Beschreiben Sie Silizium. Silizium und seine Verbindungen – Wissens-Hypermarkt. Physikalische und chemische Eigenschaften

Viele moderne technische Geräte und Apparate wurden aufgrund der einzigartigen Eigenschaften der in der Natur vorkommenden Stoffe geschaffen. Durch Experimente und sorgfältiges Studium der Elemente um uns herum modernisiert die Menschheit ständig ihre eigenen Erfindungen – diesen Prozess nennt man technischen Fortschritt. Es basiert auf elementaren, für jeden zugänglichen Dingen, die uns im Alltag umgeben. Zum Beispiel Sand: Was könnte daran überraschend und ungewöhnlich sein? Wissenschaftler konnten daraus Silizium isolieren, ein chemisches Element, ohne das es die Computertechnologie nicht gäbe. Der Anwendungsbereich ist vielfältig und erweitert sich ständig. Dies wird durch die einzigartigen Eigenschaften des Siliziumatoms, seine Struktur und die Möglichkeit von Verbindungen mit anderen einfachen Substanzen erreicht.

Charakteristisch

In der von D. I. Mendeleev entwickelten Version wird Silizium mit dem Symbol Si bezeichnet. Es gehört zu den Nichtmetallen, befindet sich in der vierten Hauptgruppe der dritten Periode und hat die Ordnungszahl 14. Die Nähe zu Kohlenstoff ist kein Zufall: Ihre Eigenschaften sind in vielerlei Hinsicht vergleichbar. In reiner Form kommt es in der Natur nicht vor, da es ein aktives Element ist und relativ starke Bindungen mit Sauerstoff eingeht. Die Hauptsubstanz ist Kieselsäure, ein Oxid, und Silikate (Sand). Darüber hinaus ist Silizium (seine natürlichen Verbindungen) eines der häufigsten chemischen Elemente auf der Erde. Bezogen auf den Massenanteil liegt es an zweiter Stelle nach Sauerstoff (mehr als 28 %). Die obere Schicht der Erdkruste enthält Silizium in Form von Dioxid (das ist Quarz), verschiedene Tonarten und Sand. Die zweithäufigste Gruppe sind die Silikate. In einer Tiefe von etwa 35 km ab der Oberfläche befinden sich Schichten aus Granit- und Basaltablagerungen, zu denen auch Feuersteinverbindungen gehören. Der prozentuale Gehalt im Erdkern wurde noch nicht berechnet, aber die oberflächennächsten Schichten des Erdmantels (bis zu 900 km) enthalten Silikate. In der Zusammensetzung des Meerwassers beträgt die Konzentration an Silizium 3 mg/l, 40 % bestehen aus seinen Verbindungen. Die Weiten des Weltraums, die die Menschheit bisher erkundet hat, enthalten dieses chemische Element in großen Mengen. Beispielsweise zeigten Meteoriten, die sich der Erde in einer für Forscher zugänglichen Entfernung näherten, dass sie zu 20 % aus Silizium bestehen. Es besteht die Möglichkeit, dass sich auf der Grundlage dieses Elements in unserer Galaxie Leben bildet.

Suchprozess

Die Geschichte der Entdeckung des chemischen Elements Silizium hat mehrere Etappen. Viele von Mendeleev systematisierte Substanzen werden seit Jahrhunderten von der Menschheit verwendet. In diesem Fall lagen die Elemente in ihrer natürlichen Form vor, d.h. in Verbindungen, die keiner chemischen Behandlung unterzogen wurden und deren Eigenschaften den Menschen nicht bekannt waren. Im Zuge der Untersuchung aller Eigenschaften des Stoffes tauchten neue Anwendungsgebiete auf. Die Eigenschaften von Silizium sind heute noch nicht vollständig erforscht – dieses Element mit einem recht breiten und vielfältigen Anwendungsspektrum lässt Raum für neue Entdeckungen für zukünftige Generationen von Wissenschaftlern. Moderne Technologien werden diesen Prozess deutlich beschleunigen. Im 19. Jahrhundert versuchten viele berühmte Chemiker, Silizium in reiner Form zu gewinnen. Dies wurde erstmals 1811 von L. Tenard und J. Gay-Lussac durchgeführt, die Entdeckung des Elements gehört jedoch J. Berzelius, der die Substanz nicht nur isolieren, sondern auch beschreiben konnte. Ein Chemiker aus Schweden gewann 1823 Silizium, dafür verwendete er Kaliummetall und Kaliumsalz. Die Reaktion fand unter einem Katalysator bei hoher Temperatur statt. Die resultierende einfache graubraune Substanz war amorphes Silizium. Das kristalline reine Element wurde 1855 von Sainte-Clair Deville gewonnen. Die Schwierigkeit der Isolierung hängt direkt mit der hohen Stärke der Atombindungen zusammen. In beiden Fällen zielt die chemische Reaktion auf den Prozess der Reinigung von Verunreinigungen ab, während die amorphen und kristallinen Modelle unterschiedliche Eigenschaften haben.

Silicium Aussprache des chemischen Elements

Der Vorname des resultierenden Pulvers – Kieselel – wurde von Berzelius vorgeschlagen. In Großbritannien und den USA wird Silizium immer noch nichts anderes als Silizium (Silicium) oder Silikon (Silicon) genannt. Der Begriff kommt vom lateinischen „Feuerstein“ (oder „Stein“) und ist aufgrund seines weiten Vorkommens in der Natur in den meisten Fällen mit dem Begriff „Erde“ verbunden. Die russische Aussprache dieser chemischen Substanz variiert je nach Quelle. Es hieß Kieselsäure (Zakharov verwendete diesen Begriff im Jahr 1810), Sicilium (1824, Dvigubsky, Soloviev), Kieselsäure (1825, Strakhov), und erst 1834 führte der russische Chemiker German Ivanovich Hess den Namen ein, der noch heute in den meisten Quellen verwendet wird - Silizium. Darin ist es mit dem Symbol Si bezeichnet. Wie liest man das chemische Element Silizium? Viele Wissenschaftler im englischsprachigen Raum sprechen seinen Namen als „si“ aus oder verwenden das Wort „silicon“. Daher stammt der weltberühmte Name des Tals, das ein Forschungs- und Produktionsstandort für Computerausrüstung ist. Die russischsprachige Bevölkerung nennt das Element Silizium (vom altgriechischen Wort „Klippe, Berg“).

Vorkommen in der Natur: Ablagerungen

Ganze Gebirgssysteme bestehen aus Siliziumverbindungen, die jedoch nicht in reiner Form vorkommen, da alle bekannten Mineralien Dioxide oder Silikate (Aluminosilikate) sind. Erstaunlich schöne Steine ​​werden von Menschen als Schmuckmaterialien verwendet – das sind Opale, Amethyste, Quarze verschiedener Art, Jaspis, Chalcedon, Achat, Bergkristall, Karneol und viele andere. Sie entstanden durch den Einschluss verschiedener Stoffe in Silizium, die deren Dichte, Struktur, Farbe und Verwendungsrichtung bestimmten. Mit diesem chemischen Element, das in der natürlichen Umgebung starke Bindungen mit Metallen und Nichtmetallen (Zink, Magnesium, Kalzium, Mangan, Titan usw.) eingeht, kann die gesamte anorganische Welt in Verbindung gebracht werden. Im Vergleich zu anderen Stoffen ist Silizium für die Produktion im Produktionsmaßstab recht leicht zugänglich: Es kommt in den meisten Arten von Erzen und Mineralien vor. Daher sind aktiv erschlossene Lagerstätten eher an verfügbare Energiequellen als an territoriale Ansammlungen von Materie gebunden. Quarzite und Quarzsande kommen in allen Ländern der Welt vor. Die größten Produzenten und Lieferanten von Silizium sind: China, Norwegen, Frankreich, USA (West Virginia, Ohio, Alabama, New York), Australien, Südafrika, Kanada, Brasilien. Alle Hersteller verwenden unterschiedliche Methoden, die von der Art des hergestellten Produkts abhängen (technisch, Halbleiter, Hochfrequenz-Silizium). Ein zusätzlich angereichertes oder umgekehrt von Verunreinigungen aller Art gereinigtes chemisches Element verfügt über individuelle Eigenschaften, von denen seine weitere Verwendung abhängt. Dies gilt auch für diesen Stoff. Die Struktur von Silizium bestimmt seinen Anwendungsbereich.

Nutzungshistorie

Aufgrund der Ähnlichkeit der Namen verwechseln Menschen sehr oft Silizium und Feuerstein, aber diese Konzepte sind nicht identisch. Damit wir uns verstehen. Wie bereits erwähnt, kommt Silizium in der Natur nicht in reiner Form vor, was man von seinen Verbindungen (der gleichen Kieselsäure) nicht behaupten kann. Die wichtigsten Mineralien und Gesteine, die durch das Dioxid der von uns betrachteten Substanz gebildet werden, sind Sand (Fluss und Quarz), Quarz und Quarzite sowie Feuerstein. Letzteres muss jeder schon einmal gehört haben, denn es ist von großer Bedeutung in der Geschichte der menschlichen Entwicklung. Mit diesem Stein sind die ersten von Menschen in der Steinzeit geschaffenen Werkzeuge verbunden. Seine scharfen Kanten, die beim Absplittern aus dem Hauptgestein entstanden, erleichterten die Arbeit der alten Hausfrauen erheblich, und die Möglichkeit des Schärfens machte es Jägern und Fischern leichter. Feuerstein hatte nicht die Festigkeit von Metallprodukten, aber defekte Werkzeuge ließen sich leicht durch neue ersetzen. Seine Verwendung als Feuerstein dauerte viele Jahrhunderte – bis zur Erfindung alternativer Quellen.

Was die moderne Realität betrifft, ermöglichen die Eigenschaften von Silizium die Verwendung des Stoffes zur Dekoration von Räumen oder zur Herstellung von Keramikgeschirr, während er neben seinem schönen ästhetischen Erscheinungsbild viele hervorragende funktionale Eigenschaften aufweist. Ein eigener Anwendungsbereich ist mit der Erfindung des Glases vor etwa 3000 Jahren verbunden. Diese Veranstaltung ermöglichte die Herstellung von Spiegeln, Schalen und Mosaik-Buntglasfenstern aus silikonhaltigen Verbindungen. Die Formel der Ausgangssubstanz wurde um die notwendigen Komponenten ergänzt, die es ermöglichten, dem Produkt die gewünschte Farbe zu verleihen und die Festigkeit des Glases zu beeinflussen. Kunstwerke von erstaunlicher Schönheit und Vielfalt wurden vom Menschen aus siliziumhaltigen Mineralien und Steinen geschaffen. Die heilenden Eigenschaften dieses Elements wurden von alten Wissenschaftlern beschrieben und im Laufe der Menschheitsgeschichte genutzt. Sie säumten Trinkwasserbrunnen und Vorratskammern zur Aufbewahrung von Lebensmitteln und wurden sowohl im Alltag als auch in der Medizin verwendet. Das durch Mahlen gewonnene Pulver wurde auf die Wunden aufgetragen. Besonderes Augenmerk wurde auf Wasser gelegt, das in Schalen aus silikonhaltigen Verbindungen aufgegossen wurde. Das chemische Element interagierte mit seiner Zusammensetzung, wodurch eine Reihe pathogener Bakterien und Mikroorganismen zerstört werden konnten. Und das sind nicht alle Branchen, in denen der von uns in Betracht gezogene Stoff sehr, sehr gefragt ist. Die Struktur von Silizium bestimmt seine Vielseitigkeit.

Eigenschaften

Um die Eigenschaften eines Stoffes besser kennenzulernen, ist es notwendig, ihn unter Berücksichtigung aller möglichen Eigenschaften zu betrachten. Der Charakterisierungsplan für das chemische Element Silizium umfasst physikalische Eigenschaften, elektrische Eigenschaften, die Untersuchung von Verbindungen, Reaktionen und Bedingungen für deren Durchgang usw. Silizium in kristalliner Form hat eine dunkelgraue Farbe mit einem metallischen Farbton. Ein kubisch-flächenzentriertes Gitter ähnelt einem Kohlenstoffgitter (Diamant), ist aber aufgrund der längeren Bindungen nicht so stark. Durch Erhitzen auf 800 °C wird es plastisch, in anderen Fällen bleibt es spröde. Die physikalischen Eigenschaften von Silizium machen diesen Stoff wirklich einzigartig: Er ist für Infrarotstrahlung transparent. Schmelzpunkt - 1410 0 C, Siedepunkt - 2600 0 C, Dichte unter normalen Bedingungen - 2330 kg/m 3. Die Wärmeleitfähigkeit ist nicht konstant, sie wird für verschiedene Proben bei einem ungefähren Wert von 25 0 C gemessen. Die Eigenschaften des Siliziumatoms ermöglichen die Verwendung als Halbleiter. Dieser Anwendungsbereich ist in der modernen Welt am gefragtesten. Der Wert der elektrischen Leitfähigkeit wird durch die Zusammensetzung von Silizium und den damit verbundenen Elementen beeinflusst. So werden für eine erhöhte elektronische Leitfähigkeit Antimon, Arsen und Phosphor verwendet, für eine löchrige Leitfähigkeit Aluminium, Gallium, Bor und Indium. Bei der Herstellung von Geräten mit Silizium als Leiter wird eine Oberflächenbehandlung mit einem bestimmten Mittel verwendet, die sich auf die Funktion des Geräts auswirkt.

Die Eigenschaften von Silizium als hervorragender Leiter werden im modernen Instrumentenbau häufig genutzt. Besonders relevant ist sein Einsatz bei der Herstellung komplexer Geräte (z. B. moderne Computergeräte, Computer).

Silizium: Eigenschaften eines chemischen Elements

In den meisten Fällen ist Silizium vierwertig, es gibt aber auch Bindungen, in denen es einen Wert von +2 haben kann. Unter normalen Bedingungen ist es inaktiv, weist starke Verbindungen auf und kann bei Raumtemperatur nur mit Fluor reagieren, das sich in einem gasförmigen Aggregatzustand befindet. Dies wird durch den Effekt der Blockierung der Oberfläche mit einem Dioxidfilm erklärt, der bei Wechselwirkung mit umgebendem Sauerstoff oder Wasser beobachtet wird. Um Reaktionen anzuregen, ist der Einsatz eines Katalysators notwendig: Für einen Stoff wie Silizium ist eine Temperaturerhöhung ideal. Das chemische Element interagiert bei 400-500 0 C mit Sauerstoff, wodurch der Dioxidfilm zunimmt und der Oxidationsprozess stattfindet. Bei einem Temperaturanstieg auf 50 0 C wird eine Reaktion mit Brom, Chlor und Jod beobachtet, die zur Bildung flüchtiger Tetrahalogenide führt. Silizium interagiert nicht mit Säuren, mit Ausnahme einer Mischung aus Flusssäure und Salpetersäure, während jedes Alkali im erhitzten Zustand ein Lösungsmittel ist. Wasserstoffsilizium entsteht nur durch die Zersetzung von Siliziden und reagiert nicht mit Wasserstoff. Verbindungen mit Bor und Kohlenstoff zeichnen sich durch höchste Festigkeit und chemische Passivität aus. Eine hohe Beständigkeit gegenüber Laugen und Säuren hängt mit Stickstoff zusammen, der bei Temperaturen über 1000 0 C auftritt. Silizide werden durch Reaktion mit Metallen erhalten, und in diesem Fall hängt die Wertigkeit, die Silizium aufweist, vom zusätzlichen Element ab. Die unter Beteiligung eines Übergangsmetalls gebildete Stoffformel ist säurebeständig. Die Struktur des Siliziumatoms beeinflusst direkt seine Eigenschaften und seine Fähigkeit, mit anderen Elementen zu interagieren. Der Prozess der Bindungsbildung in der Natur und während der Exposition gegenüber einem Stoff (unter Labor- und Industriebedingungen) unterscheidet sich erheblich. Die Struktur von Silizium lässt auf seine chemische Aktivität schließen.

Struktur

Silizium hat seine eigenen Eigenschaften. Die Kernladung beträgt +14, was der Seriennummer im Periodensystem entspricht. Anzahl geladener Teilchen: Protonen - 14; Elektronen - 14; Neutronen - 14. Das Strukturdiagramm eines Siliziumatoms ist wie folgt: Si +14) 2) 8) 4. Auf der letzten (äußeren) Ebene befinden sich 4 Elektronen, die mit dem „+“ oder „-“ den Oxidationszustand bestimmen " Zeichen. Siliziumoxid hat die Formel SiO 2 (Wertigkeit 4+), die flüchtige Wasserstoffverbindung ist SiH 4 (Wertigkeit -4). Aufgrund des großen Volumens des Siliziumatoms können einige Verbindungen beispielsweise in Kombination mit Fluor eine Koordinationszahl von 6 aufweisen. Molmasse - 28, Atomradius - 132 Uhr, Elektronenhüllenkonfiguration: 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 2.

Anwendung

Oberflächen- oder vollständig dotiertes Silizium wird als Halbleiter bei der Herstellung vieler, auch hochpräziser Geräte (z. B. Solarfotozellen, Transistoren, Stromgleichrichter usw.) verwendet. Zur Herstellung von Solarzellen (Energie) wird hochreines Silizium verwendet. Der monokristalline Typ wird zur Herstellung von Spiegeln und Gaslasern verwendet. Siliziumverbindungen werden zur Herstellung von Glas, Keramikfliesen, Geschirr, Porzellan und Steingut verwendet. Es ist schwierig, die Vielfalt der Arten der gewonnenen Güter zu beschreiben; ihre Ausbeutung erfolgt auf Haushaltsebene, in Kunst und Wissenschaft sowie in der Produktion. Der entstehende Zement dient als Rohstoff für die Herstellung von Baumischungen, Ziegeln und Veredelungsmaterialien. Durch die Verbreitung von Ölen und Schmiermitteln kann die Reibungskraft in den beweglichen Teilen vieler Mechanismen erheblich verringert werden. Aufgrund ihrer einzigartigen Widerstandsfähigkeit gegenüber aggressiven Umgebungen (Säuren, Temperaturen) werden Silizide in der Industrie häufig eingesetzt. Ihre elektrischen, nuklearen und chemischen Eigenschaften werden von Spezialisten komplexer Industrien berücksichtigt; auch die Struktur des Siliziumatoms spielt eine wichtige Rolle.

Wir haben die wissensintensivsten und fortschrittlichsten Anwendungsbereiche heute aufgelistet. Das am häufigsten in großen Mengen hergestellte technische Silizium wird in verschiedenen Bereichen eingesetzt:

1. Als Rohstoff zur Herstellung einer reineren Substanz.
2. Zum Legieren von Legierungen in der metallurgischen Industrie: Das Vorhandensein von Silizium erhöht die Feuerfestigkeit, erhöht die Korrosionsbeständigkeit und die mechanische Festigkeit (bei einem Überschuss dieses Elements kann die Legierung zu spröde sein).
3. Als Desoxidationsmittel zur Entfernung von überschüssigem Sauerstoff aus Metall.
4. Rohstoffe zur Herstellung von Silanen (Siliziumverbindungen mit organischen Stoffen).
5. Zur Herstellung von Wasserstoff aus einer Legierung aus Silizium und Eisen.
6. Herstellung von Solarmodulen.

Auch für die normale Funktion des menschlichen Körpers ist dieser Stoff von großer Bedeutung. Dabei sind die Struktur des Siliziums und seine Eigenschaften entscheidend. In diesem Fall führt sein Überschuss oder Mangel zu schweren Krankheiten.

Im menschlichen Körper

Die Medizin nutzt Silizium schon seit geraumer Zeit als bakterizides und antiseptisches Mittel. Doch trotz aller Vorteile der äußerlichen Anwendung muss dieses Element im menschlichen Körper ständig erneuert werden. Ein normaler Inhalt verbessert die Lebensaktivität im Allgemeinen. Bei einem Mangel werden mehr als 70 Mikroelemente und Vitamine nicht vom Körper aufgenommen, was die Widerstandskraft gegen eine Reihe von Krankheiten deutlich verringert. Der höchste Anteil an Silizium wird in Knochen, Haut und Sehnen beobachtet. Es spielt die Rolle eines Strukturelements, das die Festigkeit erhält und Elastizität verleiht. Alle harten Gewebe des Skeletts werden aufgrund seiner Verbindungen gebildet. Jüngste Studien haben einen Siliziumgehalt in den Nieren, der Bauchspeicheldrüse und dem Bindegewebe nachgewiesen. Die Rolle dieser Organe für die Funktion des Körpers ist recht groß, sodass eine Verringerung ihres Inhalts eine nachteilige Wirkung auf viele grundlegende Lebenserhaltungsindikatoren haben wird. Der Körper sollte 1 Gramm Silizium pro Tag mit Nahrung und Wasser aufnehmen – dies hilft, mögliche Krankheiten wie entzündliche Prozesse der Haut, Erweichung der Knochen, Bildung von Steinen in der Leber, den Nieren, Sehstörungen und Haarzustand zu vermeiden und Nägel, Arteriosklerose. Bei einem ausreichenden Gehalt dieses Elements steigt die Immunität, Stoffwechselprozesse werden normalisiert und die Aufnahme vieler für die menschliche Gesundheit notwendiger Elemente wird verbessert. Der größte Anteil an Silizium ist in Getreide, Radieschen und Buchweizen enthalten. Siliziumwasser bringt erhebliche Vorteile. Um die Menge und Häufigkeit der Anwendung zu bestimmen, ist es besser, einen Spezialisten zu konsultieren.

CPU? Sand? Welche Assoziationen haben Sie mit diesem Wort? Oder vielleicht Silicon Valley?
Wie dem auch sei, wir begegnen Silizium jeden Tag, und wenn Sie wissen möchten, was Si ist und womit es gegessen wird, wenden Sie sich bitte an die Katze.

Einführung

Silizium

Historische Referenz

Silizium kommt in der Natur sehr häufig als Bestandteil von gewöhnlichem Sand vor.

Verbreitung von Silizium in der Natur

Physikalische Eigenschaften von Silizium

Chemische Eigenschaften von Silizium

Beschaffung von Silizium

Silizium technischer Reinheit (95-98 %) wird in einem Lichtbogen durch Reduktion von Siliziumdioxid SiO2 zwischen Graphitelektroden gewonnen. Im Zusammenhang mit der Entwicklung der Halbleitertechnologie wurden Verfahren zur Herstellung von reinem und hochreinem Silizium entwickelt. Dies erfordert die Vorsynthese reinster Siliziumausgangsverbindungen, aus denen durch Reduktion oder thermische Zersetzung Silizium gewonnen wird.
Polykristallines Silizium („Polysilizium“) ist die reinste Form industriell hergestellten Siliziums – ein Halbzeug, das durch Reinigung von technischem Silizium mittels Chlorid- und Fluoridverfahren gewonnen und zur Herstellung von mono- und multikristallinem Silizium verwendet wird.
Traditionell wird polykristallines Silizium aus technischem Silizium durch Umwandlung in flüchtige Silane (Monosilan, Chlorsilane, Fluorsilane) mit anschließender Abtrennung der resultierenden Silane, rektifizierender Reinigung des ausgewählten Silans und Reduktion des Silans zu metallischem Silizium gewonnen.
Reines Halbleitersilizium wird in zwei Formen gewonnen: polykristallin(Reduktion von SiCl4 oder SiHCl3 mit Zink oder Wasserstoff, thermische Zersetzung von SiI4 und SiH4) und monokristallin(Tiegelfreies Zonenschmelzen und „Ziehen“ eines Einkristalls aus geschmolzenem Silizium – Czochralski-Methode).

Hier sehen Sie den Prozess der Siliziumzüchtung nach der Czochralski-Methode.

Czochralski-Methode- eine Methode zum Züchten von Kristallen, indem man sie von der freien Oberfläche eines großen Schmelzvolumens nach oben zieht, wobei die Kristallisation eingeleitet wird, indem ein Impfkristall (oder mehrere Kristalle) einer bestimmten Struktur und kristallographischen Ausrichtung mit der freien Oberfläche der Schmelze in Kontakt gebracht werden schmelzen.

Anwendung von Silizium

Hochreines Silizium und seine Produkte

Silizium im Körper

Abschluss

Silizium wurde 1823 vom schwedischen Chemiker Jens Jacob Berzelius entdeckt und gewonnen.

Das zweithäufigste Element in der Erdkruste nach Sauerstoff (27,6 Masse-%). In Verbindungen gefunden.

Allotropie von Silizium

Es sind amorphes und kristallines Silizium bekannt.

Polykristallines Silizium

Kristall – dunkelgraue Substanz mit metallischem Glanz, hohe Härte, zerbrechlich, Halbleiter; ρ = 2,33 g/cm 3, t°pl. =1415°C; t°kochen. = 2680°C.

Es hat eine diamantartige Struktur und bildet starke kovalente Bindungen. Untätig.

Amorph - braunes Pulver, hygroskopisch, diamantartige Struktur, ρ = 2 g/cm 3, reaktiver.

Silizium bekommen

1) Industrie – Kohle mit Sand erhitzen:

2C + SiO 2 t ˚ → Si + 2CO

2) Labor – Erhitzen von Sand mit Magnesium:

2Mg + SiO 2 t ˚ → Si + 2MgO Experiment

Chemische Eigenschaften

Ein typisches Nichtmetall, inert.

Als Reduktionsmittel:

1) Mit Sauerstoff

Si 0 + O 2 t ˚ → Si +4 O 2

2) Mit Fluor (ohne Erhitzen)

Si 0 + 2F 2 → SiF 4

3) Mit Kohlenstoff

Si 0 + C t ˚ → Si +4 C

(SiC – Karborund – hart; wird zum Anspitzen und Schleifen verwendet)

4) Interagiert nicht mit Wasserstoff.

Silan (SiH 4) wird durch Zersetzung von Metallsiliziden mit Säure gewonnen:

Mg 2 Si + 2H 2 SO 4 → SiH 4 + 2MgSO 4

5) Reagiert nicht mit Säuren (Tnur mit Flusssäure Si+4 HF= SiF 4 +2 H 2 )

Löst sich nur in einer Mischung aus Salpeter- und Flusssäure:

3Si + 4HNO3 + 18HF →3H2 + 4NO + 8H2O

6) Mit Laugen (beim Erhitzen):

Als Oxidationsmittel:

7) Bei Metallen (es entstehen Silizide):

Si 0 + 2Mg t ˚ →Mg 2 Si -4

Silan - SiH 4

Physikalische Eigenschaften: Farbloses Gas, giftig, Schmp. = -185°C, T°Sieden. = -112°C.

Zubereitung aus Kieselsäure

Die Wirkung starker Säuren auf Silikate - Na 2 SiO 3 + 2HCl → 2NaCl + H 2 SiO 3 ↓

Chemische Eigenschaften:

Beim Erhitzen zersetzt es sich: H 2 SiO 3 t ˚ → H 2 O + SiO 2

Kieselsäuresalze - Silikate.

1) mit Säuren

Na 2 SiO 3 +H 2 O+CO 2 =Na 2 CO 3 +H 2 SiO 3

2) mit Salzen

Na 2 SiO 3 +CaCl 2 =2NaCl+CaSiO 3 ↓

3) Silikate, aus denen Mineralien bestehen, werden unter natürlichen Bedingungen unter dem Einfluss von Wasser und Kohlenmonoxid (IV) zerstört – Verwitterung von Gesteinen:

(K 2 O Al 2 O 3 6SiO 2)(Feldspat) + CO 2 + 2H 2 O → (Al 2 O 3 2SiO 2 2H 2 O)(Kaolinit (Ton)) + 4SiO 2 (Siliciumdioxid (Sand)) + K2CO3

Anwendung von Siliziumverbindungen

Natürliche Siliziumverbindungen – Sand (SiO 2) und Silikate – werden zur Herstellung von Keramik, Glas und Zement verwendet.

Beschreibung und Eigenschaften von Silizium

Silizium - Element, vierte Gruppe, dritte Periode in der Tabelle der Elemente. Ordnungszahl 14. Siliziumformel- 3s2 3p2. Es wurde 1811 als Element definiert und erhielt 1834 den russischen Namen „Silizium“ anstelle des vorherigen „Sizilien“. Schmilzt bei 1414 °C, siedet bei 2349 °C.

Es ähnelt der Molekülstruktur, ist dieser jedoch in der Härte unterlegen. Ziemlich zerbrechlich, beim Erhitzen (mindestens 800 °C) wird es plastisch. Durchscheinend mit Infrarotstrahlung. Monokristallines Silizium hat Halbleitereigenschaften. Nach einigen Merkmalen Siliziumatomähnlich der atomaren Struktur von Kohlenstoff. Siliziumelektronen haben die gleiche Wertigkeitszahl wie bei der Kohlenstoffstruktur.

Arbeitskräfte Eigenschaften von Silizium hängen vom Inhalt bestimmter Inhalte darin ab. Silizium hat verschiedene Arten von Leitfähigkeit. Dies sind insbesondere die Typen „Loch“ und „Elektronik“. Um das erste zu erhalten, wird Bor zu Silizium hinzugefügt. Wenn Sie hinzufügen Phosphor, Silizium erwirbt die zweite Art von Leitfähigkeit. Wird Silizium zusammen mit anderen Metallen erhitzt, entstehen beispielsweise bei der Reaktion „Silizide“ bestimmte Verbindungen, sogenannte „Silizide“. Magnesiumsilizium«.

Für den Elektronikbedarf verwendetes Silizium wird in erster Linie anhand der Eigenschaften seiner oberen Schichten beurteilt. Daher muss besonders auf deren Qualität geachtet werden, da diese sich direkt auf die Gesamtleistung auswirkt. Der Betrieb des hergestellten Geräts hängt von ihnen ab. Um die besten Eigenschaften der oberen Siliziumschichten zu erhalten, werden diese mit verschiedenen chemischen Methoden behandelt oder bestrahlt.

Verbindung „Schwefel-Silizium“ bildet Siliziumsulfid, das leicht mit Wasser und Sauerstoff interagiert. Bei der Reaktion mit Sauerstoff unter Temperaturbedingungen über 400 ° C fällt es aus Kieselsäure. Bei gleicher Temperatur sind Reaktionen mit Chlor und Jod sowie Brom möglich, bei denen flüchtige Stoffe entstehen – Tetrahalogenide.

Eine Verbindung von Silizium und Wasserstoff durch direkten Kontakt wird nicht möglich sein, dafür gibt es indirekte Methoden. Bei 1000 °C ist eine Reaktion mit Stickstoff und Bor möglich, wodurch Siliziumnitrid und Borid entstehen. Bei der gleichen Temperatur ist durch die Kombination von Silizium mit Kohlenstoff die Herstellung möglich Siliziumkarbid, das sogenannte „Carborundum“. Diese Zusammensetzung hat eine feste Struktur, die chemische Aktivität ist träge. Wird als Schleifmittel verwendet.

In Verbindung mit Eisen, Silizium bildet eine spezielle Mischung, die das Schmelzen dieser Elemente ermöglicht, wodurch Ferrosiliziumkeramik entsteht. Darüber hinaus ist sein Schmelzpunkt viel niedriger, als wenn sie einzeln geschmolzen würden. Bei Temperaturen über 1200 °C kommt es zur Bildung von Siliziumoxid, auch unter bestimmten Bedingungen stellt sich heraus Siliziumhydroxid. Beim Ätzen von Silizium werden alkalische Lösungen auf Wasserbasis verwendet. Ihre Temperatur muss mindestens 60 °C betragen.

Siliziumvorkommen und Bergbau

Das Element ist das zweithäufigste auf dem Planeten Substanz. Silizium macht fast ein Drittel des Volumens der Erdkruste aus. Nur Sauerstoff kommt häufiger vor. Es wird überwiegend durch Kieselsäure ausgedrückt, eine Verbindung, die im Wesentlichen Siliziumdioxid enthält. Die wichtigsten Derivate von Siliziumdioxid sind Feuerstein, verschiedene Sande, Quarz und Feld. Danach folgen Silikatverbindungen aus Silizium. Ursprünglichkeit ist für Silizium ein seltenes Phänomen.

Siliziumanwendungen

Silizium, chemische Eigenschaften die den Anwendungsbereich bestimmt, wird in mehrere Typen unterteilt. Weniger reines Silizium wird für metallurgische Zwecke verwendet: zum Beispiel für Zusatzstoffe in Aluminium, Silizium verändert aktiv seine Eigenschaften, Desoxidationsmittel usw. Es verändert aktiv die Eigenschaften von Metallen durch deren Zugabe Verbindung. Silizium legiert sie und verändert die Arbeitsweise Eigenschaften, Silizium Eine sehr kleine Menge reicht aus.

Außerdem werden aus Rohsilizium Derivate höherer Qualität hergestellt, insbesondere mono- und polykristallines Silizium sowie organisches Silizium – das sind Silikone und verschiedene organische Öle. Auch in der Zementproduktion und der Glasindustrie hat es Verwendung gefunden. Die Ziegelproduktion wurde nicht umgangen, auch Porzellanfabriken kommen ohne sie nicht aus.

Silizium ist Bestandteil des bekannten Silikatklebers, der für Reparaturarbeiten verwendet wird, und wurde früher für den Bürobedarf verwendet, bis praktischere Ersatzstoffe auftauchten. Einige pyrotechnische Produkte enthalten auch Silizium. Daraus und seinen Eisenlegierungen lässt sich unter freiem Himmel Wasserstoff herstellen.

Wofür wird bessere Qualität verwendet? Silizium? Platten Solarbatterien enthalten auch Silizium, natürlich nicht technisch. Für diese Anforderungen wird Silizium idealer Reinheit oder zumindest technisches Silizium höchster Reinheit benötigt.

Sogenannt „elektronisches Silizium“ das fast 100 % Silizium enthält, hat eine viel bessere Leistung. Daher wird es bevorzugt bei der Herstellung hochpräziser elektronischer Geräte und komplexer Mikroschaltungen eingesetzt. Ihre Herstellung erfordert eine qualitativ hochwertige Produktion Schaltung, Silizium für die nur die höchste Kategorie gehen sollte. Der Betrieb dieser Geräte hängt davon ab, wie viel enthält Silizium unerwünschte Verunreinigungen.

Silizium nimmt in der Natur einen wichtigen Platz ein und wird von den meisten Lebewesen ständig benötigt. Für sie ist dies eine Art Aufbaukomposition, denn es ist äußerst wichtig für die Gesundheit des Bewegungsapparates. Täglich nimmt ein Mensch bis zu 1 g auf Siliziumverbindungen.

Kann Silizium schädlich sein?

Ja, denn Siliziumdioxid ist äußerst anfällig für Staubbildung. Es hat eine reizende Wirkung auf die Schleimhäute des Körpers und kann sich aktiv in der Lunge ansammeln, was zu einer Silikose führen kann. Zu diesem Zweck ist in der Produktion im Zusammenhang mit der Verarbeitung von Siliziumelementen der Einsatz von Atemschutzmasken vorgeschrieben. Ihre Anwesenheit ist besonders wichtig, wenn es um Siliziummonoxid geht.

Siliziumpreis

Wie Sie wissen, basiert die gesamte moderne elektronische Technologie, von der Telekommunikation bis zur Computertechnologie, auf der Verwendung von Silizium und nutzt dessen Halbleitereigenschaften. Seine anderen Analoga werden in viel geringerem Umfang verwendet. Die einzigartigen Eigenschaften von Silizium und seinen Derivaten sind noch viele Jahre lang unübertroffen. Trotz des Preisverfalls im Jahr 2001 Silizium, Vertrieb schnell wieder normal. Und bereits im Jahr 2003 betrug der Handelsumsatz 24.000 Tonnen pro Jahr.

Für die neuesten Technologien, die eine nahezu kristallklare Reinheit von Silizium erfordern, sind seine technischen Analoga nicht geeignet. Und aufgrund seines komplexen Reinigungssystems steigt der Preis erheblich. Der polykristalline Siliziumtyp ist häufiger anzutreffen, sein monokristalliner Prototyp ist etwas weniger gefragt. Gleichzeitig macht der Anteil des für Halbleiter verwendeten Siliziums den Löwenanteil des Handelsumsatzes aus.

Die Produktpreise variieren je nach Reinheit und Verwendungszweck Silizium, kaufen Dies kann bei 10 Cent pro kg Rohmaterial beginnen und bis zu 10 US-Dollar und mehr für „elektronisches“ Silizium betragen.

Elementeigenschaften

14 Si 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2

Isotope: 28 Si (92,27 %); 29 Si (4,68 %); 30 Si (3,05 %)

Silizium ist nach Sauerstoff (27,6 Masse-%) das zweithäufigste Element in der Erdkruste. Es kommt in der Natur nicht in freier Form vor, sondern hauptsächlich in Form von SiO 2 oder Silikaten.

Si-Verbindungen sind giftig; Das Einatmen winziger Partikel von SiO 2 und anderen Siliziumverbindungen (z. B. Asbest) verursacht eine gefährliche Krankheit – Silikose

Im Grundzustand hat das Siliziumatom die Wertigkeit = II und im angeregten Zustand = IV.

Die stabilste Oxidationsstufe von Si ist +4. In Verbindungen mit Metallen (Silizide) S.O. -4.

Methoden zur Gewinnung von Silizium

Die häufigste natürliche Siliziumverbindung ist Kieselsäure (Siliziumdioxid) SiO 2 . Es ist der Hauptrohstoff für die Herstellung von Silizium.

1) Reduktion von SiO 2 mit Kohlenstoff in Lichtbogenöfen bei 1800 „C: SiO 2 + 2C = Si + 2CO

2) Hochreines Si aus einem technischen Produkt wird nach dem Schema gewonnen:

a) Si → SiCl 2 → Si

b) Si → Mg 2 Si → SiH 4 → Si

Physikalische Eigenschaften von Silizium. Allotrope Modifikationen von Silizium

1) Kristallines Silizium – eine silbergraue Substanz mit metallischem Glanz, ein diamantartiges Kristallgitter; m.p. 1415 °C, Siedepunkt 3249 °C, Dichte 2,33 g/cm3; ist ein Halbleiter.

2) Amorphes Silizium – braunes Pulver.

Chemische Eigenschaften von Silizium

Bei den meisten Reaktionen fungiert Si als Reduktionsmittel:

Bei niedrigen Temperaturen ist Silizium chemisch inert, beim Erhitzen nimmt seine Reaktivität stark zu.

1. Reagiert mit Sauerstoff bei Temperaturen über 400 °C:

Si + O 2 = SiO 2 Siliziumoxid

2. Reagiert bereits bei Raumtemperatur mit Fluor:

Si + 2F 2 = SiF 4 Siliziumtetrafluorid

3. Reaktionen mit anderen Halogenen finden bei Temperaturen von 300 bis 500 °C statt

Si + 2Hal 2 = SiHal 4

4. Mit Schwefeldampf entsteht bei 600°C ein Disulfid:

5. Die Reaktion mit Stickstoff erfolgt oberhalb von 1000 °C:

3Si + 2N 2 = Si 3 N 4 Siliziumnitrid

6. Bei einer Temperatur von 1150 °C reagiert es mit Kohlenstoff:

SiO 2 + 3C = SiC + 2CO

Karborund hat eine Härte, die der von Diamant ähnelt.

7. Silizium reagiert nicht direkt mit Wasserstoff.

8. Silizium ist säurebeständig. Interagiert nur mit einer Mischung aus Salpeter- und Flusssäure (Flusssäure):

3Si + 12HF + 4HNO 3 = 3SiF 4 + 4NO + 8H 2 O

9. reagiert mit Alkalilösungen unter Bildung von Silikaten und Freisetzung von Wasserstoff:

Si + 2NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 2H 2

10. Die reduzierenden Eigenschaften von Silizium werden genutzt, um Metalle aus ihren Oxiden zu isolieren:

2MgO = Si = 2Mg + SiO 2

Bei Reaktionen mit Metallen ist Si ein Oxidationsmittel:

Silizium bildet mit S-Metallen und den meisten D-Metallen Silizide.

Die Zusammensetzung der Silizide eines bestimmten Metalls kann variieren. (Zum Beispiel FeSi und FeSi 2 ; Ni 2 Si und NiSi 2 .) Eines der bekanntesten Silizide ist Magnesiumsilizid, das durch direkte Wechselwirkung einfacher Substanzen gewonnen werden kann:

2Mg + Si = Mg 2 Si

Silan (Monosilan) SiH 4

Silane (Wasserstoffkieselsäuren) Si n H 2n + 2, (vgl. Alkane), wobei n = 1-8. Silane sind Analoga von Alkanen; sie unterscheiden sich von diesen durch die Instabilität der -Si-Si--Ketten.

Monosilan SiH 4 ist ein farbloses Gas mit unangenehmem Geruch; löslich in Ethanol, Benzin.

Methoden zur Beschaffung:

1. Zersetzung von Magnesiumsilizid mit Salzsäure: Mg 2 Si + 4HCI = 2MgCI 2 + SiH 4

2. Reduktion von Si-Halogeniden mit Lithiumaluminiumhydrid: SiCl 4 + LiAlH 4 = SiH 4 + LiCl + AlCl 3

Chemische Eigenschaften.

Silan ist ein starkes Reduktionsmittel.

1.SiH 4 wird bereits bei sehr niedrigen Temperaturen durch Sauerstoff oxidiert:

SiH 4 + 2O 2 = SiO 2 + 2H 2 O

2. SiH 4 wird leicht hydrolysiert, insbesondere in einer alkalischen Umgebung:

SiH 4 + 2H 2 O = SiO 2 + 4H 2

SiH 4 + 2NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 4H 2

Silizium(IV)-oxid (Silica) SiO 2

Silizium gibt es in verschiedenen Formen: kristallin, amorph und glasig. Die häufigste Kristallform ist Quarz. Bei der Zerstörung von Quarzgestein entstehen Quarzsande. Quarz-Einkristalle sind transparent, farblos (Bergkristall) oder mit Verunreinigungen in verschiedenen Farben (Amethyst, Achat, Jaspis usw.) gefärbt.

Amorphes SiO 2 liegt in Form des Opalminerals vor: künstlich hergestelltes Kieselgel, das aus kolloidalen SiO 2 -Partikeln besteht und ein sehr gutes Adsorptionsmittel ist. Glasartiges SiO 2 wird als Quarzglas bezeichnet.

Physikalische Eigenschaften

SiO 2 löst sich in Wasser nur sehr wenig und ist auch in organischen Lösungsmitteln praktisch unlöslich. Silizium ist ein Dielektrikum.

Chemische Eigenschaften

1. SiO 2 ist ein saures Oxid, daher löst sich amorphes Siliciumdioxid langsam in wässrigen Alkalilösungen:

SiO 2 + 2NaOH = Na 2 SiO 3 + H 2 O

2. SiO 2 interagiert beim Erhitzen auch mit basischen Oxiden:

SiO 2 + K 2 O = K 2 SiO 3;

SiO 2 + CaO = CaSiO 3

3. Als nichtflüchtiges Oxid verdrängt SiO 2 Kohlendioxid aus Na 2 CO 3 (während der Fusion):

SiO 2 + Na 2 CO 3 = Na 2 SiO 3 + CO 2

4. Kieselsäure reagiert mit Flusssäure unter Bildung von Fluorkieselsäure H 2 SiF 6:

SiO 2 + 6HF = H 2 SiF 6 + 2H 2 O

5. Bei 250–400 °C interagiert SiO 2 mit gasförmigem HF und F 2 und bildet Tetrafluorsilan (Siliziumtetrafluorid):

SiO 2 + 4HF (gas.) = SiF 4 + 2H 2 O

SiO 2 + 2F 2 = SiF 4 + O 2

Kieselsäuren

Bekannt:

Orthokieselsäure H 4 SiO 4 ;

Metasiliciumsäure (Kieselsäure) H 2 SiO 3 ;

Di- und Polykieselsäuren.

Alle Kieselsäuren sind in Wasser schwer löslich und bilden leicht kolloidale Lösungen.

Empfangsmethoden

1. Fällung mit Säuren aus Lösungen von Alkalisilikaten:

Na 2 SiO 3 + 2HCl = H 2 SiO 3 ↓ + 2NaCl

2. Hydrolyse von Chlorsilanen: SiCl 4 + 4H 2 O = H 4 SiO 4 + 4HCl

Chemische Eigenschaften

Kieselsäuren sind sehr schwache Säuren (schwächer als Kohlensäure).

Beim Erhitzen dehydrieren sie und bilden als Endprodukt Kieselsäure.

H 4 SiO 4 → H 2 SiO 3 → SiO 2

Silikate – Salze der Kieselsäuren

Da Kieselsäuren äußerst schwach sind, sind ihre Salze in wässrigen Lösungen stark hydrolysiert:

Na 2 SiO 3 + H 2 O = NaHSiO 3 + NaOH

SiO 3 2- + H 2 O = HSiO 3 - + OH - (alkalisches Medium)

Aus dem gleichen Grund wird beim Durchleiten von Kohlendioxid durch Silikatlösungen Kieselsäure aus diesen verdrängt:

K 2 SiO 3 + CO 2 + H 2 O = H 2 SiO 3 ↓ + K 2 CO 3

SiO 3 + CO 2 + H 2 O = H 2 SiO 3 ↓ + CO 3

Diese Reaktion kann als qualitative Reaktion auf Silikationen betrachtet werden.

Von den Silikaten sind nur Na 2 SiO 3 und K 2 SiO 3 gut löslich, sie werden als lösliches Glas bezeichnet, und ihre wässrigen Lösungen werden als flüssiges Glas bezeichnet.

Glas

Gewöhnliches Fensterglas hat die Zusammensetzung Na 2 O CaO 6 SiO 2, ist also eine Mischung aus Natrium- und Calciumsilikaten. Es wird durch die Verschmelzung von Na 2 CO 3 Soda, CaCO 3 Kalkstein und SiO 2 Sand gewonnen;

Na 2 CO 3 + CaCO 3 + 6SiO 2 = Na 2 O CaO 6SiO 2 + 2СO 2

Zement

Ein pulverförmiges Bindemittel, das bei Wechselwirkung mit Wasser eine plastische Masse bildet, die sich mit der Zeit in einen festen, steinähnlichen Körper verwandelt; Hauptbaustoff.

Die chemische Zusammensetzung des gebräuchlichsten Portlandzements (in Gew.-%) beträgt 20 - 23 % SiO 2; 62 - 76 % CaO; 4 - 7 % Al 2 O 3; 2–5 % Fe 2 O 3; 1-5 % MgO.