Silikon: aplikace, chemické a fyzikální vlastnosti

Jedním z nejběžnějších prvků v přírodě je křemík nebo křemík. Taková široká rozptýlení hovoří o významu a významu této látky. To bylo rychle pochopeno a naučí se lidé, kteří se naučili správně používat křemík pro své vlastní účely. Jeho aplikace je založena na speciálních vlastnostech, o kterých budeme hovořit dále.

Křemík je chemický prvek

Dáte-li popis této položky o situaci v periodické soustavy, je možné identifikovat následující důležité body:

1. Sériové číslo je 14.
2. Období je třetí.
3. Skupina - IV.
4. Podskupina je hlavní podskupina.
5. Struktura vnějšího elektronového pláště je vyjádřena vzorem 3s²3p².
6. Prvek křemíku je označen chemickým symbolem Si, který je vyslovován jako "křemík".
7. Stupeň oxidace, který vykazuje: -4- + 2 - +4.
8. Valencí atomu je IV.
9. Atomová hmotnost křemíku je 28,086.
10. V přírodě existují tři stabilní izotopy tohoto prvku s hmotnostními čísly 28, 29 a 30.

Tak, atomy křemíku z chemického hlediska - prvek dostatečně studoval, popsal celou řadu různých vlastností.

Historie objevu

Vzhledem k tomu, ze samotné povahy populární a hmotnostní obsah byl různé sloučeniny prvku, od starověku, používali lidé vědět o vlastnostech a jménech mnoho z nich. Čistý křemík po dlouhou dobu zůstal mimo znalosti člověka v chemii.

Nejoblíbenější sloučeniny, které byly použity v každodenním životě a průmyslu lidí starověkých kultur (Egypťané, Římané, čínská, staří Rusové, Peršanů a další) byly drahé a polodrahokamy na základě oxidu křemičitého. Patří sem:

• opal;
• skalní krystal;
• topaz;
• chrysoprase;
• onyx;
• chalcedonie a další.

To bylo také používáno od starověku k použití křemen a křemenný písek ve stavebnictví. Nicméně, elementární křemík zůstal nevyřešen až XIX století, ačkoli mnoho vědců se marně odlišit od jiných sloučenin, použití a katalyzátorů, vysoké teploty, a dokonce i elektrické energie. Jedná se o tak jasné mysli jako:

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

Úspěšné získání křemíku v jeho čisté podobě dosáhl Jens Jacobs Berzelius v roce 1823. Za tímto účelem provedl experiment na fúzi fluoridu křemičitého a kovové páry draslíku. V důsledku toho byla získána amorfní modifikace uvažovaného prvku. Stejnému vědci byl nabídnut latinský název pro otevřený atom.

Ještě později, v roce 1855, další vědec - St. Claire Deville - podařilo syntetizovat řadu různých allotropes - krystalický křemík. Od té doby se znalosti o tomto prvku a jeho vlastnostech velmi rychle doplňovaly. Lidé si uvědomili, že má jedinečné vlastnosti, která by mohla velmi dobře být použity k uspokojení svých vlastních potřeb. Proto je dnes jedním z nejžádanějších prvků v oblasti elektroniky a inženýrství křemík. Jeho aplikace rozšiřuje své hranice každý rok.

Ruský název byl atomu udělen vědec Hess v roce 1831. To je to, co bylo opraveno dodnes.

Obsah v přírodě

Podle prevalence v přírodě zaujímá křemík druhé místo po kyslíku. Jeho procentní poměr ve srovnání s jinými atomy v složení zemské kůry je 29,5%. Navíc uhlík a křemík jsou dva speciální prvky schopné vytvářet řetězce, které se navzájem propojují. To je důvod, proč je tento známý pro více než 400 různých přírodních minerálů, ve kterých je obsažen v litosféře, hydrosféře a biomase.

Kde přesně obsahuje křemík?

1. V hlubokých vrstvách půdy.
2. Ve skalách, vklady a masivy.
3. Na dně vodních útvarů, zejména na moři a oceány.
4. V rostlinách a mořských obyvatelích zvířecí říše.
5. V lidském těle a suchozemských zvířatech.

Můžete zjistit několik nejběžnějších minerálů a hornin, ve kterých je křemík velký. Jejich chemie je taková, že hmotnostní obsah čistého prvku v nich dosahuje 75%. Nicméně konkrétní číslo závisí na druhu materiálu. Takže skály a minerály s obsahem křemíku:

• živce;
• slída;
• amfiboly;
• opals;
• chalcedonie;
• křemičitany;
• pískovce;
• hlinitokřemičitany;
• jíl a další.

Hromadí ve skořápkách a exoskeletons mořských živočichů, křemík nakonec vytváří silné usazenin oxidu křemičitého na dně rybníků. To je jeden z přírodních zdrojů tohoto prvku.

Navíc bylo zjištěno, že silicid může existovat v čisté nativní formě - ve formě krystalů. Ale takové vklady jsou velmi vzácné.

Fyzikální vlastnosti křemíku

Pokud dáváme charakteristiku zvažovaného prvku z hlediska souboru fyzikálně-chemických vlastností, měly by být nejprve označeny fyzikální parametry. Zde je několik základních:

1. Existují dvě alotropní modifikace - amorfní a krystalické, které se liší ve všech vlastnostech.
2. Křišťálová mřížka je velmi podobná krystalizaci diamantu, protože uhlík a křemík jsou v tomto ohledu téměř identické. Avšak vzdálenost mezi atomy je odlišná (křemík má více), takže diamant je mnohem tvrdší a silnější. Typ mřížky je kubický na obličej.
3. Látka je velmi křehká, při vysokých teplotách se stává plastickou hmotou.
4. Teplota tání je 1415 ° C.
5. Teplota varu je 3250 ° C.
6. Hustota látky - 2,33 g / cm³.
7. Barva kloubu je stříbřitě šedá, vyjadřuje se charakteristický kovový lesk.
8. Má dobré vlastnosti polovodičů, které se mohou měnit přidáním určitých činidel.
9. Neuvádí se ve vodě, organických rozpouštědlech a kyselinách.
10. Specificky rozpustné v zásadách.

Určené fyzikální vlastnosti křemíku umožňují lidem řídit ho a aplikovat ho na vytvoření různých produktů. Takže například použití čistého křemíku v elektronice je založeno na vlastnostech polovodičů.

Chemické vlastnosti

Chemické vlastnosti křemíku velmi závisí na reakčních podmínkách. Pokud hovoříme o čisté látce se standardními parametry, pak je nutné určit velmi nízkou aktivitu. Krystalický i amorfní křemík jsou velmi inertní. Nekomunikujte s žádnými silnými oxidanty (s výjimkou fluoru) ani se silnými redukčními činidly.

To je způsobeno skutečností, že na povrchu látky je oxidový film SiO₂, což brání dalším interakcím. Je schopen vytvářet pod vlivem vody, vzduchu, výparů.

Pokud se změní standardní podmínky a křemík se zahřeje na teplotu nad 400 ° C, výrazně se zvýší jeho chemická aktivita. V takovém případě reaguje s:

• kyslík;
• všechny druhy halogenů;
• vodík.

Při dalším zvýšení teploty je možné vytvářet produkty při interakci s borem, dusíkem a uhlíkem. Zvláštní důležitost je karborundum - SiC, protože je to dobrý abrazivní materiál.

Také chemické vlastnosti křemíku jsou zřetelně vysledovány během reakcí s kovy. Ve vztahu k nim je to oxidační činidlo, takže se výrobky nazývají silicidy. Takové sloučeniny jsou známé pro:

• alkalické;
• alkalická zemina;
• přechodných kovů.

Neobvyklé vlastnosti mají směs získaná tavením železa a křemíku. Nazývá se ferosilikonová keramika a úspěšně se používá v průmyslu.

Složitými látkami křemík nevstupuje do interakce, proto ze všech odrůd je možné pouze rozpustit v:

• královská vodka (směs kyseliny dusičné a kyseliny chlorovodíkové);
• žíravé alkálie.

V tomto případě musí být teplota roztoku nejméně 60 ° C. To vše opět potvrzuje fyzický základ látky - diamantovitá stabilní krystalová mřížka, která jí dává sílu a setrvačnost.

Metody získání

Získání křemíku v jeho čisté podobě je nákladný proces ekonomicky. Navíc díky svým vlastnostem poskytuje jakákoli metoda pouze čistý produkt o 90-99%, zatímco nečistoty ve formě kovů a uhlíku zůstávají stejné. Takže jen dostat věci nestačí. Měla by být také kvalitativně vyčištěna z cizích prvků.

Výroba křemíku se obecně provádí dvěma způsoby:

1. Z bílého písku, což je čistý SiO2₂. Když se zapálí s aktivním kovem (nejčastěji s hořčíkem), volný prvek se vytvoří ve formě amorfní modifikace. Čistota tohoto způsobu je vysoká, produkt se získá s výtěžkem 99,9%.
2. Širší metodou v průmyslovém měřítku je slinování pískové taveniny s koksem ve specializovaných tepelných pecích pro pražení. Tuto metodu vyvinul ruský vědec N. Beketov.

Další zpracování spočívá v vystavení výrobků metodám čištění. Za tímto účelem se používají kyseliny nebo halogeny (chlor, fluor).

Amorfní křemík

Křemíková charakteristika bude neúplná, pokud jednotlivě nezaujme všechny alotropické modifikace. První z nich je amorfní. V tomto stavu je látka, kterou uvažujeme, hnědavě hnědý prášek, jemně rozptýlený. Má vysoký stupeň hygroskopicity, vykazuje při zahřátí poměrně vysokou chemickou aktivitu. Za standardních podmínek je schopen reagovat pouze s nejsilnějším oxidačním činidlem - fluorem.

Zavolat amorfní křemík přesně jakýsi krystalický není zcela správný. Jeho mřížka ukazuje, že tato látka je jen formou jemně rozptýleného křemíku, který existuje ve formě krystalů. Proto jsou tyto modifikace stejným způsobem.

Jejich vlastnosti jsou však odlišné, a proto je obvyklé mluvit o alotropii. Samotný amorfní křemík má vysokou kapacitu absorbující světlo. Kromě toho je za určitých podmínek tento indikátor několikrát vyšší než u krystalické formy. Proto se používá pro technické účely. Ve zkoumané formě (prášek) se sloučenina snadno aplikuje na jakýkoli povrch, ať už plastový nebo skleněný. Proto je amorfní křemík tak vhodný pro použití. Aplikace je založena na výroba solárních panelů různé velikosti.

I když je poškození baterií tohoto typu poměrně rychlé, což je spojeno s oděrem tenké vrstvy hmoty, aplikace a poptávka rostou pouze. Koneckonců i v krátké době mohou solární články založené na amorfním křemíku poskytovat energii všem podnikům. Kromě toho výroba takové látky není odpadem, což z ní činí velmi hospodárné.

Taková modifikace se získá redukcí sloučenin s aktivními kovy, například sodíkem nebo hořčíkem.

Krystalický křemík

Stříbrně šedá lesklá úprava prvku, který je předmětem analýzy. Tato forma je nejběžnější a nejoblíbenější. To je vysvětleno souborem kvalitativních vlastností, které má tato látka.

Charakteristika křemíku s křišťálovou mřížkou zahrnuje klasifikaci jeho druhů, jelikož je několik z nich:

1. Elektronická kvalita - nejčistší a nejvyšší kvalita. Tento typ se používá v elektronice k vytváření zvlášť citlivých nástrojů.
2. Solární kvalita. Samotné jméno definuje rozsah použití. To je také poměrně vysoká čistota křemíku, jehož použití je nezbytné vytvořit vysoce kvalitní a dlouhotrvající solární panely. Fotoelektrické převodníky, které jsou založeny na struktuře krystalu je kvalitativní a odolný proti opotřebení, než jsou vyrobeny za použití amorfní modifikace rozprašováním na různé typy substrátu.
3. Technický křemík. V této odrůdě jsou zahrnuty ty vzorky látky obsahující přibližně 98% čistého prvku. Vše ostatní se vynakládá na různé druhy nečistot:

• bor;
• hliník;
• chlor;
• uhlík;
• fosfor a další.

Poslední odrůda dotyčné látky se používá k výrobě polykrystalů křemíku. K tomuto účelu se provádějí rekrystalizační procesy. V důsledku toho, pokud jde o čistotu, jsou získávány produkty, které lze odkázat na skupiny solární a elektronické kvality.

Polysilikon je svou povahou meziproduktem mezi amorfní modifikací a krystalickou modifikací. S touto volbou je snadnější pracovat, je lepší zpracovat a vyčistit fluorem a chlórem.

Produkty, které z toho vyplývají, lze rozdělit takto:

• multi-křemík;
• monokrystal;
• tvarované krystaly;
• křemíkový šrot;
• technický křemík;
• odpadních produktů ve formě odpadu a šrotu.

Každá z nich nalézá uplatnění v průmyslu a člověk je zcela používá. Proto, výrobních procesů, vztahující se k křemíku, jsou považovány za odpad. To výrazně snižuje jeho ekonomickou hodnotu, aniž by to mělo vliv na kvalitu.

Použití čistého křemíku

Výroba křemíku v průmyslu je dobře zavedená a jeho rozsah je poměrně rozsáhlý. To je dáno skutečností, že tento prvek, jak čistý, tak ve formě různých sloučenin, je široce distribuován a poptáván v různých odvětvích vědy a techniky.

Kde se používá krystalický a amorfní křemík v čisté formě?

1. V metalurgii jako legovací přísada, schopná měnit vlastnosti kovů a jejich slitin. Takže se používá při tavení oceli a litiny.
2. Různé typy látek se vynakládají na výrobu čistší verze - polysilikonu.
3. Křemíkové sloučeniny s organických látek - to je celý chemický průmysl, který dnes získal zvláštní popularitu. Křemíkové organické materiály se používají v medicíně, ve výrobě nádobí, nástrojů a mnoho dalšího.
4. Výroba různých solárních baterií. Tento způsob získávání energie je v budoucnu jedním z nejslibnějších. Ekologicky čisté, ekonomicky výhodné a odolné proti opotřebení - hlavní výhody takového získávání elektřiny.
5. Silikon pro zapalovače je používán dlouho. Ve starověku lidé používali křemelinu, aby získali jiskru při zapálení ohně. Tento princip je založen na výrobě zapalovačů různých druhů. Dnes existují druhy, ve kterých je křemík nahrazen slitinou určitého složení, což dává ještě rychlejší výsledek (jiskření).
6. Elektronika a solární energie.
7. Výroba zrcadel v plynových laserových zařízeních.

Čistý křemík má tedy mnoho výhod a zvláštních vlastností, které umožňují jeho použití k vytvoření důležitých a nezbytných výrobků.

Aplikace sloučenin křemíku

Kromě jednoduché látky se používají různé sloučeniny křemíku a velmi široce. Existuje celý průmysl nazvaný silikát. Je založen na použití různých látek, které obsahují tento úžasný prvek. Jaké jsou tyto sloučeniny a co se z nich vyrábí?

1. Křemenný nebo říční písek - SiO₂. Je používán pro výrobu stavebních a dekorativních materiálů, jako je cement a skla. Každý ví, kde jsou tyto materiály používány. Žádný z konstrukce není bez datových prvků, což potvrzuje důležitost sloučenin křemíku.
2. Silikátová keramika, která zahrnuje materiály jako faján, porcelán, cihly a výrobky na nich založené. Tyto komponenty se používají v medicíně, ve výrobě nádobí, dekorativních šperků, předmětů pro domácnost, ve stavebnictví a dalších oblastech lidské činnosti.
3. Silikonové sloučeniny - silikony, silikové gely, silikonové oleje.
4. Silikátové lepidlo - používá se jako duchovní, v pyrotechnice a konstrukci.

Silikon, jehož cena se liší na světovém trhu, ale nepřekročí zhora na známku 100 rublů na kilogram (pro krystalický), je poptávka a cenná látka. Připojení tohoto prvku jsou samozřejmě široce používány a použitelné.

Biologická role křemíku

Z hlediska významu pro tělo je důležitý křemík. Jeho obsah a distribuce na tkáních je následující:

• 0,002% je svalová;
• 0.000017% - kosti;
• krve - 3,9 mg / l.

Každý den by se měl dostat asi jeden gram křemíku, jinak se choroba začne rozvíjet. Smrt mezi nimi není, nicméně, prodloužené křemíkové hladovění vede k:

• ztráta vlasů;
• vzhled akné a akné;
• křehkost a křehkost kostí;
• lehká kapilární propustnost;
• únava a bolesti hlavy;
• vzhled mnoha modřin a modřin.

U rostlin je křemík důležitým mikroelementem nezbytným pro normální růst a vývoj. Pokusy na zvířatech ukázaly, že jedinci, kteří denně spotřebovávají dostatečné množství křemíku, rostou lépe.