Silicijum

Iz Vikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na navigaciju Idi na pretragu
Silicijum
SiliconCroda.jpg
Opšta svojstva
Ime, simbolsilicijum, Si
Izgledkristalan, reflektivan sa plavičastim licima
U periodnom sistemu
Vodonik Helijum
Litijum Berilijum Bor Ugljenik Azot Kiseonik Fluor Neon
Natrijum Magnezijum Aluminijum Silicijum Fosfor Sumpor Hlor Argon
Kalijum Kalcijum Skandijum Titanijum Vanadijum Hrom Mangan Gvožđe Kobalt Nikl Bakar Cink Galijum Germanijum Arsen Selen Brom Kripton
Rubidijum Stroncijum Itrijum Cirkonijum Niobijum Molibden Tehnecijum Rutenijum Rodijum Paladijum Srebro Kadmijum Indijum Kalaj Antimon Telur Jod Ksenon
Cezijum Barijum Lantan Cerijum Prazeodijum Neodijum Prometijum Samarijum Evropijum Gadolinijum Terbijum Disprozijum Holmijum Erbijum Tulijum Iterbijum Lutecijum Hafnijum Tantal Volfram Renijum Osmijum Iridijum Platina Zlato Živa Talijum Olovo Bizmut Polonijum Astat Radon
Francijum Radijum Aktinijum Torijum Protaktinijum Uranijum Neptunijum Plutonijum Americijum Kirijum Berklijum Kalifornijum Ajnštajnijum Fermijum Mendeljevijum Nobelijum Lorencijum Raderfordijum Dubnijum Siborgijum Borijum Hasijum Majtnerijum Darmštatijum Rendgenijum Kopernicijum Nihonijum Flerovijum Moskovijum Livermorijum Tenesin Oganeson
C

Si

Ge
aluminijumsilicijumfosfor
Atomski broj (Z)14
Grupa, periodagrupa 14 (ugljenikova grupa), perioda 3
Blokp-blok
Kategorija  metaloid
Rel. at. masa (Ar)[28,084, 28,086] konvencionalna: 28,085
El. konfiguracija[Ne] 3s2 3p2
po ljuskama
2, 8, 4
Fizička svojstva
Agregatno stanjesolid
Tačka topljenja1687 K ​(1414 °‍C, ​2577 °F)
Tačka ključanja3538 K ​(3265 °‍C, ​5909 °F)
Gustina pri s.t.2,3290 g/cm3
tečno st., na t.t.2,57 g/cm3
Toplota fuzije50,21 kJ/mol
Toplota isparavanja383 kJ/mol
Mol. topl. kapacitet19,789 J/(mol·K)
Napon pare
P (Pa) 100 101 102
na T (K) 1908 2102 2339
P (Pa) 103 104 105
na T (K) 2636 3021 3537
Atomska svojstva
Oksidaciona stanja4, 3, 2, 1'"`UNIQ−−ref−00000007−QINU`"' −1, −2, −3, −4
(amfoterni oksid)
Elektronegativnost1,90
Energije jonizacije1: 786,5 kJ/mol
2: 1577,1 kJ/mol
3: 3231,6 kJ/mol
(ostale)
Atomski radijus111 pm
Kovalentni radijus111 pm
Valsov radijus210 pm
Linije boje u spektralnom rasponu
Ostalo
Kristalna strukturapostraničnocentr. dijamantska kubična
Diamond cubic kristalna struktura za silicijum
Brzina zvuka tanak štap8433 m/s (na 20 °‍C)
Topl. širenje2,6 µm/(m·K) (na 25 °‍C)
Topl. vodljivost149 W/(m·K)
Električna otpornost2,3×103 Ω·m (na 20 °‍C)[2]
Energetska praznina1,12 eV (na 300 K)
Magnetni rasporeddijamagnetičan[3]
Magnetna susceptibilnost (χmol)−3,9·10−6 cm3/mol (298 K)[4]
Jangov modul130–188 GPa[5]
Modul smicanja51–80 GPa[5]
Modul stišljivosti97,6 GPa[5]
Poasonov koeficijent0,064–0,28[5]
Mosova tvrdoća6,5
CAS broj7440-21-3
Istorija
Imenovanjeiz latinskog silex ili silicis, sa značenjem kremen
PredviđanjeAntoan Lavoazje (1787)
Otkriće i prva izolacijaJakob Bercelijus[6][7] (1823)
Imenovanje i eponimTomas Tomson (1817)
Glavni izotopi
izo RA poluživot (t1/2) TR PR
28Si 92,2% stabilni
29Si 4,7% stabilni
30Si 3,1% stabilni
31Si tragovi 2,62 h β 31P
32Si tragovi 153 y β 32P
referenceVikipodaci

Silicijum (Si, lat. silicium) metaloid je IVA grupe.[8] Stabilni izotopi silicijuma su:28Si, 29Si i 30Si.[9] Najvažnija jedinjenja silicijuma su: oksid silicijuma, koji je glavni sastojak peska i stakla; kiseline silicijuma H2nSimO2m+n, kao i njihove soli, hlorosilikati i alkosilikati. Silicijum se takođe dosta koristi u elektro industriji.

Silicijum je drugi element po zastupljenosti(odmah posle kiseonika) na Zemlji. Silicijum slično ugljeniku gradi lance silicijum-silicijum, silicijum-kiseonik-silicijum i silicijum-azot-silicijum. Postoji dosta brojna (oko 300 000) grupa takvih jedinjenja, ipak ima ih dosta manje nego ugljenikovih jedinjenja. Značaj silicijuma za žive organizme ipak nije veliki. Njega neki organizmi koriste za građenje ćelijskog zida, a značajan je kao i sastojak nekoliko enzima.

Silicijum je 1822. godine izdvojio Jons Beželius iz SiO2(koji je tada smatran za hemijski element), pretvarajući ga fluorovodoničnom kiselinom (HF) u SiF4 i redukujući ga kalijumom. Rasprostranjenost silicijuma na Zemlji je dosta velika 26,95% i on je drugi element po rasprostranjenosti (odmah posle kiseonika). Kao što ugljenik ima najvažniju ulogu u organskom svetu takvu ulogu silicijum ima u neorganskom, jer SiO2 u raznim oblicima (kvarc, pesak, kristobalit) kao i minerali silikati i alumosilikati čine većinu stena koje grade zemljinu koru.

Istorija[uredi]

Antoan Lavoazje je bio prvi naučnik koji je 1787. godine primetio da je silika mogući oksid nekog, do tada još neotkrivenog, hemijskog elementa.[10] Nakon što je pokušao da iz silike izoluje čisti silicijum, Hamfri Dejvi je 1808. godine predložio ime silicium za novi element, naziv izveden iz latinskog silex, silicis u značenju kremen i nastavka -ium, jer je verovao da se radi o metalu.[11] Smatra se da su Ge-Lisak i Tenard 1811. godine dobili, nepotpuno čisti, amorfni silicijum, tako što su zagrejavali, tada novootkriveni, metal kalijum uz dodatak silicijum tetrafluorida, međutim proizvod te reakcije nisu u dovoljnoj meri izdvojili i prečistili, niti su mu odredili osobine, ne znajući da se radi o novom elementu.[12] Današnje ime silicijumu je dao škotski hemičar Tomas Tomson 1817. godine. On je zadržao deo imena koji je dao Dejvi, ali je umesto dodatka -ium dodao -on (engl. silicon), jer je verovao da je silicijum nemetal sličan boru (engl. boron) ili ugljenik (engl. carbon).[13]

Bercelijus je 1823. godine dobio amorfni silicijum koristeći sličnu metodu kao Ge-Lisak (metal kalijum i kalijum-fluorosilikat), ali je proizvod reakcije prečistio ispirajući ga konstantno te dobio smeđi prah.[14] Zbog toga, danas se u literaturi vrlo često može pronaći da je on otkrio elementarni silicijum.[15][16] Silicijum, u svom mnogo više uobičajenom kristalnom obliku nije dobijen tokom naredne 31 godine, sve dok ga nije pronašao Devil. On je 1854. godine pokušao da dobije metalni aluminijum iz aluminijum hlorida, a koji je bio znatno onečišćen silicijum hloridom. Devil je koristio dva metoda za dobijanje aluminijuma: zagrejavanje aluminijum hlorida uz prisustvo natrijuma u intertnoj atmosferi (vodonika); te topljenje aluminijum hlorida sa natrijum hloridom i elektrolizom te mešavine. U oba slučaja nastajao je čisti silicijum. On se rastvarao u istopljenom aluminijumu, ali se nakon njegovog hlađenja kristalizirao. Rastvaranjem čvrstog aluminijuma u hlorovodoničnoj kiselini pojavljivale su se ljuskice kristalnog silicijuma.[17] Na kraju, Devil je dobio kristalni silicijum zagrevajući hlorid ili fluorid silicijuma sa metalnim natrijumom, izolovao amorfni silicijum, istopio taj amorfni oblik sa soli i zagrejao mešavinu dok sva so nije isparila.[18][19] Pomoću elektrolize nečistog natrijum aluminijim hlorida koji sadrži oko 10% silicijuma, on je uspeo 1854. godine da dobije relativno čisti alotrop silicijuma.[20] Kasnije, pronađene su i razvijene mnogo jeftinije metode za izolovanje silicijuma u nekoliko alotropskih modifikacija, a jedna od najnovijih je silicen.

Pošto je silicijum jedan od vrlo važnih elemenata u industriji poluprovodnika i uređaja visoke tehnologije, mnoga mesta na svetu nose njegovo ime. Jedan od poznatijih primera je Silicijumska 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 mesta koja imaju određenu vezu s industrijom imaju u svom imenu neku povezanost sa silicijumom. Primeri uključuju silicijumsku šumu u Oregonu, Silikon Hils u Ostinu (Teksas), silikonska Saksonija u Nemačkoj, Silikonska dolina kod Bangalora u Indiji, Silikonska granica u Mehikaliju (Meksiko), Silikon Fen u Kembridžu, Engleska, Silikon Glen u Škotskoj i Silikon Gordž u Bristolu, Engleska.

Osobine[uredi]

fizičke[uredi]

Silicijum se kristališe u dijamantsku kubnu kristalnu strukturu

Na sobnoj temperaturi, silicijum je u čvrstom stanju i ima relativno visoku tačku topljenja i ključanja od 1410 i 3260 °C, respektivno. U tečnom stanju ima mnogo veću gustinu (2,533 g/cm3 pri tački topljenja[21]) 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, silicijum dobro provodi toplotu, pa se zbog toga ne koristi za toplotno izolovanje vrućih predmeta.

U svom kristaliziranom obliku, čisti silicijum je sive boje sa metalnim sjajem. Poput germanijuma, silicijum je prilično snažan, vrlo krhak i podložan lomljenju. Silicijum se, poput ugljenika i germanijuma, kristalizuje u dijamantsku kubičnu kristalnu strukturu, pri čemu mu razmak rešetke iznosi 0,5430710 nm (5,430710 Å).[22] Spoljašnja elektronska orbitala silicijuma, slično kao i kod ugljenika, ima četiri valentna elektrona. Ljuske 1s, 2s, 2p i 3s su potpuno popunjene dok 3p ljuska sadrži samo dva elektrona od mogućih šest.

Silicijum je poluprovodnik. On ima negativan temperaturni koeficijent električnog otpora, pošto se broj slobodnih nosilaca naboja povećava porastom temperature. Električni otpor jediničnog kristala silicijuma se značajno menja pod uticajem mehaničkog stresa zbog piezootporničkog (piezorezistivnog) efekta.[23]

Hemijske[uredi]

Prah silicijuma

Silicijum je metaloid, vrlo lako otpušta ili deli svoja četiri spoljašnja elektrona, čime obično gradi četiri veze. Poput ugljenika, njegova četiri valentna elektrona daju mu mogućnost vezanja za mnoge druge elemente. Za razliku od ugljenika, silicijum može da primi i dodatne elektrone i da formira pet ili šest veza u određenim nešto nestabilnijim silikatnim oblicima. Četverovalentni silicijum je relativno inertan, ali i dalje može da reaguje sa halogenim elementima i razblaženim bazama, dok najveći broj kiselina (osim nekih hiper reaktivnih kombinacija azotne i fluorovodične kiseline) nema uticaja na silicijum.

Izotopi[uredi]

Silicijum u prirodi je sastavljen iz tri stabilna izotopa: 28Si, 29Si i 30Si. Među njima, najveći udeo ima izotop 28Si (92% udela u prirodnom silicijumu).[24] Od njih, samo se izotop 29Si koristi u NMR i EPR spektroskopiji.[25] Poznato je oko 20 radioaktivnih izotopa, među kojima je najstabilniji izotop 32Si sa vremenom poluraspada od 170 godina, a posle njega izotop 32Si koji ima vreme poluraspada od 157,3 minuta.[24] Svi ostali nestabilni izotopi imaju vremena poluraspada kraća od sedam sekundi, a većina od njih imaju životni vek kraći od desetine sekunde.[24] Silicijum nema nijedan poznati nuklearni izomer.[24]

Maseni brojevi izotopa se kreću u rasponu od 22 do 44.[24] Najčešći način raspada kod šest izotopa sa masenim brojevima nižim od 28 je β+, primarno dajući izotope aluminijuma (13 protona) kao proizvod raspada.[24] Najčešći načini raspada za 16 izotopa sa masenim brojevima višim od 28 je β-, dajući kao proizvod raspada izotope fosfora (15 protona).[24]

Rasprostranjenost[uredi]

Klaster kristala kvarca (SiO2) sa Tibeta.

Mereno po masi, silicijum čini oko 27,7% Zemljine kore i drugi je element po rasprostranjenosti u kori, odmah iza kiseonika.[26] Silicijum se obično nalazi u obliku složenih silikatnih minerala, a mnogo ređe kao silicijum-dioksid (silika, jedan od najznačajnijih sastojaka običnog peska). Čiste silicijumske kristale vrlo teško je naći u prirodi.

Silikatni minerali su vrlo raznoliki. Minerali koji sadrže silicijum kiseonik 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, silicijum i kiseonik su imali veliki afinitet jedan prema drugom, gradeći mreže silicijuma i kiseonika u hemijskim jedinjenjima vrlo niske stabilnosti. Pošto su kiseonik i silicijum 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, redukovana matrica silikatnih minerala je zarobila metale dovoljno reaktivne da budu oksidirani (aluminijum, kalcijum, natrijum, kalijum i magnezijum). Nakon gubitka isparljivih gasova, kao i ugljenika i sumpora putem reakcije sa vodikom, ova silikatna mešavina elemenata načinila je veći dio Zemljine kore. Ti silikati su imali relativno nisku gustinu u odnosu na željezo, nikl i druge metale koji nisu reaktivni sa kiseonikom, tako da je rezidij nevezanog željeza i nikla potonuo u jezgro Zemlje, ostavljajući debeli omotač izgrađen uglavnom iz magneziumovih i željeznih silikata. Tim silikatima se smatraju uglavnom silikatni perovksiti, kao i magnezijum/željezo oksid feroperiklasi.[27]

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

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

Silicijum je jedan od osnovnih sastojaka mnogi meteorita i sastojak je tektita, silikatnog minerala mogućeg porekla sa Meseca ili (ako je zemaljskog porekla) koji je možda nastao delovanjem neuobičajene temperature i pritiska, moguće pri udaru meteorita.

Vidi još[uredi]

Reference[uredi]

  1. ^ Ram, R. S.; et al. (1998). „Fourier Transform Emission Spectroscopy of the A2D–X2P Transition of SiH and SiD” (PDF). J. Mol. Spectr. 190: 341—352. PMID 9668026. Архивирано из оригинала (PDF) на датум 09. 02. 2012. Приступљено 14. 05. 2019. 
  2. ^ Eranna, Golla (2014). Crystal Growth and Evaluation of Silicon for VLSI and ULSI. CRC Press. стр. 7. ISBN 978-1-4822-3281-3. 
  3. ^ Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds Архивирано на сајту Wayback Machine (јануар 12, 2012) (на језику: енглески), in Lide, D. R., ур. (2005). CRC Handbook of Chemistry and Physics (86th изд.). Boca Raton (FL): CRC Press. ISBN 0-8493-0486-5. 
  4. ^ Weast, Robert (1984). CRC, Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton, Florida: Chemical Rubber Company Publishing. стр. E110. ISBN 978-0-8493-0464-4. 
  5. 5,0 5,1 5,2 5,3 Hopcroft, Matthew A.; Nix, William D.; Kenny, Thomas W. (2010). „What is the Young's Modulus of Silicon?”. Journal of Microelectromechanical Systems. 19 (2): 229. doi:10.1109/JMEMS.2009.2039697. 
  6. ^ 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. Bibcode:1932JChEd...9.1386W. doi:10.1021/ed009p1386. 
  7. ^ Voronkov, M. G. (2007). „Silicon era”. Russian Journal of Applied Chemistry. 80 (12): 2190. doi:10.1134/S1070427207120397. 
  8. ^ Housecroft, C. E.; Sharpe, A. G. (2008). Inorganic Chemistry (3. изд.). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-175553-6. 
  9. ^ Parkes, G.D. & Phil, D. (1973). Melorova moderna neorganska hemija. Beograd: Naučna knjiga. 
  10. ^ 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.)
  11. ^ 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.
  12. ^ Gay-Lussac i Thenard, Recherches physico-chimiques … (Paris, France: Deterville, 1811), vol. 1, pp. 313–314 ; vol. 2, pp. 55–65.
  13. ^ Thomas Thomson, A System of Chemistry in Four Volumes, 5. izd. (London, Engleska: Baldwin, Cradock, i Joy, 1817), vol. 1. pp. 252
  14. ^ Vidi: Berzelius, J. (1824) "Undersökning af flusspatssyran och dess märkvärdigaste föreningar", Kongliga Vetenskaps-Academiens Handlingar, 12 : 46–98.
  15. ^ 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
  16. ^ Voronkov, M. G. (2007). „Silicon era”. Russian Journal of Applied Chemistry. 80 (12): 2190.  doi:10.1134/S1070427207120397
  17. ^ 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.
  18. ^ Vidi: H. Sainte-Claire Deville (1855) "Du silicium et du titane", Comptes rendus, 40 : 1034–1036.
  19. ^ Information on silicon – history, thermodynamic, chemical, physical and electronic properties: Etacude.com. Elements.etacude.com. Pristupljeno dana 7.8.2011.
  20. ^ Silicon: History. Nautilus.fis.uc.pt. Pristupljeno dana 7.8.2011.
  21. ^ Osobine silicija, na stranici Uqgoptics.com, pristupljeno 13. maja 2016.
  22. ^ O'Mara, William C. (1990). Handbook of Semiconductor Silicon Technology. William Andrew Inc. стр. 349—352. ISBN 978-0-8155-1237-0. 
  23. ^ Hull, Robert (1999). Properties of crystalline silicon. IET. стр. 421. ISBN 978-0-85296-933-5. 
  24. 24,0 24,1 24,2 24,3 24,4 24,5 24,6 Alejandro A. Sonzogni (2008). „Chart of Nuclides”. urednici NNDC. National Nuclear Data Center, Brookhaven National Laboratory. Приступљено 13. 9. 2008. 
  25. ^ Jerschow, Alexej. „Interactive NMR Frequency Map”. New York University. Приступљено 20. 10. 2011. 
  26. ^ Geological Survey (SAD) (1975). Geological Survey professional paper. 
  27. ^ Anderson, Don L. (2007). New Theory of the Earth. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-84959-3. 

Литература[uredi]

Спољашње везе[uredi]