Силицијум

Из Википедије, слободне енциклопедије
Иди на навигацију Иди на претрагу
Силицијум
SiliconCroda.jpg
Општа својства
Име, симболсилицијум, Si
Изгледкристалан, рефлективан са плавичастим лицима
У периодном систему
Водоник Хелијум
Литијум Берилијум Бор Угљеник Азот Кисеоник Флуор Неон
Натријум Магнезијум Алуминијум Силицијум Фосфор Сумпор Хлор Аргон
Калијум Калцијум Скандијум Титанијум Ванадијум Хром Манган Гвожђе Кобалт Никл Бакар Цинк Галијум Германијум Арсен Селен Бром Криптон
Рубидијум Стронцијум Итријум Цирконијум Ниобијум Молибден Технецијум Рутенијум Родијум Паладијум Сребро Кадмијум Индијум Калај Антимон Телур Јод Ксенон
Цезијум Баријум Лантан Церијум Празеодијум Неодијум Прометијум Самаријум Европијум Гадолинијум Тербијум Диспрозијум Холмијум Ербијум Тулијум Итербијум Лутецијум Хафнијум Тантал Волфрам Ренијум Осмијум Иридијум Платина Злато Жива Талијум Олово Бизмут Полонијум Астат Радон
Францијум Радијум Актинијум Торијум Протактинијум Уранијум Нептунијум Плутонијум Америцијум Киријум Берклијум Калифорнијум Ајнштајнијум Фермијум Мендељевијум Нобелијум Лоренцијум Радерфордијум Дубнијум Сиборгијум Боријум Хасијум Мајтнеријум Дармштатијум Рендгенијум Коперницијум Нихонијум Флеровијум Московијум Ливерморијум Тенесин Оганесон
C

Si

Ge
алуминијумсилицијумфосфор
Атомски број (Z)14
Група, периодагрупа 14 (угљеникова група), периода 3
Блокp-блок
Категорија  металоид
Рел. ат. маса (Ar)[28,084, 28,086] конвенционална: 28,085
Ел. конфигурација[Ne] 3s2 3p2
по љускама
2, 8, 4
Физичка својства
Агрегатно стањеsolid
Тачка топљења1687 K ​(1414 °‍C, ​2577 °F)
Тачка кључања3538 K ​(3265 °‍C, ​5909 °F)
Густина при с.т.2,3290 g/cm3
течно ст., на т.т.2,57 g/cm3
Топлота фузије50,21 kJ/mol
Топлота испаравања383 kJ/mol
Мол. топл. капацитет19,789 J/(mol·K)
Напон паре
P (Pa) 100 101 102
на T (K) 1908 2102 2339
P (Pa) 103 104 105
на T (K) 2636 3021 3537
Атомска својства
Оксидациона стања4, 3, 2, 1'"`UNIQ−−ref−00000007−QINU`"' −1, −2, −3, −4
(амфотерни оксид)
Електронегативност1,90
Енергије јонизације1: 786,5 kJ/mol
2: 1577,1 kJ/mol
3: 3231,6 kJ/mol
(остале)
Атомски радијус111 pm
Ковалентни радијус111 pm
Валсов радијус210 pm
Линије боје у спектралном распону
Остало
Кристална структурапостраничноцентр. дијамантска кубична
Diamond cubic кристална структура за силицијум
Брзина звука танак штап8433 m/s (на 20 °‍C)
Топл. ширење2,6 µm/(m·K) (на 25 °‍C)
Топл. водљивост149 W/(m·K)
Електрична отпорност2,3×103 Ω·m (на 20 °‍C)[2]
Енергетска празнина1,12 eV (на 300 K)
Магнетни распореддијамагнетичан[3]
Магнетна сусцептибилност (χmol)−3,9·10−6 cm3/mol (298 K)[4]
Јангов модул130–188 GPa[5]
Модул смицања51–80 GPa[5]
Модул стишљивости97,6 GPa[5]
Поасонов коефицијент0,064–0,28[5]
Мосова тврдоћа6,5
CAS број7440-21-3
Историја
Именовањеиз латинског silex или silicis, са значењем кремен
ПредвиђањеАнтоан Лавоазје (1787)
Откриће и прва изолацијаЈакоб Берцелијус[6][7] (1823)
Именовање и епонимТомас Томсон (1817)
Главни изотопи
изо РА полуживот (t1/2) ТР ПР
28Si 92,2% стабилни
29Si 4,7% стабилни
30Si 3,1% стабилни
31Si трагови 2,62 h β 31P
32Si трагови 153 y β 32P
референцеВикиподаци

Силицијум (Si, лат. silicium) металоид је IVA групе.[8] Стабилни изотопи силицијума су:28Si, 29Si и 30Si.[9] Најважнија једињења силицијума су: оксид силицијума, који је главни састојак песка и стакла; киселине силицијума H2nSimO2m+n, као и њихове соли, хлоросиликати и алкосиликати. Силицијум се такође доста користи у електро индустрији.

Силицијум је други елемент по заступљености(одмах после кисеоника) на Земљи. Силицијум слично угљенику гради ланце силицијум-силицијум, силицијум-кисеоник-силицијум и силицијум-азот-силицијум. Постоји доста бројна (око 300 000) група таквих једињења, ипак има их доста мање него угљеникових једињења. Значај силицијума за живе организме ипак није велики. Њега неки организми користе за грађење ћелијског зида, а значајан је као и састојак неколико ензима.

Силицијум је 1822. године издвојио Jons Beželius из SiO2(који је тада сматран за хемијски елемент), претварајући га флуороводоничном киселином (HF) у SiF4 и редукујући га калијумом. Распрострањеност силицијума на Земљи је доста велика 26,95% и он је други елемент по распрострањености (одмах после кисеоника). Као што угљеник има најважнију улогу у органском свету такву улогу силицијум има у неорганском, јер SiO2 у разним облицима (кварц, песак, кристобалит) као и минерали силикати и алумосиликати чине већину стена које граде земљину кору.

Историја[уреди]

Антоан Лавоазје је био први научник који је 1787. године приметио да је силика могући оксид неког, до тада још неоткривеног, хемијског елемента.[10] Након што је покушао да из силике изолује чисти силицијум, Хамфри Дејви је 1808. године предложио име silicium за нови елемент, назив изведен из латинског silex, silicis у значењу кремен и наставка -ium, јер је веровао да се ради о металу.[11] Сматра се да су Ге-Лисак и Тенард 1811. године добили, непотпуно чисти, аморфни силицијум, тако што су загрејавали, тада новооткривени, метал калијум уз додатак силицијум тетрафлуорида, међутим производ те реакције нису у довољној мери издвојили и пречистили, нити су му одредили особине, не знајући да се ради о новом елементу.[12] Данашње име силицијуму је дао шкотски хемичар Томас Томсон 1817. године. Он је задржао део имена који је дао Дејви, али је уместо додатка -иум додао -он (енгл. silicon), јер је веровао да је силицијум неметал сличан бору (енгл. boron) или угљеник (енгл. carbon).[13]

Берцелијус је 1823. године добио аморфни силицијум користећи сличну методу као Ге-Лисак (метал калијум и калијум-флуоросиликат), али је производ реакције пречистио испирајући га константно те добио смеђи прах.[14] Због тога, данас се у литератури врло често може пронаћи да је он открио елементарни силицијум.[15][16] Силицијум, у свом много више уобичајеном кристалном облику није добијен током наредне 31 године, све док га није пронашао Девил. Он је 1854. године покушао да добије метални алуминијум из алуминијум хлорида, а који је био знатно онечишћен силицијум хлоридом. Девил је користио два метода за добијање алуминијума: загрејавање алуминијум хлорида уз присуство натријума у интертној атмосфери (водоника); те топљење алуминијум хлорида са натријум хлоридом и електролизом те мешавине. У оба случаја настајао је чисти силицијум. Он се растварао у истопљеном алуминијуму, али се након његовог хлађења кристализирао. Растварањем чврстог алуминијума у хлороводоничној киселини појављивале су се љускице кристалног силицијума.[17] На крају, Девил је добио кристални силицијум загревајући хлорид или флуорид силицијума са металним натријумом, изоловао аморфни силицијум, истопио тај аморфни облик са соли и загрејао мешавину док сва со није испарила.[18][19] Помоћу електролизе нечистог натријум алуминијим хлорида који садржи око 10% силицијума, он је успео 1854. године да добије релативно чисти алотроп силицијума.[20] Касније, пронађене су и развијене много јефтиније методе за изоловање силицијума у неколико алотропских модификација, а једна од најновијих је силицен.

Пошто је силицијум један од врло важних елемената у индустрији полупроводника и уређаја високе технологије, многа места на свету носе његово име. Један од познатијих примера је Силицијумска долина (Silicon Valley) у Калифорнији, која носи име елемента јер је он, између осталог, основа бројних данашњих индустрија заснованих на рачунарској технологији. И друга географска места која имају одређену везу с индустријом имају у свом имену неку повезаност са силицијумом. Примери укључују силицијумску шуму у Орегону, Силикон Хилс у Остину (Тексас), силиконска Саксонија у Немачкој, Силиконска долина код Бангалора у Индији, Силиконска граница у Мехикалију (Мексико), Силикон Фен у Кембриџу, Енглеска, Силикон Глен у Шкотској и Силикон Горџ у Бристолу, Енглеска.

Особине[уреди]

физичке[уреди]

Силицијум се кристалише у дијамантску кубну кристалну структуру

На собној температури, силицијум је у чврстом стању и има релативно високу тачку топљења и кључања од 1410 и 3260 °C, респективно. У течном стању има много већу густину (2,533 g/cm3 при тачки топљења[21]) него када је чврст. Када прелази у чврсто стање не скупља се као већина супстанци, него се шири, слично као што се јавља код леда и воде. Са релативно високом топлотном проводљивошћу од 150 W·m−1·K−1, силицијум добро проводи топлоту, па се због тога не користи за топлотно изоловање врућих предмета.

У свом кристализираном облику, чисти силицијум је сиве боје са металним сјајем. Попут германијума, силицијум је прилично снажан, врло крхак и подложан ломљењу. Силицијум се, попут угљеника и германијума, кристализује у дијамантску кубичну кристалну структуру, при чему му размак решетке износи 0,5430710 nm (5,430710 Å).[22] Спољашња електронска орбитала силицијума, слично као и код угљеника, има четири валентна електрона. Љуске 1s, 2s, 2p и 3s су потпуно попуњене док 3p љуска садржи само два електрона од могућих шест.

Силицијум је полупроводник. Он има негативан температурни коефицијент електричног отпора, пошто се број слободних носилаца набоја повећава порастом температуре. Електрични отпор јединичног кристала силицијума се значајно мења под утицајем механичког стреса због пиезоотпорничког (пиезорезистивног) ефекта.[23]

Хемијске[уреди]

Прах силицијума

Силицијум је металоид, врло лако отпушта или дели своја четири спољашња електрона, чиме обично гради четири везе. Попут угљеника, његова четири валентна електрона дају му могућност везања за многе друге елементе. За разлику од угљеника, силицијум може да прими и додатне електроне и да формира пет или шест веза у одређеним нешто нестабилнијим силикатним облицима. Четверовалентни силицијум је релативно инертан, али и даље може да реагује са халогеним елементима и разблаженим базама, док највећи број киселина (осим неких хипер реактивних комбинација азотне и флуороводичне киселине) нема утицаја на силицијум.

Изотопи[уреди]

Силицијум у природи је састављен из три стабилна изотопа: 28Si, 29Si и 30Si. Међу њима, највећи удео има изотоп 28Si (92% удела у природном силицијуму).[24] Од њих, само се изотоп 29Si користи у НМР и ЕПР спектроскопији.[25] Познато је око 20 радиоактивних изотопа, међу којима је најстабилнији изотоп 32Si са временом полураспада од 170 година, а после њега изотоп 32Si који има време полураспада од 157,3 минута.[24] Сви остали нестабилни изотопи имају времена полураспада краћа од седам секунди, а већина од њих имају животни век краћи од десетине секунде.[24] Силицијум нема ниједан познати нуклеарни изомер.[24]

Масени бројеви изотопа се крећу у распону од 22 до 44.[24] Најчешћи начин распада код шест изотопа са масеним бројевима нижим од 28 је β+, примарно дајући изотопе алуминијума (13 протона) као производ распада.[24] Најчешћи начини распада за 16 изотопа са масеним бројевима вишим од 28 је β-, дајући као производ распада изотопе фосфора (15 протона).[24]

Распрострањеност[уреди]

Кластер кристала кварца (SiO2) са Тибета.

Мерено по маси, силицијум чини око 27,7% Земљине коре и други је елемент по распрострањености у кори, одмах иза кисеоника.[26] Силицијум се обично налази у облику сложених силикатних минерала, а много ређе као силицијум-диоксид (силика, један од најзначајнијих састојака обичног песка). Чисте силицијумске кристале врло тешко је наћи у природи.

Силикатни минерали су врло разнолики. Минерали који садрже силицијум кисеоник и реактивне метале чине око 90% укупне масе Земљине коре. Разлог за то треба тражити у чињеници да при изузетно високим температурама које су карактерисале стварање унутрашњег Сунчевог система, силицијум и кисеоник су имали велики афинитет један према другом, градећи мреже силицијума и кисеоника у хемијским једињењима врло ниске стабилности. Пошто су кисеоник и силицијум били најчешћи неметални елементи који нису били у гасовитом стању у остацима прашине супернова, која је формирала протопланетарни диск при стварању и еволуцији Сунчевог система, они су формирали многе комплексне силикате који су касније срасли и спојили се у веће стјеновите планетезимале и планете сличне Земљи. На тај начин, редукована матрица силикатних минерала је заробила метале довољно реактивне да буду оксидирани (алуминијум, калцијум, натријум, калијум и магнезијум). Након губитка испарљивих гасова, као и угљеника и сумпора путем реакције са водиком, ова силикатна мешавина елемената начинила је већи дио Земљине коре. Ти силикати су имали релативно ниску густину у односу на жељезо, никл и друге метале који нису реактивни са кисеоником, тако да је резидиј невезаног жељеза и никла потонуо у језгро Земље, остављајући дебели омотач изграђен углавном из магнезиумових и жељезних силиката. Тим силикатима се сматрају углавном силикатни перовксити, као и магнезијум/жељезо оксид фероперикласи.[27]

Примери силикатних минерала у кори укључују оне у склопу пироксена, амфибола, тињаца и група фелдспара. Ови минерали се јављају у глини и разним врстама стена попут гранита и пешчара.

Силицијум садржан у минералима се састоји од веома чистог силицијум-диоксида у различитим кристалним облицима, кварца, ахата аметиста, стеновитих кристала, калцедона, кремена, јасписа и опала. Кристали имају емпиријску формулу силицијум-диоксида, али се не састоје из одвојених молекула силицијум-диоксида на начин као код стврднутог угљик-диоксида. За разлику од њега, силика се структурално састоји од чврсте мреже силицијума и кисеоника у тродимензионалним кристалима, слично дијаманту. Мање чисти облици силике формирају природно стакло опсидијан. Биогена силика се јавља у структури диатома, радиолариа и силикатних сунђера.

Силицијум је један од основних састојака многи метеорита и састојак је тектита, силикатног минерала могућег порекла са Месеца или (ако је земаљског порекла) који је можда настао деловањем неуобичајене температуре и притиска, могуће при удару метеорита.

Види још[уреди]

Референце[уреди]

  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[уреди]

Спољашње везе[уреди]