Սիլիցիում

14 Ալյումին ← Սիլիցիում → Ֆոսֆոր Քիմիական տարրերի պարբերական համակարգ 14Si
Պարզ նյութի արտաքին տեսք
Շականակագույն, ամորֆ փոշի, մետաղական փայլով, մոխրագույն, դժվարահալ և կարծր նյութ է։
Ատոմի հատկություններ
Անվանում, սիմվոլ, կարգաթիվ	Սիլիցիում / Silicium (Si), Si, 14
Խումբ, պարբերություն, բլոկ	, 3,
Ատոմային զանգված (մոլային զանգված)	[28,084; 28,086] զ. ա. մ. (գ/մոլ)
Էլեկտրոնային կոնֆիգուրացիա	[Ne] 3s2 3p2; [Ne] 3s 3p3
Ատոմի շառավիղ	132 պմ
Քիմիական հատկություններ
Կովալենտ շառավիղ	111 պմ
Իոնի շառավիղ	42 (+4e) 271 (-4e) պմ
Էլեկտրաբացասականություն	1,90 (Պոլինգի սանդղակ)
Էլեկտրոդային պոտենցիալ	0
Օքսիդացման աստիճաններ	+4, +2, 0, −4
Իոնացման էներգիա (առաջին էլեկտրոն)	786,0 (8,15) կՋ/մոլ (էՎ)
Պարզ նյութի թերմոդինամիկական հատկություններ
Հալման ջերմաստիճան	1414,85 °C (1688 K)
Եռման ջերմաստիճան	2349,85 °C (2623 K)
Հալման տեսակարար ջերմունակություն	50,6 կՋ/մոլ
Մոլյար ջերմունակություն	20,16 Ջ/(Կ·մոլ)
Մոլային ծավալ	12,1 սմ³/մոլ
Պարզ նյութի բյուրեղային ցանց
Բյուրեղացանցի կառուցվածք	խորանարդ, ադամանդ
Բյուրեղացանցի տվյալներ	5,4307
Դեբայի ջերմաստիճան	645±5 Կ
Այլ հատկություններ
Ջերմահաղորդականություն	(300 Կ) 149 Վտ/(մ·Կ)
CAS համար	CAS գրանցման համար?

14	Սիլիցիում
Si 28,086
3s23p2

Սիլիցիում, գտնվում է տարրերի պարբերական համակարգի 4-րդ խմբի գլխավոր ենթախմբում (3րդ պարբերություն), քիմիական նշանն է Si և ատոմային թիվը՝ 14։ Արտաքին էլեկտրոնային շերտում ունի 4 վալենտային էլեկտրոն՝ ns²np² վիճակում։ Բնորոշ են -4, +2, +4 օքսիդացման աստիճաններ։

Բնական սիլիցիումը բաղկացած է ²⁸Si (92,27 %), ²⁹Si (4,68 %) և ³⁰Si (3,05 %) կայուն իզոտոպներից։ Ստացվել են ²⁷Si (T_½ = 4,5 վրկ), ³¹Si (T_½ = 262 ժ) և ³²Si (T_½ = 700 տարի) արհեստական ռադիոակտիվ իզոտոպները։ Սիլիցիումի միացությունները, որոնք չափազանց շատ են տարածված երկրի վրա, մարդն օգտագործել է դեռ քարի դարում (քարե գործիքներ)։

Պատմություն

Սիլիցիումը հայտնաբերել են ֆրանսիացի քիմիկոսներ Ժ․ Գեյ-Լյուսակը և Լ․ Թենարը (1811), անջատել և նոր տարր լինելը հաստատել է Ի․ Բերցելիուսը (1825)։ Սիլիցիումը ամենատարածված տարրերից է՝ կազմում է երկրակեղևի զանգվածի 29,5 %-ը (տարածվածությամբ երկրորդն է, թթվածնից հետո)։ Մաքուր վիճակում առաջին անգամ հայտնաբերվել է 1811 թվականին ֆրանսիացի գիտնական Ժոզեֆ Լուի Գեյ-Լյուսակի և Լուի Ժակ Թենարի կողմից։

Անվան ծագում

1825 թվականին շվեդ քիմիկոս Յակոբ Բերցելյուսի ազդելով մետաղական կալիումով սիլիցիումի ֆտորիդի վրա SiF₄ ստացավ մաքուր սիլիցիում։ Նոր ստացված տարրն վաղուց անվանել էին «սիլիցիում» (լատին․՝ silex - կայծքար)։ Թարգմանաբար հին հունարեն՝ κρημνός - «ժայռ, լեռ»։

Բնության մեջ

Թթվածնից հետո սիլիցիումը բնության մեջ ամենատարածված էլեմենտն է։ Նա կազմում է երկրի կեղևի կշռի 1/4 մասը և այնպիսի կարևոր դեր է խաղում անկենդան աշխարհում, որպիսին ածխածինը կենդանի բնության մեջ։ Ի տարբերությոն ածխածնի, սիլիցիումը բնության մեջ ազատ վիճակում չի հանդիպում։ Նրա բազմաթիվ միացությունները կազմում են լեռնատեսակների (գրանիտներ, գնեյսներ, բազալտներ) և հանքերի հսկայական մեծամասնությունը (կվարց, դաշտաշպատներ, փայլար և այլն)։ Ավազը և կավը, որոնք կազմում են հողի հանքային մասը, նույնպես սիլիցիումի միացություններ են հանդիսանում։ Ծովի ջրերում կոնցենտրացիան հավասար է 3 մգ/լ։

Կենդանի օրգանիզմներում սիլիցիումի պարունակությունը փոքր է, գտնվում է հիմնականում կարծր հյուսվածքներում։ Կուտակվում է ծովային որոշ բույսերում (դիատոմային ջրիմուռներ) և կենդանիներում (սիլիցիումեղջրային սպունգներ, ճառագայթավորներ), պարունակվում է նաև երիկամներում, ենթաստամոքսային գեղձում, հացահատիկային բույսերի ցողուններում։ Մարդու մեկ օրվա սնունդը պարունակում է մինչև 1 գ սիլիցիում։ Սիլիկահողի փոշու մեծ պարունակությունն օդում վտանգավոր է՝ առաջացնում է սիլիկոզ։

Ստացում

Տեխնիկական սիլիցիումը (95-98 %) ստանում են քվարցը էլեկտրական վառարաններում ածխածնով վերականգնելով։ Ստացված սիլիցումը լվանում են աղաթթվի և ծծմբական թթվի, ապա ֆտորաջրածնական և ծծմբական թթուների խառնուրդներով։ Ստացվում է մաքուր սիլիցիում (99,98 %), որը մշակում են քլորով (քլորիդները թորում են, վերականգնում ջրածնով)։ Վերջնական մաքրումն իրականացնում են Չոխրալսկու և զոնային հալման եղանակով։

Բյուրեղային սիլիցիում

Ստացվում են հատուկ մաքրության միաբյուրեղներ, որոնց ρ≥10³ օհմ-սմ (խառնուրդների պարունակությունը 10⁻⁵-10⁻⁶ % է)։

«Սիլիցիումը ստանում են՝ բարձր ջերմաստիճանում փոխազդեցության մեջ դնելով կվարցային ավազը մագնեզիումի հետ.

$~{\mathsf {SiO_{2}+2Mg\ \rightarrow \ 2MgO+Si}}$

Այդպես է ստացվում շագանակագույն փոշի ամորֆ սիլիցիում»։

Սիլիցիումը ստանում են էլեկտրական վառարաններում, բարձր ջերմաստիճաններում սիլիցիումի դիօքսիդը (ավազը) ածուխով վերականգնելով՝

$~{\mathsf {SiO_{2}+2C\rightarrow \ 2CO+Si}}$

Առավել մաքուր սիլիցիում ստանում են սիլիցիումի քլորիդի և ցինկի գոլորշիների փոխազդեցության միջոցով.

$~{\mathsf {SiCl_{4}+2Zn\rightarrow \ Si+2ZnCl_{2}}}$

Ֆիզիկական հատկություններ

Սիլիցիումի բյուրեղացանցի կառուցվածքը

Սիլիցիումը մուգ մոխրագույն, բյուրեղական նյութ է, թույլ մետաղական փայլով, հալ․ ջերմաստիճանը՝ 1415 °C, եռմանը՝ 3250 °C, խտությունը՝ 2328 կգ/մ³։ Կիսահաղորդիչ է, էլեկտրա- և ջերմահաղորդականությունը կախված է մաքրության աստիճանից։ Սիլիցիումի սեփական ծավալային տեսակարար էլեկտրադիմադրությունը 2,3•10³ օհմ է, խառնուրդներ պարունակողինը՝ շատ ավելի փոքր։

Դիամագնիսական է, բարձր ճնշումների (120-150 կբար) տակ առաջանում է սիլիցիումի մետաղական ձևափոխությունը, որը գերհաղորդիչ է (անցման կետը 6,7 K)։ Հայտնի է նաև ամորֆ ձևափոխությունը։ Սիլիցիումը p-տարր է, ատոմի էլեկտրոնային թաղանթների կառուցվածքն է 1s² 2s² 2p⁶3s² Зр²։ Միացություններում քառարժեք է, կոորդինացիոն թիվը՝ 4 կամ 6։ Քիմիական կապերն իրականացվում են sp³ հիբրիդային օրբիտալների միջոցով, երբեմն մասնակցում են նաև դատարկ 3 d օրբիտալներից երկուսը։

Փոքր էլեկտրաբացասականություն (1,5) ունեցող ոչ մետաղ է։

Բյուրեղային սիլիցիումը որոշ նմանություն ունի մետաղների հետ․ նա ունի փայլ և էլէկտրահաղորդականություն․ սակայն թթուների հետ այն չի փոխազդում։ Մանրացված սիլիցիումը զգալի չափով տաքացնելիս օդի մեջ բռնկվում է, գոյացնելով սիլիցիումի դիօքսիդ (SiO2)՝

$~{\mathsf {Si+O_{2}\rightarrow \ SiO_{2}}}$

Քիմիական հատկություններ

Սովորական պայմաններում քիմիապես պասիվ է (միանում է միայն ֆտորի հետ)։ Կայուն է թթուների նկատմամբ, լուծվում է ֆտորջրածնական և ազոտական թթուների խառնուրդում, հեշտությամբ՝ ալկալիների տաք լուծույթներում

$~{\mathsf {Si+2NaOH+2H_{2}O\ \rightarrow \ Na_{2}SiO_{3}+2H_{2}\uparrow }}$

Ջրածնի հետ անմիջականորեն չի միանում, սիլաններն ստացվում են սիլիցիդներից։ Սիիցիումը օդում պատվում է օքսիդի պաշտպանիչ շերտով։ 400 °C-ից բարձր տաքացնելիս օքսիդանում է թթվածնում, առաջացնելով սիլիցիումի երկօքսիդ՝ Si0₂։ Si-Օ կապը (իոնական է 50 %-ով) չափազանց ամուր է։ Սիլիցիումի երկօքսիդի հիդրատները՝ սիլիկաթթուները, ջրում վատ լուծվող, թույլ թթուներ են։ Պարզագույնը՝ H₂Si0₃ մետասիլիկաթթուն է։ Սիլիցիումի երկօքսիդը, սիլիկաթթուները և նրանց աղերը անօրգանական պոլիմերներ են, որոնցում սիլիցիումի ատոմները իրար են միացած թթվածնի ատոմների միջոցով։

${\rm {Si+2HNO_{3}=SiO_{2}+NO+NO_{2}+H_{2}O}}$

${\rm {SiO_{2}+4HF=SiF_{4}+2H_{2}O}}$

${\rm {3SiF_{4}+3H_{2}O=2H_{2}SiF_{6}+H_{2}SiO_{3}\downarrow }}$

Բարձր ջերմաստիճաններում ստացվում է SiO բաղադրության օքսիդ, որը կայուն է գազային ֆազում։ Սիլիցիումը միանում է ֆտորի հետ սենյակային պայմաններում, մյուս հալոգենների հետ՝ տաքացնելիս, առա ջացնելով հալոգենիդներ։ SiF₄ գազ է, SiCl₄-ը, SiBr₄-ը՝ հեղուկներ, ՏH₄-ը՝ պինդ, որոնք հիդրոլիզվում են (ստացվում է Si0₂ և հալոգենաջրածին, ջրի հետ SiF₄ փոխազդելիս առաջացնում է H₂SiF₆)։

Սիլիցիումը քլորի հետ առաջացնում է նաև Si_nCl_2n+2 (ո=1-6) քլորիդներ, մյուս հալոգենների հետ՝ Si₂X₆ ։ SiCl₄-ն օգտագործվում է քսայուղերի, էլեկտրամեկուսիչների, ջերմակիր և այլ նյութերի ար տադրության համար։ Տաքացնելիս սիլիցիումը միանում է ազոտի (1000 °C), ֆոսֆորի (1200 °C), ածխածնի (1300 °C) և այլ ոչ մետաղների հետ։

$~{\mathsf {Ca_{2}Si+4HCl\ \rightarrow \ 2CaCl_{2}+SiH_{4}\uparrow }}$

Սիլիցիումի կարբիդը և բորիդները՝ SiB₃, SiB₆, SiBi₂, բարձր կայունության, կարծր նյութեր են։ Կատալիզատորների առկայությամբ սիլիցիումը փոխազդում է քլորօրգանական միացությունների հետ՝ առաջացնելով սիլիցիում օրգանական միացություններ՝ սիլիցիումը լուծվում է հեղուկ մետաղներում, որոնց մեծ մասի հետ առաջացնում է սիլիցիդներ կամ տեղակալման պինդ լուծույթներ։

Օգտագործում

Սիլիցիումի գերմաքուր կտոր։

Կիսահաղորդչային սիլիցիումը լեգիրացնում են անհրաժեշտ խառնուրդներով (սովորաբար միաբյուրեղը ձգելիս) և օգտագործում ջերմաէլեկտրական, ռադիո-լուսատեխնիկական սարքեր, ուղղիչներ և փոխարկիչներ պատրաստելու համար։ Սիլիցիումի փոշուց ստանում են համաձուլվածքներ, սիլիցիդներ և սիլիցիումի կարբիդ։

Տեխնիկական սիլիցիումը և նրա համաձուլվածքները երկաթի հետ օգտագործում են որպես թթվածնազրկողներ և լեգիրացնող հավելանյութեր։ Սիլիցիումը գործադրվում է համաձուլվածքների արտադրության մեջ։ 4% սիլիցիում պարունակող պողպատը օգտագործվում է էլեկտրական տրանսֆորմատորներ պատրաստելու համար։ Ավելի մեծ տոկոս (15% և ավելի) սիլիցիում պարունակող պողպատը թթվակայուն է և կիրառվում է քիմիական ապարատներ պատրաստելու համար։

Սիլիցիումի միացությունը ածխածնի հետ, սիլիցիումի կարբիդը (SiC), կոչվում է կարբորունդ։ Այն իր կարծրությամբ մոտենում է ալմաստին և դրա համար էլ օգտագործվում է հեսանաքարեր, հղկող շրջանակներ պատրաստելու և այլ, այսպես կոչված, հղկման նյոթերի համար։

Տեսեք նաև

• Պարբերական աղյուսակ
• Տրանզիստոր

Գրականություն

• Յու․ Վ․ Խոդակով, Լ․ Ա․ Ցվետկով և ուրիշներ։ «Քիմիա», Երևան, 1961։
• Самсонов. Г. В. Силициды и их использование в технике. — Киев, Изд-во АН УССР, 1959. — 204 с. с илл.
• Greenwood, Norman N; Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements (2 ed.). Oxford: Butterworth-Heinemann. ISBN 0-08-037941-9.

Արտաքին հղումներ

• Սիլիցիումը Webelements-ում
• Սիլիցիումը քիմիական տարրերի հայտնի գրադարանում
• Silicon at The Periodic Table of Videos (University of Nottingham)
• Mineral.Galleries.com – Silicon Արխիվացված 2008-10-16 Wayback Machine
• WebElements.com – Silicon
• CDC – NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards
• New Semiconductor Materials - Ioffe Physicotechnical Institute St. Petersburg, Russia