Silikon: aplikasi, sifat kimia dan fisik

2024 Pengarang: Angel Austin | [email protected]. Terakhir diubah: 2023-12-17 05:30

Salah satu unsur paling umum di alam adalah silicium, atau silikon. Distribusi yang begitu luas berbicara tentang pentingnya dan pentingnya zat ini. Ini dengan cepat dipahami dan diadopsi oleh orang-orang yang belajar bagaimana menggunakan silikon dengan benar untuk tujuan mereka sendiri. Penerapannya didasarkan pada properti khusus, yang akan kita bicarakan nanti.

Silikon adalah unsur kimia

Jika kita mengkarakterisasi suatu unsur berdasarkan posisinya dalam sistem periodik, kita dapat mengidentifikasi poin-poin penting berikut:

1. Nomor urut - 14.
2. Periodenya adalah yang ketiga kecil.
3. Grup - IV.
4. Subgrup - utama.
5. Struktur kulit elektron terluar dinyatakan dengan rumus 3s²3p².
6. Elemen silikon dilambangkan dengan simbol kimia Si, yang diucapkan "silisium".
7. Bilangan oksidasi yang ditunjukkannya: -4; +2; +4.
8. Valensi atom adalah IV.
9. Massa atom silikon adalah 28.086.
10. Di alam, ada tiga isotop stabil dari unsur ini dengan nomor massa 28, 29 dan 30.

Jadi atomDari sudut pandang kimia, silikon adalah elemen yang dipelajari dengan baik, banyak dari berbagai sifatnya telah dijelaskan.

Riwayat penemuan

Karena itu adalah berbagai senyawa dari unsur yang dipertimbangkan yang sangat populer dan besar kandungannya di alam, dari zaman kuno orang menggunakan dan mengetahui tentang sifat-sifat hanya banyak dari mereka. Silikon murni untuk waktu yang lama tetap berada di luar pengetahuan manusia dalam bidang kimia.

Senyawa paling populer yang digunakan dalam kehidupan sehari-hari dan industri oleh orang-orang dari budaya kuno (Mesir, Romawi, Cina, Rusia, Persia, dan lainnya) adalah batu mulia dan hias berdasarkan silikon oksida. Ini termasuk:

• opal;
• rhinestone;
• topaz;
• chrysoprase;
• onyx;
• kalsedon dan lainnya.

Sudah menjadi kebiasaan untuk menggunakan kuarsa dan pasir kuarsa dalam konstruksi sejak zaman kuno. Namun, unsur silikon itu sendiri tetap belum ditemukan sampai abad ke-19, meskipun banyak ilmuwan mencoba dengan sia-sia untuk mengisolasinya dari berbagai senyawa, menggunakan katalis, suhu tinggi, dan bahkan arus listrik. Ini adalah pikiran yang cerdas seperti:

• Karl Scheele;
• Gay-Lussac;
• Tenar;
• Humphry Davy;
• Antoine Lavoisier.

Jens Jacobs Berzelius berhasil memperoleh silikon murni pada tahun 1823. Untuk melakukan ini, ia melakukan percobaan pada fusi uap silikon fluorida dan kalium logam. Akibatnya, ia menerima modifikasi amorf dari elemen tersebut. Ilmuwan yang sama mengusulkan nama Latin untuk atom yang ditemukan.

Beberapa saat kemudian, pada tahun 1855, ilmuwan lain - Saint Clair-Deville - berhasil mensintesis varietas alotropik lain - silikon kristal. Sejak itu, pengetahuan tentang unsur ini dan sifat-sifatnya mulai berkembang dengan sangat cepat. Orang-orang menyadari bahwa ia memiliki fitur unik yang dapat digunakan dengan sangat cerdas untuk memenuhi kebutuhan mereka sendiri. Oleh karena itu, saat ini salah satu elemen yang paling dibutuhkan dalam elektronik dan teknologi adalah silikon. Penggunaannya hanya memperluas batasnya setiap tahun.

Nama Rusia untuk atom diberikan oleh ilmuwan Hess pada tahun 1831. Itulah yang melekat sampai hari ini.

Terkandung di alam

Silikon adalah yang paling melimpah kedua di alam setelah oksigen. Persentasenya dibandingkan dengan atom lain dalam komposisi kerak bumi adalah 29,5%. Selain itu, karbon dan silikon adalah dua elemen khusus yang dapat membentuk rantai dengan menghubungkan satu sama lain. Itulah mengapa lebih dari 400 mineral alami yang berbeda dikenal untuk yang terakhir, di mana ia terkandung dalam litosfer, hidrosfer dan biomassa.

Di mana tepatnya silikon ditemukan?

1. Di lapisan tanah yang dalam.
2. Dalam batuan, endapan dan massif.
3. Di dasar perairan, terutama laut dan samudera.
4. Pada tumbuhan dan kehidupan laut dari kerajaan hewan.
5. Pada manusia dan hewan darat.

Adalah mungkin untuk menunjuk beberapa mineral dan batuan yang paling umum, yang mengandung sejumlah besarsilikon. Kimia mereka sedemikian rupa sehingga kandungan massa elemen murni di dalamnya mencapai 75%. Namun, angka spesifiknya tergantung pada jenis bahannya. Jadi, batuan dan mineral yang mengandung silikon:

• feldspars;
• mika;
• amphibol;
• opal;
• kalsedon;
• silikat;
• batupasir;
• aluminosilikat;
• tanah liat dan lainnya.

Terakumulasi dalam cangkang dan kerangka luar hewan laut, silikon akhirnya membentuk endapan silika yang kuat di dasar badan air. Ini adalah salah satu sumber alami elemen ini.

Selain itu, ditemukan bahwa silicium dapat eksis dalam bentuk aslinya yang murni - dalam bentuk kristal. Tapi simpanan seperti itu sangat jarang.

Sifat fisik silikon

Jika Anda mengkarakterisasi elemen yang sedang dipertimbangkan dengan serangkaian sifat fisik dan kimia, maka pertama-tama, parameter fisiklah yang harus ditunjukkan. Berikut adalah beberapa kuncinya:

1. Ada dalam bentuk dua modifikasi alotropik - amorf dan kristal, yang berbeda dalam semua sifat.
2. Kisi kristal sangat mirip dengan berlian, karena karbon dan silikon hampir sama dalam hal ini. Namun, jarak antar atom berbeda (silikon memiliki lebih banyak), sehingga berlian jauh lebih keras dan lebih kuat. Jenis kisi - berpusat pada muka kubik.
3. Bahan sangat rapuh, menjadi plastik pada suhu tinggi.
4. Titik leleh 1415˚C.
5. Suhutitik didih - 3250˚С.
6. Kerapatan materi - 2.33 g/cm³.
7. Warna sambungannya abu-abu perak, dengan kilau metalik yang khas.
8. Memiliki sifat semikonduktor yang baik, yang dapat bervariasi dengan penambahan zat tertentu.
9. Tidak larut dalam air, pelarut organik, dan asam.
10. Khusus larut dalam alkali.

Sifat fisik silikon yang ditentukan memungkinkan orang untuk mengontrolnya dan menggunakannya untuk membuat berbagai produk. Misalnya, penggunaan silikon murni dalam elektronik didasarkan pada sifat-sifat semikonduktor.

Sifat kimia

Sifat kimia silikon sangat bergantung pada kondisi reaksi. Jika kita berbicara tentang zat murni pada parameter standar, maka kita perlu menetapkan aktivitas yang sangat rendah. Baik silikon kristal dan amorf sangat lembam. Jangan berinteraksi dengan zat pengoksidasi kuat (kecuali fluor), atau dengan zat pereduksi kuat.

Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa film oksida SiO₂ langsung terbentuk pada permukaan zat, yang mencegah interaksi lebih lanjut. Itu dapat terbentuk di bawah pengaruh air, udara, uap.

Jika Anda mengubah kondisi standar dan memanaskan silikon ke suhu di atas 400˚С, maka aktivitas kimianya akan sangat meningkat. Dalam hal ini, ia akan bereaksi dengan:

• oksigen;
• semua jenis halogen;
• hidrogen.

Dengan peningkatan suhu lebih lanjut, pembentukan produk dimungkinkan padainteraksi dengan boron, nitrogen dan karbon. Yang paling penting adalah carborundum - SiC, karena merupakan bahan abrasif yang baik.

Juga, sifat kimia silikon terlihat jelas dalam reaksi dengan logam. Sehubungan dengan mereka, itu adalah zat pengoksidasi, oleh karena itu produknya disebut silisida. Senyawa serupa dikenal untuk:

• alkali;
• alkali bumi;
• logam transisi.

Sifat yang tidak biasa memiliki senyawa yang diperoleh dengan menggabungkan besi dan silikon. Disebut keramik ferosilikon dan telah berhasil digunakan dalam industri.

Silikon tidak berinteraksi dengan zat kompleks, oleh karena itu, dari semua varietasnya, silikon hanya dapat larut dalam:

• royal vodka (campuran asam nitrat dan asam klorida);
• alkali kaustik.

Dalam hal ini, suhu larutan harus setidaknya 60˚С. Semua ini sekali lagi menegaskan dasar fisik zat - kisi kristal stabil seperti berlian, yang memberinya kekuatan dan kelembaman.

Cara memperoleh

Memperoleh silikon murni adalah proses yang agak mahal secara ekonomis. Selain itu, karena sifatnya, metode apa pun hanya menghasilkan produk murni 90-99%, sedangkan pengotor dalam bentuk logam dan karbon tetap sama. Jadi mendapatkan substansi saja tidak cukup. Itu juga harus dibersihkan secara kualitatif dari unsur asing.

Secara umum, produksi silikon dilakukan dengan dua cara utama:

1. Dari pasir putihyang merupakan silikon oksida murni SiO₂. Ketika dikalsinasi dengan logam aktif (paling sering dengan magnesium), elemen bebas terbentuk dalam bentuk modifikasi amorf. Kemurnian metode ini tinggi, produk diperoleh dengan hasil 99,9 persen.
2. Metode yang lebih luas dalam skala industri adalah sintering pasir cair dengan kokas dalam tungku termal khusus. Metode ini dikembangkan oleh ilmuwan Rusia Beketov N. N.

Pemrosesan lebih lanjut terdiri dari menundukkan produk ke metode pembersihan. Untuk ini, asam atau halogen (klorin, fluor) digunakan.

silikon amorf

Karakterisasi silikon tidak akan lengkap jika kita tidak mempertimbangkan secara terpisah setiap modifikasi alotropiknya. Yang pertama adalah amorf. Dalam keadaan ini, zat yang kami pertimbangkan adalah bubuk coklat-coklat, terdispersi halus. Ini memiliki tingkat higroskopisitas yang tinggi, menunjukkan aktivitas kimia yang cukup tinggi ketika dipanaskan. Dalam kondisi standar, ia hanya dapat berinteraksi dengan oksidator terkuat - fluor.

Tidak sepenuhnya benar untuk menyebut silikon amorf sebagai berbagai silikon kristal. Kisi-kisinya menunjukkan bahwa zat ini hanya berupa silikon terdispersi halus yang ada dalam bentuk kristal. Oleh karena itu, modifikasi ini adalah senyawa yang sama.

Namun, sifat-sifatnya berbeda, oleh karena itu lazim untuk berbicara tentang alotropi. Dengan sendirinya, silikon amorf memilikikapasitas penyerapan cahaya yang tinggi. Selain itu, dalam kondisi tertentu, indikator ini beberapa kali lebih tinggi daripada bentuk kristal. Oleh karena itu, digunakan untuk tujuan teknis. Dalam bentuk yang dipertimbangkan (bubuk), senyawa ini mudah diaplikasikan pada permukaan apa pun, baik itu plastik atau kaca. Oleh karena itu, silikon amorf sangat nyaman digunakan. Aplikasi ini didasarkan pada pembuatan panel surya dengan berbagai ukuran.

Meskipun keausan baterai jenis ini cukup cepat, yang terkait dengan abrasi lapisan tipis bahan, namun penggunaan dan permintaan hanya meningkat. Memang, bahkan dalam masa pakai yang singkat, sel surya berbasis silikon amorf mampu menyediakan energi untuk seluruh perusahaan. Selain itu, produksi zat tersebut bebas limbah, sehingga sangat ekonomis.

Dapatkan modifikasi ini dengan mereduksi senyawa dengan logam aktif, seperti natrium atau magnesium.

Silikon kristal

Modifikasi mengkilap abu-abu perak dari elemen yang dimaksud. Bentuk inilah yang paling umum dan paling diminati. Ini karena kumpulan sifat kualitatif yang dimiliki zat ini.

Karakteristik silikon dengan kisi kristal termasuk klasifikasi jenisnya, karena ada beberapa di antaranya:

1. Kualitas elektronik - kualitas paling murni dan tertinggi. Jenis inilah yang digunakan dalam elektronik untuk membuat perangkat yang sangat sensitif.
2. Kualitas cerah. Nama itu sendirimenentukan area penggunaan. Ini juga merupakan silikon dengan kemurnian tinggi, yang penggunaannya diperlukan untuk membuat sel surya berkualitas tinggi dan tahan lama. Konverter fotovoltaik yang dibuat berdasarkan struktur kristal memiliki kualitas yang lebih tinggi dan lebih tahan lama daripada yang dibuat menggunakan modifikasi amorf dengan pengendapan pada berbagai jenis substrat.
3. Silikon teknis. Varietas ini mencakup sampel zat yang mengandung sekitar 98% unsur murni. Segala sesuatu yang lain pergi ke berbagai jenis kotoran:

• boron;
• aluminium;
• klorin;
• karbon;
• fosfor dan lainnya.

Variasi terakhir dari bahan yang dimaksud digunakan untuk mendapatkan polikristal silikon. Untuk itu dilakukan proses rekristalisasi. Akibatnya, dalam hal kemurnian, diperoleh produk yang dapat dikaitkan dengan kelompok kualitas surya dan elektronik.

Secara alami, polisilikon adalah produk antara antara modifikasi amorf dan kristal. Opsi ini lebih mudah digunakan, lebih baik didaur ulang dan dibersihkan dengan fluor dan klorin.

Produk yang dihasilkan dapat diklasifikasikan sebagai berikut:

• multisilikon;
• monokristalin;
• kristal berprofil;
• sampah silikon;
• silikon teknis;
• limbah produksi berupa pecahan dan sisa-sisa materi.

Masing-masing menemukan aplikasi di industri dan digunakanseseorang sepenuhnya. Oleh karena itu, proses produksi yang melibatkan silikon dianggap bebas limbah. Ini sangat mengurangi biaya ekonomi tanpa mempengaruhi kualitas.

Menggunakan silikon murni

Produksi silikon di industri ini cukup mapan, dan skalanya cukup besar. Hal ini disebabkan unsur ini, baik murni maupun dalam bentuk berbagai senyawa, tersebar luas dan diminati di berbagai cabang ilmu pengetahuan dan teknologi.

Di mana silikon kristal dan amorf murni digunakan?

1. Dalam metalurgi sebagai aditif paduan yang mampu mengubah sifat logam dan paduannya. Jadi, digunakan dalam peleburan baja dan besi.
2. Berbagai jenis zat digunakan untuk membuat versi yang lebih bersih - polisilikon.
3. Senyawa silikon dengan zat organik - ini adalah industri kimia secara keseluruhan yang telah mendapatkan popularitas tertentu saat ini. Bahan silikon digunakan dalam pengobatan, dalam pembuatan piring, peralatan dan banyak lagi.
4. Produksi berbagai panel surya. Metode memperoleh energi ini adalah salah satu yang paling menjanjikan di masa depan. Ramah lingkungan, hemat biaya dan tahan lama - keuntungan utama dari produksi listrik tersebut.
5. Silikon telah digunakan dalam korek api untuk waktu yang sangat lama. Bahkan di zaman kuno, orang menggunakan batu api untuk membuat percikan api saat menyalakan api. Prinsip ini adalah dasar untuk produksi korek api dari berbagai jenis. Saat ini ada spesies di manabatu api diganti dengan paduan komposisi tertentu, yang memberikan hasil yang lebih cepat (percikan).
6. Elektronik dan energi matahari.
7. Produksi cermin di perangkat laser gas.

Dengan demikian, silikon murni memiliki banyak keunggulan dan sifat khusus yang memungkinkannya digunakan untuk membuat produk yang penting dan diperlukan.

Penerapan senyawa silikon

Selain zat sederhana, berbagai senyawa silikon juga digunakan, dan sangat luas. Ada seluruh cabang industri yang disebut silikat. Dialah yang didasarkan pada penggunaan berbagai zat, yang termasuk elemen luar biasa ini. Apa senyawa ini dan apa yang mereka hasilkan?

1. Quartz, atau pasir sungai - SiO₂. Ini digunakan untuk pembuatan bahan bangunan dan dekoratif seperti semen dan kaca. Di mana bahan-bahan ini digunakan, semua orang tahu. Tidak ada konstruksi yang lengkap tanpa komponen ini, yang menegaskan pentingnya senyawa silikon.
2. Keramik silikat, yang mencakup bahan-bahan seperti faience, porselen, batu bata, dan produk berdasarkan bahan tersebut. Komponen-komponen ini digunakan dalam pengobatan, dalam pembuatan piring, ornamen dekoratif, barang-barang rumah tangga, dalam konstruksi dan area rumah tangga lainnya dari aktivitas manusia.
3. Senyawa silikon - silikon, gel silika, minyak silikon.
4. Lem silikat - digunakan sebagai alat tulis, kembang api dan konstruksi.

Silikon, yang harganya bervariasi di pasar dunia, tetapi tidak melewatidari atas ke bawah, tanda 100 rubel Federasi Rusia per kilogram (per kristal), adalah zat yang dicari dan berharga. Secara alami, senyawa unsur ini juga tersebar luas dan dapat diterapkan.

Peran biologis silikon

Dari sudut pandang signifikansi bagi tubuh, silikon itu penting. Isi dan sebaran jaringannya adalah sebagai berikut:

• 0, 002% - berotot;
• 0, 000017% - tulang;
• darah - 3,9 mg/l.

Setiap hari, sekitar satu gram silikon harus masuk ke dalam, jika tidak, penyakit akan mulai berkembang. Tidak ada yang mematikan di antara mereka, namun, kelaparan silikon yang berkepanjangan menyebabkan:

• rambut rontok;
• munculnya jerawat dan komedo;
• kerapuhan dan kerapuhan tulang;
• permeabilitas kapiler mudah;
• kelelahan dan sakit kepala;
• munculnya banyak memar dan memar.

Untuk tanaman, silikon adalah elemen penting yang diperlukan untuk pertumbuhan dan perkembangan normal. Eksperimen pada hewan telah menunjukkan bahwa individu yang mengonsumsi cukup silikon setiap hari tumbuh paling baik.