Si kémiai tulajdonságai. A szilícium -kémia és vegyületei

A szilícium a második leggyakoribb a Földön (az oxigén után). Tiszta formájában ritkán fordul elő - kristályokban, sokkal gyakrabban különböző vegyületek és ásványi anyagok - spar, kovakő, kvarc homok - összetételében.

A tiszta szilícium izolálása érdekében a vegyészek kvarc homokkal reagálnak magnéziummal. A szilíciumot magas hőmérsékleten is megolvasztják, sőt "termesztik". A Czochralski módszer lehetővé teszi nyomás, hőmérséklet és szilíciumvegyületek alkalmazását tiszta anyag kristályainak előállítására.

Mindennapi élet

A szilíciumvegyületeket aktívan használják a mindennapi életben és az emberi gazdaságban, az iparban. A kvarc homokot üveg és cement előállítására használják. A szilikátipar a szilíciumról kapta a nevét, amelynek „középső neve” „szilícium”. A szilikátokat a mezőgazdaságban, a talaj trágyázására használják. Szilikát ragasztót nyernek szilíciumvegyületek alapján is.

Rádióelektronika

A szilícium egyedülálló rádióelektronikai tulajdonságokkal rendelkezik. A tiszta szilícium félvezető. Ez azt jelenti, hogy bizonyos körülmények között áramot vezethet, ha a vezetési sáv kicsi. Ha a vezetési tartomány nagy, a szilícium félvezető szilícium szigetelővé válik.

A nemfémes szilícium félvezető tulajdonságai a tranzisztor létrehozásához vezettek. A tranzisztor olyan eszköz, amely lehetővé teszi a feszültség és az áram szabályozását. A lineáris vezetőktől eltérően a szilícium tranzisztoroknak három fő eleme van - egy kollektor, amely "összegyűjti" az áramot, egy bázis és egy emitter, amelyek felerősítik az áramot. A tranzisztor megjelenése "elektronikus fellendülést" váltott ki, ami az első számítógépek és háztartási készülékek megalkotásához vezetett.

Számítógépek

A Silicon elektronikai fejlődése nem maradt észrevétlen a számítástechnikában. Eleinte például "drága" tipikus félvezetőkből akartak processzorokat gyártani. Magas ára azonban nem tette lehetővé a germániumlemezek gyártását. Aztán az IBM merészei úgy döntöttek, hogy kockáztatnak, és kipróbálják a szilíciumot, mint egy számítógépes rendszer "szívének" anyagát. Az eredmények nem sokáig vártak.

A szilícium táblák meglehetősen olcsónak bizonyultak, ami különösen fontos volt a számítógép -ipar kezdetének elején, amikor sok hiba volt és kevés potenciális vásárló volt.

Ma a szilícium chipek uralják a számítógépipart. A tiszta szilícium kristályok a processzorok és a vezérlők számára megtanultak gyári körülmények között növekedni, az anyag könnyen használható. És ami a legfontosabb, a szilícium lehetővé tette, hogy kétévente megduplázza a processzor elemeinek számát (Moore -törvény). Így egyre több tranzisztor és más kapu van egy azonos méretű szilícium áramkörön. A szilícium lehetővé tette az információs technológia lehető leghatékonyabbá tételét.

Oroszországi Oktatástudományi Minisztérium

Szövetségi állami költségvetési felsőoktatási intézmény

"MATI - Orosz Állami Műszaki Egyetem, K.E. Csiolkovszkij nevét viseli" (MATI)

"Repülőgépek tesztelése" osztály

absztrakt

A "kémia" tanfolyamon

Téma: "Szilícium"

Diák: Akbaev Dauyt Rinatovich

Csoport: 2ILA-1DS-298

Tanár: Evdokimov Szergej Vasziljevics

Moszkva 2014

Szilícium az élő szervezetekben

Felfedezés története és felhasználása

Elterjedés a természetben

Atomi szerkezet és alapvető kémiai és fizikai tulajdonságok

Fogadás

Alkalmazás

Kapcsolatok

Alkalmazás

1. Szilícium élő szervezetekben

Szilícium (lat. Szilícium), Si, a Mendelejev -féle periódusos rendszer IV. Csoportjának kémiai eleme; atomszám 14, atomtömege 28,086. A természetben az elemet három stabil izotóp képviseli: 28 Si (92,27%), 29 Si (4,68%) és 30 Si (3,05%)

A szervezetben lévő szilícium különféle vegyületek formájában van, amelyek főként a kemény csontvázrészek és szövetek képződésében vesznek részt. Egyes tengeri növények (például kovaföldek) és állatok (például kovasavas szivacsok, radiolariánok) különösen sok szilíciumot halmozhatnak fel, és erőteljes szilícium -dioxid -lerakódásokat képeznek az óceán fenekén, amikor elpusztulnak.

A hideg tengerekben és tavakban a szilíciummal dúsított biogén, a trópusi tengereken az alacsony szilíciumtartalmú mészselyemek uralkodnak. A szárazföldi növények között a gabonafélék, a sás, a pálma és a zsurló rengeteg szilíciumot halmoz fel. A gerincesekben a hamvas anyagok szilícium-dioxid-tartalma 0,1-0,5%. A legnagyobb mennyiségű szilícium a sűrű kötőszövetben, a vesékben és a hasnyálmirigyben található. A napi emberi étrend legfeljebb 1 g szilíciumot tartalmaz.

Magas szilícium -dioxid -tartalommal a levegőben belép az ember tüdejébe, és betegséget okoz - szilikózist (latin nyelven silex - kovakő), az emberi betegséget, amelyet a szabad szilícium -dioxidot tartalmazó por hosszan tartó belélegzése okoz, foglalkozási megbetegedés. A bányászati, porcelán-, fajansz-, kohászati, gépgyártó iparban dolgozók körében található. A szilikózis a betegség legkedvezőtlenebb lefolyása a pneumoconiosis csoportjából; gyakrabban, mint más betegségeknél, a tuberkulózis folyamatának (az ún.

2. Felfedezés és használat története

Történelmi hivatkozás. A földön elterjedt szilíciumvegyületeket az ember a kőkorszak óta ismeri. A kőeszközök munkára és vadászatra történő használata több évezreden keresztül folytatódott. A feldolgozásukhoz - az üveggyártáshoz - kapcsolódó szilíciumvegyületek alkalmazása ie 3000 körül kezdődött. NS. (az ókori Egyiptomban). A legkorábbi ismert szilíciumvegyület a szilícium -dioxid SiO 2(szilícium -dioxid). A 18. században. a szilícium -dioxidot egyszerű testnek tekintették, és "földeknek" nevezték (ami a nevében is tükröződik). A kovasav összetételének összetettségét I.Ya. Berzelius.

A szabad állapotban lévő szilíciumot először 1811-ben J. Gay-Lussac francia tudós és O. Thénard szerezte meg.

1825 -ben a svéd ásványtudós és vegyész, Jens Jakob Berzelius amorf szilíciumot kapott. Barna amorf szilíciumport kapunk a gáz halmazállapotú szilícium -tetrafluorid kálium -fémmel történő redukálásával:

4 + 4K = Si + 4KF

Később szilícium kristályos formáját kapták. A szilícium olvadt fémekből történő átkristályosításával szürke kemény, de törékeny, fémes csillogású kristályokat kaptunk. A szilícium elem orosz neveit G.I. Hess 1834 -ben.

... Elterjedés a természetben

Az oxigén után a szilícium a legelterjedtebb elem (27,6%) a földön. Ez egy olyan elem, amely megtalálható a földkéreg kemény héját alkotó ásványokban és kőzetekben. A földkéregben a szilícium ugyanolyan elsődleges szerepet játszik, mint a szén az állat- és növényvilágban. Az oxigén geokémiája szempontjából fontos a rendkívül erős oxigénkötés. A legelterjedtebb szilíciumvegyületek a szilícium -oxid SiO 2és szilikátoknak nevezett kovasav -származékok. A szilícium (IV) oxid kvarc ásvány (szilícium -dioxid, kovakő) formájában fordul elő. A természetben egész hegyek készülnek ebből a vegyületből. Vannak nagyon nagy, akár 40 tonna súlyú kvarckristályok. A közönséges homok finom kvarcból áll, különféle szennyeződésekkel szennyezve. A homok éves globális fogyasztása eléri a 300 millió tonnát.

A természetben a legelterjedtebb szilikátok az alumínium -szilikátok (kaolin Al 2O 3* 2SiO 2* 2H 2O, azbeszt CaO * 3MgO * 4SiO 2, ortoklász K 2O * Al 2O 3* 6SiO 2satöbbi.). Ha a szilícium- és alumínium -oxidokon kívül nátrium-, kálium- vagy kalcium -oxidok is szerepelnek az ásvány összetételében, akkor az ásványt földpátnak (fehér csillám stb.) Nevezik. A természetben ismert szilikátok körülbelül felét a földpántok teszik ki. A gránit és gneisz kőzetek közé tartozik a kvarc, a csillám, a földpát.

A szilícium elenyésző mennyiségben a növény- és állatvilág része. Megtalálható bizonyos típusú zöldségek és gabonafélék szárában. Ez megmagyarázza ezen növények szárának megnövekedett szilárdságát. A csillók héja, a szivacsok teste, a madarak tojása és tollai, az állati szőr, a haj, a szem üvegteste szilíciumot is tartalmaz.

A hajók által szállított holdi talaj mintáinak elemzése azt mutatta ki, hogy szilícium -oxid jelen van több mint 40 százalékban. A kőmetoritok összetételében a szilíciumtartalom eléri a 20 százalékot.

... Atomi szerkezet és alapvető kémiai és fizikai tulajdonságok

A szilícium sötétszürke kristályokat képez fémes csillogással, arcközpontú köbös gyémánt típusú rácsokkal, a periódus 5,431 Å, 2,33 g / cm sűrűséggel ³ ... Nagyon magas nyomáson új (látszólag hatszögletű) módosítást kaptak, 2,55 g / cm sűrűséggel ³ ... K. 1417 ° C -on olvad, 2600 ° C -on forr. Fajlagos hő (20-100 ° C-on) 800 J / (kg × K), vagy 0,191 cal / (g × jégeső); hővezető képessége még a legtisztább minták esetében sem állandó, és a tartományban (25 ° C) 84-126 W / (m × K), vagy 0,20-0,30 cal / (cm × mp × jégeső). A lineáris tágulás hőmérsékleti együtthatója 2.33 × 10-6 K-1; 120K alatt negatív lesz. A szilícium átlátszó a hosszú hullámhosszú IR -sugarakra; törésmutató (l = 6 mikron esetén) 3,42; dielektromos állandó 11.7. A szilícium diamágneses, atommágneses fogékonyság - 0,13 × 10 -6... Szilícium keménység Mohs 7,0, Brinell 2,4 Gn / m ² (240 kgf / mm ² ), rugalmassági modulusa 109 H / m ² (10890 kgf / mm ² ), tömöríthetőségi tényező 0,325 × 10 -6cm ² / kg. A szilícium törékeny anyag; észrevehető műanyag deformáció 800 ° C feletti hőmérsékleten kezdődik.

A szilícium egy félvezető, amelyet egyre inkább használnak. A K. elektromos tulajdonságai nagyon függnek a szennyeződésektől. A szilícium belső fajlagos térfogati elektromos ellenállását szobahőmérsékleten 2.3 -nak kell tekinteni × 10 3ohm × m (2.3 × 10 5 ohm × cm).

A félvezető szilícium p-típusú vezetőképességgel (B, Al, In vagy Ga adalékanyagok) és n-típusú (P, Bi, As vagy Sb adalékanyagok) jelentősen alacsonyabb ellenállással rendelkezik. Az elektromos rések az elektromos mérések szerint 1,21 eV 0 K -on és 1,119 eV -ra csökkennek 300 K -on.

A szilícium Mendelejev periódusos rendszerben elfoglalt helyzetének megfelelően a szilícium atom 14 elektronja eloszlik három héjon: az elsőben (a magból) 2 elektron, a másodikban 8, a harmadikban (vegyérték) 4; elektronhéj konfiguráció 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2. Egymást követő ionizációs potenciál (eV): 8,149; 16,34; 33.46 és 45.13. Atomsugár 1.33 Å, kovalens sugarú 1,17Å, ion sugarak Si 4+0,39Å, Si4- 1,98Å.

A szilíciumvegyületekben (hasonlóan a szénhez) 4-vegyértékű. A szénnel ellentétben azonban a szilícium a 4 -es koordinációs számmal együtt 6 -os koordinációs számot mutat, amit az atomjának nagy térfogata magyaráz (ilyen vegyületek például a csoportot tartalmazó szilikofluoridok) 2-).

A szilícium-atom kémiai kötését más atomokkal általában a hibrid sp3-pályák miatt hajtják végre, de lehetséges öt (üres) 3d-pálya közül kettő bevonása is, különösen akkor, ha a szilícium hatszintű. Az alacsony elektronegativitási érték 1,8 (szemben a szénnel 2,5; a nitrogénnel 3,0), a szilícium a nemfémekkel vegyületekben elektromosan pozitív, és ezek a vegyületek poláris jellegűek. A nagy kötési energia oxigén Si-O-val, egyenlő 464 kJ / mol (111 kcal / mol), meghatározza oxigénvegyületeinek (SiO2 és szilikátok) stabilitását. A Si-Si kötés energiája alacsony, 176 kJ / mol (42 kcal / mol); A szénnel ellentétben K. -ra nem jellemző a hosszú láncok kialakulása és a Si atomok közötti kettős kötés. A védő oxidfilm képződése miatt a szilícium még magas hőmérsékleten is stabil a levegőben. Oxigénben 400 ° C -tól kiindulva oxidálódik, szilícium -dioxidot SiO képezve 2... Ismert a SiO monoxid is, amely magas hőmérsékleten gáz formájában stabil; az éles hűtés eredményeként szilárd terméket kaphatunk, amely könnyen bomlik Si és SiO vékony keverékévé 2... A szilícium ellenáll a savaknak, és csak salétromsav és hidrogén -fluorid savak keverékében oldódik; könnyen oldódik forró lúgoldatokban hidrogénfejlődéssel. A szilícium reakcióba lép fluorral szobahőmérsékleten, más halogénekkel - hevítéskor SiX általános képletű vegyületeket képezve 4(lásd Szilícium -halogenidek). A hidrogén nem reagál közvetlenül a szilíciummal, a szilícium -dioxidokat (szilánokat) szilíciumok bontásával nyerik. Ismert szilícium -dioxid SiH -tól 4Si -nek 8H 18(összetételükben hasonlóak a telített szénhidrogénekhez). A szilícium 2 oxigénezett sziláncsoportot alkot - sziloxánokat és sziloxéneket. A szilícium 1000 ° C feletti hőmérsékleten reagál a nitrogénnel. A Si -nitridnek gyakorlati jelentősége van. 3N 4, nem oxidálódik levegőben még 1200 ° C -on sem, ellenáll savaknak (salétromsav) és lúgoknak, valamint olvadt fémeknek és salakoknak, ami értékes anyaggá teszi a vegyipar számára, tűzálló anyagok gyártásához stb. a hő- és vegyszerállóságot a szilícium szénnel (szilícium -karbid SiC) és bórral (SiB) alkotott vegyületei különböztetik meg 3, SiB 6, SiB 12). Hevítéskor a szilícium reagál (fémkatalizátorok, például réz jelenlétében) klór -szerves vegyületekkel (például CH 3Cl) szerves halogén -szilánok képződésével [például Si (CH 3)3CI], amely számos szilícium -szerves vegyület szintézisére szolgál.

5. Fogadás

A legegyszerűbb és legkényelmesebb laboratóriumi módszer a szilícium előállítására a szilícium -oxid SiO redukciója 2magas hőmérsékleten redukáló fémekkel. A szilícium -oxid stabilitásának köszönhetően aktív redukálószereket, például magnéziumot és alumíniumot használnak a redukcióhoz:

SiO 2+ 4Al = 3Si + 2Al2 O 3

Fém alumíniummal redukálva kristályos szilíciumot kapunk. A fémek alumíniumból történő redukálásának módszerét az alumíniumból fedezte fel N. N. orosz fizikokémikus. Beketov 1865 -ben. Ha a szilícium -oxidot alumíniummal redukálják, a felszabaduló hő nem elegendő a reakciótermékek - szilícium és alumínium -oxid - megolvasztásához, amely 205 ° C -on olvad. A reakciótermékek olvadáspontjának csökkentése érdekében kén és felesleg alumíniumot adnak a reakcióelegyhez. A reakció alacsony olvadáspontú alumínium-szulfidot eredményez:

2Al + 3S = Al2 S 3

Csepp olvasztott szilícium süllyed a tégely aljára.

Műszaki tisztaságú szilíciumot (95-98%) elektromos ívben nyernek szilícium-dioxid SiO redukciójával 2grafit elektródák között.

2 + 2C = Si + 2CO

A félvezető technológia fejlődésével összefüggésben módszereket dolgoztak ki a tiszta és ultra tiszta szilícium előállítására. Ehhez szükség van a legtisztább kiindulási szilíciumvegyületek előzetes szintézisére, amelyekből a szilíciumot redukcióval vagy termikus bontással extrahálják.

A tiszta félvezető szilíciumot két formában nyerik: polikristályos (SiCl redukciójával) 4vagy SiHCl 3cink vagy hidrogén, SiCl termikus bomlása 4és SiH 4) és monokristályos (tégelymentes zóna olvasztása és egy kristály "kihúzása" olvadt szilíciumból - a Czochralski módszer).

A szilícium -tetrakloridot kereskedelmi célú szilícium klórozásával állítják elő. A szilícium -tetraklorid lebontásának legrégebbi módja a kiváló orosz vegyész, N.N. Beketov. Ez a módszer az alábbi egyenlettel ábrázolható:

4 + Zn = Si + 2ZnCl 2.

Itt a szilícium -tetraklorid gőzei, amelyek 57,6 ° C -on forrnak, kölcsönhatásba lépnek a cinkgőzökkel.

Jelenleg a szilícium -tetrakloridot hidrogénnel redukálják. A reakció az alábbi egyenlet szerint megy végbe:

SiCl 4 + 2H 2= Si + 4HCI.

A szilíciumot por formájában nyerik. A szilícium előállítására jodid módszert is alkalmaznak, hasonlóan a tiszta titán előállításához korábban leírt jodid módszerhez.

A tiszta szilícium előállításához a szennyeződéseket zónaolvasztással tisztítják, ugyanúgy, mint a tiszta titánt.

Számos félvezető eszköz esetében előnyösek az egykristályok formájában előállított félvezető anyagok, mivel a polikristályos anyagokban az elektromos tulajdonságok ellenőrizetlen változása következik be.

Egykristályok forgatásakor a Czochralski -módszert alkalmazzák, amely a következőkből áll: egy rúdot leengednek az olvadt anyagba, amelynek végén ennek az anyagnak a kristálya van; a jövőbeni egykristály embriójaként szolgál. A rudat kis sebességgel, 1-2 mm / perc sebességgel húzzák ki az olvadékból. Ennek eredményeképpen a kívánt méretű egyetlen kristály fokozatosan növekszik. A félvezető eszközökben használt lemezeket levágják belőle.

... Alkalmazás

A speciálisan adalékolt szilíciumot széles körben használják félvezető eszközök (tranzisztorok, termisztorok, teljesítmény egyenirányítók, vezérelt diódák - tirisztorok; űrhajókban használt napelemek stb.) Gyártásához. Mivel a szilícium átlátszó az 1-9 mikron hullámhosszú sugarakra, infravörös optikában használják.

A szilícium felhasználási területei változatosak és növekvőek. A kohászatban szilíciumot használnak az olvadt fémekben oldott oxigén eltávolítására (dezoxidáció). A szilícium számos vas és színesfém ötvözet alkotóeleme. Általában a szilícium fokozott korrózióállóságot kölcsönöz az ötvözeteknek, javítja öntési tulajdonságaikat és növeli a mechanikai szilárdságot; magasabb szinteken azonban a szilícium törékenységet okozhat. A legfontosabbak a szilíciumot tartalmazó vas, réz és alumíniumötvözetek. Egyre több szilíciumot használnak szilícium -szerves vegyületek és szilíciumok szintéziséhez. A szilícium -dioxidot és sok szilikátot (agyagot, földpátot, csillámot, talkumot stb.) Üveg, cement, kerámia, elektromos és más iparágak dolgoznak fel.

Az anyag szilikonozása, felületi vagy térfogatos telítettsége szilíciummal. Ezt úgy állítják elő, hogy az anyagot szilícium -gőzben dolgozzák fel, amely magas hőmérsékleten keletkezik szilícium utántöltés felett, vagy gázhalmazállapotú környezetben, amely kloroszilánokat tartalmaz, amelyeket például hidrogénnel redukálnak.

l 4+ 2H2 = Si + 4HC1.

Elsősorban tűzálló fémek (W, Mo, Ta, Ti, stb.) Oxidációtól való védelmére használják. Az oxidációval szembeni ellenállás annak köszönhető, hogy C. alatt sűrű diffúziós "öngyógyító" szilikidbevonatok képződnek. (WSi 2, MoSi 2satöbbi.). A szilikonozott grafitot széles körben használják.

... Kapcsolatok

Szilicidek

Szilicidek (lat. Szilícium - szilícium), szilícium kémiai vegyületei fémekkel és néhány nemfémmel. A szilicideket a kémiai kötés típusa szerint három fő csoportra lehet osztani: ionos-kovalens, kovalens és fémszerű. Az ionos-kovalens szilíciumokat alkáliák (a nátrium és a kálium kivételével) és alkáliföldfémek, valamint a réz és a cink alcsoportjaiban lévő fémek képezik; kovalens - bór, szén, nitrogén, oxigén, foszfor, kén, ezeket boridoknak, karbidoknak, szilícium -nitrideknek is nevezik) stb .; fémszerű - átmeneti fémek.

A szilicideket Si és a megfelelő fém porkeverékének olvasztásával vagy szinterezésével nyerik: fém -oxidok Si, SiC, SiO hevítésével 2és természetes vagy szintetikus szilikátok (néha szénnel keverve); a fém kölcsönhatása SiCl keverékével 4és H 2; K -ból álló olvadékok elektrolízise 2Szelektív azonosítási jelleg 6és a megfelelő fém oxidja. A kovalens és fémszerű szilicidek tűzállóak, ellenállnak az oxidációnak, az ásványi savaknak és a különböző agresszív gázoknak. A szilicideket hőálló, fémkerámia kompozit anyagok összetételében használják a repülés és a rakéta technológia számára. MoSi 21600 ° C -ig terjedő levegőben működő ellenálló kemencék fűtésére szolgál. FeSi 2, Fe 3Si 2, Fe 2Az Si a szilícium -szilícium része, amelyet acélok oxidációjának és ötvözésére használnak. A szilícium -karbid az egyik félvezető anyag.

Szilikonizált grafit

Szilikonizált grafit, szilíciummal telített grafit. Ezt porózus grafit szilícium utántöltésben 1800-2200 ° C-on történő feldolgozásával állítják elő (míg a szilíciumgőzök a pórusokban rakódnak le). Grafit alapból, szilícium -karbidból és szabad szilíciumból áll. A grafitban rejlő magas hőmérsékleti stabilitást és magas hőmérsékletű szilárdságot ötvözi a sűrűséggel, a gázzárósággal, a magas oxidációs ellenállással 1750 ° C -ig és az erózióállósággal. Magas hőmérsékletű kemencék bélésére, fémöntő eszközökbe, fűtőelemekhez, légi- és űrtechnikai alkatrészek gyártásához használják magas hőmérséklet és erózió esetén.

Silal

Silal (latin szilíciumból - szilícium és angol ötvözet - ötvözet), hőálló öntöttvas magas szilíciumtartalommal (5-6%). A Silal-t viszonylag olcsó öntött alkatrészek előállítására használják, amelyek magas hőmérsékleten (800-900 ° C) működnek, például nyitott tűzhelyű kemenceajtók, rácsos rudak és gőzkazánok alkatrészei.

Silumin

Szilumin (lat. Szilícium - szilícium és Alumínium - alumínium), az alumínium alapú öntvényötvözetek csoportjának általános neve, amely szilíciumot tartalmaz (4-13%, egyes márkáknál akár 23%). A technológiai és működési tulajdonságok kívánt kombinációjától függően a szilumint Cu, Mn, Mg, néha Zn, Ti, Be és más fémekkel ötvözik. A sziluminok magas öntési és kellően magas mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek, de mechanikai tulajdonságaikban rosszabbak, mint az Al - Cu rendszeren alapuló öntvények. A sziluminok előnyei közé tartozik a megnövekedett korrózióállóság nedves és tengeri légkörben. A sziluminokat összetett konfigurációjú alkatrészek gyártására használják, elsősorban az autó- és repülőgépgyártásban.

Szilikomangán

Szilikon -mangán -ferroötvözet, amelynek fő összetevői a szilícium és a mangán; érces termikus kemencékben olvasztják szén-redukciós eljárással. A mangánércből, mangánsalakból és kvarcitból nyert, 10-26% Si-t tartalmazó szilícium-mangánt (a többi Mn, Fe és szennyeződések) acélolvasztásban használják dezoxidálószerként és ötvöző adalékként, valamint ferromomangán csökkentett széntartalmú olvasztására. tartalom szilikotermikus eljárással. A 28-30% Si-t tartalmazó szilícium-mangánt (amelynek alapanyaga speciálisan előállított, magas mangántartalmú, alacsony foszfortartalmú salak) használják a fém-mangán előállítására.

Silicochrom

Szilikokróm, ferroszilikróm, ferroötvözet, amelynek fő összetevői a szilícium és a króm; Ezt érc-termikus kemencében olvasztják kvarcitból és granulált átalakítású ferrokromból vagy krómércből származó szén-redukciós eljárással. A 10-46% Si-t tartalmazó szilikokrómot (a többi Cr, Fe és szennyeződések) használják az alacsonyan ötvözött acél olvasztására, valamint az alacsony széntartalmú ferrokróm előállítására szilikotermikus eljárással. A 43-55% Si-t tartalmazó szilikokrómot a szénmentes ferrokrom előállítására és a rozsdamentes acél olvasztására használják.

Silkhrom (lat. Silicium-szilícium és króm-króm), a Cr (5-14%) és Si (1-3%) ötvözött hőálló és hőálló acélok csoportjának általános neve. A kívánt teljesítményszinttől függően a szilikont ezenkívül Mo (legfeljebb 0,9%) vagy Al (legfeljebb 1,8%) alumíniummal ötvözik. A szilkromok 850-950 ° C-ig ellenállnak a levegőben és kéntartalmú közegben történő oxidációnak; Főleg belső égésű motorok szelepeinek gyártására, valamint kazánművek, rácsos rudak stb. Alkatrészeinek gyártására használják. Fokozott mechanikai terhelések esetén a szilikromból készült alkatrészek hosszú ideig megbízhatóan működnek akár 600-800 ° C hőmérsékleten is C.

Szilícium -halogenidek

Szilícium -halogenidek, szilíciumvegyületek halogénekkel. A következő típusú szilícium-halogenidek (X-halogén): SiX 4, SiH n x 4-n (halogénszilánok), Si n x 2n + 2 és kevert halogenideket, például SiClBr -t 3... Normál körülmények között SiF 4- gáz, SiCl 4és SiBr 4- folyadékok (tp - 68,8 és 5 ° C), SiI 4- szilárd (tnl 124 ° C). SiX csatlakozók 4könnyen hidrolizálható:

Hat 4+ 2H 2O = SiO 2+ 4HX;

füst a levegőben, nagyon kicsi SiO -részecskék képződése miatt 2; A szilícium -tetrafluorid különbözőképpen reagál:

Szelektív azonosítási jelleg 4+ 2H 2O = SiO 2 + 2H 2Szelektív azonosítási jelleg 6

Klórszilánok (SiH n x 4-n ), például SiHCl 3(gázhalmazállapotú HCI hatására Si-re), víz hatására erős sziloxánláncú Si-O-Si polimer vegyületeket képeznek. Mivel a klór -szilánok rendkívül reakcióképesek, kiindulási anyagként szolgálnak szilícium -szerves vegyületek előállításához. Si kapcsolatok n X2 n + 2 amelyek Si -atomok láncát tartalmazzák, X -klór, egy sorozatot adnak, beleértve Si -t 6Cl 14(tnl 320 ° C); más halogének csak Si -t képeznek 2x 6... Típusú vegyületek (SiX 2)n és (SiX) n ... SiX molekulák 2és SiX magas hőmérsékleten gáz formájában, éles lehűlés után (folyékony nitrogén) szilárd polimer anyagokat képez, amelyek nem oldódnak közönséges szerves oldószerekben.

A szilícium -tetraklorid SiCl4 kenőolajok, elektromos szigetelés, hőátadó folyadékok, hidrofób folyadékok stb. szilícium -szilikát kvarckristály

Szilícium -karbid

Szilícium-karbid, karborund, SiC, szilícium-szén vegyület; a technológia egyik legfontosabb karbidja. A tiszta szilícium -karbid színtelen kristály, gyémántfényű; műszaki termék zöld vagy kék-fekete színben. A szilícium-karbid két fő kristályos változatban létezik-hatszögletű (a-SiC) és köbös (b-SiC), a hatszögletű pedig egy „óriási molekula”, amely az egyszerű molekulák egyfajta szerkezetileg irányított polimerizációjának elvére épül. Az a-SiC szén- és szilíciumatom rétegei különböző módon helyezkednek el egymáshoz képest, sok szerkezeti típust alkotva. A b-SiC-ről az a-SiC-re való átmenet 2100-2300 ° C hőmérsékleten történik (a fordított átmenet általában nem figyelhető meg). A szilícium -karbid tűzálló (2830 ° C -on bomlás közben olvad), kivételesen magas keménységű (mikrokeménység 33400 MN / m ² vagy 3,34 tf / mm ² ), csak a gyémánt és a bór -karbid B4 C után; törékeny; sűrűsége 3,2 g / cm ³ ... A szilícium -karbid stabil különböző kémiai környezetekben, beleértve a magas hőmérsékletet is.

A szilícium-karbidot elektromos kemencékben állítják elő 2000-2200 ° C-on kvarc homok (51-55%), koksz (35-40%) keverékéből NaCl (I-5%) és fűrészpor (5-10) hozzáadásával %). Magas keménysége, vegyszerállósága és kopásállósága miatt a szilícium -karbidot széles körben használják csiszolóanyagként (csiszoláshoz), kemény anyagok, szerszámpontok vágásához, valamint vegyi és kohászati ​​berendezések különböző részeinek gyártásához. nehéz körülmények magas hőmérsékleten. A különböző szennyeződésekkel adalékolt szilícium -karbidot a félvezető technológiában használják, különösen magas hőmérsékleten. Érdekes a szilícium -karbid alkalmazása az elektrotechnikában - fűtőberendezések gyártásához magas hőmérsékletű elektromos ellenállású kemencékhez (szilit rudak), villámhárítók elektromos áramvezetékekhez, nemlineáris ellenállások, elektromos szigetelő eszközök részeként stb.

Szilícium-dioxid

Szilícium -dioxid (szilícium -dioxid), SiO 2, kristályok. A leggyakoribb ásvány a kvarc; a közönséges homok is szilícium -dioxid. Üveg, porcelán, cserép, beton, tégla, kerámia gyártásához használják, gumi töltőanyagként, adszorbensként kromatográfiában, elektronikában, akusztikai optikában stb. dioxid; a nyomás függvényében bizonyos hőmérsékleti tartományokban stabil.

A szilícium-dioxid kristályos szerkezetének alapja egy háromdimenziós keret, amely tetraéderből (5104) épül fel, közös oxigénen keresztül. Az elrendezésük, a csomagolási sűrűség és a kölcsönös orientáció szimmetriája azonban eltérő, ami tükröződik az egyes ásványok kristályainak szimmetriájában és fizikai tulajdonságaiban. Kivételt képez a sztiszovit, amelynek szerkezete oktaédereken (SiO) alapul 6), rutilszerű szerkezetet képezve. Minden kovasav (néhány kvarcfajta kivételével) általában színtelen. Az ásványtani skála keménysége eltérő: 5,5 (a-tridimit) és 8-8,5 (sztiszovit) között.

A szilícium-dioxidot általában nagyon apró szemcsék, kripto-kristályos rostos (a-kristobalit, ún. Lussatit) és néha gömb alakú képződmények formájában találjuk meg. Ritkábban- táblás vagy lamellás kristályok (tridimit), oktaéderes, dipiramidális (a- és b-kristobalit), finom tű (coesit, sztiszovit) formájában. A szilícium -dioxid nagy része (a kvarc kivételével) nagyon ritka, és instabil a földkéreg felszíni zónáiban. A SiO magas hőmérsékletű módosításai 2- b-tridimit, b-kristobalit- a fiatal effúziós kőzetek kis üregeiben (dacitok, bazaltok, liparitok stb.) képződnek. Az alacsony hőmérsékletű a-kristobalit az a-tridimittel együtt az agatok, a kalcedon, az opálok egyik alkotóeleme; lerakódások forró vizes oldatokból, néha kolloid SiO -ból 2... Sztiszovitot és kozitot találtak az Arizonában (USA) található Ördög -kanyon meteorikus kráter homokköveiben, ahol a kvarc hatására keletkeztek azonnali ultramagas nyomáson és a hőmérséklet emelkedésével a meteorit leesése során. A természetben léteznek még: kvarcüveg (ún. Leschatellerit), amely a kvarchomok villámcsapásból való olvadása következtében keletkezik, és melanoflogit- kis köbös kristályok és kéregek formájában (pszeudomorfok, amelyek opál- és a kalcedonszerű kvarc), natív kénen termesztik Szicília (Olaszország) mezején. Kititet nem találtak a természetben.

Kvarc (német kvarc), ásványi; szilícium -dioxid SiO két kristályos módosítása ismert kvarc néven 2: hatszögletű kvarc (vagy a-kvarc), stabil 1 atm (vagy 100 kn / m) nyomáson ² ) 870-573 ° C hőmérséklettartományban és trigonális (b-kvarc), 573 ° C alatti hőmérsékleten stabil. A b-kvarc leggyakrabban a természetben található. A trigonális rendszer trigonális trapéz -osztályában kristályosodik ki. A kerettípus kristályszerkezete szilícium-oxigén tetraéderből épül fel, amely spirálisan (jobb vagy bal csavarhúzással) helyezkedik el a kristály főtengelyéhez képest. Ettől függően a kristályok jobb és bal szerkezeti és morfológiai formáit különböztetik meg, amelyek külsőleg különböznek egyes arcok (például trapéz, stb.) Elrendezésének szimmetriájában. A síkok és a szimmetriaközpont hiánya a kvarckristályokban meghatározza a piezoelektromos és piroelektromos tulajdonságok jelenlétét.

Leggyakrabban a kvarckristályok hosszúkás, prizmatikus megjelenésűek, a hatszögletű prizma és a két rombuszlemez (kristályfej) homlokzatának túlsúlyában. Ritkábban a kristályok pszeudo -hatszögletű dipiramidok. A kifelé szabályos kvarckristályok általában bonyolult testvérek, és leggyakrabban ikerrégiókat képeznek az ún. Brazil vagy dauphin törvények. Ez utóbbiak nemcsak a kristályok növekedése során merülnek fel, hanem a belső szerkezeti átrendeződések következtében is, amelyek a termikus a - b átmeneteket kísérik kompresszióval, valamint a mechanikai deformációk során. A kvarc kristályainak, szemcséinek és aggregátumainak színe nagyon változatos: a leggyakoribb a színtelen, tejfehér vagy szürke kvarc. Az átlátszó vagy áttetsző, gyönyörű színű kristályokat különösen nevezik: színtelen, átlátszó - hegyikristály; lila - ametiszt; füstös - rauchtopaz; fekete - morion; aranysárga - citrin. A különböző színek általában szerkezeti hibákból származnak, amikor Si -t cserélnek 4+Fe -n 3+vagy Al 3+egyidejű belépéssel a Na rácsba 1+, Li 1+vagy (OH) 1-... A komplex színű kvarc idegen ásványok mikrobevonatai miatt is előfordul: zöld prase - aktinolit vagy klorit mikrokristályok zárványai; arany csillogó aventurin - csillám vagy hematit zárványok, stb. A kvarc optikailag egytengelyes, pozitív. Törésmutatók (nappali fénynél l = 589,3): ne = 1,553; nem = 1,544. Átlátszó az ultraibolya és részben az infravörös sugarak felé. Amikor síkban polarizált fénysugarat továbbítanak az optikai tengely mentén, a balkezes kvarckristályok a polarizációs síkot balra, a jobbkezesek pedig jobbra forgatják. A spektrum látható részén a forgásszög értéke (1 mm vastag kvarclemezenként) 32,7 (l 486 nm) és 13,9 ° (728 nm) között változik. A dielektromos állandó (eij), a piezoelektromos modulus (djj) és a rugalmas együttható (Sij) értékei a következők (szobahőmérsékleten): e11 = 4,58; e33 = 4,70; d11 = -6,76 * 10-8; d14 = 2,56 * 10-8; S11 = 1,279; S12 = - 0,159; S13 = -0,110; S14 = -0,446; S33 = 0,956; S44 = 1,978. A lineáris tágulási együtthatók a következők: merőlegesek a 3. rendű tengelyre 13.4 * 10 -6és párhuzamos a 8 * 10 tengellyel -6... A b - a K. átalakulási hő 2,5 kcal / mol (10,45 kJ / mol). Ásványtani keménység 7; sűrűsége 2650 kg / m ³ ... 1710 ° C hőmérsékleten olvad, és lehűléskor megszilárdul az ún. kvarc üveg. Az olvasztott szilícium -dioxid jó szigetelő; az 1 cm -es élű kocka ellenállása 18 ° C -on 5 * 10 18ohm / cm, lineáris tágulási együttható 0,57 * 10 -6cm / ° C. A szintetikus monokristályok termesztésére gazdaságilag életképes technológiát fejlesztettek ki, amelyet SiO2 vizes oldataiból nyernek magas nyomáson és hőmérsékleten (hidrotermális szintézis). A szintetikus oxigén kristályai stabil piezoelektromos tulajdonságokkal, sugárzásállósággal, nagy optikai egyenletességgel és más értékes műszaki tulajdonságokkal rendelkeznek.

A természetes kvarc nagyon elterjedt ásvány, sok kőzet nélkülözhetetlen alkotóeleme, valamint a legkülönfélébb eredetű ásványi lerakódások. Az ipar legfontosabb kvarcanyagai a kvarc homok, a kvarcitok és a kristályos monokristályos kvarc. Ez utóbbi ritka és nagyra becsült. A kvarckristályok főbb lerakódásai az Urálban, a Pamirsban, a folyó medencéjében találhatók. Aldan; külföldön - betétek Brazíliában és a Madagaszkári Köztársaságban. A kvarc homok fontos alapanyag a kerámia- és üvegipar számára. A kvarc egykristályokat rádiótechnikában használják (piezoelektromos frekvencia stabilizátorok, szűrők, rezonátorok, piezoelektromos lemezek ultrahangos berendezésekben stb.); optikai műszerekben (prizmák spektrográfokhoz, monokromatorok, lencsék ultraibolya optikához stb.). Az olvasztott kvarcot speciális vegyi üvegáruk gyártásához használják. A K. -t vegyileg tiszta szilícium előállítására is használják. Az átlátszó, gyönyörű színű kvarcfajták féldrágakövek, és széles körben használják ékszerekben.

Kvarcüveg, egykomponensű szilikátüveg, amelyet természetes szilikafajták - hegyikristály, vénakvarc és kvarchomok, valamint szintetikus szilícium -dioxid - olvasztásával nyernek. Kétféle ipari kvarcüveg létezik: átlátszó (optikai és műszaki) és átlátszatlan. A szilícium -dioxid üveg átlátszatlanságát nagyszámú kis (0,03-0,3 mikron átmérőjű) gázbuborék adja, amelyek eloszlatják a fényt. A hegyikristály olvasztásával kapott optikai átlátszó kvarcüveg teljesen homogén, nem tartalmaz látható gázbuborékokat; rendelkezik a legalacsonyabb törésmutatóval a szilikátüvegek között (nD = 1,4584) és a legnagyobb fényáteresztő képességgel, különösen az ultraibolya sugarak esetében. A kvarcüveget magas hő- és vegyszerállóság jellemzi; lágyulási hőmérséklet K. oldal 1400 ° C. A kvarcüveg jó dielektromos, fajlagos elektromos vezetőképessége 20 ° C-10 ° C-on -14 - 10-16ohm -1m -1, a dielektromos veszteségek szögének érintője 20 ° C hőmérsékleten és 106 Hz frekvencián 0,0025-0,0006. A kvarcüveget laboratóriumi üvegáruk, tégelyek, optikai műszerek, szigetelők (különösen magas hőmérséklet esetén), valamint a hőmérséklet -ingadozásoknak ellenálló termékek gyártására használják.

Silanes

Szilánok (a latin Szilíciumból - szilícium), szilíciumvegyületek Si általános képletű hidrogénnel n H2 n + 2 ... Szilánok oktaszilán Si -ig 8H 18... Szobahőmérsékleten az első két szilíciumvegyület a monoszilán SiH 4és disilán Si 2H 6- gáz halmazállapotú, a többi illékony folyadék. Minden szilíciumvegyület kellemetlen szagú és mérgező. A szilánok sokkal kevésbé stabilak, mint az alkánok, például öngyulladnak a levegőben

Si 2H 6+ 7O 2= 4SiO2 + 6H 2O.

Bomlás vízzel:

3H 8+ 6H 2O = 3SiO2 + 10H 2

A szilánok természetesen nem fordulnak elő. A laboratóriumban a híg savak magnézium -szilíciumra kifejtett hatására különféle K. keveréke keletkezik, ezt erősen lehűtjük és elválasztjuk (frakcionált desztillációval, levegő hiányában).

Kovasav

Kovasavak, szilícium -szilícium -anhidrid származékai 2; nagyon gyenge savak, vízben alig oldódnak. Metasilicic acid H 2SiO 3(pontosabban a polimer formája H 8Si 4O 12) és H 2Si 2O 5... Az amorf szilícium -dioxid (amorf szilícium -dioxid) vizes oldatban (oldhatóság kb. 100 mg 1 l -ben) túlnyomórészt ortoszilinsavat képez H 4SiO 4... A különböző módszerekkel előállított túltelített oldatokban a kovasavak kolloid részecskék képződésével (1500 moláris tömegig) változnak, amelyek felületén OH -csoportok találhatók. Tanult így tovább. a szol, a pH-tól függően, stabil lehet (pH körülbelül 2), vagy aggregálódhat, gélgé alakulhat (pH 5-6). Stabil, erősen koncentrált szilícium -dioxid -szolokat, amelyek speciális anyagokat - stabilizátorokat - tartalmaznak a papírgyártásban, a textiliparban, víztisztításhoz. Fluor -kovasav, H 2Szelektív azonosítási jelleg 6, erős szervetlen sav. Csak vizes oldatban létezik; szabad formában szilícium -tetrafluorid SiF -re bomlik 4és hidrogén -fluorid HF. Erős fertőtlenítőszerként használják, de elsősorban kovasav -sók - szilikofluoridok - előállítására.

Szilikátok

Szilikátok, szilícium -sav sók. A földkéregben a legelterjedtebb (80 tömeg%); több mint 500 ásvány ismert, köztük drágakövek, mint smaragd, beril, akvamarin. Szilikátok - cement, kerámia, zománc, szilikát üveg alapja; nyersanyagok sok fém, ragasztó, festék stb. gyártásában; rádióelektronikai anyagok stb. Szilícium -fluoridok, fluor -szilikátok, fluor -kovasav sói H 2Szelektív azonosítási jelleg 6... Például hevítéskor szétesnek

6= CaF2 + SiF 4

A Na, K, Rb, Cs és Ba sók alig oldódnak vízben, és jellegzetes kristályokat képeznek, amelyet kvantitatív és mikrokémiai elemzésekhez használnak. A legnagyobb gyakorlati érték a nátrium -szilikofluorid Na 2Szelektív azonosítási jelleg 6(különösen saválló cement, zománc stb. gyártásakor). A Na jelentős része 2Szelektív azonosítási jelleg 6NaF -be dolgozzák fel. Szerezd meg Na -t 2Szelektív azonosítási jelleg 6SiF tartalmú 4szuperfoszfát üzemekből származó hulladék. A vízben jól oldódó Mg, Zn és Al szilícium -fluoridokat (műszaki neve fluates) használják az építőkövek vízállóvá tételére. Minden szilikát (valamint a H 2SiF6 ) mérgezőek.

Alkalmazás

1. ábra Jobb és bal kvarc.

2. ábra Szilícium -dioxid ásványok.

3. ábra Kvarc (szerkezet)

Korrepetálás

Segítségre van szüksége egy téma feltárásához?

Szakértőink tanácsokat adnak vagy oktatási szolgáltatásokat nyújtanak az Ön számára érdekes témákban.
Kérés küldése a téma megjelölésével, hogy tájékozódjon a konzultáció megszerzésének lehetőségéről.

Szilícium- egy nagyon ritka ásványfaj az őshonos elemek osztályából. Valójában elképesztő, hogy milyen ritkán található meg a természetben a szilícium kémiai elem, amely kötött formában teszi ki a földkéreg tömegének legalább 27,6% -át. De a szilícium erősen kapcsolódik az oxigénhez, és szinte mindig szilícium -dioxid - szilícium -dioxid, SiO 2 (kvarccsalád) vagy szilikátok (SiO 4 4-) formájában van. A natív szilíciumot ásványként találták a vulkáni füstök termékeiben, és apró zárványként a natív aranyban.

Lásd még:

SZERKEZET

A szilícium kristályrács köbös arcközpontú gyémánt típusú, az a paraméter = 0,54307 nm (magas nyomáson a szilícium egyéb polimorf módosításait kaptuk), de a Si-Si atomok közötti hosszabb kötéshossz miatt a CC kötés hosszához képest , a szilícium keménysége lényegesen kisebb, mint a gyémánté. Térfogati szerkezete van. Az atommagok a belső héjon lévő elektronokkal együtt pozitív töltéssel rendelkeznek 4, amelyet a külső héjon lévő négy elektron negatív töltése kiegyensúlyoz. A szomszédos atomok elektronjaival együtt kovalens kötéseket képeznek a kristályrácson. Így a külső héjon négy elektronja és négy elektronja négy szomszédos atomtól kölcsönzött. Abszolút nulla hőmérsékleten a külső héjak összes elektronja részt vesz kovalens kötésekben. Ebben az esetben a szilícium ideális szigetelő, mivel nem tartalmaz szabad elektronokat, amelyek vezetőképességet hoznak létre.

TULAJDONSÁGOK

A szilícium törékeny, csak 800 ° C fölé hevítve válik műanyaggá. Átlátszó az 1,1 µm hullámhosszú infravörös sugárzással szemben. A töltéshordozók belső koncentrációja 5,81 · 10 15 m −3 (300 K hőmérséklet esetén). Olvadáspontja 1415 ° C, forráspontja 2680 ° C, sűrűsége 2,33 g / cm 3. Félvezető tulajdonságokkal rendelkezik, ellenállása a hőmérséklet emelkedésével csökken.

Az amorf szilícium barna por, erősen rendezetlen gyémántszerű szerkezeten alapul. Reaktívabb, mint a kristályos szilícium.

MORFOLÓGIA

Leggyakrabban a természetben a szilícium szilícium -dioxid formájában található - szilícium -dioxid (IV) SiO 2 (a földkéreg tömegének körülbelül 12% -a) alapú vegyületek. A szilícium -dioxid által alkotott fő ásványok és kőzetek a homok (folyó és kvarc), kvarc és kvarcit, kovakő, földpát. A szilíciumvegyületek második leggyakoribb csoportja a természetben a szilikátok és az alumínium -szilikátok.

Megjegyezzük a tiszta szilícium natív formában való megtalálásának elkülönített tényeit.

EREDET

Különböző források szerint a földkéreg szilíciumtartalma 27,6-29,5 tömeg%. Így a szilícium a második leggyakoribb a földkéregben az oxigén után. Koncentráció tengervízben 3 mg / l. Megjegyezzük a tiszta szilícium natív állapotban való megtalálásának izolált tényeit - a legkisebb zárványokat (nanoindividuálisokat) a Goryachegorsk alkáli -gabbroid tömege ijolitjaiban (Kuznetsk Alatau, Krasznojarszki terület); Karéliában és a Kola -félszigeten (a Kola szupermély kút mat. tanulmánya alapján); mikroszkopikus kristályok Tolbachik és Kudryavy vulkánok (Kamcsatka) fumaroljaiban.

ALKALMAZÁS

Az ultratiszta szilíciumot főként egyedi elektronikai eszközök (elektromos áramkörök nemlineáris passzív elemei) és egy chipes mikroáramkörök gyártására használják. A tiszta szilícium, a hulladék ultratiszta szilícium, a finomított kohászati ​​szilícium kristályos szilícium formájában a napenergia fő nyersanyaga.

Monokristályos szilícium - az elektronika és a napenergia mellett gázlézer tükrök készítésére szolgál.

A szilíciumot tartalmazó fémvegyületeket - szilíciumokat - széles körben használják az iparban (például elektronikai és atomi) anyagok, amelyek számos hasznos kémiai, elektromos és nukleáris tulajdonsággal rendelkeznek (oxidációval szembeni ellenállás, neutronok stb.). Számos elem szilicidjei fontos hőelektromos anyagok.

A szilíciumvegyületek alapul szolgálnak az üveg és a cement előállításához. A szilikátipar üveg- és cementgyártással foglalkozik. Szilikát kerámiákat is gyárt - téglát, porcelánt, cserépedényeket és ezekből készült termékeket. A szilikát ragasztó széles körben ismert, az építőiparban szárítóként, a pirotechnikában és a mindennapi életben papírragasztáshoz használják. Elterjedtek a szilikon olajok és szilikonok - szilícium -szerves vegyületeken alapuló anyagok.

A műszaki szilícium a következő alkalmazásokat találja:

• kohászati ​​gyártási alapanyagok: ötvözet komponens (bronz, szilumin);
• dezoxidáló (vas és acél olvasztásakor);
• a fémek vagy ötvözőelemek tulajdonságainak módosítója (például bizonyos mennyiségű szilícium hozzáadása a transzformátor acélok gyártásához csökkenti a késztermék kényszerítő erejét) stb.
• nyersanyagok tisztább polikristályos szilícium és tisztított kohászati ​​szilícium előállításához (az irodalomban "umg-Si");
• alapanyagok szilícium szerves anyagok, szilánok előállításához;
• néha műszaki minőségű szilíciumot és vassal ötvözött ötvözetét (ferroszilícium) használják a hidrogén előállítására a területen;
• napelemek gyártásához;
• blokkolásgátló (tapadásgátló adalékanyag) a műanyagiparban.

Szilícium - Si

OSZTÁLYOZÁS

Strunz (8. kiadás)	1 / B.05-10
Nickel-Strunz (10. kiadás)	1.CB.15
Dana (7. kiadás)	1.3.6.1
Dana (8. kiadás)	1.3.7.1
Szia CIM Ref.	1.28

A szilícium a technológia és az ipar egyik legkeresettebb eleme. Ezt szokatlan tulajdonságainak köszönheti. Ma ennek az elemnek számos különböző vegyülete van, amelyek fontos szerepet játszanak a műszaki termékek, edények, üveg, berendezések, építő- és befejező anyagok, ékszerek és más iparágak szintézisében és létrehozásában.

A szilícium általános jellemzői

Ha figyelembe vesszük a szilícium helyzetét a periódusos rendszerben, akkor ezt mondhatjuk:

1. A fő alcsoport IV csoportjában található.
2. Sorszám 14.
3. Atomtömeg 28,086.
4. Kémiai szimbólum Si.
5. A név szilícium, vagy latinul - szilícium.
6. A külső réteg elektronikus konfigurációja 4e: 2e: 8e.

A szilícium kristályrácsja hasonló a gyémántéhoz. Az atomok a csomópontokban találhatók, típusuk köbös arcközpontú. A hosszabb kötéshossz miatt azonban a szilícium fizikai tulajdonságai nagyon eltérnek a szén allotróp módosításainak tulajdonságaitól.

Fizikai és kémiai tulajdonságok

Még néhány szilícium -dioxid variáció:

• kvarc;
• folyó és;
• kovakő;
• földpát.

A szilícium ilyen formában történő felhasználása az építőiparban, a mérnöki munkában, az elektronikában, a vegyiparban, a kohászatban valósul meg. Az összes felsorolt ​​oxid együtt egyetlen anyagra - a szilícium -dioxidra - vonatkozik.

A szilícium -karbid és alkalmazása

Szilícium és vegyületei is jelen vannak. Az egyik ilyen anyag az elem karborunduma vagy karbidja. Kémiai képlet SiC. Természetes módon ásványi moissanit formájában fordul elő.

Tiszta formájában a szén és a szilícium vegyülete gyönyörű, átlátszó kristályok, amelyek gyémánt szerkezetekre emlékeztetnek. Technikai célokra azonban zöld és fekete színű anyagokat használnak.

Ennek az anyagnak a fő jellemzői, amelyek lehetővé teszik a kohászatban, a technológiában és a vegyiparban való alkalmazását, a következők:

• széles résű félvezető;
• nagyon nagy szilárdság (7 a Mohs -skálán);
• ellenáll a magas hőmérsékletnek;
• kiváló elektromos ellenállás és hővezető képesség.

Mindez lehetővé teszi a karborundum csiszolóanyagként történő felhasználását a kohászatban és a kémiai szintézisben. Szintén ennek alapján széles hatásspektrumú LED -ek, üvegkemencék, fúvókák, fáklyák, ékszerek alkatrészeinek gyártására (a moissanit magasabb, mint a cirkónium -oxid).

Silane és jelentése

A szilícium hidrogénvegyületét szilánnak nevezik, és a kiindulási anyagokból nem állítható elő közvetlen szintézissel. Ennek megszerzéséhez különféle fémek szilicidjeit használják, amelyeket savakkal kezelnek. Ennek eredményeként gáz halmazállapotú szilán szabadul fel, és fémsó képződik.

Érdekes módon a szóban forgó vegyület soha nem keletkezik egyedül. A reakció eredményeként mindig mono-, di- és triszilán keverékét kapjuk, amelyben a szilícium-atomok láncokban kapcsolódnak egymáshoz.

Tulajdonságaik szerint ezek a vegyületek erős redukálószerek. Ugyanakkor maguk is könnyen oxidálódnak oxigénnel, néha robbanással. A halogéneknél a reakciók mindig hevesek, nagy energiakibocsátással.

A szilánok alkalmazási területei a következők:

1. A szerves szintézis reakciói, amelyek eredményeként fontos szilícium -szerves vegyületek képződnek - szilikonok, gumik, tömítőanyagok, kenőanyagok, emulziók és mások.
2. Mikroelektronika (folyadékkristályos monitorok, integrált műszaki áramkörök stb.).
3. Ultratiszta poliszilícium megszerzése.
4. Fogászat protézisekkel.

Így a szilánok jelentősége a modern világban nagy.

Kovasav és szilikátok

A szóban forgó elem hidroxidja különböző kovasavak. Kioszt:

• meta;
• orto;
• poliszilícium és más savak.

Mindegyiket közös tulajdonságok egyesítik - extrém instabilitás szabad állapotban. Hőmérséklet hatására könnyen lebomlanak. Normál körülmények között nem sokáig léteznek, először szolává, majd gélré alakulnak. Szárítás után az ilyen szerkezeteket szilikagélnek nevezik. Adszorbensként használják a szűrőkben.

Az ipar szempontjából a kovasav -sók - szilikátok fontosak. Ezek olyan anyagok előállításának alapját képezik, mint:

• üveg;
• Konkrét;
• cement;
• zeolit;
• kaolin;
• porcelán;
• fajansz;
• kristály;
• kerámia.

Az alkálifém -szilikátok oldhatók, a többi nem. Ezért a nátrium- és kálium -szilikátot folyékony üvegnek nevezik. A szokásos irodai ragasztó a kovasav nátriumsója.

De a legérdekesebb vegyületek továbbra is a szemüvegek. Ennek az anyagnak miféle változatát nem találták fel! Ma színes, optikai, matt változatokat kapnak. Az üvegáruk lenyűgözőek pompájukban és változatosságukban. Ha bizonyos fém- és nemfém-oxidokat adunk a keverékhez, az üvegtípusok széles választéka állítható elő. Néha még ugyanaz az összetétel, de az összetevők eltérő százaléka az anyag tulajdonságainak eltéréséhez vezet. Példa erre a porcelán és a cserépedény, amelyek képlete SiO 2 * AL 2 O 3 * K 2 O.

Ez egy rendkívül tiszta termék, amelynek összetételét szilícium-dioxidként írják le.

Szilíciumvegyület -felfedezések

Az elmúlt néhány év kutatásai során bebizonyosodott, hogy a szilícium és vegyületei a legfontosabb résztvevői az élő szervezetek normális állapotának. Ennek az elemnek a hiánya vagy többlete olyan betegségekhez kapcsolódik, mint:

• tuberkulózis;
• ízületi gyulladás;
• szürkehályog;
• lepra;
• vérhas;
• reuma;
• hepatitis és mások.

Maguk az öregedési folyamatok a szilícium mennyiségi tartalmához is kapcsolódnak. Számos emlősökön végzett kísérlet bizonyította, hogy egy elem hiányában szívroham, stroke, rák fordul elő, és a hepatitis vírus aktiválódik.

A szilíciumot és vegyületeit, mint a szenet és vegyületeit, széles körben használják különböző területeken. A szilíciumot mikroelektronikai eszközök gyártására használják. A szilícium -dioxidot üveg és cement előállítására használják. A szilikátok felhasználási területei változatosak (15.8. Táblázat). Mindezek a példák nátrium -szilikátokat használnak. Végül szilikonokat használnak szintetikus gumik, fényezések és védőbevonatok készítéséhez. Ebből három felhasználási módot vizsgálunk meg közelebbről.

15.8. Táblázat A szilikátok néhány felhasználása

Forradalom a mikroelektronikában

Az elmúlt két -három évtizedben a szilícium rendkívül fontos félvezető anyaggá vált, amelyet mikroelektronikai eszközök, az úgynevezett "mikroáramkörök" gyártásához használnak.

A félvezető olyan anyag, amelynek elektromos ellenállása közbenső az elektromos szigetelők (dielektrikumok) és a vezetők jellemzői között (15.9. Táblázat).

A szennyeződéseket gyakran szándékosan vezetik be a félvezetőkbe, és szabályozott mennyiségű szennyezőanyaggal doppingolják őket. A dopping csökkenti a félvezető vezetési sávja és vegyértéksávja közötti rést (lásd a 2.1. Szakaszt), és következésképpen csökkenti annak ellenállását. A félvezető (negatív típusú) típusát tiszta szilícium vagy germánium bármilyen elemmel történő adalékolásával kapjuk

15.9. Táblázat A szilícium félvezető tulajdonságai

Rizs. 15.9. Adalékolt szilícium, az Al, Si atomok sematikus ábrázolása külső elektronjaikkal; b - félvezető: minden elektronpár kovalens kötést képez; c - szennyeződés félvezető típusa: a szilícium kristályrácsában jelenlévő V csoport elem szennyező atomja, például foszfor, felesleges elektronot juttat be, és ez csökkenti a szilícium elektromos ellenállását; d - szennyező p -típusú félvezető: a szilícium kristályrácsában a III. csoportba tartozó elem, például alumínium szennyezőatomjának jelenléte a rácsban egy elektron „lyuk” megjelenéséhez vezet.

V. csoport, például foszfor. Mivel a foszforatomnak öt elektronja van a külső burokban, a foszforatomok jelenléte a szilícium kristályrácsában az elektronfelesleg megjelenéséhez, és ezáltal a hatékony negatív töltés kialakulásához vezet (15.9. Ábra).

A p-típusú (pozitív típusú) félvezetők tényleges pozitív töltéssel rendelkeznek, mivel kristályrácsukban szennyező atomok vannak jelen, amelyek valamely III. Csoportba tartozó elemhez, például alumíniumhoz tartoznak. Minden alumínium atom elektron lyukat hoz létre a szilíciumrácsban, azaz pozitív töltést.

Félvezető diódát kapunk két félvezető elektróda találkozásánál, amelyek közül az egyik az n, a másik a p típusú (15.10. Ábra). A p típusú elektródán átáramló elektronok megállnak két elektróda közötti csomópontban (csomópont), amelyet csomópontnak neveznek. Fordított irányban áramló elektronok

Rizs. 15.10. Félvezető dióda: Az A típusú félvezető elektródából származó elektronfelesleg átáramlik az A csomóponton, hogy kitöltse az A típusú félvezető elektród "lyukait".

Rizs. 15.11. Tranzisztorok, és - tranzisztor típusú; b - tranzisztor típusú.

irányba, menjen át ezen az átmeneten, mivel a rácsból többlet elektronokkal érkeznek az elektronhiánnyal rendelkező rácshoz. Ugyanazt az elektromos töltést úgy tekinthetjük, mint az elektronlyukak ellentétes irányú mozgását, vagy pozitív töltést, egy -típusú elektródáról egy -típusú elektródára.

A szilícium félvezető diódákat váltakozó áramú egyenirányítóként használják, amelyek DC -vé alakítják. A vezérelt szilícium egyenirányító A típusú és A típusú elektródákból, valamint egy harmadik elektródából áll, amely dióda szelepként működik. Egy ilyen egyenirányító csak akkor váltja át a váltakozó áramot egyenárammá, ha a dióda szelephez kis feszültséget kapcsolnak.

A tranzisztor egy három elektródás félvezető eszköz, amelyben egy vékony réteg (vagy típusú) félvezető található két félvezető (vagy típusú) elektróda között (15.11. Ábra). Egy ilyen eszköz lehetővé teszi a nagy erősségű elektromos áram áramlásának szabályozását kis feszültség alkalmazásával. Egy típusú tranzisztor lyukvezetőképességű, egy típusú tranzisztor pedig elektronikus vezetőképességgel rendelkezik.

A kezdet előtt minden tranzisztor egyedi fém- vagy műanyag burkolatba került. Ezeket később integrált áramkörök váltották fel. Jelenleg egy apró szilícium elem egy szoftver zsebszámológépben több mint 30.000 tranzisztort tartalmazhat, amelyek egyetlen integrált áramkört alkotnak.

Üveg

Szilikátüveg keletkezik, amikor az olvadt szilikátok megszilárdulnak. A szódaüveg kalcium -szilikát és nátrium -szilikát keverékéből áll. Az előző fejezetben említettük. A szódaüveget ablaküvegek és különféle síküvegek készítésére használják.

A boroszilikát üveg körülbelül bór -oxidot, valamint kis mennyiségű nátrium- és alumínium -oxidot tartalmaz. A boroszilikát üveg ellenáll a hőmérsékleteknek, és ellenáll a vegyszereknek, például lúgoknak. A leggyakoribb boroszilikát üveg a Pyrex. A boroszilikát üvegből konyhai eszközöket és laboratóriumi üvegárukat készítenek.

Az ólomüveg magas törésmutatóval rendelkezik, és kristályüveg termékek gyártására használják. A tipikus ólomüveg körülbelül 8% oxidot tartalmaz; a jó kristályüveg több ólmot tartalmaz.

Az üvegszálat különféle módon állítják elő, például olvadt üveget csepegtetnek egy tűzálló anyagból készült forgó tárcsára. Az üveg szétszóródik a korongból, vékony szálakat képezve. Az üvegszálat az autóipar paneleinek szigeteléséhez, valamint a repülőgépipar műszerházainak alkatrészeihez használják.

Az üveg színének biztosítása érdekében különféle d-fémek oxidjait vezetik be a gyártási folyamat során. A kobalt kék vagy rózsaszín színt kölcsönöz az üvegnek, az üvegben lévő bázikus oxidok mennyiségétől függően, mint pl. A bor- és sörösüvegek készítéséhez használt olcsó üveg barna vagy zöld színe az üveg előállításához használt homokban található vasvegyületeknek köszönhető.

Az optikai szálak szilícium -dioxid üvegből készülnek. A kvarcüveget a kvarc olvasztásával nyerik. A kvarcüveg kiváló optikai tisztasággal rendelkezik. Az optikai szál előállításához használt szilícium -dioxid -üvegnek azonban rendkívül tisztának kell lennie. A benne található szennyeződések, például a vas és a réz mennyiségét olyan szintre kell csökkenteni, hogy az ne haladja meg az egy részt 10 ° -onként. Emiatt az optikai szál előállításához használt szilícium -dioxid -üveg közvetlenül az oxigén és a klorid gázfázisban történő reakciójából származik. A klorid rendkívül nagy tisztaságú, "elektronikus minőségű".

Az optikai szál maggal rendelkezik, amely a fény továbbítására szolgál, és alacsonyabb törésmutatójú burkolattal, amely megakadályozza a fény elvesztését az oldalakon keresztül. Az emberi hajszál vastagságú rostot szilícium vagy szerves polimer anyagból készült védőburok veszi körül.

Az optikai szálakat televíziós programok, telefonbeszélgetések, számítógépek és más eszközök kimenetének továbbítására használják. Egyes előrejelzések szerint az optikai szálak fokozatosan felváltják az erre a célra általában használt rézhuzalos kábeleket.

A folyékony üveg nátrium -szilikát vizes oldata, amelyet szilícium -dioxid némi lúggal, például nátrium -hidroxiddal vagy nátrium -karbonáttal való összeolvasztásával állítanak elő. A nátrium -szilikát erős bázis. Savasodáskor gél képződik. Ez egy polimer sav, amelynek szerkezete a következő:

Amikor ezt az anyagot felmelegítik, kiszárad és szilikagélt képez. A szilikagél nagyon fejlett felülettel rendelkezik. Szárítószerként és inert hordozóként is használják néhány finom eloszlású katalizátorhoz.

Szilikonok

Ez a szerves szilícium -polimer vegyületek neve, amelyek vázát egymáshoz kötött szilícium- és oxigénatomok váltakozása alkotja. A szilícium -atomokhoz alkil- vagy arilcsoportok kapcsolódnak (lásd a 17. fejezetet). Példaként a következő szerkezetet adjuk meg:

A szilikonok olajos, zsíros, gyantás vagy gumis anyagok. Ezeket klór-szilánok hidrolízisével nyerik, például dimetil-klór-szilán. Az alkil- vagy aril-klór-szilánokat Grignard-reagensek alkalmazásával (lásd a 19.1. Szakaszt) vagy az alkil- vagy aril-halogenidek gőzeinek szilícium-granulátumokon való átvezetésével, rézkatalizátor jelenlétében, kb. 300 ° C:

A szilikonok termikusan stabilak és kölcsönhatásba lépnek a legtöbb vegyszerrel. Jó víztaszító tulajdonságokkal rendelkeznek, és nedvességálló anyagként használják. Ezenkívül műszaki olajként, kenőanyagként és szigetelőanyagként, valamint olajlakkként, festékként és fényezésként használják őket.