Սիլիցիում

Վիքիպեդիայից՝ ազատ հանրագիտարանից
14 ԱլյումինՍիլիցիումՖոսֆոր
Ջրածին Հելիում Լիթիում Բերիլիում Բորр Ածխածին Ազոտ Թթվածին Ֆտոր Նեոն Նատրիում Մագնեզիում Ալյումին Սիլիցիում Ֆոսֆոր Ծծումբ Քլոր Արգոն Կալիում Կալցիում Սկանդիում Տիտան Վանադիում Քրոմ Մանգան Երկաթ Կոբալտ Նիկել Պղինձ Ցինկ Գալիում Գերմանիում Արսեն Սելեն Բրոմ Կրիպտոն Ռուբիդիում Ստրոնցիում Իտրիում Ցիրկոնիում Նիոբիում Մոլիբդեն Տեխնեցիում Ռութենիում Ռոդիում Պալադիում Արծաթ Կադմիում Ինդիում Անագ Ծարիր Թելուր Յոդ Քսենոն Ցեզիում Բարիում Լանթան Ցերիում Պրազեոդիում Նեոդիում Պրոմեթիում Սամարիում Եվրոպիում Գադոլինիում Տերբիում Դիսպրոզիում Հոլմիում Էրբիում Թուլիում Իտերբիում Լյուտեցիում Հաֆնիում Տանտալ Վոլֆրամ Ռենիում Օսմիում Իրիդիում Պլատին Ոսի Սնդիկ Թալիում Կապար Բիսմունտ Պոլոնիում Աստատ Ռադոն Ֆրանցիում Ռադիում Ակտինիում Թորիում Պրոտակտիում Ուրան Նեպտունիում Պլուտոնիում Ամերիցիում Կյուրիում Բերկլիում Կալիֆորնիում Էյնշտեյնիում Ֆերմիում Մենդելեևիում Նոբելիում Լոուրենցիում Ռեզերֆորդիում Դուբնիում Սիբորգիում Բորիում Հասիում Մեյտներիում Դարմշտադտիում Ռենտգենիում Կոպերնիցիում Ունունտրիում Ֆլերովիում Ունունպենտիում Լիվերմորիում Ունունսեպտիում ՈւնունօկտիումՔիմիական տարրերի պարբերական համակարգ
14Si
Unknown.svg
Electron shell 014 Silicon.svg
Պարզ նյութի արտաքին տեսք
Կիսաբյուրեղային սիլիցիում(99,9 %)
Շականակագույն, ամորֆ փոշի,
մետաղական փայլով, մոխրագույն, դժվարահալ և կարծր նյութ է։
Silicon Spectra.jpg
Ատոմի հատկություններ
Անվանում, սիմվոլ, կարգաթիվ Սիլիցիում / Silicium (Si), 14
Ատոմային զանգված
(մոլային զանգված)
[28,084; 28,086][1] զ. ա. մ. (գ/մոլ)
Էլեկտրոնային կոնֆիգուրացիա [Ne] 3s2 3p2; [Ne] 3s 3p3
Ատոմի շառավիղ 132 պմ
Քիմիական հատկություններ
Կովալենտային շառավիղ 111 պմ
Իոնի շառավիղ 42 (+4e) 271 (-4e) պմ
Էլեկտրաբացասականություն 1,90 (Պոլինգի սանդղակ)
Էլեկտրոդային պոտենցիալ 0
Օքսիդացման աստիճաններ +4, +2, 0, −4
Իոնիզացման էներգիա
(առաջին էլեկտրոն)
 786,0 (8,15) կՋ/մոլ (էՎ)
Պարզ նյութի թերմոդինամիկական հատկություններ
Խտություն (ս. պ.-ում) 2,33 գ/սմ³
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[2] Ջ/(Կ·մոլ)
Մոլային ծավալ 12,1 սմ³/մոլ
Պարզ նյութի բյուրեղացանց
Բյուրեղացանցի կառուցվածք խորանարդ, ադամանդ
Բյուրեղացանցի տվյալներ 5,4307
Դեբայի ջերմաստիճան 645±5[3] Կ
Այլ հատկություններ
Ջերմահաղորդականություն (300 Կ) 149 Վտ/(մ·Կ)
14
Սիլիցիում
Si
28,086
3s23p2


Սիլիցիում գտնվում է տարրերի պարբերական համակարգի 4-րդ խմբի գլխավոր ենթախմբում, որի 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 (T½ = 4,5 վրկ), 31Si (T½ = 262 ժ) և 32Si (T½ = 700 տարի) արհեստական ռադիոակտիվ իզոտոպները։ Սիլիցիումի միացությունները, որոնք չափազանց շատ են տարածված երկրի վրա, մարդն օգտագործել է դեռ քարի դարում (քարե գործիքներ)։

Պատմություն[խմբագրել]

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[խմբագրել]

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

Բնության մեջ[խմբագրել]

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[4]:

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 մինչե 1 գ սիլիցիում։ Սիլիկահողի փոշու մեծ պարունակությունն օդում վտանգավոր է՝ առաջացնում է սիլիկոզ։

Ստացում[խմբագրել]

Տեխնիական 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 քվարցային ավազը մագնեզիումի հետ.

~\mathsf{SiO_2+2Mg \ \rightarrow \ 2MgO+Si}
Այդպես է ստացվում շականակագույն փոշի ամորֆ սիլիցիում»[5]:

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[խմբագրել]

Սիլիղիումի 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[խմբագրել]

Quartz, Tibet.jpg

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_2O \ \rightarrow \ Na_2SiO_3 + 2H_2 \uparrow  }
SiliconCroda.jpg

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_2O
\rm SiO_2 + 4HF = SiF_4 + 2H_2O
\rm 3SiF_4 + 3H_2O = 2H_2 SiF_6 + H_2SiO_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 SinCl2n+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_2Si + 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[խմբագրել]

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[խմբագրել]

Ծանոթագրություններ[խմբագրել]

  1. Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O’Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu. Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (en) // Pure and Applied Chemistry. — 2013. — Т. 85. — № 5. — С. 1047-1078. — doi:10.1351/PAC-REP-13-03-02
  2. Химическая энциклопедия: в 5-ти тт. / Редкол.:Кнунянц И. Л. (гл. ред.). — Москва: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2. — С. 508. — 671 с. — 100 000 экз.
  3. При температуре 0 К. Баранский П. И., Клочков В. П., Потыкевич И. В. Полупроводниковая электроника. Справочник. - Киев, «Наукова думка», 1975 г. 704 с. ил.
  4. J.P. Riley and Skirrow G. Chemical Oceanography V. 1, 1965
  5. Глинка Н.Л. Общая химия. — 24-е изд., испр. — Л.: Химия, 1985. — С. 492. — 702 с.

Գրականություն[խմբագրել]

  • 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 տպ.). Oxford: Butterworth-Heinemann. ISBN 0-08-037941-9. 

Արտաքին հղումներ[խմբագրել]