πυρίτιο είναι εύθραυστο υλικό. Η αισθητή πλαστική παραμόρφωση αρχίζει σε θερμοκρασίες πάνω από 800°C.
Το πυρίτιο είναι ένας ημιαγωγός με πολλές χρήσεις. Οι ηλεκτρικές ιδιότητες του πυριτίου εξαρτώνται πολύ από τις ακαθαρσίες. Η ειδική ογκομετρική ηλεκτρική αντίσταση του πυριτίου σε θερμοκρασία δωματίου θεωρείται ότι είναι 2,3·10 3 ohm·m (2,3·10 5 ohm·cm).
Το πυρίτιο ημιαγωγών με αγωγιμότητα τύπου p (πρόσθετα B, Al, In ή Ga) και τύπου n (πρόσθετα P, Bi, As ή Sb) έχει σημαντικά χαμηλότερη αντίσταση. Το ηλεκτρικά μετρούμενο διάκενο ζώνης είναι 1,21 eV στους 0 K και μειώνεται σε 1,119 eV στους 300 K.
Χημικές ιδιότητες του πυριτίου.Σύμφωνα με τη θέση του πυριτίου στον περιοδικό πίνακα του Mendeleev, 14 ηλεκτρόνια του ατόμου του πυριτίου κατανέμονται σε τρία κελύφη: στο πρώτο (από τον πυρήνα) 2 ηλεκτρόνια, στο δεύτερο 8, στο τρίτο (σθένος) 4. Διαμόρφωση κελύφους ηλεκτρονίων 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2. Διαδοχικά δυναμικά ιονισμού (eV): 8.149; 16.34; 33.46 και 45.13. Ατομική ακτίνα 1,33 Α, ομοιοπολική ακτίνα 1,17 Α, ιοντικές ακτίνες Si 4+ 0,39 Α, Si 4- 1,98 Α.
Στις ενώσεις, το πυρίτιο (παρόμοιο με τον άνθρακα) είναι 4-σθενές. Ωστόσο, σε αντίθεση με τον άνθρακα, το πυρίτιο, μαζί με έναν αριθμό συντονισμού 4, εμφανίζει αριθμό συντονισμού 6, ο οποίος εξηγείται από τον μεγάλο όγκο του ατόμου του (ένα παράδειγμα τέτοιων ενώσεων είναι τα πυριτοφθορίδια που περιέχουν την ομάδα 2).
Ο χημικός δεσμός του ατόμου του πυριτίου με άλλα άτομα πραγματοποιείται συνήθως μέσω υβριδικών τροχιακών sp 3, αλλά είναι επίσης δυνατό να εμπλέκονται δύο από τα πέντε (κενά) 3d τροχιακά του, ειδικά όταν το πυρίτιο είναι εξασυντεταγμένο. Έχοντας χαμηλή τιμή ηλεκτραρνητικότητας 1,8 (έναντι 2,5 για τον άνθρακα, 3,0 για το άζωτο, κ.λπ.), το πυρίτιο σε ενώσεις με αμέταλλα είναι ηλεκτροθετικό και αυτές οι ενώσεις είναι πολικής φύσης. Η υψηλή ενέργεια δέσμευσης του Si - O με το οξυγόνο, ίση με 464 kJ/mol (111 kcal/mol), καθορίζει τη σταθερότητα των ενώσεων οξυγόνου του (SiO 2 και πυριτικά άλατα). Η ενέργεια του δεσμού Si - Si είναι χαμηλή, 176 kJ/mol (42 kcal/mol). Σε αντίθεση με τον άνθρακα, το πυρίτιο δεν χαρακτηρίζεται από το σχηματισμό μακριών αλυσίδων και διπλών δεσμών μεταξύ των ατόμων Si. Στον αέρα, το πυρίτιο είναι σταθερό ακόμη και σε υψηλές θερμοκρασίες λόγω του σχηματισμού προστατευτικού φιλμ οξειδίου. Στο οξυγόνο οξειδώνεται ξεκινώντας από τους 400 °C, σχηματίζοντας οξείδιο του πυριτίου (IV) SiO 2. Το οξείδιο του πυριτίου (II) SiO είναι επίσης γνωστό, σταθερό σε υψηλές θερμοκρασίες με τη μορφή αερίου. Ως αποτέλεσμα της ταχείας ψύξης, μπορεί να ληφθεί ένα στερεό προϊόν που αποσυντίθεται εύκολα σε ένα λεπτό μείγμα Si και SiO 2. Το πυρίτιο είναι ανθεκτικό στα οξέα και διαλύεται μόνο σε μείγμα νιτρικών και υδροφθορικών οξέων. διαλύεται εύκολα σε θερμά αλκαλικά διαλύματα με την απελευθέρωση υδρογόνου. Το πυρίτιο αντιδρά με το φθόριο σε θερμοκρασία δωματίου και με άλλα αλογόνα όταν θερμαίνεται για να σχηματίσει ενώσεις του γενικού τύπου SiX 4 . Το υδρογόνο δεν αντιδρά απευθείας με το πυρίτιο και τα υδρογονοπυρίτια (σιλάνια) λαμβάνονται με αποσύνθεση πυριτιδίων (βλ. παρακάτω). Οι υδρογονοσιλικόνες είναι γνωστές από SiH 4 έως Si 8 H 18 (η σύνθεση είναι παρόμοια με τους κορεσμένους υδρογονάνθρακες). Το πυρίτιο σχηματίζει 2 ομάδες σιλανίων που περιέχουν οξυγόνο - σιλοξάνες και σιλοξένες. Το πυρίτιο αντιδρά με το άζωτο σε θερμοκρασίες άνω των 1000 °C. Το νιτρίδιο Si3N4, το οποίο δεν οξειδώνεται στον αέρα ακόμη και στους 1200 °C, είναι ανθεκτικό σε οξέα (εκτός νιτρικού οξέος) και αλκάλια, καθώς και σε λιωμένα μέταλλα και σκωρίες, είναι πρακτικό. σημασία., γεγονός που το καθιστά πολύτιμο υλικό για τη χημική βιομηχανία, για την παραγωγή πυρίμαχων υλικών και άλλα. Οι ενώσεις πυριτίου με άνθρακα (καρβίδιο του πυριτίου SiC) και βόριο (SiB 3, SiB 6, SiB 12) χαρακτηρίζονται από υψηλή σκληρότητα, καθώς και θερμική και χημική αντοχή. Όταν θερμαίνεται, το πυρίτιο αντιδρά (παρουσία μεταλλικών καταλυτών, όπως ο χαλκός) με οργανοχλωρικές ενώσεις (για παράδειγμα, CH 3 Cl) για να σχηματίσει οργανοαλογονοσιλάνια [για παράδειγμα, Si(CH 3) 3 Cl], τα οποία χρησιμοποιούνται για τη σύνθεση πολυάριθμων οργανοπυριτικών ενώσεων.
Το πυρίτιο σχηματίζει ενώσεις με όλα σχεδόν τα μέταλλα - πυριτικά (ενώσεις μόνο με Bi, Tl, Pb, Hg δεν έχουν βρεθεί). Έχουν ληφθεί περισσότερα από 250 πυριτικά, η σύνθεση των οποίων (MeSi, MeSi 2, Me 5 Si 3, Me 3 Si, Me 2 Si και άλλα) συνήθως δεν αντιστοιχεί σε κλασικά σθένη. Τα πυριτικά είναι πυρίμαχα και σκληρά. Το σιδηροπυρίτιο (ένας αναγωγικός παράγοντας στην τήξη ειδικών κραμάτων, βλέπε Σιδηροκράματα) και το πυριτικό μολυβδαίνιο MoSi 2 (ηλεκτρικοί θερμαντήρες κλιβάνων, πτερύγια αεριοστροβίλων κ.λπ.) έχουν τη μεγαλύτερη πρακτική σημασία.
Λήψη πυριτίου.Το πυρίτιο τεχνικής καθαρότητας (95-98%) λαμβάνεται σε ηλεκτρικό τόξο με την αναγωγή του πυριτίου SiO 2 μεταξύ των ηλεκτροδίων γραφίτη. Σε σχέση με την ανάπτυξη της τεχνολογίας ημιαγωγών, έχουν αναπτυχθεί μέθοδοι για την παραγωγή καθαρού και εξαιρετικά καθαρού πυριτίου, που απαιτεί την προκαταρκτική σύνθεση των καθαρότερων αρχικών ενώσεων πυριτίου, από τις οποίες το πυρίτιο εξάγεται με αναγωγή ή θερμική αποσύνθεση.
Το καθαρό ημιαγωγό πυρίτιο λαμβάνεται σε δύο μορφές: πολυκρυσταλλικό (με αναγωγή SiCl 4 ή SiHCl 3 με ψευδάργυρο ή υδρογόνο, θερμική αποσύνθεση του SiI 4 και SiH 4) και μονοκρύσταλλο (ζώνη χωρίς χωνευτήριο που τήκεται και «τράβηγμα» ενός μόνο κρυστάλλου από λιωμένο πυρίτιο - η μέθοδος Czochralski).
Εφαρμογή πυριτίου.Το ειδικά ντοπαρισμένο πυρίτιο χρησιμοποιείται ευρέως ως υλικό για την κατασκευή συσκευών ημιαγωγών (τρανζίστορ, θερμίστορ, ανορθωτές ισχύος, θυρίστορ, ηλιακά φωτοκύτταρα που χρησιμοποιούνται σε διαστημόπλοια κ.λπ.). Δεδομένου ότι το πυρίτιο είναι διαφανές σε ακτίνες με μήκη κύματος από 1 έως 9 μικρά, χρησιμοποιείται στην υπέρυθρη οπτική,
Το πυρίτιο έχει ποικίλες και διευρυνόμενες εφαρμογές. Στη μεταλλουργία, το πυρίτιο χρησιμοποιείται για την αφαίρεση οξυγόνου διαλυμένου σε λιωμένα μέταλλα (αποξείδωση). Το πυρίτιο είναι συστατικό μεγάλου αριθμού κραμάτων σιδήρου και μη σιδηρούχων μετάλλων. Συνήθως, το πυρίτιο δίνει στα κράματα αυξημένη αντοχή στη διάβρωση, βελτιώνει τις ιδιότητες χύτευσης και αυξάνει τη μηχανική αντοχή. Ωστόσο, σε υψηλότερα επίπεδα το πυρίτιο μπορεί να προκαλέσει ευθραυστότητα. Τα πιο σημαντικά είναι τα κράματα σιδήρου, χαλκού και αλουμινίου που περιέχουν πυρίτιο. Μια αυξανόμενη ποσότητα πυριτίου χρησιμοποιείται για τη σύνθεση ενώσεων οργανοπυριτίου και πυριτιδίων. Το πυρίτιο και πολλά πυριτικά άλατα (άργιλοι, άστριοι, μαρμαρυγία, τάλκης κ.λπ.) υφίστανται επεξεργασία από βιομηχανίες γυαλιού, τσιμέντου, κεραμικής, ηλεκτρικής και άλλων βιομηχανιών.
Το πυρίτιο βρίσκεται στο σώμα με τη μορφή διαφόρων ενώσεων, που εμπλέκονται κυρίως στο σχηματισμό σκληρών σκελετικών μερών και ιστών. Μερικά θαλάσσια φυτά (για παράδειγμα, διάτομα) και ζώα (για παράδειγμα, πυριτικοί σπόγγοι, ραδιολάρια) μπορούν να συσσωρεύσουν ιδιαίτερα μεγάλες ποσότητες πυριτίου, σχηματίζοντας πυκνές εναποθέσεις οξειδίου του πυριτίου (IV) όταν πεθαίνουν στον πυθμένα του ωκεανού. Σε κρύες θάλασσες και λίμνες, κυριαρχούν οι βιογενείς λάσπες εμπλουτισμένες με πυρίτιο· στις τροπικές περιοχές. θάλασσες - ασβεστολιθικές λάσπες με χαμηλή περιεκτικότητα σε πυρίτιο. Μεταξύ των χερσαίων φυτών, τα δημητριακά, οι σπαθόχοιροι, οι φοίνικες και οι αλογοουρές συσσωρεύουν πολύ πυρίτιο. Στα σπονδυλωτά, η περιεκτικότητα σε οξείδιο του πυριτίου (IV) σε ουσίες τέφρας είναι 0,1-0,5%. Το πυρίτιο βρίσκεται στις μεγαλύτερες ποσότητες στον πυκνό συνδετικό ιστό, στα νεφρά και στο πάγκρεας. Η καθημερινή ανθρώπινη διατροφή περιέχει έως και 1 g πυριτίου. Όταν υπάρχει υψηλή περιεκτικότητα σε σκόνη οξειδίου του πυριτίου (IV) στον αέρα, εισέρχεται στους ανθρώπινους πνεύμονες και προκαλεί ασθένεια - πυριτίαση.
Πυρίτιο στο σώμα.Το πυρίτιο βρίσκεται στο σώμα με τη μορφή διαφόρων ενώσεων, που εμπλέκονται κυρίως στο σχηματισμό σκληρών σκελετικών μερών και ιστών. Μερικά θαλάσσια φυτά (για παράδειγμα, διάτομα) και ζώα (για παράδειγμα, πυριτικοί σπόγγοι, ραδιολάρια) μπορούν να συσσωρεύσουν ιδιαίτερα μεγάλες ποσότητες πυριτίου, σχηματίζοντας πυκνές εναποθέσεις οξειδίου του πυριτίου (IV) όταν πεθαίνουν στον πυθμένα του ωκεανού. Σε κρύες θάλασσες και λίμνες, κυριαρχούν οι βιογενείς λάσπες εμπλουτισμένες με πυρίτιο· στις τροπικές περιοχές. θάλασσες - ασβεστολιθικές λάσπες με χαμηλή περιεκτικότητα σε πυρίτιο. Μεταξύ των χερσαίων φυτών, τα δημητριακά, οι σπαθόχοιροι, οι φοίνικες και οι αλογοουρές συσσωρεύουν πολύ πυρίτιο. Στα σπονδυλωτά, η περιεκτικότητα σε οξείδιο του πυριτίου (IV) σε ουσίες τέφρας είναι 0,1-0,5%. Το πυρίτιο βρίσκεται στις μεγαλύτερες ποσότητες στον πυκνό συνδετικό ιστό, στα νεφρά και στο πάγκρεας. Η καθημερινή διατροφή του ανθρώπου περιέχει έως και 1 g πυριτίου. Όταν υπάρχει υψηλή περιεκτικότητα σε σκόνη οξειδίου του πυριτίου (IV) στον αέρα, εισέρχεται στους ανθρώπινους πνεύμονες και προκαλεί την ασθένεια πυριτίωση.
Πολλές σύγχρονες τεχνολογικές συσκευές και συσκευές δημιουργήθηκαν λόγω των μοναδικών ιδιοτήτων των ουσιών που βρίσκονται στη φύση. Η ανθρωπότητα, μέσω του πειραματισμού και της προσεκτικής μελέτης των στοιχείων γύρω μας, εκσυγχρονίζει συνεχώς τις δικές της εφευρέσεις - αυτή η διαδικασία ονομάζεται τεχνική πρόοδος. Βασίζεται σε στοιχειώδη, προσιτά σε όλους, πράγματα που μας περιβάλλουν στην καθημερινότητα. Για παράδειγμα, άμμος: τι θα μπορούσε να είναι εκπληκτικό και ασυνήθιστο σε αυτό; Οι επιστήμονες κατάφεραν να απομονώσουν πυρίτιο από αυτό, ένα χημικό στοιχείο χωρίς το οποίο δεν θα υπήρχε η τεχνολογία των υπολογιστών. Το πεδίο εφαρμογής του είναι ποικίλο και συνεχώς διευρύνεται. Αυτό επιτυγχάνεται λόγω των μοναδικών ιδιοτήτων του ατόμου του πυριτίου, της δομής του και της δυνατότητας ενώσεων με άλλες απλές ουσίες.
Χαρακτηριστικό γνώρισμα
Στην έκδοση που αναπτύχθηκε από τον D.I. Mendeleev, το πυρίτιο χαρακτηρίζεται με το σύμβολο Si. Ανήκει στα αμέταλλα, βρίσκεται στην κύρια τέταρτη ομάδα της τρίτης περιόδου και έχει ατομικό αριθμό 14. Η εγγύτητά του με τον άνθρακα δεν είναι τυχαία: από πολλές απόψεις, οι ιδιότητές τους είναι συγκρίσιμες. Δεν βρίσκεται στη φύση στην καθαρή του μορφή, αφού είναι ενεργό στοιχείο και έχει αρκετά ισχυρούς δεσμούς με το οξυγόνο. Η κύρια ουσία είναι το πυρίτιο, το οποίο είναι οξείδιο, και τα πυριτικά άλατα (άμμος). Επιπλέον, το πυρίτιο (οι φυσικές του ενώσεις) είναι ένα από τα πιο κοινά χημικά στοιχεία στη Γη. Όσον αφορά το κλάσμα μάζας της περιεκτικότητας, κατατάσσεται στη δεύτερη θέση μετά το οξυγόνο (πάνω από 28%). Το ανώτερο στρώμα του φλοιού της γης περιέχει πυρίτιο με τη μορφή διοξειδίου (αυτός είναι χαλαζίας), διάφορα είδη αργίλου και άμμο. Η δεύτερη πιο κοινή ομάδα είναι τα πυριτικά της. Σε βάθος περίπου 35 km από την επιφάνεια υπάρχουν στρώματα κοιτασμάτων γρανίτη και βασάλτη, τα οποία περιλαμβάνουν ενώσεις πυριτόλιθου. Το ποσοστό περιεκτικότητας στον πυρήνα της γης δεν έχει ακόμη υπολογιστεί, αλλά τα στρώματα του μανδύα που βρίσκονται πιο κοντά στην επιφάνεια (έως 900 km) περιέχουν πυριτικά άλατα. Στη σύνθεση του θαλασσινού νερού, η συγκέντρωση του πυριτίου είναι 3 mg/l, το 40% αποτελείται από τις ενώσεις του. Η απεραντοσύνη του διαστήματος που έχει εξερευνήσει η ανθρωπότητα μέχρι σήμερα περιέχει αυτό το χημικό στοιχείο σε μεγάλες ποσότητες. Για παράδειγμα, μετεωρίτες που πλησίασαν τη Γη σε απόσταση προσβάσιμη από τους ερευνητές έδειξαν ότι αποτελούνται από 20% πυρίτιο. Υπάρχει πιθανότητα σχηματισμού ζωής με βάση αυτό το στοιχείο στον γαλαξία μας.
Ερευνητική διαδικασία
Η ιστορία της ανακάλυψης του χημικού στοιχείου πυριτίου έχει πολλά στάδια. Πολλές ουσίες που συστηματοποίησε ο Mendeleev έχουν χρησιμοποιηθεί από την ανθρωπότητα εδώ και αιώνες. Στην περίπτωση αυτή, τα στοιχεία ήταν στη φυσική τους μορφή, δηλ. σε ενώσεις που δεν υποβλήθηκαν σε χημική επεξεργασία και όλες οι ιδιότητές τους δεν ήταν γνωστές στους ανθρώπους. Στη διαδικασία μελέτης όλων των χαρακτηριστικών της ουσίας, εμφανίστηκαν νέες οδηγίες για τη χρήση της. Οι ιδιότητες του πυριτίου σήμερα δεν έχουν μελετηθεί πλήρως - αυτό το στοιχείο, με ένα αρκετά ευρύ και ποικίλο φάσμα εφαρμογών, αφήνει χώρο για νέες ανακαλύψεις στις μελλοντικές γενιές επιστημόνων. Οι σύγχρονες τεχνολογίες θα επιταχύνουν σημαντικά αυτή τη διαδικασία. Τον 19ο αιώνα, πολλοί διάσημοι χημικοί προσπάθησαν να αποκτήσουν πυρίτιο στην καθαρή του μορφή. Αυτό έγινε για πρώτη φορά από τους L. Tenard και J. Gay-Lussac το 1811, αλλά η ανακάλυψη του στοιχείου ανήκει στον J. Berzelius, ο οποίος μπόρεσε όχι μόνο να απομονώσει την ουσία, αλλά και να την περιγράψει. Ένας χημικός από τη Σουηδία έλαβε πυρίτιο το 1823, για αυτό χρησιμοποίησε μέταλλο καλίου και άλας καλίου. Η αντίδραση έλαβε χώρα υπό έναν καταλύτη με τη μορφή υψηλής θερμοκρασίας. Η προκύπτουσα απλή γκρι-καφέ ουσία ήταν άμορφο πυρίτιο. Το κρυσταλλικό καθαρό στοιχείο αποκτήθηκε το 1855 από τον Sainte-Clair Deville. Η δυσκολία της απομόνωσης σχετίζεται άμεσα με την υψηλή αντοχή των ατομικών δεσμών. Και στις δύο περιπτώσεις, η χημική αντίδραση στοχεύει στη διαδικασία καθαρισμού από ακαθαρσίες, ενώ το άμορφο και το κρυσταλλικό μοντέλο έχουν διαφορετικές ιδιότητες.
Πυρίτιο προφορά του χημικού στοιχείου
Το πρώτο όνομα της σκόνης που προκύπτει - kiesel - προτάθηκε από τον Berzelius. Στο Ηνωμένο Βασίλειο και στις ΗΠΑ, το πυρίτιο εξακολουθεί να αποκαλείται τίποτα περισσότερο από πυρίτιο (πυρίτιο) ή σιλικόνη (πυρίτιο). Ο όρος προέρχεται από το λατινικό «πυρόλιθος» (ή «πέτρα») και στις περισσότερες περιπτώσεις συνδέεται με την έννοια «γη» λόγω της ευρείας εμφάνισής του στη φύση. Η ρωσική προφορά αυτής της χημικής ουσίας ποικίλλει, ανάλογα με την πηγή. Ονομάστηκε πυρίτιο (ο Ζαχάρωφ χρησιμοποίησε αυτόν τον όρο το 1810), sicilium (1824, Dvigubsky, Soloviev), πυρίτιο (1825, Strakhov) και μόνο το 1834 ο Ρώσος χημικός Γερμανός Ivanovich Hess εισήγαγε το όνομα που χρησιμοποιείται ακόμα και σήμερα στις περισσότερες πηγές. - πυρίτιο. Σε αυτό δηλώνεται με το σύμβολο Si. Πώς διαβάζεται το χημικό στοιχείο πυρίτιο; Πολλοί επιστήμονες στις αγγλόφωνες χώρες προφέρουν το όνομά του ως «si» ή χρησιμοποιούν τη λέξη «πυρίτιο». Από εδώ προέρχεται το παγκοσμίως διάσημο όνομα της κοιλάδας, η οποία είναι μια τοποθεσία έρευνας και παραγωγής για εξοπλισμό υπολογιστών. Ο ρωσόφωνος πληθυσμός αποκαλεί το στοιχείο πυρίτιο (από την αρχαία ελληνική λέξη «γκρεμός, βουνό»).
Εμφάνιση στη φύση: κοιτάσματα
Ολόκληρα ορεινά συστήματα αποτελούνται από ενώσεις πυριτίου, το οποίο δεν βρίσκεται στην καθαρή του μορφή, επειδή όλα τα γνωστά ορυκτά είναι διοξείδια ή πυριτικά άλατα (αλουμινοπυριτικά άλατα). Οι εκπληκτικά όμορφες πέτρες χρησιμοποιούνται από τους ανθρώπους ως διακοσμητικά υλικά - πρόκειται για οπάλια, αμέθυστες, χαλαζία διαφόρων τύπων, ίασπη, χαλκηδόνιο, αχάτη, κρύσταλλο βράχου, καρνεόλιο και πολλά άλλα. Σχηματίστηκαν λόγω της συμπερίληψης διαφόρων ουσιών στο πυρίτιο, που καθόριζαν την πυκνότητα, τη δομή, το χρώμα και την κατεύθυνση χρήσης τους. Όλος ο ανόργανος κόσμος μπορεί να συσχετιστεί με αυτό το χημικό στοιχείο, το οποίο στο φυσικό περιβάλλον σχηματίζει ισχυρούς δεσμούς με μέταλλα και αμέταλλα (ψευδάργυρος, μαγνήσιο, ασβέστιο, μαγγάνιο, τιτάνιο κ.λπ.). Σε σύγκριση με άλλες ουσίες, το πυρίτιο είναι αρκετά εύκολα προσβάσιμο για παραγωγή σε κλίμακα παραγωγής: βρίσκεται στα περισσότερα είδη μεταλλευμάτων και ορυκτών. Επομένως, τα ενεργά αναπτυγμένα κοιτάσματα συνδέονται με τις διαθέσιμες πηγές ενέργειας παρά με τις εδαφικές συσσωρεύσεις ύλης. Χαλαζίτες και χαλαζιακή άμμος βρίσκονται σε όλες τις χώρες του κόσμου. Οι μεγαλύτεροι παραγωγοί και προμηθευτές πυριτίου είναι: Κίνα, Νορβηγία, Γαλλία, ΗΠΑ (Δυτική Βιρτζίνια, Οχάιο, Αλαμπάμα, Νέα Υόρκη), Αυστραλία, Νότια Αφρική, Καναδάς, Βραζιλία. Όλοι οι κατασκευαστές χρησιμοποιούν διαφορετικές μεθόδους, οι οποίες εξαρτώνται από τον τύπο του προϊόντος που κατασκευάζεται (τεχνικό, ημιαγωγικό, πυρίτιο υψηλής συχνότητας). Ένα χημικό στοιχείο, επιπλέον εμπλουτισμένο ή, αντίθετα, καθαρισμένο από όλους τους τύπους ακαθαρσιών, έχει μεμονωμένες ιδιότητες από τις οποίες εξαρτάται η περαιτέρω χρήση του. Αυτό ισχύει και για αυτήν την ουσία. Η δομή του πυριτίου καθορίζει το πεδίο εφαρμογής του.
Ιστορικό χρήσης
Πολύ συχνά, λόγω της ομοιότητας των ονομάτων, οι άνθρωποι μπερδεύουν το πυρίτιο και τον πυριτόλιθο, αλλά αυτές οι έννοιες δεν είναι πανομοιότυπες. Ας είμαστε ξεκάθαροι. Όπως ήδη αναφέρθηκε, το πυρίτιο δεν υπάρχει στη φύση στην καθαρή του μορφή, κάτι που δεν μπορούμε να πούμε για τις ενώσεις του (το ίδιο πυρίτιο). Τα κύρια ορυκτά και πετρώματα που σχηματίζονται από το διοξείδιο της ουσίας που εξετάζουμε είναι η άμμος (ποτάμι και χαλαζίας), ο χαλαζίας και οι χαλαζίτες και ο πυριτόλιθος. Όλοι πρέπει να έχουν ακούσει για το τελευταίο, γιατί έχει μεγάλη σημασία στην ιστορία της ανθρώπινης ανάπτυξης. Τα πρώτα εργαλεία που δημιούργησαν οι άνθρωποι κατά τη Λίθινη Εποχή σχετίζονται με αυτήν την πέτρα. Οι αιχμηρές άκρες του, που σχηματίστηκαν όταν πελεκούσαν από τον κύριο βράχο, διευκόλυναν πολύ τη δουλειά των αρχαίων νοικοκυρών και η δυνατότητα ακονίσματος διευκόλυνε τους κυνηγούς και τους ψαράδες. Το Flint δεν είχε τη δύναμη των μεταλλικών προϊόντων, αλλά τα αποτυχημένα εργαλεία ήταν εύκολο να αντικατασταθούν με νέα. Η χρήση του ως πυριτόλιθος διήρκεσε για πολλούς αιώνες - μέχρι την εφεύρεση εναλλακτικών πηγών.
Όσον αφορά τις σύγχρονες πραγματικότητες, οι ιδιότητες του πυριτίου επιτρέπουν τη χρήση της ουσίας για τη διακόσμηση χώρων ή τη δημιουργία κεραμικών επιτραπέζιων σκευών, ενώ, εκτός από την όμορφη αισθητική της εμφάνιση, έχει πολλές εξαιρετικές λειτουργικές ιδιότητες. Ένας ξεχωριστός τομέας εφαρμογής του συνδέεται με την εφεύρεση του γυαλιού πριν από περίπου 3000 χρόνια. Αυτό το γεγονός κατέστησε δυνατή τη δημιουργία καθρεφτών, πιάτων και μωσαϊκού βιτρό από ενώσεις που περιέχουν πυρίτιο. Η φόρμουλα της αρχικής ουσίας συμπληρώθηκε με τα απαραίτητα συστατικά, τα οποία επέτρεψαν να δοθεί στο προϊόν το απαιτούμενο χρώμα και επηρέασαν την αντοχή του γυαλιού. Έργα τέχνης εκπληκτικής ομορφιάς και ποικιλίας κατασκευάστηκαν από τον άνθρωπο από ορυκτά και πέτρες που περιείχαν πυρίτιο. Οι θεραπευτικές ιδιότητες αυτού του στοιχείου έχουν περιγραφεί από αρχαίους επιστήμονες και έχουν χρησιμοποιηθεί σε όλη την ανθρώπινη ιστορία. Έστρωσαν πηγάδια για πόσιμο νερό, ντουλάπια για την αποθήκευση τροφίμων και χρησιμοποιήθηκαν τόσο στην καθημερινή ζωή όσο και στην ιατρική. Η σκόνη που ελήφθη με άλεση εφαρμόστηκε στα τραύματα. Ιδιαίτερη προσοχή δόθηκε στο νερό, το οποίο εγχύθηκε σε πιάτα κατασκευασμένα από ενώσεις που περιείχαν πυρίτιο. Το χημικό στοιχείο αλληλεπιδρούσε με τη σύνθεσή του, γεγονός που κατέστησε δυνατή την καταστροφή ορισμένων παθογόνων βακτηρίων και μικροοργανισμών. Και δεν είναι όλες αυτές οι βιομηχανίες όπου η ουσία που εξετάζουμε έχει πολύ, πολύ μεγάλη ζήτηση. Η δομή του πυριτίου καθορίζει την ευελιξία του.
Ιδιότητες
Για να εξοικειωθείτε περισσότερο με τα χαρακτηριστικά μιας ουσίας, είναι απαραίτητο να την εξετάσετε λαμβάνοντας υπόψη όλες τις πιθανές ιδιότητες. Το σχέδιο χαρακτηρισμού για το χημικό στοιχείο πυρίτιο περιλαμβάνει φυσικές ιδιότητες, ηλεκτρικές ιδιότητες, μελέτη ενώσεων, αντιδράσεις και συνθήκες διέλευσης τους κ.λπ. Το πυρίτιο σε κρυσταλλική μορφή έχει σκούρο γκρι χρώμα με μεταλλική απόχρωση. Ένα κυβικό πλέγμα με επίκεντρο το πρόσωπο είναι παρόμοιο με ένα πλέγμα άνθρακα (διαμάντι), αλλά λόγω των μακρύτερων δεσμών δεν είναι τόσο ισχυρό. Η θέρμανση στους 800 o C το κάνει πλαστικό, σε άλλες περιπτώσεις παραμένει εύθραυστο. Οι φυσικές ιδιότητες του πυριτίου καθιστούν αυτή την ουσία πραγματικά μοναδική: είναι διαφανής στην υπέρυθρη ακτινοβολία. Σημείο τήξεως - 1410 0 C, σημείο βρασμού - 2600 0 C, πυκνότητα υπό κανονικές συνθήκες - 2330 kg/m 3. Η θερμική αγωγιμότητα δεν είναι σταθερή· για διάφορα δείγματα λαμβάνεται σε τιμή κατά προσέγγιση 25 0 C. Οι ιδιότητες του ατόμου πυριτίου επιτρέπουν τη χρήση του ως ημιαγωγός. Αυτός ο τομέας εφαρμογής είναι η μεγαλύτερη ζήτηση στον σύγχρονο κόσμο. Η τιμή της ηλεκτρικής αγωγιμότητας επηρεάζεται από τη σύνθεση του πυριτίου και τα στοιχεία σε συνδυασμό με αυτό. Έτσι, για αυξημένη ηλεκτρονική αγωγιμότητα, χρησιμοποιούνται αντιμόνιο, αρσενικό και φώσφορος, για αγωγιμότητα οπών - αλουμίνιο, γάλλιο, βόριο και ίνδιο. Κατά τη δημιουργία συσκευών με πυρίτιο ως αγωγό, χρησιμοποιείται επιφανειακή επεξεργασία με συγκεκριμένο παράγοντα, η οποία επηρεάζει τη λειτουργία της συσκευής.
Οι ιδιότητες του πυριτίου ως εξαιρετικός αγωγός χρησιμοποιούνται αρκετά ευρέως στη σύγχρονη οργανοποιία. Η χρήση του είναι ιδιαίτερα σημαντική στην παραγωγή σύνθετου εξοπλισμού (για παράδειγμα, σύγχρονες υπολογιστικές συσκευές, υπολογιστές).
Πυρίτιο: χαρακτηριστικά ενός χημικού στοιχείου
Στις περισσότερες περιπτώσεις, το πυρίτιο είναι τετρασθενές, αλλά υπάρχουν και δεσμοί στους οποίους μπορεί να έχει τιμή +2. Υπό κανονικές συνθήκες, είναι ανενεργό, έχει ισχυρές ενώσεις και σε θερμοκρασία δωματίου μπορεί να αντιδράσει μόνο με το φθόριο, το οποίο βρίσκεται σε αέρια συσσωματωμένη κατάσταση. Αυτό εξηγείται από την επίδραση του μπλοκαρίσματος της επιφάνειας με μια μεμβράνη διοξειδίου, η οποία παρατηρείται όταν αλληλεπιδρά με το περιβάλλον οξυγόνο ή το νερό. Για την τόνωση των αντιδράσεων, είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθεί ένας καταλύτης: η αύξηση της θερμοκρασίας είναι ιδανική για μια ουσία όπως το πυρίτιο. Το χημικό στοιχείο αλληλεπιδρά με το οξυγόνο στους 400-500 0 C, ως αποτέλεσμα, το φιλμ διοξειδίου αυξάνεται και λαμβάνει χώρα η διαδικασία οξείδωσης. Όταν η θερμοκρασία ανεβαίνει στους 50 0 C, παρατηρείται αντίδραση με βρώμιο, χλώριο και ιώδιο, με αποτέλεσμα τον σχηματισμό πτητικών τετρααλογονιδίων. Το πυρίτιο δεν αλληλεπιδρά με οξέα, με εξαίρεση ένα μείγμα υδροφθορικού και νιτρικού οξέος, ενώ οποιοδήποτε αλκάλιο σε θερμαινόμενη κατάσταση είναι διαλύτης. Το υδρογόνο πυρίτιο σχηματίζεται μόνο με την αποσύνθεση πυριτιδίων· δεν αντιδρά με το υδρογόνο. Οι ενώσεις με βόριο και άνθρακα χαρακτηρίζονται από τη μεγαλύτερη αντοχή και χημική παθητικότητα. Η υψηλή αντοχή σε αλκάλια και οξέα συνδέεται με το άζωτο, το οποίο εμφανίζεται σε θερμοκρασίες πάνω από 1000 0 C. Τα πυριτικά οξέα λαμβάνονται με αντίδραση με μέταλλα και σε αυτή την περίπτωση το σθένος που δείχνει το πυρίτιο εξαρτάται από το πρόσθετο στοιχείο. Ο τύπος της ουσίας, που σχηματίζεται με τη συμμετοχή ενός μετάλλου μετάπτωσης, είναι ανθεκτικός στα οξέα. Η δομή του ατόμου του πυριτίου επηρεάζει άμεσα τις ιδιότητές του και την ικανότητά του να αλληλεπιδρά με άλλα στοιχεία. Η διαδικασία σχηματισμού δεσμού στη φύση και κατά την έκθεση σε μια ουσία (σε εργαστηριακές, βιομηχανικές συνθήκες) διαφέρει σημαντικά. Η δομή του πυριτίου υποδηλώνει τη χημική του δράση.
Δομή
Το πυρίτιο έχει τα δικά του χαρακτηριστικά. Το πυρηνικό φορτίο είναι +14, που αντιστοιχεί στον αύξοντα αριθμό του περιοδικού πίνακα. Αριθμός φορτισμένων σωματιδίων: πρωτόνια - 14; ηλεκτρόνια - 14; νετρόνια - 14. Το διάγραμμα δομής ενός ατόμου πυριτίου έχει ως εξής: Si +14) 2) 8) 4. Στο τελευταίο (εξωτερικό) επίπεδο υπάρχουν 4 ηλεκτρόνια, τα οποία καθορίζουν την κατάσταση οξείδωσης με το «+» ή «- " σημάδι. Το οξείδιο του πυριτίου έχει τον τύπο SiO 2 (σθένος 4+), η πτητική ένωση υδρογόνου είναι SiH 4 (σθένος -4). Ο μεγάλος όγκος του ατόμου του πυριτίου επιτρέπει σε ορισμένες ενώσεις να έχουν αριθμό συντονισμού 6, για παράδειγμα, όταν συνδυάζονται με φθόριο. Μοριακή μάζα - 28, ατομική ακτίνα - 132 μ.μ., διαμόρφωση κελύφους ηλεκτρονίων: 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 2.
Εφαρμογή
Το επιφανειακό ή πλήρως εμποτισμένο πυρίτιο χρησιμοποιείται ως ημιαγωγός στη δημιουργία πολλών, συμπεριλαμβανομένων συσκευών υψηλής ακρίβειας (για παράδειγμα, ηλιακά φωτοκύτταρα, τρανζίστορ, ανορθωτές ρεύματος κ.λπ.). Το υπερκαθαρό πυρίτιο χρησιμοποιείται για τη δημιουργία ηλιακών κυψελών (ενέργεια). Ο μονοκρυσταλλικός τύπος χρησιμοποιείται για την κατασκευή καθρεφτών και λέιζερ αερίου. Οι ενώσεις πυριτίου χρησιμοποιούνται για την παραγωγή γυαλιού, κεραμικών πλακιδίων, πιάτων, πορσελάνης και πήλινων σκευών. Είναι δύσκολο να περιγραφεί η ποικιλία των τύπων των αγαθών που λαμβάνονται· η εκμετάλλευσή τους γίνεται σε επίπεδο νοικοκυριού, στην τέχνη και την επιστήμη και στην παραγωγή. Το τσιμέντο που προκύπτει χρησιμεύει ως πρώτη ύλη για τη δημιουργία οικοδομικών μειγμάτων, τούβλων και υλικών φινιρίσματος. Η διάδοση λαδιών και λιπαντικών μπορεί να μειώσει σημαντικά τη δύναμη τριβής στα κινούμενα μέρη πολλών μηχανισμών. Τα πυριτικά, λόγω των μοναδικών ιδιοτήτων τους στην αντίσταση σε επιθετικά περιβάλλοντα (οξέα, θερμοκρασίες), χρησιμοποιούνται ευρέως στη βιομηχανία. Τα ηλεκτρικά, πυρηνικά και χημικά χαρακτηριστικά τους λαμβάνονται υπόψη από ειδικούς σε σύνθετες βιομηχανίες· η δομή του ατόμου του πυριτίου παίζει επίσης σημαντικό ρόλο.
Έχουμε απαριθμήσει τους τομείς εφαρμογής που απαιτούν τη μεγαλύτερη ένταση γνώσης και προηγμένους σήμερα. Το πιο κοινό, που κατασκευάζεται σε μεγάλους όγκους, το τεχνικό πυρίτιο χρησιμοποιείται σε διάφορους τομείς:
- Ως πρώτη ύλη για την παραγωγή μιας καθαρότερης ουσίας.
- Για κράματα στη μεταλλουργική βιομηχανία: η παρουσία πυριτίου αυξάνει την ανθεκτικότητα, αυξάνει την αντοχή στη διάβρωση και τη μηχανική αντοχή (εάν υπάρχει περίσσεια αυτού του στοιχείου, το κράμα μπορεί να είναι πολύ εύθραυστο).
- Ως αποξειδωτικό για την απομάκρυνση της περίσσειας οξυγόνου από το μέταλλο.
- Πρώτες ύλες για την παραγωγή σιλανίων (ενώσεις πυριτίου με οργανικές ουσίες).
- Για την παραγωγή υδρογόνου από κράμα πυριτίου και σιδήρου.
- Κατασκευή ηλιακών συλλεκτών.
Αυτή η ουσία έχει επίσης μεγάλη σημασία για τη φυσιολογική λειτουργία του ανθρώπινου σώματος. Η δομή του πυριτίου και οι ιδιότητές του είναι καθοριστικές σε αυτή την περίπτωση. Σε αυτή την περίπτωση, η περίσσεια ή η έλλειψή του οδηγεί σε σοβαρές ασθένειες.
Στο ανθρώπινο σώμα
Η ιατρική χρησιμοποιεί το πυρίτιο για αρκετό καιρό ως βακτηριοκτόνο και αντισηπτικό παράγοντα. Αλλά με όλα τα οφέλη της εξωτερικής χρήσης, αυτό το στοιχείο πρέπει να ανανεώνεται συνεχώς στο ανθρώπινο σώμα. Ένα κανονικό επίπεδο του περιεχομένου του θα βελτιώσει τη δραστηριότητα της ζωής γενικά. Εάν είναι ελλιπής, περισσότερα από 70 μικροστοιχεία και βιταμίνες δεν θα απορροφηθούν από τον οργανισμό, γεγονός που θα μειώσει σημαντικά την αντίσταση σε μια σειρά από ασθένειες. Το υψηλότερο ποσοστό πυριτίου παρατηρείται στα οστά, το δέρμα και τους τένοντες. Παίζει το ρόλο ενός δομικού στοιχείου που διατηρεί τη δύναμη και χαρίζει ελαστικότητα. Όλοι οι σκελετικοί σκληροί ιστοί σχηματίζονται λόγω των συνδέσεών του. Πρόσφατες μελέτες έχουν αποκαλύψει περιεκτικότητα σε πυρίτιο στα νεφρά, το πάγκρεας και τους συνδετικούς ιστούς. Ο ρόλος αυτών των οργάνων στη λειτουργία του σώματος είναι αρκετά μεγάλος, επομένως η μείωση του περιεχομένου του θα έχει επιζήμια επίδραση σε πολλούς βασικούς δείκτες υποστήριξης της ζωής. Το σώμα πρέπει να λαμβάνει 1 γραμμάριο πυριτίου την ημέρα με φαγητό και νερό - αυτό θα βοηθήσει στην αποφυγή πιθανών ασθενειών, όπως φλεγμονώδεις διεργασίες του δέρματος, μαλάκωμα των οστών, σχηματισμός λίθων στο ήπαρ, τα νεφρά, επιδείνωση της όρασης, κατάσταση των μαλλιών και νύχια, αθηροσκλήρωση. Με επαρκές επίπεδο αυτού του στοιχείου, αυξάνεται η ανοσία, ομαλοποιούνται οι μεταβολικές διεργασίες και βελτιώνεται η απορρόφηση πολλών στοιχείων που είναι απαραίτητα για την ανθρώπινη υγεία. Η μεγαλύτερη ποσότητα πυριτίου βρίσκεται στα δημητριακά, τα ραπανάκια και το φαγόπυρο. Το νερό πυριτίου θα φέρει σημαντικά οφέλη. Για να προσδιορίσετε την ποσότητα και τη συχνότητα χρήσης του, είναι καλύτερο να συμβουλευτείτε έναν ειδικό.
ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΗΣ? Αμμος? Τι συσχετίσεις έχετε με αυτή τη λέξη; Ή μήπως η Silicon Valley;
Όπως και να έχει, συναντάμε πυρίτιο καθημερινά και αν σας ενδιαφέρει να μάθετε τι είναι το Si και με τι τρώγεται, ανατρέξτε στη γάτα.
Εισαγωγή
Ως φοιτητής σε ένα από τα πανεπιστήμια της Μόσχας με ειδικότητα στα Νανοϋλικά, ήθελα να σας μυήσω, αγαπητέ αναγνώστη, στα πιο σημαντικά χημικά στοιχεία του πλανήτη μας. Πέρασα πολύ καιρό επιλέγοντας πού να ξεκινήσω, άνθρακα ή πυρίτιο, και παρόλα αυτά αποφάσισα να σταματήσω στο Si, επειδή η καρδιά κάθε σύγχρονου gadget βασίζεται σε αυτό, ας το πω έτσι, φυσικά. Θα προσπαθήσω να εκφράσω τις σκέψεις μου με έναν εξαιρετικά απλό και προσιτό τρόπο.Γράφοντας αυτό το υλικό βασιζόμουν κυρίως σε αρχάριους, αλλά και πιο προχωρημένοι θα μπορέσουν να μάθουν κάτι ενδιαφέρον.Θα ήθελα επίσης να πω ότι το άρθρο ήταν γραμμένο αποκλειστικά για να διευρύνει τους ορίζοντες των ενδιαφερομένων. Ας ξεκινήσουμε λοιπόν.Πυρίτιο
Πυρίτιο (lat. Silicium), Si, χημικό στοιχείο της ομάδας IV του περιοδικού συστήματος του Mendeleev. ατομικός αριθμός 14, ατομική μάζα 28.086.Στη φύση, το στοιχείο αντιπροσωπεύεται από τρία σταθερά ισότοπα: 28Si (92,27%), 29Si (4,68%) και 30Si (3,05%).
Πυκνότητα (στο αρ.) 2,33 g/cm³
Σημείο τήξεως 1688 Κ
Σκόνη Si
Ιστορική αναφορά
Οι ενώσεις του πυριτίου, ευρέως διαδεδομένες στη γη, είναι γνωστές στον άνθρωπο από την εποχή του λίθου. Η χρήση λίθινων εργαλείων για εργασία και κυνήγι συνεχίστηκε για αρκετές χιλιετίες. Η χρήση ενώσεων πυριτίου που σχετίζεται με την επεξεργασία τους - παραγωγή γυαλιού - ξεκίνησε γύρω στο 3000 π.Χ. μι. (στην Αρχαία Αίγυπτο). Η παλαιότερη γνωστή ένωση πυριτίου είναι το οξείδιο SiO2 (πυριτία). Τον 18ο αιώνα, το πυρίτιο θεωρούνταν απλό στερεό και ταξινομήθηκε ως «γη» (όπως αντικατοπτρίζεται στο όνομά του). Η πολυπλοκότητα της σύνθεσης του πυριτίου διαπιστώθηκε από τον I. Ya. Berzelius. Για πρώτη φορά, το 1825, έλαβε στοιχειακό πυρίτιο από φθοριούχο πυρίτιο SiF4, αναγώνοντας το τελευταίο με μέταλλο κάλιο. Στο νέο στοιχείο δόθηκε το όνομα "πυρίτιο" (από το λατινικό silex - πυριτόλιθο). Το ρωσικό όνομα εισήχθη από τον G. I. Hess το 1834.
Το πυρίτιο είναι πολύ κοινό στη φύση ως μέρος της συνηθισμένης άμμου.
Κατανομή πυριτίου στη φύση
Το πυρίτιο είναι το δεύτερο πιο άφθονο στοιχείο στον φλοιό της γης (μετά το οξυγόνο), η μέση περιεκτικότητά του στη λιθόσφαιρα είναι 29,5% (κατά μάζα). Στον φλοιό της γης, το πυρίτιο παίζει τον ίδιο πρωταρχικό ρόλο με τον άνθρακα στον κόσμο των ζώων και των φυτών. Για τη γεωχημεία του πυριτίου, η εξαιρετικά ισχυρή σύνδεσή του με το οξυγόνο είναι σημαντική. Περίπου το 12% της λιθόσφαιρας είναι πυρίτιο SiO2 με τη μορφή του ορυκτού χαλαζία και των ποικιλιών του. Το 75% της λιθόσφαιρας αποτελείται από διάφορα πυριτικά και αργιλοπυριτικά άλατα (άστριο, μαρμαρυγία, αμφιβολίες κ.λπ.). Ο συνολικός αριθμός ορυκτών που περιέχουν πυρίτιο ξεπερνά τα 400.Φυσικές ιδιότητες του πυριτίου
Νομίζω ότι δεν έχει νόημα να μένεις εδώ, όλες οι φυσικές ιδιότητες είναι ελεύθερα διαθέσιμες, αλλά θα απαριθμήσω τις πιο βασικές.Σημείο βρασμού 2600 °C
Το πυρίτιο είναι διαφανές στις υπέρυθρες ακτίνες μεγάλων κυμάτων
Διηλεκτρική σταθερά 11.7
Σκληρότητα Silicon Mohs 7.0
Θα ήθελα να πω ότι το πυρίτιο είναι ένα εύθραυστο υλικό· η αισθητή πλαστική παραμόρφωση αρχίζει σε θερμοκρασίες πάνω από 800°C.
Το πυρίτιο είναι ημιαγωγός, γι' αυτό και χρησιμοποιείται ευρέως. Οι ηλεκτρικές ιδιότητες του πυριτίου εξαρτώνται πολύ από τις ακαθαρσίες.
Χημικές ιδιότητες του πυριτίου
Υπάρχουν πολλά που θα μπορούσαν να ειπωθούν εδώ, φυσικά, αλλά θα εστιάσω στα πιο ενδιαφέροντα. Σε ενώσεις Si (παρόμοια με τον άνθρακα) 4-βαλεντένιο.Στον αέρα, το πυρίτιο είναι σταθερό ακόμη και σε υψηλές θερμοκρασίες λόγω του σχηματισμού προστατευτικού φιλμ οξειδίου. Στο οξυγόνο οξειδώνεται ξεκινώντας από τους 400 °C, σχηματίζοντας οξείδιο του πυριτίου (IV) SiO2.
Το πυρίτιο είναι ανθεκτικό στα οξέα και διαλύεται μόνο σε μείγμα νιτρικού και υδροφθορικού οξέος και διαλύεται εύκολα σε θερμά αλκαλικά διαλύματα με την απελευθέρωση υδρογόνου.
Το πυρίτιο σχηματίζει 2 ομάδες σιλανίων που περιέχουν οξυγόνο - σιλοξάνες και σιλοξένες. Το πυρίτιο αντιδρά με το άζωτο σε θερμοκρασίες πάνω από 1000 °C. Μεγάλη πρακτική σημασία έχει το νιτρίδιο Si3N4, το οποίο δεν οξειδώνεται στον αέρα ακόμη και στους 1200 °C, είναι ανθεκτικό στα οξέα (εκτός του νιτρικού) και στα αλκάλια, καθώς και στα λιωμένα μέταλλα και σκωρίες, γεγονός που το καθιστά πολύτιμο υλικό για τη χημική βιομηχανία, καθώς και για την παραγωγή πυρίμαχων υλικών. Οι ενώσεις πυριτίου με άνθρακα (καρβίδιο του πυριτίου SiC) και βόριο (SiB3, SiB6, SiB12) χαρακτηρίζονται από υψηλή σκληρότητα, καθώς και θερμική και χημική αντοχή.
Λήψη πυριτίου
Νομίζω ότι αυτό είναι το πιο ενδιαφέρον μέρος, ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά εδώ.Ανάλογα με τον σκοπό υπάρχουν:
1. Ηλεκτρονικό πυρίτιο ποιότητας(το λεγόμενο "ηλεκτρονικό πυρίτιο") - το πυρίτιο υψηλότερης ποιότητας με περιεκτικότητα σε πυρίτιο άνω του 99,999% κατά βάρος, η ηλεκτρική ειδική αντίσταση του ηλεκτρονικού πυριτίου ποιότητας μπορεί να κυμαίνεται από περίπου 0,001 έως 150 Ohm cm, αλλά η τιμή αντίστασης πρέπει να διασφαλίζεται αποκλειστικά μια δεδομένη ακαθαρσία, δηλαδή η είσοδος άλλων ακαθαρσιών στον κρύσταλλο, ακόμη και αν παρέχουν μια δεδομένη ηλεκτρική ειδική αντίσταση, είναι κατά κανόνα απαράδεκτη.
2. Ηλιακό πυρίτιο ποιότητας(το λεγόμενο «ηλιακό πυρίτιο») - πυρίτιο με περιεκτικότητα σε πυρίτιο άνω του 99,99% κατά βάρος, που χρησιμοποιείται για την παραγωγή φωτοβολταϊκών μετατροπέων (ηλιακές μπαταρίες).
3. Τεχνικό πυρίτιο- μπλοκ πυριτίου πολυκρυσταλλικής δομής που λαμβάνονται με καρβοθερμική αναγωγή από καθαρή χαλαζιακή άμμο. περιέχει 98% πυρίτιο, η κύρια ακαθαρσία είναι ο άνθρακας, που χαρακτηρίζεται από υψηλή περιεκτικότητα σε στοιχεία κράματος - βόριο, φώσφορο, αλουμίνιο. χρησιμοποιείται κυρίως για την παραγωγή πολυκρυσταλλικού πυριτίου.
Το πυρίτιο τεχνικής καθαρότητας (95-98%) λαμβάνεται σε ηλεκτρικό τόξο με μείωση του πυριτίου SiO2 μεταξύ των ηλεκτροδίων γραφίτη. Σε σχέση με την ανάπτυξη της τεχνολογίας ημιαγωγών, έχουν αναπτυχθεί μέθοδοι για την παραγωγή καθαρού και εξαιρετικά καθαρού πυριτίου. Αυτό απαιτεί την προκαταρκτική σύνθεση των πιο καθαρών αρχικών ενώσεων πυριτίου, από τις οποίες το πυρίτιο εξάγεται με αναγωγή ή θερμική αποσύνθεση.
Το πολυκρυσταλλικό πυρίτιο («πολυσυρίτιο») είναι η καθαρότερη μορφή βιομηχανικά παραγόμενου πυριτίου - ένα ημικατεργασμένο προϊόν που λαμβάνεται με καθαρισμό τεχνικού πυριτίου με τη χρήση μεθόδων χλωρίου και φθορίου και χρησιμοποιείται για την παραγωγή μονοκρυσταλλικού και πολυκρυσταλλικού πυριτίου.
Παραδοσιακά, το πολυκρυσταλλικό πυρίτιο λαμβάνεται από τεχνικό πυρίτιο μετατρέποντάς το σε πτητικά σιλάνια (μονοσιλάνιο, χλωροσιλάνια, φθοριοσιλάνια) με επακόλουθο διαχωρισμό των σιλανίων που προκύπτουν, καθαρισμό διόρθωσης του επιλεγμένου σιλανίου και αναγωγή του σιλανίου σε μεταλλικό πυρίτιο.
Το καθαρό πυρίτιο ημιαγωγών λαμβάνεται με δύο μορφές: πολυκρυσταλλικό(μείωση SiCl4 ή SiHCl3 με ψευδάργυρο ή υδρογόνο, θερμική αποσύνθεση SiI4 και SiH4) και μονοκρυσταλλική(Ζώνη χωρίς χωνευτήριο τήξη και «τράβηγμα» ενός μόνο κρυστάλλου από λιωμένο πυρίτιο - μέθοδος Czochralski). 
Εδώ μπορείτε να δείτε τη διαδικασία καλλιέργειας πυριτίου με τη μέθοδο Czochralski.
Μέθοδος Czochralski- μέθοδος ανάπτυξης κρυστάλλων με το τράβηγμα τους προς τα πάνω από την ελεύθερη επιφάνεια ενός μεγάλου όγκου τήγματος με την έναρξη της κρυστάλλωσης φέρνοντας σε επαφή έναν κρύσταλλο σπόρων (ή αρκετούς κρυστάλλους) δεδομένης δομής και κρυσταλλογραφικού προσανατολισμού με την ελεύθερη επιφάνεια του λυώνω.
Εφαρμογή πυριτίου
Το ειδικά ντοπαρισμένο πυρίτιο χρησιμοποιείται ευρέως ως υλικό για την κατασκευή συσκευών ημιαγωγών (τρανζίστορ, θερμίστορ, ανορθωτές ισχύος, θυρίστορ, ηλιακά φωτοβολταϊκά στοιχεία που χρησιμοποιούνται σε διαστημόπλοια, καθώς και πολλά άλλα πράγματα).Δεδομένου ότι το πυρίτιο είναι διαφανές σε ακτίνες με μήκη κύματος από 1 έως 9 μικρά, χρησιμοποιείται στην υπέρυθρη οπτική.
Το πυρίτιο έχει ποικίλες και διευρυνόμενες εφαρμογές. Στη μεταλλουργία Si
χρησιμοποιείται για την αφαίρεση οξυγόνου διαλυμένου σε λιωμένα μέταλλα (αποξείδωση).
Το πυρίτιο είναι συστατικό μεγάλου αριθμού κραμάτων σιδήρου και μη σιδηρούχων μετάλλων.
Συνήθως, το πυρίτιο δίνει στα κράματα αυξημένη αντοχή στη διάβρωση, βελτιώνει τις ιδιότητες χύτευσης και αυξάνει τη μηχανική αντοχή. Ωστόσο, σε υψηλότερα επίπεδα το πυρίτιο μπορεί να προκαλέσει ευθραυστότητα.
Τα πιο σημαντικά είναι τα κράματα σιδήρου, χαλκού και αλουμινίου που περιέχουν πυρίτιο.
Το πυρίτιο επεξεργάζεται από βιομηχανίες γυαλιού, τσιμέντου, κεραμικής, ηλεκτρικής και άλλων βιομηχανιών.
Το εξαιρετικά καθαρό πυρίτιο χρησιμοποιείται κυρίως για την παραγωγή μεμονωμένων ηλεκτρονικών συσκευών (για παράδειγμα, του επεξεργαστή του υπολογιστή σας) και μικροκυκλωμάτων ενός τσιπ.
Το καθαρό πυρίτιο, τα απόβλητα εξαιρετικά καθαρού πυριτίου, το καθαρισμένο μεταλλουργικό πυρίτιο σε μορφή κρυσταλλικού πυριτίου είναι οι κύριες πρώτες ύλες για την ηλιακή ενέργεια.
Το μονοκρυσταλλικό πυρίτιο - εκτός από τα ηλεκτρονικά και την ηλιακή ενέργεια, χρησιμοποιείται για την κατασκευή καθρεφτών λέιζερ αερίου.
Υπερκαθαρό πυρίτιο και τα προϊόντα του
