Silicij

Sa Wikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na: navigacija, traži
Silicij
[Ne] 3s2 3p2 14Si
   
Periodni sistem elemenata
Općenito
Hemijski element, Simbol, Atomski broj Silicij, Si, 14
Serija Polumetali
Grupa, Perioda, Blok 14, 3, p
Izgled tamno sivi sa plavim nijansama
Zastupljenost 25,8[1] %
Atomske osobine
Atomska masa 28,085 (28,084–28,086)[2] u
Atomski radijus (izračunat) 110 (111) pm
Kovalentni radijus 111 pm
Van der Waalsov radijus 210 pm
Elektronska konfiguracija [Ne] 3s2 3p2
Broj elektrona u energetskom nivou 2, 8, 4
1. energija ionizacije 786,5 kJ/mol
2. energija ionizacije 1577,1 kJ/mol
3. energija ionizacije 3231,6 kJ/mol
4. energija ionizacije 4355,5 kJ/mol
Fizikalne osobine
Agregatno stanje čvrsto
Mohsova skala tvrdoće 6,5
Kristalna struktura dijamantna
Gustoća 2336 (20 °C)[3] kg/m3
Magnetizam dijamagnetičan (\chi_{m} = −4,1 · 10−6)[4]
Tačka topljenja 1683 K (1410 °C)
Tačka ključanja 3533[5] K (3260 °C)
Molarni volumen 12,06 · 10-6 m3/mol
Toplota isparavanja 383[5] kJ/mol
Toplota topljenja 50,66[6] kJ/mol
Pritisak pare 1 Pa kod 1908 K
Brzina zvuka 8433 m/s kod 293 K
Specifična toplota 703[1] J/(kg · K) kod 298 K
Specifična električna provodljivost 252· 10-6 S/m
Toplotna provodljivost 150 W/(m · K)
Hemijske osobine
Oksidacijsko stanje -4, (2) +4
Oksidi SiO2
Elektrodni potencijal ?
Elektronegativnost 1,90 (Pauling-skala)
Izotopi
Izo RP t1/2 RA ER (MeV) PR
26Si

sin

2,234 s ε 5,066 26Al
27Si

sin

4,16 s ε 4,812 27Al
28Si

92,23 %

Stabilan
29Si

4,67 %

Stabilan
30Si

3,1 %

Stabilan
31Si

sin

157,3 min β- 1,492 31P
32Si

sin

276 god β- 0,224 32P
33Si

sin

6,18 s β- 5,845 33P
34Si

sin

2,77 s β- 4,601 34P
Sigurnosno obavještenje
Oznake upozorenja
Granulat

Nadražujuće

Xi
Nadražujuće

Prah

Lahko zapaljivo

F
Lahko zapaljivo

Nadražujuće

Xi
Nadražujuće
Obavještenja o riziku i sigurnosti R: 36/38
S: 26-22-36/37/39
Ukoliko je moguće i u upotrebi, koriste se SI osnovne jedinice.
Ako nije drugačije označeno, svi podaci su podaci dobiveni mjerenjima u normalnim uslovima.

Silicij je hemijski element sa hemijskim simbolom Si i rednim brojem 14. U periodnom sistemu nalazi se u četvrtoj glavnoj grupi (grupa ugljika) i 3. periodi. Silicij je klasični polumetal, tako da ispoljava osobine metala kao i nemetala, a ima i osobinu poluprovodljivosti. Čisti elementarni silicij ima sivo-crnu boju, a može se primijetiti i tipičan metalni, često bronzano do plavičasti sjaj. Za čovjeka, elementarni silicij nije otrovan. U obliku svojih spojeva, silikata, silicij je veoma važan za čovjeka. Prosječni udio silicija u obliku spojeva u ljudskom tijelu iznosi oko 20 mg/kg mase, a ta količina se smanjuje kod starijih osoba.

Historija[uredi | uredi izvor]

Komad prečišćenog silicija

Antoine Lavoisier je bio prvi naučnik koji je 1787. godine primijetio da je silika mogući oksid nekog, do tada još neotkrivenog, hemijskog elementa.[7] Nakon što je pokušao da iz silike izolira čisti silicij, Humphry Davy je 1808. godine predložio ime silicium za novi element, naziv izveden iz latinskog silex, silicis u značenju kremen i nastavka -ium jer je vjerovao da se radi o metalu.[8] Smatra se da su Gay-Lussac i Thénard 1811. godine dobili, nepotpuno čisti, amorfni silicij, tako što su zagrijavali, tada novootkriveni, metal kalij uz dodatak silicij tetrafluorida, međutim proizvod te reakcije nisu u dovoljnoj mjeri izdvojili i prečistili niti su mu odredili osobine, neznajući da se radi o novom elementu.[9] Današnje ime siliciju je dao škotski hemičar Thomas Thomson 1817. godine. On je zadržao dio imena koji je dao Davy ali je umjesto dodatka -ium dodao -on (engl. silicon) jer je vjerovao da je silicij nemetal sličan kao bor (engl. boron) ili ugljik (engl. carbon).[10]

Berzelius je 1823. godine dobio amorfni silicij koristeći otprilike sličnu metodu kao Gay-Lussac (metal kalij i kalij fluorosilikat), ali je proizvod reakcije prečistio ispirajući ga konstantno te dobio smeđi prah.[11] Zbog toga, danas se u literaturi vrlo često može pronaći da je on otkrio elementarni silicij.[12][13] Silicij, u svom mnogo više uobičajenom kristalnom obliku nije dobijen narednih 31 godinu, sve dok ga nije pronašao Deville. On je 1854. godine pokušao dobiti metalni aluminij iz aluminij hlorida, a koji je bio znatno onečišćen silicij hloridom. Deville je koristio dvije metode za dobijanje aluminija: zagrijavanje aluminij hlorida uz prisustvo natrija u intertnoj atmosferi (vodika); te topljenje aluminij hlorida sa natrij hloridom i elektrolizom te mješavine. U oba slučaja nastajao je čisti silicij. On se rastvarao u istopljenom aluminiju ali se nakon njegovog hlađenja kristalizirao. Rastvaranjem čvrstog aluminija u hlorovodoničnu kiselinu pojavljivale su se ljuskice kristalnog silicija.[14] Na kraju, Deville je dobio kristalni silicij zagrijavajući hlorid ili fluorid silicija sa metalnim natrijem, izolirao amorfni silicij, istopio taj amorfni oblik sa soli i zagrijao mješavinu dok sva so nije isparila.[15][16] Pomoću elektrolize nečistog natrij-aluminij hlorida koji sadrži oko 10% silicija, on je uspio 1854. godine dobiti relativno čisti alotrop silicija.[17] Kasnije, pronađene su i razvijene mnogo jeftinije metode za izoliranje silicija u nekoliko alotropskih modifikacija, a jedna od najnovijih je silicen.

Pošto je silicij jedan od vrlo važnih elemenata u industriji poluprovodnika i uređaja visoke tehnologije, mnoga mjesta na svijetu nose njegovo ime. Jedan od poznatijih primjera je Silikonska dolina (Silicon Valley) u Kaliforniji, koja nosi ime elementa jer je on, između ostalog, osnova brojnih današnjih industrija zasnovanih na računarskoj tehnologiji. I druga geografska mjesta koja imaju određenu vezu industrijom imaju u svom imenu neku povezanost sa silicijem. Primjeri uključuju Silicon Forest (bos. silicijska šuma) u Oregonu, Silicon Hills u Austinu (Texas), silikonska Saksonija u Njemačkoj, Silikonska dolina kod Bangalorea u Indiji, Silikonska granica u Mexicali (Meksiko), Silicon Fen u Cambridgeu, Engleska, Silicon Glen u Škotskoj i Silicon Gorge u Bristolu, Engleska.

Osobine[uredi | uredi izvor]

Fizičke[uredi | uredi izvor]

Silicij se kristalizira u dijamantsku kubičnu kristalnu strukturu

Na sobnoj temperaturi, silicij je u čvrstom stanju i ima relativno visoku tačku topljenja i ključanja od 1410 i 3260°C, respektivno. U tečnom stanju ima mnogo veću gustoću nego kada je čvrst. Kada prelazi u čvrsto stanje ne skuplja se kao većina supstanci, nego se širi, slično kao što se javlja kod leda i vode. Sa relativno visokom toplotnom provodljivošću od 150 W·m−1·K−1, silicij dobro provodi toplotu, pa se zbog toga ne koristi za toplotno izoliranje vrućih predmeta.

U svom kristaliziranom obliku, čisti silicij je sive boje sa metalnim sjajem. Poput germanija, silicij je prilično snažan, vrlo krhak i podložan lomljenju. Silicij, poput ugljika i germanija, kristalizira se u dijamantsku kubičnu kristalnu strukturu, pri čemu mu razmak rešetke iznosi 0,5430710 nm (5,430710 Å).[18] Vanjska elektronska orbitala silicija, slično kao i kod ugljika, ima četiri valentna elektrona. Ljuske 1s, 2s, 2p i 3s su potpuno popunjene dok 3p ljuska sadrži samo dva elektrona od mogućih šest.

Silicij je poluprovodnik. On ima negativan temperaturni koeficijent električnog otpora, pošto se broj slobodnih nosilaca naboja povećava porastom temperature. Električni otpor jediničnog kristala silicija se značajno mijenja pod uticajem mehaničkog stresa zbog piezootporničkog (piezorezistivnog) efekta.[19]

Hemijske[uredi | uredi izvor]

Prah silicija

Silicij je metaloid, lahko bilo otpušta ili dijeli svoja četiri vanjska elektrona, što mu daje mogućnost za mnoge oblike hemijskih veza. Poput ugljika, one obično formira četiri veze. Za razliku od njega, silicij može primiti i dodatne elektrone i formirati pet ili šest veza u određenim nešto nestabilnijim silikatnim oblicima. Četverovalentni silicij je relativno inertan, ali i dalje može reagirati sa halogenim elementima i razblaženim bazama, dok najveći broj kiselina (osim nekih hiper reaktivnih kombinacija dušične i fluorovodične kiseline) nema uticaja na silicij. Međutim, četiri valentna elektrona daju siliciju, kao kod ugljika, mnoge mogućnosti da se spaja sa drugim elementima ili spojevima u odgovarajućim uslovima.

Izotopi[uredi | uredi izvor]

Silicij u prirodi je sastavljen iz tri stabilna izotopa: 28Si, 29Si i 30Si. Među njima, najveći udio ima izotop 28Si (92% udjela u prirodnom siliciju).[20] Od njih, samo se izotop 29Si koristi u NMR i EPR spektroskopiji.[21] Poznato je oko 20 radioaktivnih izotopa, među kojima je najstabilniji izotop 32Si sa vremenom poluraspada od 170 godina, a poslije njega izotop 32Si koji ima vrijeme poluraspada od 157,3 minute.[20] Svi ostali nestabilni izotopi imaju vremena poluraspada kraća od sedam sekundi, a većina od njih imaju životni vijek kraći od desetinke sekunde.[20] Silicij nema nijedan poznati nuklearni izomer.[20]

Maseni brojevi izotopa se kreću u rasponu od 22 do 44.[20] Najčešći način raspada kod šest izotopa sa masenim brojevima nižim od 28 je β+, primarno dajući izotope aluminija (13 protona) kao proizvod raspada.[20] Najčešći načini raspada za 16 izotopa sa masenim brojevima višim od 28 je β-, dajući kao proizvod raspada izotope fosfora (15 protona).[20]

Zastupljenost[uredi | uredi izvor]

Klaster kristala kvarca (SiO2) sa Tibeta.

Mjereno po masi, silicij čini oko 27,7% Zemljine kore i drugi je element po rasprostranjenosti u kori, odmah iza kisika.[22] Silicij se obično nalazi u obliku složenih silikatnih minerala, a mnogo rjeđe kao silicij dioksid (silika, jedan od najznačajnijih sastojaka običnog pijeska). Čiste silicijske kristale vrlo teško je naći u prirodi.

Silikatni minerali, vrlo raznoliki minerali koji sadrže silicij, kisik i reaktivne metale, čine oko 90% ukupne mase Zemljine kore. Razlog za to treba tražiti u činjenici da pri izuzetno visokim temperaturama koje su karakterisale stvaranje unutrašnjeg Sunčevog sistema, silicij i kisik su imali veliki afinitet jedan prema drugom, gradeći mreže silicija i kisika u hemijskim spojevima vrlo niske stabilnosti. Pošto su kisik i silicij bili najčešći nemetalni elementi koji nisu bili u gasovitom stanju u ostacima prašine supernova, koja je formirala protoplanetarni disk pri stvaranju i evoluciji Sunčevog sistema, oni su formirali mnoge kompleksne silikate koji su kasnije srasli i spojili se u veće stjenovite planetezimale i planete slične Zemlji. Na taj način, reducirana matrica silikatnih minerala je zarobila metale dovoljno reaktivne da budu oksidirani (aluminij, kalcij, natrij, kalij i magnezij). Nakon gubitka isparljivih gasova, kao i ugljika i sumpora putem reakcije sa vodiko, ova silikatna mješavina elemenata načinila je veći dio Zemljine kore. Ti silikati su imali relativno nisku gustoću u odnosu na željezo, nikl i druge metale koji nisu reaktivni sa kisikom, tako da je rezidij nevezanog željeza i nikla potonuo u jezgro Zemlje, ostavljajući debeli omotač izgrađen uglavnom iz magnezijevih i željeznih silikata. Tim silikatima se smatraju uglavnom silikatni perovksiti, kao i magnezij/željezo oksid feroperiklasi.[23]

Primjeri silikatnih minerala u kori uključuju one u sklopu piroksena, amfibola, tinjaca i grupa feldspara. Ovi minerali se javljaju u glini i raznim vrstama stijena poput granita i pješčara.

Silika sadržana u mineralima se sastoji od veoma čistog silicij dioksida u različitim kristalnim oblicima, kvarca, ahata ametista, stjenovitih kristala, kalcedona, kremena, jaspisa i opala. Kristali imaju empirijsku formulu silicij dioksida, ali se ne sastoje iz odvojenih molekula silicij dioksida na način kao kod stvrdnutog ugljik dioksida. Za razliku od njega, silika se strukturalno sastoji od čvrste mreže silicija i kisika u trodimenzionalnim kristalima, slično dijamantu. Manje čisti oblici silike formiraju prirodno staklo opsidijan. Biogena silika se javlja u strukturi diatoma, radiolaria i silikatnih spužvi.

Silicij je jedan od osnovnih sastojaka mnogi meteorita i sastojak je tektita, silikatnog minerala mogućeg porijekla sa Mjeseca ili (ako je zemaljskog porijekla) koji je možda nastao djelovanjem neuobičajene temperature i pritiska, moguće pri udaru meteorita.

Dobijanje[uredi | uredi izvor]

Elementarni silicij se ne legira u značajnim količinama sa drugim elementima, a najčešće se koristi čistoće > 95%, koji se naziva još i metalni silicij. On čini oko 20% ukupne svjetske proizvodnje elementarnog silicija, a manje od 1 do 2% ukupnog elementarnog silicija (5-10% silicija metalurške čistoće) je ikad pročišćeno do višeg stepena čistoće za upotrebu u elektronici. Silicij metalurškog stepena se komercijalno dobija reakcijom vrlo čiste silike i uglja, treseta ili drveta u elektrolučnoj peći koristeći ugljične elektrode. Pri temperaturi preko 1900°C ugljik u navedenim materijalima i silicij stupaju u hemijsku reakciju SiO2 + 2 C → Si + 2 CO. Tečni silicij se nakuplja na dnu peći, a kasnije se ispušta i hladi. Silicij dobijen na ovaj način se naziva silicij metalurške čistoće i uglavnom je 98% čist. Koristeći ovu metodu, silicij karbid (SiC) se također može dobiti ukoliko se doda prevelika količina ugljika. Ta reakcija ide na sljedeći način: SiO2 + C → SiO + CO ili SiO + 2 C → SiC + CO. Međutim, obično se koncentracija SiO2 u procesu proizvodnje drži dovoljno visokom, a silicij karbid se može odstraniti hemijskom reakcijom 2 SiC + SiO2 → 3 Si + 2 CO.

Kao što je navedeno, "metalni" silicij metalurške čistoće se najčešće koristi u prerađivačkoj industriji aluminija za izradu aluminijsko-silicijskih legura. Ostatak (oko 45%) se koristi u hemijskoj industriji, gdje se najčešće koristi za dobijanje pirogenske silike (sredstvo za zgrušnjavanje), te u proizvodnji drugih složenih hemikalija poput silana i nekih vrsta silikona.[24]

Po podacima iz septembra 2008. godine, silicij metalurške čistoće je na svjetskom tržištu koštao oko 3,20 US$/kg,[25] što je znatno više u odnosu na 2005. godine kada je cijena iznosila 1,70 US$/kg.[26]

Silicij solarnog razreda[uredi | uredi izvor]

Za proizvodnju solarnih ćelija sirovi silicij se mora dalje pročistiti do stepena takozvanog solarnog razreda (Sisg, solarni silicij). Taj proces se može odvijati pomoću Siemensovog procesa, pri čemu se prvo silicij prevodi u trihlorsilan (silikohloroform) u reaktoru za fluidiziranje pomoću gasovitog hlorovodika na temperaturi od 300–350 °C.

\mathrm{Si + 3 \ HCl \longrightarrow H_2 + HSiCl_3}

Nakon neophodnih koraka destilacije trihlorsilan u prisustvu vodika se termički razlaže pri temperaturi od 1000–1200 °C u suprotnoj reakciji od navedene na potpuno čisti silicij. Pri tome se elementarni silicij veže u vidu duguljastih valjkastih kristala. Istovremeno se iz procesa oslobađa hlorovodik koji se opet vraća u ciklus. Kao sporedni proizvod dobija se silicij tetrahlorid, koji se vraća nazad u proces i razlaže u trihlorsilan ili se sagorijeva u mlazu kisika daju pirogenu silikatnu kiselinu. Pri klasičnom Siemensovom postupku po kilogramu čistog silicija nastaje 19kg sporednih proizvoda i nečistoća. Ovaj proces je zbog višestrukih koraka destilacije energetski najzahtjevnija faza proizvodnje solarnih modula.[27]

Alternativni način gornjem postupku kojim se izbjegava upotrebe spojeva hlora predstavlja raspadanje monosilana, koji se također može dobiti iz elemenata a koji se ponovno raspada nakon nekoliko koraka prečišćavanja na zagrijanoj površini ili sprovođenjem kroz reaktor za fluidiziranje.

\mathrm{SiH_4 \longrightarrow 2 \ H_2 + Si}

Tako dobijeni polikristalni silicij (polisilicij) se pogodan za izradu solarnih modula, a čistoća mu obično iznosi preko 99,99%. U solarnoj tehnologiji kao i kod njegove primjene u mikroelektronici najkorisnije su poluprovodničke osobine silicija.

Legiranje[uredi | uredi izvor]

Legura ferosilicij

Ferosilicij, legura željeza i silicija sadrži različite odnose elementarnog silicija i željeza, čini oko 80% ukupne svjetske proizvodnje elementarnog silicija. Vodeći izvoznik i proizvođač je Kina koja godišnje proizvede oko 4,6 miliona tona (ili oko 2/3 svjetske proizvodnje) silicija, najvećim dijelom u obliku ferosilicija. Slijede je Rusija (610.000 t), Norveška (330.000 t), Brazil (240.000 t) i SAD (170.000 t).[24] Ferosilicij se najviše koristi u industriji čelika.

Legure aluminija i silicija (zvane silumin) se mnogo koriste u industriji aluminijevih legura, gdje je silicij pojedinačno najznačajniji dodatak aluminiju za poboljšavanje njegovih osobina lijevanja. Pošto se lijevani aluminij koristi u automobilskoj industriji, ovaj vid upotrebe silicij predstavlja najznačajniji način industrijskog korištenja (oko 55% ukupnog) čistog silicija metalurškog stepena (kao takav pročišćeni silicij se dodaje čistom aluminiju, dok se ferosilicij nikad ne pročišćava prije dodavanja čeliku).[28]

Spojevi[uredi | uredi izvor]

PDMS, spoj silicija
  • Silicij gradi binarne spojeve zvane silicidi sa mnogim metalnim elementima čije osobine se kreću u rasponu od reaktivnih spojeva npr. magnezij silicid, Mg2Si do vrlo teško topivih spojeva poput molibden disilicida, MoSi2.[29]
  • Silicij karbid, SiC (karborundum) je izuzetno tvrdi spoj visoke tačke topljenja, dobro poznati abraziv. Također se može sinterirati u vrstu vrlo čvrste keramike koju se koristi u tenkovskim oklopima i pancirima.
  • Silan, SiH4 je piroforni gas, slične tetrahedralne strukture kao metan, CH4. Kada je čist bez primjesa, ne reagira sa destilovanom vodom ili razblaženim kiselinama; međutim u prisustvu i najmanjih bazičnih nečistoća u laboratorijskom posuđu može dovesti do brze hidrolize.[30] Postoji cijeli niz lančanih silikatnih hidrida koji daju homolognu seriju spojeva, SinH2n+2 gdje je n = 2–8 (analogno alkanima). Oni se lahko hidroliziraju i termalno su nestabilni, naročito teži članovi niza.[31][32]
  • Disileni sadrže dvostruku silicij-silicij vezu (analogno alkenima) i općenito su više reaktivni, te da bi se stabilizirali neophodno je uvesti neku veću supstituirajuću grupu.[33] Disilini sa trostrukom silicij-silicij vezom su prvi put izolirani 2004. godine; mada su kao spoj nelinearni, vezivanje dva atoma silicija nije isto kao kod alkina.[34]
  • Tetrahalidi, SiX4 se grade sa svim halogenim elementima.[35] Silicij tetrahlorid, naprimjer, reagira sa vodom, za razliku od analognog ugljikovog spoja ugljik tetrahlorida.[36] Silicij dihalidi se formiraju na visokim temperaturama reakcijom tetrahalida i silicija; sa strukturom poput karbena i sličnim reaktivnim osobinama. Silicij difluorid se može kondenzirati u obliku polimera, (SiF2)n.[32]
  • Silicij dioksid je teško topljiva supstanca koja gradi mnogobrojne kristalne oblike. Jedan od najpoznatijih je mineral kvarc. U kvarcu svaki atom silicija je okružen sa četiri atoma kisika koji ga vežu sa drugim atomima silicija te tako formiraju trodimenzionalnu rešetku.[36] Silika je rastvorljiva u vodi na visokim temperaturama dajući široki spektar spojeva zvanih monosilikatne kiseline, Si(OH)4.[37]
  • U povoljnim uslovima monosilikatne kiseline se lahko polimeriziraju dajući mnogo kompleksnije silikatne kiseline, počev od najjednostavnijeg kondenzata disilikatne kiseline (H6Si2O7) do linearnih, trakastih, slojevitih i rešetkastih struktura koje čine bazu mnogih silikatnih minerala zvanih polisilikatne kiseline {Six(OH)4–2x}n.[37].
  • Silicij dioksid može reagirati sa oksidima drugih elemenata pri visokim temperaturama dajući razne vrste stakla različitih osobina.[38] Među primjerima poznate su vrste borosilikatnog stakla, olovno-kristalnog stakla i natron-kalk staklo.
  • Silicij sulfid, SiS2, je polimerna čvrsta supstanca (za razliku od svog ugljičnog analoga ugljik disulfida (CS2) koji je tečan na sobnoj temperaturi).[39]
  • Silicij gradi i nitride, silicij nitrid (Si3N4) je vrsta tehničke keramike.[40] Silatrani, grupa tricikličnih spojeva koji sadrže peto-koordinirani silicij, mogu imati i fiziološke osobine.[41]
  • Poznati su kompleksi mnogih prelaznih metala koji sadrže metal-silicij, uključujući komplekse koji sadrže SiHnX3−n ligande, SiX3 ligande i Si(OR)3 ligande.[41]
  • Silikoni su velika grupa polimernih spojeva koji u svom skeletu imaju Si-O-Si grupu. Primjer ovih spojeva je silikonsko ulje PDMS (polidimetilsiloksan). Ovi polimeri se mogu međusobno vezati dajući smole i elastomere.[42]
  • Poznati su mnogi organosilicijski spojevi koji sadrže jednostruku silicij-ugljik vezu. Mnogi od njih su zasnovani na centralnom tetrahedralnom atomu silicija, a neki su optički aktivni gdje postoji centralna hiralnost. Pronađeni su polimeri dugih lanaca sadrže kostur od silicija, poput polidimetilsililena (SiMe2)n.[43] Polikarbosilan, [(SiMe2)2CH2]n sa skeletom koji sadrži ponavljajuću jedinicu -Si-Si-C, je sirovina u proizvodnji silicijsko-karbidnih vlakana.[43]

Upotreba[uredi | uredi izvor]

Najveći dio proizvedenog silicija se koristi u industriji bez daljnjeg pročišćavanja do elementarnog stanja i, zapravo, uz relativno malo prerade i obrade od onog oblika silicija koji se već nalazi u prirodi. Preko 90% cjelokupne Zemljine kore je sastavljeno iz silikatnih minerala, koji su većinom spojevi silicija sa kisikom, često i sa metalnim ionima gdje naelektrisani silikatni anioni zahtijevaju katione radi uravnoteženja naboja. Mnogi od ovih spojeva ima direktnu komercijalnu upotrebu, poput gline, silikatnog pijeska i mnogih vrsta građevinskih materijala i kamenja. Zbog toga, veliki je broj način korištenja silicija za građevinske i strukturne materijale, bilo kao silikatni minerali ili kao silika (čvrsti silicij dioksid). Naprimjer, silika je važan sastojak keramičkih cigli i pločica. Silikati se koriste za pravljenje Portland cementa koji se upotrebljava u malteru i vezivom materijalu, ali još značajnija je njegova upotreba u kombinaciji sa silikatnim pijeskom i šljunkom (obično u sastavu silikatnih minerala poput granita). Ovaj materijal se široko koristi kao osnova za beton u vrlo velikim industrijskim građevinskim projektima u cijelom svijetu.[44]

Spojevi silicija imaju i dosta sofisticiranu ulogu i funkciju kao visokotehnološki abraziv i nova vrlo snažna keramika zasnovana na silicij karbidu. Silicij je također sastojak i nekih superlegura.

Naizmjenični silicij-kisik lanci sa spojenim atomima vodika na preostale veze na siliciju formiraju sveprisutne polimerne materijale zasnovane na siliciju, poznate i kao silikone. Ovi spojevi sadrže silicij-kisik a ponekad i silicij-ugljik veze, imaju sposobnost da djeluju kao vezujući spoj između stakla i organskih spojeva, kao i za formiranje polimera sa brojnim korisnim osobinama poput nepromočivosti (hidrofobni), fleksibilnosti i otpornosti na hemikalije. Silikoni se često koriste za tretiranje predmeta u zaštiti od vode, u sredstvima za oblikovanje, sredstvima za podmazivanje kalupa, mehaničkim zaptivačima, podmazivačima i voskovima za visoke radne temperature i spojeve za zatvaranje pukotina. Silikoni se ponekad koriste i kao vještački umetci za grudi, kontakne leće, za eksplozive i u pirotehnici.[45]

Čisti monokristalni silicij se koristi za proizvodnju silicijskih vafera koji se koriste u industriji poluprovodnika, u elektronici i nekim skupim ali vrlo efikasnim fotoelektričnim uređajima. U pogledu provodljivosti struje, čisti silicij je intrinsički poluprovodnik što znači, za razliku od metala, on provodi elektronske rupe i elektrone koji se mogu otpustiti iz atoma unutar kristala djelovanjem toplote, te se time povećava električna vodljivost silicija povišenjem temperature. Čisti silicij ima isuviše nisku vodljivost (tj. previsok otpor) da bi se mogao koristiti u elektronici kao element u strujnim kolima. U praksi, čisti silicij se dopira malehnim količinama određenih elemenata, procesom kojim se znatno povećavanje njegova vodljivost i podešava njegov električni odgovor kontroliranjem broja i napona aktiviranih nosioca naboja (pozitivnog ili negativnog). Takva kontrola je neophodna za tranzistore, solarne ćelije, poluprovodničke detektore i druge poluprovodničke uređaje, koji se koriste u računarskoj industriji i drugim tehničkim aplikacijama. Naprimjer, u silicijskoj fotonici, silicij se može koristiti kao medij u Ramanovom laseru za kontinuirani val pri dobijanju koherentne svjetlosti, mada on nije efikasan za svakodnevni izvor svjetlosti.

U običnim integrisanim kolima, vafer monokristalnog silicija služi kao mehanička podrška za kola, napravljena dopiranjem i izolirana jedno od drugih tankim slojem silicij dioksida, izolatora koji se vrlo lahko proizvodi izlažući element kisiku u određenim hemijskim uslovima. Silicij je vremenom postao jedan od najpopularnijih materijala za pravljenje vrlo snažnih poluprovodnika i integrisanih kola. Razlog za to je što je silicij poluprovodnik otporan na izuzetno visoke temperature i električne struje bez promjene u funkciji, otporan na fenomen lavinskog proboja (proces kada se stvara lavina elektrona putem lančanog procesa kada toplota proizvodi slobodne elektrone i rupe, koji dalje stvaraju kumulativni proces i više elektrona koji opet ubrzavaju taj proces). Osim toga, izolatorski oksid silicija nije rastvorljiv u vodi, što mu daje prednost nad germanijem (element sa sličnim osobinama koji se također koristi u poluprovodničkim uređajima) u određenim načinima tehničke proizvodnje.[46]

Reference[uredi | uredi izvor]

  1. ^ a b Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.
  2. ^ Navedene su standardne vrijednosti preporučene od IUPACa. Međutim, izotopski sastav ovog elementa može na nekim mjestima varirati, te su u zagradi navedene srednje vrijednosti raspona. Pogledajte: Michael E. Wieser, Tyler B. Coplen: Atomic weights of the elements 2009 (IUPAC Technical Report). u: Pure and Applied Chemistry. 2010, str. 1, doi:10.1351/PAC-REP-10-09-14.
  3. ^ N. N. Greenwood, A. Earnshaw: Chemie der Elemente. 1. izdanje, 1988, str. 426. ISBN 3-527-26169-9
  4. ^ Robert C. Weast (gl.ur.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. CRC (Chemical Rubber Publishing Company), Boca Raton 1990, ISBN 0-8493-0470-9, str E-129 do E-145
  5. ^ a b Yiming Zhang, Julian R. G. Evans, Shoufeng Yang: Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in Handbooks. u: Journal of Chemical & Engineering Data. 56, 2011, str. 328–337, doi:10.1021/je1011086.
  6. ^ W. Zulehner, B. Neuer, G. Rau: Silicon u Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2005 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, doi:10.1002/14356007.a23_721
  7. ^ iz Lavoisierove knjige str 218 navedeno u: Robert Kerr, (prev.), Elements of Chemistry, … , 4. izd. (Edinburgh, Škotska: William Creech, 1799). Originalni pasus u: Lavoisier, Traité Élémentaire de Chimie, … (Pariz, Francuska: Cuchet, 1789), vol. 1, str 174.)
  8. ^ Davy, Humphry (1808) "Electro chemical researches, on the decomposition of the earths; with observations on the metals obtained from the alkaline earths, and on the amalgam procured from ammonia," Philosophical Transactions of the Royal Society [of London], 98 : 333–370.
  9. ^ Gay-Lussac i Thenard, Recherches physico-chimiques … (Paris, France: Deterville, 1811), vol. 1, str. 313–314 ; vol. 2, str. 55–65.
  10. ^ Thomas Thomson, A System of Chemistry in Four Volumes, 5. izd. (London, Engleska: Baldwin, Cradock, i Joy, 1817), vol. 1. str. 252
  11. ^ Vidi: Berzelius, J. (1824) "Undersökning af flusspatssyran och dess märkvärdigaste föreningar", Kongliga Vetenskaps-Academiens Handlingar, 12 : 46–98.
  12. ^ Weeks, Mary Elvira (1932). "The discovery of the elements: XII. Other elements isolated with the aid of potassium and sodium: beryllium, boron, silicon, and aluminum". Journal of Chemical Education 9 (8): 1386–1412. doi:10.1021/ed009p1386
  13. ^ Voronkov, M. G. (2007). "Silicon era". Russian Journal of Applied Chemistry 80 (12). doi:10.1134/S1070427207120397
  14. ^ Vidi: Henri Sainte-Claire Deville (1854) "Note sur deux procédés de préparation de l'aluminium et sur une nouvelle forme du silicium", Comptes rendus, 39 : 321–326.
  15. ^ Vidi: H. Sainte-Claire Deville (1855) "Du silicium et du titane", Comptes rendus, 40 : 1034–1036.
  16. ^ Information on silicon – history, thermodynamic, chemical, physical and electronic properties: Etacude.com. Elements.etacude.com. Pristupljeno dana 7.8.2011.
  17. ^ Silicon: History. Nautilus.fis.uc.pt. Pristupljeno dana 7.8.2011.
  18. ^ O'Mara, William C. (1990). Handbook of Semiconductor Silicon Technology, 349–352, William Andrew Inc. ISBN 0-8155-1237-6.
  19. ^ Hull, Robert (1999). "Properties of crystalline silicon". ISBN 978-0-85296-933-5
  20. ^ a b c d e f g Alejandro A. Sonzogni (2008). Chart of Nuclides. National Nuclear Data Center, Brookhaven National Laboratory. Učitano: 13.9.2008.
  21. ^ Jerschow, Alexej. Interactive NMR Frequency Map. New York University. Učitano: 20.10.2011.
  22. ^ Geological Survey (SAD) (1975). Geological Survey professional paper.
  23. ^ Anderson, Don L. (2007) New Theory of the Earth. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-84959-3, ISBN 0-521-84959-4
  24. ^ a b Silicon Commodities Report 2011. USGS. Učitano: 20.10.2011.
  25. ^ Metallurgical silicon could become a rare commodity – just how quickly that happens depends to a certain extent on the current financial crisis. Photon International. Učitano: 4.3.2009.
  26. ^ Silicon. Učitano: 20.2.2008.
  27. ^ Nicole Vormann; Murphy&Spitz (januar 2010). Studie: Nachhaltigkeit und Social Responsibility in der Photovoltaik-Industrie. Učitano: 4.3.2010.
  28. ^ Apelian, D. (2009) Aluminum Cast Alloys: Enabling Tools for Improved Performance. North American Die Casting Association, Wheeling, Illinois.
  29. ^ Greenwood 1997, str. 335–337.
  30. ^ Greenwood 1997, str. 339.
  31. ^ Greenwood 1997, str. 337.
  32. ^ a b Holleman, Arnold F.; Wiberg, Nils (2007). Lehrbuch der anorganischen Chemie, 102. izd., de Gruyter; Berlin ISBN 3-11-017770-6.
  33. ^ Stone, F. G.; West, Robert (1996) Multiply Bonded Main Group Metals and Metalloids, Academic Press, ISBN 0-12-031139-9, str. 255
  34. ^ Sekiguchi, A, et.al. (2004). "A stable compound containing a silicon-silicon triple bond". Science 305 (5691): 1755–7. doi:10.1126/science.1102209
  35. ^ Greenwood 1997, str. 340–341.
  36. ^ a b Greenwood 1997, str. 342.
  37. ^ a b Greenwood 1997, str. 346.
  38. ^ Greenwood 1997, str. 344.
  39. ^ Greenwood 1997, str. 359–360.
  40. ^ Greenwood 1997, str. 360.
  41. ^ a b Lickiss, Paul D. (1994). Inorganic Compounds of Silicon, in Encyclopedia of Inorganic Chemistry, 3770–3805, John Wiley & Sons ISBN 0-471-93620-0.
  42. ^ Greenwood 1997, str. 364–365.
  43. ^ a b Mark, James. E (2005). Inorganic polymers, 200–245, Oxford University Press ISBN 0-19-513119-3.
  44. ^ Greenwood 1997, str. 356.
  45. ^ Koch, E.C.; Clement D. (2007). "Special Materials in Pyrotechnics: VI. Silicon – An Old Fuel with New Perspectives". Propellants, Explosives, Pyrotechnics 32 (3): 205. doi:10.1002/prep.200700021
  46. ^ Semiconductors Without the Quantum Physics. Electropaedia

Literatura[uredi | uredi izvor]

  • Greenwood, Norman N (1997). Chemistry of the Elements, 2. izd., Butterworth-Heinemann, Oxford ISBN 0-08-037941-9.
Commons logo
U Wikimedijinom spremniku se nalazi još materijala vezanih uz: