Silizium: Anwendung, chemische und physikalische Eigenschaften

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-17 05:21

Eines der häufigsten Elemente in der Natur ist Silizium oder Silizium. Eine solch weite Verbreitung spricht für die Wichtigkeit und Bedeutung dieser Substanz. Dies wurde schnell verstanden und von Menschen angenommen, die lernten, Silizium für ihre eigenen Zwecke richtig zu verwenden. Seine Anwendung basiert auf besonderen Eigenschaften, auf die wir später noch zu sprechen kommen.

Silizium ist ein chemisches Element

Wenn wir ein bestimmtes Element nach seiner Position im Periodensystem charakterisieren, können wir die folgenden wichtigen Punkte identifizieren:

1. Ordnungszahl - 14.
2. Die Periode ist die dritte kleine.
3. Gruppe - IV.
4. Untergruppe - Haupt.
5. Die Struktur der äußeren Elektronenhülle wird durch die Formel 3s²3p² ausgedrückt.
6. Das Element Silizium wird durch das chemische Symbol Si bezeichnet, das "Silicium" ausgesprochen wird.
7. Die Oxidationsstufen, die es aufweist: -4; +2; +4.
8. Die Wertigkeit eines Atoms ist IV.
9. Die Atommasse von Silizium beträgt 28.086.
10. In der Natur gibt es drei stabile Isotope dieses Elements mit den Massenzahlen 28, 29 und 30.

Also das AtomAus chemischer Sicht ist Silizium ein gut untersuchtes Element, viele seiner verschiedenen Eigenschaften wurden beschrieben.

Discovery-Verlauf

Da gerade die verschiedenen Verbindungen des betrachteten Elements in der Natur sehr beliebt und geh altvoll sind, haben die Menschen seit der Antike nur viele von ihnen verwendet und ihre Eigenschaften kannten. Reines Silizium blieb lange Zeit außerhalb des menschlichen Wissens in der Chemie.

Die beliebtesten Verbindungen, die von den Völkern der alten Kulturen (Ägypter, Römer, Chinesen, Russen, Perser und andere) im Alltag und in der Industrie verwendet wurden, waren Edelsteine und Ziersteine auf der Basis von Siliziumoxid. Dazu gehören:

• opal;
• Strass;
• topas;
• Chrysopras;
• onyx;
• Chalzedon und andere.

Seit der Antike ist es auch üblich, Quarz und Quarzsand im Bauwesen zu verwenden. Elementares Silizium selbst blieb jedoch bis ins 19. Jahrhundert unentdeckt, obwohl viele Wissenschaftler vergeblich versuchten, es mit Katalysatoren, hohen Temperaturen und sogar elektrischem Strom aus verschiedenen Verbindungen zu isolieren. Das sind kluge Köpfe wie:

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

Jens Jacobs Berzelius gelang es 1823 erfolgreich reines Silizium zu gewinnen. Dazu führte er ein Experiment zur Verschmelzung von Dämpfen von Siliziumfluorid und metallischem Kalium durch. Als Ergebnis erhielt er eine amorphe Modifikation des betreffenden Elements. Derselbe Wissenschaftler schlug einen lateinischen Namen für das entdeckte Atom vor.

Etwas später, im Jahr 1855, gelang es einem anderen Wissenschaftler - Saint Clair-Deville -, eine weitere allotrope Art zu synthetisieren - kristallines Silizium. Seitdem begann das Wissen über dieses Element und seine Eigenschaften sehr schnell zu wachsen. Die Leute erkannten, dass es einzigartige Funktionen hat, die sehr intelligent verwendet werden können, um ihre eigenen Bedürfnisse zu erfüllen. Daher ist Silizium heute eines der gefragtesten Elemente in der Elektronik und Technologie. Seine Verwendung erweitert nur jedes Jahr seine Grenzen.

Der russische Name für das Atom wurde 1831 von dem Wissenschaftler Hess vergeben. Das ist bis heute geblieben.

In der Natur enth alten

Silizium ist nach Sauerstoff das zweithäufigste in der Natur. Sein Anteil im Vergleich zu anderen Atomen in der Zusammensetzung der Erdkruste beträgt 29,5%. Außerdem sind Kohlenstoff und Silizium zwei besondere Elemente, die Ketten bilden können, indem sie sich miteinander verbinden. Deshalb sind für letzteres mehr als 400 verschiedene natürliche Mineralien bekannt, in denen es in Lithosphäre, Hydrosphäre und Biomasse enth alten ist.

Wo genau kommt Silizium vor?

1. In den tiefen Schichten des Bodens.
2. In Felsen, Ablagerungen und Massiven.
3. Am Grund von Gewässern, insbesondere Meeren und Ozeanen.
4. In den Pflanzen und Meereslebewesen des Tierreichs.
5. Bei Menschen und Landtieren.

Es ist möglich, einige der häufigsten Mineralien und Gesteine zu benennen, die eine große Menge an enth altenSilizium. Ihre Chemie ist so, dass der Massengeh alt eines reinen Elements in ihnen 75% erreicht. Die spezifische Zahl hängt jedoch von der Art des Materials ab. Also, siliziumh altige Gesteine und Mineralien:

• Feldspäte;
• Glimmer;
• Amphibole;
• Opale;
• Chalcedon;
• Silikate;
• Sandsteine;
• Alumosilikate;
• Ton und andere.

Silizium, das sich in den Schalen und äußeren Skeletten von Meerestieren ansammelt, bildet schließlich mächtige Kieselsäureablagerungen am Grund von Gewässern. Dies ist eine der natürlichen Quellen dieses Elements.

Außerdem wurde festgestellt, dass Silizium in seiner reinen nativen Form existieren kann - in Form von Kristallen. Aber solche Ablagerungen sind sehr selten.

Physikalische Eigenschaften von Silizium

Wenn Sie das betrachtete Element durch eine Reihe von physikalischen und chemischen Eigenschaften charakterisieren, dann sollten zunächst die physikalischen Parameter angegeben werden. Hier sind ein paar wichtige:

1. Existiert in Form von zwei allotropen Modifikationen - amorph und kristallin, die sich in allen Eigenschaften unterscheiden.
2. Das Kristallgitter ist dem von Diamant sehr ähnlich, weil Kohlenstoff und Silizium in dieser Hinsicht fast gleich sind. Der Abstand zwischen den Atomen ist jedoch unterschiedlich (Silizium hat mehr), daher ist der Diamant viel härter und stärker. Gittertyp - kubisch flächenzentriert.
3. Der Stoff ist sehr spröde, wird bei hohen Temperaturen plastisch.
4. Schmelzpunkt ist 1415˚C.
5. TemperaturSiedepunkt - 3250˚С.
6. Materiedichte - 2,33 g/cm³.
7. Die Farbe der Verbindung ist silbergrau mit einem charakteristischen metallischen Glanz.
8. Besitzt gute Halbleitereigenschaften, die bei Zusatz bestimmter Wirkstoffe variieren können.
9. Unlöslich in Wasser, organischen Lösungsmitteln und Säuren.
10. Besonders alkalilöslich.

Ausgewiesene physikalische Eigenschaften von Silizium ermöglichen es Menschen, es zu kontrollieren und es zur Herstellung verschiedener Produkte zu verwenden. Beispielsweise basiert die Verwendung von reinem Silizium in der Elektronik auf den Eigenschaften der Halbleiter.

Chemische Eigenschaften

Die chemischen Eigenschaften von Silizium hängen stark von den Reaktionsbedingungen ab. Wenn wir bei Standardparametern von einer reinen Substanz sprechen, müssen wir eine sehr niedrige Aktivität bezeichnen. Sowohl kristallines als auch amorphes Silizium sind sehr inert. Interagieren Sie nicht mit starken Oxidationsmitteln (außer Fluor) oder mit starken Reduktionsmitteln.

Dies liegt daran, dass sich auf der Oberfläche der Substanz sofort ein Oxidfilm SiO₂ bildet, der weitere Wechselwirkungen verhindert. Kann unter Einfluss von Wasser, Luft, Dämpfen entstehen.

Wenn Sie die Standardbedingungen ändern und Silizium auf eine Temperatur über 400 ° C erhitzen, wird seine chemische Aktivität stark zunehmen. In diesem Fall reagiert es mit:

• Sauerstoff;
• Halogen aller Art;
• Wasserstoff.

Bei weiterer Temperaturerhöhung ist die Bildung von Produkten bei möglichWechselwirkung mit Bor, Stickstoff und Kohlenstoff. Von besonderer Bedeutung ist Karborund - SiC, da es ein gutes Schleifmittel ist.

Außerdem sind die chemischen Eigenschaften von Silizium deutlich in Reaktionen mit Metallen zu sehen. In Bezug auf sie ist es ein Oxidationsmittel, daher werden die Produkte als Silizide bezeichnet. Ähnliche Verbindungen sind bekannt für:

• alkalisch;
• Erdalkali;
• Übergangsmetalle.

Ungewöhnliche Eigenschaften haben eine Verbindung, die durch Verschmelzen von Eisen und Silizium entsteht. Es heißt Ferrosiliziumkeramik und wird erfolgreich in der Industrie eingesetzt.

Silizium interagiert nicht mit komplexen Substanzen, daher kann es sich von all seinen Arten nur in:

auflösen

• Royal Wodka (eine Mischung aus Salpetersäure und Salzsäure);
• Ätzalkalien.

In diesem Fall sollte die Temperatur der Lösung mindestens 60˚С betragen. All dies bestätigt einmal mehr die physikalische Grundlage der Substanz – ein diamantähnliches stabiles Kristallgitter, das ihr Festigkeit und Trägheit verleiht.

Erlangungsmethoden

Die Gewinnung von reinem Silizium ist wirtschaftlich ein ziemlich kostspieliger Prozess. Darüber hinaus ergibt jedes Verfahren aufgrund seiner Eigenschaften nur 90-99 % reines Produkt, während Verunreinigungen in Form von Metallen und Kohlenstoff gleich bleiben. Es reicht also nicht aus, nur die Substanz zu bekommen. Es sollte auch qualitativ von Fremdelementen gereinigt werden.

Im Allgemeinen erfolgt die Herstellung von Silizium auf zwei Arten:

1. Aus dem weißen Sanddas ist reines Siliziumoxid SiO₂. Wenn es mit aktiven Metallen (meistens mit Magnesium) kalziniert wird, entsteht ein freies Element in Form einer amorphen Modifikation. Die Reinheit dieses Verfahrens ist hoch, das Produkt wird mit einer Ausbeute von 99,9 Prozent erh alten.
2. Eine im industriellen Maßstab weiter verbreitete Methode ist das Sintern von geschmolzenem Sand mit Koks in speziellen Wärmeöfen. Diese Methode wurde von dem russischen Wissenschaftler Beketov N. N. entwickelt.

Die Weiterverarbeitung besteht darin, die Produkte Reinigungsverfahren zu unterziehen. Dazu werden Säuren oder Halogene (Chlor, Fluor) verwendet.

Amorphes Silizium

Die Charakterisierung von Silizium ist unvollständig, wenn wir nicht jede seiner allotropen Modifikationen separat betrachten. Der erste ist amorph. In diesem Zustand ist die Substanz, die wir betrachten, ein braun-braunes Pulver, fein dispergiert. Es hat ein hohes Maß an Hygroskopizität und zeigt beim Erhitzen eine ausreichend hohe chemische Aktivität. Unter Standardbedingungen kann es nur mit dem stärksten Oxidationsmittel - Fluor - interagieren.

Es ist nicht ganz korrekt, amorphes Silizium als eine Variante von kristallinem Silizium zu bezeichnen. Sein Gitter zeigt, dass diese Substanz nur eine Form von fein verteiltem Silizium ist, das in Form von Kristallen vorliegt. Daher sind diese Modifikationen als solche die gleiche Verbindung.

Ihre Eigenschaften unterscheiden sich jedoch, daher ist es üblich, von Allotropie zu sprechen. An sich hat amorphes Siliziumhohes Lichtabsorptionsvermögen. Darüber hinaus ist dieser Indikator unter bestimmten Bedingungen um ein Vielfaches höher als der der kristallinen Form. Daher wird es für technische Zwecke verwendet. In der betrachteten Form (Pulver) lässt sich die Masse problemlos auf jede Oberfläche auftragen, sei es Kunststoff oder Glas. Daher ist amorphes Silizium so bequem zu verwenden. Die Anwendung basiert auf der Herstellung von Solarmodulen in verschiedenen Größen.

Obwohl der Verschleiß dieser Art von Batterien ziemlich schnell ist, was mit dem Abrieb eines dünnen Films der Substanz verbunden ist, nehmen die Verwendung und die Nachfrage nur zu. Tatsächlich sind Solarzellen auf Basis von amorphem Silizium schon bei kurzer Lebensdauer in der Lage, ganze Unternehmen mit Energie zu versorgen. Außerdem ist die Herstellung eines solchen Stoffes abfallfrei, was ihn sehr wirtschaftlich macht.

Erh alte diese Modifikation, indem du Verbindungen mit aktiven Metallen wie Natrium oder Magnesium reduzierst.

Kristallsilizium

Silbergrau glänzende Modifikation des betreffenden Elements. Diese Form ist die häufigste und am meisten nachgefragte. Dies liegt an den qualitativen Eigenschaften, die diese Substanz besitzt.

Die Eigenschaft von Silizium mit einem Kristallgitter beinh altet eine Klassifizierung seiner Typen, da es mehrere davon gibt:

1. Elektronische Qualität - die reinste und höchste Qualität. Es ist dieser Typ, der in der Elektronik verwendet wird, um besonders empfindliche Geräte herzustellen.
2. Sonnige Qualität. Der Name selbstdefiniert den Einsatzbereich. Es ist auch ein hochreines Silizium, dessen Verwendung notwendig ist, um hochwertige und langlebige Solarzellen herzustellen. Auf Basis einer kristallinen Struktur hergestellte Photovoltaik-Konverter sind qualitativ hochwertiger und langlebiger als solche, die unter Verwendung einer amorphen Modifikation durch Abscheidung auf verschiedenen Arten von Substraten hergestellt wurden.
3. Technisches Silizium. Diese Sorte umfasst diejenigen Proben einer Substanz, die etwa 98 % des reinen Elements enth alten. Alles andere geht auf verschiedene Arten von Verunreinigungen zurück:

• Bor;
• Aluminium;
• Chlor;
• Kohlenstoff;
• Phosphor und andere.

Die letzte Sorte der betreffenden Substanz wird verwendet, um Silizium-Polykristalle zu erh alten. Dazu werden Umkristallisationsprozesse durchgeführt. Als Ergebnis erhält man Produkte, die in puncto Reinheit den Qualitätsgruppen Solar und Elektronik zuzuordnen sind.

Polysilicium ist von Natur aus ein Zwischenprodukt zwischen amorpher und kristalliner Modifikation. Diese Option ist einfacher zu verarbeiten, sie wird besser recycelt und mit Fluor und Chlor gereinigt.

Die resultierenden Produkte können wie folgt klassifiziert werden:

• multicilicon;
• monokristallin;
• profilierte Kristalle;
• Siliziumschrott;
• technisches Silizium;
• Produktionsabfälle in Form von Fragmenten und Materialfetzen.

Jeder von ihnen findet Anwendung in der Industrie und wird verwendetein Mensch vollständig. Daher gelten Produktionsprozesse mit Silizium als abfallfrei. Dies reduziert die wirtschaftlichen Kosten erheblich, ohne die Qualität zu beeinträchtigen.

Mit reinem Silizium

Die Siliziumproduktion in der Branche ist recht gut etabliert und ihr Umfang ist ziemlich umfangreich. Dies liegt daran, dass dieses Element sowohl in reiner Form als auch in Form verschiedener Verbindungen in verschiedenen Bereichen der Wissenschaft und Technik weit verbreitet und gefragt ist.

Wo wird reines kristallines und amorphes Silizium verwendet?

1. In der Metallurgie als Legierungszusatz, der die Eigenschaften von Metallen und deren Legierungen verändern kann. Es wird also beim Schmelzen von Stahl und Eisen verwendet.
2. Verschiedene Arten von Stoffen werden verwendet, um eine sauberere Version herzustellen - Polysilizium.
3. Verbindungen von Silizium mit organischen Stoffen - das ist eine ganze chemische Industrie, die heute besondere Popularität erlangt hat. Silikonmaterialien werden in der Medizin, bei der Herstellung von Geschirr, Werkzeugen und vielem mehr verwendet.
4. Produktion verschiedener Solarmodule. Diese Methode der Energiegewinnung ist eine der zukunftsträchtigsten. Umweltfreundlich, kostengünstig und langlebig – die wesentlichen Vorteile einer solchen Stromerzeugung.
5. Silikon wird schon sehr lange in Feuerzeugen verwendet. Schon in der Antike benutzten die Menschen Feuerstein, um beim Anzünden eines Feuers einen Funken zu erzeugen. Dieses Prinzip ist die Grundlage für die Herstellung von Feuerzeugen verschiedenster Art. Heute gibt es Arten, bei denenDer Feuerstein wird durch eine Legierung einer bestimmten Zusammensetzung ersetzt, was zu einem noch schnelleren Ergebnis führt (Funkenbildung).
6. Elektronik und Solarenergie.
7. Herstellung von Spiegeln in Gaslasergeräten.

Daher hat reines Silizium viele vorteilhafte und besondere Eigenschaften, die es ermöglichen, daraus wichtige und notwendige Produkte herzustellen.

Anwendung von Siliziumverbindungen

Neben einer einfachen Substanz werden auch verschiedene Siliziumverbindungen verwendet, und zwar sehr weit verbreitet. Es gibt einen ganzen Industriezweig namens Silikat. Sie basiert auf der Verwendung verschiedener Substanzen, zu denen dieses erstaunliche Element gehört. Was sind diese Verbindungen und was produzieren sie?

1. Quarz oder Flusssand - SiO₂. Es wird zur Herstellung von Bau- und Dekorationsmaterialien wie Zement und Glas verwendet. Wo diese Materialien verwendet werden, weiß jeder. Ohne diese Komponenten ist keine Konstruktion vollständig, was die Bedeutung von Siliziumverbindungen bestätigt.
2. Silikatkeramik, die Materialien wie Fayence, Porzellan, Ziegel und darauf basierende Produkte umfasst. Diese Komponenten werden in der Medizin, bei der Herstellung von Geschirr, dekorativen Ornamenten, Haush altsgegenständen, im Bauwesen und anderen Haush altsbereichen menschlicher Tätigkeit verwendet.
3. Silikonverbindungen - Silikone, Kieselgele, Silikonöle.
4. Silikatkleber - Verwendung als Schreibwaren, in der Pyrotechnik und im Bauwesen.

Silizium, dessen Preis auf dem Weltmarkt variiert, sich aber nicht kreuztVon oben nach unten ist die Marke von 100 Rubel der Russischen Föderation pro Kilogramm (pro Kristallin) eine begehrte und wertvolle Substanz. Natürlich sind auch Verbindungen dieses Elements weit verbreitet und anwendbar.

Die biologische Rolle von Silizium

Von der Bedeutung für den Körper her ist Silizium wichtig. Sein Inh alt und seine Gewebeverteilung sind wie folgt:

• 0, 002% - muskulös;
• 0, 000017% - Knochen;
• Blut - 3,9 mg/l.

Jeden Tag sollte etwa ein Gramm Silizium ins Innere gelangen, sonst entwickeln sich Krankheiten. Es gibt keine tödlichen unter ihnen, jedoch führt ein längerer Siliziummangel zu:

• Haarausfall;
• Auftreten von Akne und Pickeln;
• Zerbrechlichkeit und Brüchigkeit von Knochen;
• leichte Kapillardurchlässigkeit;
• Müdigkeit und Kopfschmerzen;
• das Auftreten zahlreicher Blutergüsse und Blutergüsse.

Silizium ist für Pflanzen ein wichtiges Spurenelement, das für ein normales Wachstum und eine normale Entwicklung notwendig ist. Tierversuche haben gezeigt, dass Personen, die täglich genügend Silizium zu sich nehmen, am besten wachsen.