Point de fusion si. Quelques propriétés physiques et chimiques du silicium et de ses composés

Le carbone est capable de former plusieurs modifications allotropiques. Ce sont le diamant (la modification allotropique la plus inerte), le graphite, le fullerène et la carabine.

Le charbon de bois et la suie sont du carbone amorphe. Le carbone dans cet état n'a pas de structure ordonnée et se compose en fait des plus petits fragments de couches de graphite. Le charbon amorphe traité à la vapeur d'eau chaude est appelé charbon actif. 1 gramme de charbon actif, en raison de la présence de nombreux pores, a une surface totale de plus de trois cents mètres carrés! En raison de sa capacité à absorber diverses substances, le charbon actif est largement utilisé comme charge de filtre, ainsi que comme entérosorbant pour divers types d'empoisonnement.

D'un point de vue chimique, le carbone amorphe est sa forme la plus active, le graphite présente une activité moyenne et le diamant est une substance extrêmement inerte. Pour cette raison, les propriétés chimiques du carbone considérées ci-dessous doivent principalement être attribuées au carbone amorphe.

Propriétés réductrices du carbone

En tant qu'agent réducteur, le carbone réagit avec les non-métaux tels que l'oxygène, les halogènes et le soufre.

Selon l'excès ou le manque d'oxygène lors de la combustion du charbon, la formation de monoxyde de carbone CO ou de dioxyde de carbone CO 2 est possible :

Lorsque le carbone réagit avec le fluor, il se forme du tétrafluorure de carbone :

Lorsque le carbone est chauffé avec du soufre, du disulfure de carbone CS 2 se forme :

Le carbone est capable de réduire les métaux après l'aluminium dans la série d'activités à partir de leurs oxydes. Par exemple:

Le carbone réagit également avec les oxydes de métaux actifs, cependant, dans ce cas, en règle générale, on n'observe pas la réduction du métal, mais la formation de son carbure:

Interaction du carbone avec les oxydes non métalliques

Le carbone entre dans une réaction de co-proportionation avec gaz carbonique CO2 :

L'un des processus les plus importants d'un point de vue industriel est ce que l'on appelle reformage à la vapeur du charbon. Le processus est réalisé en faisant passer de la vapeur d'eau à travers du charbon chaud. Dans ce cas, la réaction suivante a lieu :

À des températures élevées, le carbone est capable de réduire même un composé inerte comme le dioxyde de silicium. Dans ce cas, selon les conditions, la formation de silicium ou de carbure de silicium est possible ( carborundum):

De plus, le carbone en tant qu'agent réducteur réagit avec les acides oxydants, en particulier les acides sulfurique et nitrique concentrés :

Propriétés oxydantes du carbone

L'élément chimique carbone n'a pas une électronégativité élevée, donc formé par lui substances simples présentent rarement des propriétés oxydantes par rapport aux autres non-métaux.

Un exemple de telles réactions est l'interaction du carbone amorphe avec l'hydrogène lorsqu'il est chauffé en présence d'un catalyseur :

ainsi qu'avec du silicium à une température de 1200-1300 environ C :

Le carbone présente des propriétés oxydantes vis-à-vis des métaux. Le carbone est capable de réagir avec les métaux actifs et certains métaux d'activité intermédiaire. Les réactions se déroulent lorsqu'elles sont chauffées :

Propriétés chimiques du silicium

Le silicium peut exister, ainsi que le carbone à l'état cristallin et amorphe, et, tout comme dans le cas du carbone, le silicium amorphe est significativement plus actif chimiquement que le silicium cristallin.

Parfois, le silicium amorphe et cristallin est appelé ses modifications allotropiques, ce qui, à proprement parler, n'est pas tout à fait vrai. Le silicium amorphe est essentiellement un conglomérat des plus petites particules de silicium cristallin disposées de manière aléatoire les unes par rapport aux autres.

Interaction du silicium avec des substances simples

non-métaux

Dans des conditions normales, le silicium, du fait de son inertie, ne réagit qu'avec le fluor :

Le silicium ne réagit avec le chlore, le brome et l'iode que lorsqu'il est chauffé. Il est caractéristique que, selon l'activité de l'halogène, une température différente correspondante soit requise :

Ainsi avec le chlore, la réaction se déroule à 340-420 o C :

Avec brome - 620-700 o C :

Avec de l'iode - 750-810 o C :

La réaction du silicium avec l'oxygène se poursuit, cependant, elle nécessite un très fort chauffage (1200-1300°C) du fait qu'un film d'oxyde fort rend l'interaction difficile :

À une température de 1200-1500 ° C, le silicium interagit lentement avec le carbone sous forme de graphite pour former du carborundum SiC - une substance avec un réseau cristallin atomique similaire au diamant et presque pas inférieur en force:

Le silicium ne réagit pas avec l'hydrogène.

métaux

En raison de sa faible électronégativité, le silicium ne peut présenter des propriétés oxydantes que vis-à-vis des métaux. Parmi les métaux, le silicium réagit avec les actifs (alcalins et alcalino-terreux), ainsi que de nombreux métaux d'activité moyenne. À la suite de cette interaction, des siliciures se forment :

Interaction du silicium avec des substances complexes

Le silicium ne réagit pas avec l'eau même en ébullition, cependant, le silicium amorphe interagit avec la vapeur d'eau surchauffée à une température d'environ 400-500°C. Cela produit de l'hydrogène et du dioxyde de silicium :

De tous les acides, le silicium (à l'état amorphe) ne réagit qu'avec l'acide fluorhydrique concentré :

Le silicium se dissout dans les solutions alcalines concentrées. La réaction s'accompagne d'un dégagement d'hydrogène.

SILICIUM (Latin Silicium), Si, un élément chimique du groupe IV de la forme courte (le 14ème groupe de la forme longue) système périodique; numéro atomique 14, masse atomique 28,0855. Le silicium naturel est constitué de trois isotopes stables : 28 Si (92,2297 %), 29 Si (4,6832 %), 30 Si (3,0872 %). Les radio-isotopes avec des nombres de masse 22-42 sont obtenus artificiellement.

Référence historique. Les composés de silicium, très répandus sur terre, sont utilisés par l'homme depuis l'âge de pierre ; par exemple, de l'Antiquité à l'âge du fer, le silex était utilisé pour fabriquer des outils en pierre. Le traitement des composés de silicium - la fabrication du verre - a commencé au 4ème millénaire avant JC dans l'Egypte ancienne. Le silicium élémentaire a été obtenu en 1824-25 par J. Berzelius lors de la réduction du fluorure SiF 4 avec du potassium métallique. Le nom "silicium" a été donné au nouvel élément (du latin silex - silex ; le nom russe "silicium", introduit en 1834 par G. I. Hess, vient également du mot "silex").

Répartition dans la nature. En termes de prévalence dans la croûte terrestre, le silicium est le deuxième élément chimique (après l'oxygène) : la teneur en silicium dans la lithosphère est de 29,5 % en poids. Il ne se produit pas à l'état libre dans la nature. Les minéraux contenant du silicium les plus importants sont les aluminosilicates et les silicates naturels (amphiboles naturels, feldspaths, micas, etc.), ainsi que les minéraux de silice (quartz et autres modifications polymorphes du dioxyde de silicium).

Propriétés. La configuration de la couche électronique externe de l'atome de silicium est 3s 2 3р 2 . Dans les composés, il présente un état d'oxydation de +4, rarement +1, +2, +3, -4 ; électronégativité selon Pauling 1.90, les potentiels d'ionisation Si 0 → Si + → Si 2+ → Si 3+ → Si 4+ sont respectivement de 8,15, 16,34, 33,46 et 45,13 eV; rayon atomique 110 pm, rayon ionique Si 4+ 40 pm (numéro de coordination 4), 54 pm (numéro de coordination 6).

Le silicium est une substance cristalline cassante dure gris foncé avec un éclat métallique. Le réseau cristallin est cubique à faces centrées ; t pl 1414 ° С, t kip 2900 ° С, densité 2330 kg / m 3 (à 25 ° С). Capacité calorifique 20,1 J/(mol∙K), conductivité thermique 95,5 W/(m∙K), constante diélectrique 12 ; Dureté de Mohs 7. Dans des conditions normales, le silicium est un matériau fragile ; une déformation plastique notable est observée à des températures supérieures à 800 °C. Le silicium est transparent au rayonnement infrarouge d'une longueur d'onde supérieure à 1 micron (indice de réfraction 3,45 à une longueur d'onde de 2 à 10 microns). Diamagnétique (susceptibilité magnétique - 3.9∙10 -6). Le silicium est un semi-conducteur, la bande interdite est de 1,21 eV (0 K) ; résistivité électrique 2,3 10 3 Ohm ∙ m (à 25 ° C), mobilité électronique 0,135-0,145, trous - 0,048-0,050 m 2 / (V s). Les propriétés électriques du silicium dépendent fortement de la présence d'impuretés. Pour obtenir des monocristaux de silicium avec une conductivité de type p, des dopants B, Al, Ga, In (impuretés acceptrices) sont utilisés, avec une conductivité de type n - P, As, Sb, Bi (impuretés donneuses).

Le silicium dans l'air est recouvert d'un film d'oxyde, par conséquent, lorsque basses températures Chimiquement inerte; lorsqu'il est chauffé au-dessus de 400 ° C, il interagit avec l'oxygène (l'oxyde SiO et le dioxyde SiO 2 se forment), les halogènes (halogénures de silicium), l'azote (nitrure de silicium Si 3 N 4), le carbone (carbure de silicium SiC), etc. Composés de silicium avec l'hydrogène - les silanes sont obtenus indirectement. Le silicium interagit avec les métaux pour former des siliciures.

Le silicium finement dispersé est un agent réducteur : lorsqu'il est chauffé, il interagit avec la vapeur d'eau pour libérer de l'hydrogène, réduit les oxydes métalliques en métaux libres. Les acides non oxydants passivent le silicium en raison de la formation d'un film d'oxyde insoluble dans l'acide à sa surface. Le silicium se dissout dans un mélange de HNO 3 concentré avec HF et de l'acide fluorosilicique se forme: 3Si + 4HNO 3 + 18HF \u003d 3H 2 + 4NO + 8H 2 O. Le silicium (particulièrement finement dispersé) interagit avec les alcalis avec dégagement d'hydrogène, par exemple : Si + 2NaOH + H 2 O \u003d Na 2 SiO 3 + 2H 2. Le silicium forme divers composés organosiliciés.

rôle biologique. Le silicium appartient aux microéléments. Le besoin humain quotidien en silicium est de 20 à 50 mg (un élément est nécessaire à la bonne croissance des os et des tissus conjonctifs). Le silicium pénètre dans le corps humain avec les aliments, ainsi qu'avec l'air inhalé sous forme de SiO 2 poussiéreux. En cas d'inhalation prolongée de poussière contenant du SiO 2 libre, une silicose survient.

Reçu. Le silicium de pureté technique (95-98%) est obtenu par réduction de SiO 2 avec du carbone ou des métaux. Le silicium polycristallin de haute pureté est obtenu par réduction de SiCl 4 ou SiHCl 3 avec de l'hydrogène à une température de 1000-1100 ° C, décomposition thermique de Sil 4 ou SiH 4; silicium monocristallin de haute pureté - par fusion de zone ou par la méthode Czochralski. Le volume de la production mondiale de silicium est d'environ 1600 mille tonnes / an (2003).

Application. Le silicium est le matériau principal de la microélectronique et des dispositifs semi-conducteurs ; utilisé dans la fabrication de verres transparents au rayonnement infrarouge. Le silicium est un composant des alliages de fer et de métaux non ferreux (à faible concentration, le silicium augmente la résistance à la corrosion et la résistance mécanique des alliages, améliore leurs propriétés de coulée; à forte concentration, il peut provoquer une fragilité); les alliages de fer, de cuivre et d'aluminium contenant du silicium sont de la plus haute importance. Le silicium est utilisé comme matière première pour la production de composés organosiliciés et de siliciures.

Lit.: Baransky P. I., Klochkov V. P., Potykevich I. V. Semiconductor electronics. Propriétés des matériaux : Manuel. K., 1975 ; Drozdov A. A., Zlomanov V. P., Mazo G. N., Spiridonov F. M. Chimie inorganique. M., 2004. T. 2 ; Shriver D., Atkins P. Chimie inorganique. M., 2004. T. 1-2 ; Silicium et ses alliages. Iekaterinbourg, 2005.

Ministère de l'éducation et des sciences de Russie

budget de l'Etat fédéral établissement d'enseignement enseignement professionnel supérieur

"MATI - État russe Université technique du nom de K.E. Tsiolkovsky" (MATI)

Département "Essais d'aéronefs"

abstrait

Dans le cours "Chimie"

Thème : « Silicium »

Étudiant: Akbaev Dauyt Rinatovich

Groupe : 2ILA-1DS-298

Conférencier : Evdokimov Sergueï Vasilievitch

Moscou 2014

Le silicium dans les organismes vivants

Histoire de la découverte et de l'utilisation

Répartition dans la nature

La structure de l'atome et la chimie de base et propriétés physiques

Reçu

Application

Connexions

Application

1. Le silicium dans les organismes vivants

Silicium (lat. Silicium), Si, un élément chimique du groupe IV du système périodique de Mendeleev; numéro atomique 14, masse atomique 28.086. Dans la nature, l'élément est représenté par trois isotopes stables : 28 Si (92,27 %), 29 Si (4,68 %) et 30 Si (3,05 %)

Le silicium dans le corps se trouve sous la forme de divers composés, qui sont principalement impliqués dans la formation de parties squelettiques solides et de tissus. Surtout beaucoup de silicium peut accumuler certains plantes marines(par exemple, les diatomées) et les animaux (par exemple, les éponges à cornes de silicium, les radiolaires), qui, en mourant, forment d'épais dépôts de dioxyde de silicium sur le fond de l'océan.

Dans les mers froides et les lacs, les limons biogéniques enrichis en silicium prédominent, dans les mers tropicales - les limons calcaires à faible teneur en silicium. Parmi les plantes terrestres, les céréales, les carex, les palmiers et les prêles accumulent beaucoup de silicium. Chez les vertébrés, la teneur en dioxyde de silicium dans les cendres est de 0,1 à 0,5%. À plus grandes quantités le silicium se trouve en densité tissu conjonctif, reins, pancréas. L'alimentation humaine quotidienne contient jusqu'à 1 g de silicium.

Avec une teneur élevée en poussière de dioxyde de silicium dans l'air, il pénètre dans les poumons d'une personne et provoque une maladie - la silicose (du latin silex - silex), une maladie humaine causée par l'inhalation prolongée de poussière contenant du dioxyde de silicium libre, fait référence à maladies. Il survient chez les travailleurs des industries minières, faïencières, métallurgiques et de la construction mécanique. La silicose est la maladie la plus défavorable du groupe des pneumoconioses ; plus souvent qu'avec d'autres maladies, on note l'ajout d'un processus tuberculeux (appelé silicotuberculose) et d'autres complications.

2. Histoire de la découverte et de l'utilisation

Référence historique. Les composés de silicium, largement répandus sur terre, sont connus de l'homme depuis l'âge de pierre. L'utilisation d'outils en pierre pour le travail et la chasse s'est poursuivie pendant plusieurs millénaires. L'utilisation des composés de silicium associée à leur transformation - la fabrication du verre - a commencé vers 3000 av. e. (dans l'Égypte ancienne). Le plus ancien composé de silicium connu est SiO2. 2(silice). Au 18ème siècle la silice était considérée comme un corps simple et appelée "terres" (ce qui se reflète dans son nom). La complexité de la composition de la silice a été établie par I.Ya. Berzelius.

Le silicium à l'état libre a été obtenu pour la première fois en 1811 par les scientifiques français J. Gay-Lussac et O. Tenard.

En 1825, le minéralogiste et chimiste suédois Jens Jakob Berzelius obtient du silicium amorphe. La poudre brune de silicium amorphe a été obtenue par réduction du tétrafluorure de silicium gazeux avec du potassium métallique :

4 + 4K = Si + 4KF

Plus tard, une forme cristalline de silicium a été obtenue. Par recristallisation du silicium à partir de métaux en fusion, des cristaux gris, durs mais cassants avec un éclat métallique ont été obtenus. Les noms russes de l'élément silicium ont été introduits par G.I. Hesse en 1834.

. Répartition dans la nature

Le silicium, après l'oxygène, est l'élément le plus répandu (27,6 %) sur terre. C'est un élément qui est inclus dans la plupart des minéraux et des roches qui composent la coquille dure de la croûte terrestre. Dans la croûte terrestre, le silicium joue le même rôle primordial que le carbone dans les règnes animal et végétal. Pour la géochimie de l'oxygène, sa liaison exceptionnellement forte avec l'oxygène est importante. Les composés de silicium les plus utilisés sont l'oxyde de silicium SiO 2et les dérivés des acides siliciques, appelés silicates. L'oxyde de silicium (IV) se présente sous forme de quartz minéral (silice, silex). Dans la nature, des montagnes entières sont composées de ce composé. Il existe de très gros cristaux de quartz, pesant jusqu'à 40 tonnes. Le sable ordinaire est constitué de quartz fin contaminé par diverses impuretés. La consommation mondiale annuelle de sable atteint 300 millions de tonnes.

Parmi les silicates, les aluminosilicates (kaolin Al 2O 3*2SiO 2*2H 2O, amiante CaO*3MgO*4SiO 2, orthose K 2O*Al 2O 3*6SiO 2et etc.). Si la composition du minéral, en plus des oxydes de silicium et d'aluminium, comprend des oxydes de sodium, de potassium ou de calcium, alors le minéral est appelé feldspath (mica blanc, etc.). Les feldspaths représentent environ la moitié des silicates connus dans la nature. Les roches de granit et de gneiss comprennent le quartz, le mica, le feldspath.

Le silicium entre dans la composition du monde végétal et animal en faible quantité. Il contient les tiges de certains types de légumes et de céréales. Ceci explique la résistance accrue des tiges de ces plantes. Les coquilles de ciliés, les corps d'éponges, les œufs et les plumes d'oiseaux, les poils d'animaux, les cheveux et le corps vitré de l'œil contiennent également du silicium.

L'analyse d'échantillons de sol lunaire livrés par des navires a montré la présence d'oxyde de silicium à plus de 40 %. Dans la composition des météorites en pierre, la teneur en silicium atteint 20%.

. La structure de l'atome et les propriétés chimiques et physiques de base

Le silicium forme des cristaux gris foncé avec un éclat métallique, ayant un réseau cubique de type diamant à faces centrées avec une période a = 5,431 Å, densité 2,33 g/cm ³ . A très hautes pressions une nouvelle modification (apparemment hexagonale) avec une densité de 2,55 g/cm a été obtenue ³ . K. fond à 1417°C, bout à 2600°C. Capacité thermique spécifique (à 20-100°С) 800 j/(kg × K), soit 0,191 cal/(g × grêle); la conductivité thermique, même pour les échantillons les plus purs, n'est pas constante et se situe dans la plage (25 ° C) 84-126 W / (m × K), ou 0,20-0,30 cal / (cm × seconde × grêle). Coéfficent de température expansion linéaire 2.33 ×10-6 K-1 ; en dessous de 120K devient négatif. Le silicium est transparent aux rayons infrarouges à ondes longues ; indice de réfraction (pour l = 6 µm) 3,42 ; constante diélectrique 11.7. Le silicium est diamagnétique, susceptibilité magnétique atomique - 0,13×10 -6. Dureté du silicium Mohs 7.0, Brinell 2.4 H/m ² (240 kgf/mm ² ), module d'élasticité 109 H/m ² (10890 kgf/mm ² ), facteur de compressibilité 0,325 ×10 -6cm ² /kg. Le silicium est un matériau fragile ; une déformation plastique perceptible commence à des températures supérieures à 800°C.

Le silicium est un semi-conducteur de plus en plus utilisé. Les propriétés électriques de K. dépendent très fortement des impuretés. La résistivité volumique intrinsèque du silicium à température ambiante est supposée être de 2,3 ×10 3ohm × m (2,3 ×10 5 ohms × cm).

Le silicium semi-conducteur avec une conductivité de type p (additifs B, Al, In ou Ga) et de type n (additifs P, Bi, As ou Sb) a une résistance beaucoup plus faible. La bande interdite selon les mesures électriques est de 1,21 eV à 0 K et diminue à 1,119 eV à 300 K.

Conformément à la position du silicium dans le système périodique de Mendeleev, 14 électrons de l'atome de silicium sont répartis sur trois couches: dans la première (du noyau) 2 électrons, dans la seconde 8, dans la troisième (valence) 4; configuration de la couche électronique 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 . Potentiels d'ionisation séquentielle (eV) : 8,149 ; 16.34 ; 33.46 et 45.13. Rayon atomique 1,33 Å, rayon covalent 1.17Å, rayons ioniques Si 4+0,39Å, Si4- 1,98Å.

Dans les composés de silicium (similaire au carbone) 4-valentène. Cependant, contrairement au carbone, le silicium, avec un nombre de coordination de 4, présente un nombre de coordination de 6, ce qui s'explique par le grand volume de son atome (un exemple de tels composés sont les fluorures de silicium contenant le groupe 2-).

La liaison chimique de l'atome de silicium avec d'autres atomes est généralement réalisée par le biais d'orbitales sp3 hybrides, mais il est également possible d'impliquer deux de ses cinq orbitales 3d (vides), en particulier lorsque le silicium est à six coordonnées. Ayant une faible valeur d'électronégativité de 1,8 (contre 2,5 pour le carbone ; 3,0 pour l'azote, etc.), le silicium dans les composés avec des non-métaux est électropositif, et ces composés sont de nature polaire. L'énergie de liaison élevée avec l'oxygène Si-O, égale à 464 kJ/mol (111 kcal/mol), détermine la stabilité de ses composés oxygénés (SiO2 et silicates). L'énergie de la liaison Si-Si est faible, 176 kJ/mol (42 kcal/mol) ; contrairement au carbone, la formation de longues chaînes et d'une double liaison entre les atomes de Si n'est pas caractéristique du carbone. En raison de la formation d'un film d'oxyde protecteur, le silicium est stable dans l'air même à des températures élevées. Dans l'oxygène, il s'oxyde à partir de 400°C, formant du dioxyde de silicium SiO 2. On connaît également le monoxyde SiO, qui est stable à haute température sous forme de gaz ; à la suite d'un refroidissement rapide, un produit solide peut être obtenu, qui se décompose facilement en un mélange mince de Si et SiO 2. Le silicium est résistant aux acides et ne se dissout que dans un mélange d'acides nitrique et fluorhydrique ; se dissout facilement dans des solutions alcalines chaudes avec dégagement d'hydrogène. Le silicium réagit avec le fluor à température ambiante, avec d'autres halogènes - lorsqu'il est chauffé pour former des composés de formule générale SiX 4(voir Halogénures de silicium). L'hydrogène ne réagit pas directement avec le silicium et les silanes (silanes) sont obtenus par décomposition de siliciures. Les hydrogènes de silicium sont connus à partir de SiH 4à Si 8H 18(composition similaire aux hydrocarbures saturés). Le silicium forme 2 groupes de silanes contenant de l'oxygène - les siloxanes et les siloxènes. Le silicium réagit avec l'azote à des températures supérieures à 1000°C. Le nitrure de Si est d'une grande importance pratique. 3N 4, qui ne s'oxyde pas à l'air même à 1200 ° C, résiste aux acides (sauf l'acide nitrique) et aux alcalis, ainsi qu'aux métaux en fusion et aux scories, ce qui en fait un matériau précieux pour l'industrie chimique, pour la production de réfractaires , etc. Dureté élevée, et Aussi, composés de silicium avec du carbone (carbure de silicium SiC) et avec du bore (SiB 3, SiB 6, SiB 12). Lorsqu'il est chauffé, le silicium réagit (en présence de catalyseurs métalliques, tels que le cuivre) avec des composés organochlorés (par exemple, avec CH 3Cl) pour former des organohalosilanes [par exemple, Si(CH 3)3CI], servant à la synthèse de nombreux composés organosiliciés.

5. Réception

La méthode de laboratoire la plus simple et la plus pratique pour obtenir du silicium est la réduction de l'oxyde de silicium SiO 2à haute température avec des métaux réducteurs. En raison de la stabilité de l'oxyde de silicium, des agents réducteurs actifs tels que le magnésium et l'aluminium sont utilisés pour la réduction :

SiO 2+ 4Al = 3Si + 2Al2 O 3

Lors de la réduction avec de l'aluminium métallique, du silicium cristallin est obtenu. Une méthode de réduction des métaux à partir de leurs oxydes avec de l'aluminium métallique a été découverte par le physicochimiste russe N.N. Beketov en 1865. Lorsque l'oxyde de silicium est réduit avec de l'aluminium, la chaleur dégagée n'est pas suffisante pour faire fondre les produits de la réaction - le silicium et l'oxyde d'aluminium, qui fond à 205°C. Pour abaisser le point de fusion des produits de réaction, du soufre et un excès d'aluminium sont ajoutés au mélange réactionnel. La réaction produit du sulfure d'aluminium à bas point de fusion :

2Al + 3S = Al2 S 3

Des gouttes de silicium fondu tombent au fond du creuset.

Le silicium de pureté technique (95-98%) est obtenu dans un arc électrique par réduction de silice SiO 2entre les électrodes de graphite.

2+2C=Si+2CO

Dans le cadre du développement de la technologie des semi-conducteurs, des procédés ont été développés pour obtenir du silicium pur et extra pur. Cela nécessite une synthèse préalable des composés de silicium initiaux les plus purs, à partir desquels le silicium est extrait par réduction ou décomposition thermique.

Le silicium semi-conducteur pur est obtenu sous deux formes : polycristallin (par réduction de SiCl 4ou SiHCl 3zinc ou hydrogène, décomposition thermique de SiCl 4et SiH 4) et monocristal (fusion en zone sans creuset et "extraction" d'un monocristal à partir de silicium fondu - la méthode Czochralski).

Le tétrachlorure de silicium est obtenu par chloration du silicium technique. La méthode la plus ancienne de décomposition du tétrachlorure de silicium est la méthode du remarquable chimiste russe Académicien N.N. Beketova. Cette méthode peut être représentée par l'équation :

4+Zn=Si+2ZnCl 2.

Ici, les vapeurs de tétrachlorure de silicium, bouillant à 57,6°C, interagissent avec les vapeurs de zinc.

Actuellement, le tétrachlorure de silicium est réduit avec de l'hydrogène. La réaction se déroule selon l'équation :

SiCl 4+2H 2=Si+4HCl.

Le silicium est obtenu sous forme de poudre. La méthode à l'iodure pour l'obtention du silicium est également utilisée, similaire à la méthode à l'iodure décrite précédemment pour l'obtention du titane pur.

Pour obtenir du silicium pur, il est purifié des impuretés par fusion de zone de la même manière que l'on obtient du titane pur.

Pour un certain nombre de dispositifs semi-conducteurs, les matériaux semi-conducteurs obtenus sous la forme de monocristaux sont préférés, car des changements incontrôlés des propriétés électriques ont lieu dans un matériau polycristallin.

Lorsque des monocristaux sont mis en rotation, la méthode Czochralski est utilisée, qui consiste en ce qui suit : une tige est descendue dans le matériau fondu, au bout de laquelle se trouve un cristal de ce matériau ; il sert de germe au futur monocristal. La tige est extraite de la masse fondue à faible vitesse jusqu'à 1-2 mm/min. En conséquence, un monocristal de la taille souhaitée est progressivement développé. Les plaques utilisées dans les dispositifs à semi-conducteurs en sont découpées.

. Application

Le silicium spécialement dopé est largement utilisé comme matériau pour la fabrication de dispositifs à semi-conducteurs (transistors, thermistances, redresseurs de puissance, diodes contrôlables - thyristors ; photocellules solaires utilisées dans vaisseaux spatiaux, etc.). Le silicium étant transparent aux rayons d'une longueur d'onde de 1 à 9 microns, il est utilisé dans l'optique infrarouge.

Le silicium a des applications diverses et en constante expansion. En métallurgie, le silicium est utilisé pour éliminer l'oxygène dissous dans les métaux en fusion (désoxydation). Le silicium est partie intégrante un grand nombre d'alliages de fer et de métaux non ferreux. Habituellement, le silicium confère aux alliages une résistance accrue à la corrosion, améliore leurs propriétés de coulée et augmente leur résistance mécanique ; cependant, à des niveaux plus élevés, le silicium peut provoquer une fragilité. Les plus importants sont les alliages de fer, de cuivre et d'aluminium contenant du silicium. Une quantité croissante de silicium est utilisée pour la synthèse de composés organosiliciés et de siliciures. La silice et de nombreux silicates (argiles, feldspaths, micas, talcs, etc.) sont transformés par le verre, le ciment, la céramique, l'électrotechnique et d'autres branches de l'industrie.

Siliconisation, saturation de surface ou de volume d'un matériau avec du silicium. Il est produit en traitant le matériau dans de la vapeur de silicium formée à haute température au-dessus du remplissage de silicium, ou dans un milieu gazeux contenant des chlorosilanes, qui sont réduits par l'hydrogène, par exemple, par la réaction

je 4+ 2H2 = Si + 4HC1.

Il est principalement utilisé comme moyen de protection des métaux réfractaires (W, Mo, Ta, Ti, etc.) contre l'oxydation. La résistance à l'oxydation est due à la formation de revêtements de siliciure "auto-cicatrisants" à diffusion dense (WSi 2, MoSi 2et etc.). Application large trouve du graphite siliconé.

. Connexions

Siliciures

Siliciures (du lat. Silicium - silicium), composés chimiques du silicium avec des métaux et certains non-métaux. Les siliciures selon le type de liaison chimique peuvent être divisés en trois groupes principaux : ionique-covalent, covalent et de type métal. Les siliciures ioniques-covalents sont formés par des métaux alcalins (à l'exception du sodium et du potassium) et alcalino-terreux, ainsi que des métaux des sous-groupes du cuivre et du zinc; covalent - bore, carbone, azote, oxygène, phosphore, soufre, ils sont aussi appelés borures, carbures, nitrures de silicium), etc. ; semblable à un métal - métaux de transition.

Les siliciures sont obtenus par fusion ou frittage d'un mélange pulvérulent de Si et du métal correspondant : par chauffage d'oxydes métalliques avec Si, SiC, SiO 2et les silicates, naturels ou synthétiques (parfois mélangés avec du carbone) ; interaction du métal avec un mélange de SiCl 4et H 2; électrolyse de masses fondues constituées de K 2SiF 6et oxyde du métal correspondant. Les siliciures covalents et de type métal sont réfractaires, résistants à l'oxydation, à l'action des acides minéraux et à divers gaz agressifs. Les siliciures entrent dans la composition de matériaux composites métal-céramique résistants à la chaleur pour l'aviation et la technologie des fusées. MoSi 2est utilisé pour la production de réchauffeurs pour fours à résistance fonctionnant dans l'air à des températures allant jusqu'à 1600 °C. FeSi 2, Fe 3Si 2, Fe 2Si est un constituant du ferrosilicium utilisé pour la désoxydation et l'alliage des aciers. Le carbure de silicium fait partie des matériaux semi-conducteurs.

graphite siliconé

Graphite siliconé, graphite saturé de silicium. Il est produit en transformant du graphite poreux en remplissage de silicium à 1800-2200°C (dans ce cas, de la vapeur de silicium se dépose dans les pores). Composé d'une base en graphite, de carbure de silicium et de silicium libre. Combine la haute résistance à la chaleur inhérente au graphite et sa résistance à des températures élevées avec une densité, une étanchéité aux gaz, une haute résistance à l'oxydation à des températures allant jusqu'à 1750°C et une résistance à l'érosion. Il est utilisé pour le revêtement de fours à haute température, dans des dispositifs de coulée de métal, dans des éléments chauffants, pour la fabrication de pièces pour la technologie aéronautique et spatiale fonctionnant dans des conditions de températures élevées et d'érosion.

Silal

Silal (du latin Silicium - silicium et alliage anglais - alliage), fonte résistante à la chaleur à haute teneur en silicium (5-6%). Des pièces coulées relativement bon marché sont fabriquées à partir de silal, fonctionnant à des températures élevées (800-900 ° C), par exemple, des portes de four à foyer ouvert, des grilles, des pièces de chaudières à vapeur.

Silumin

Silumin (de lat. Silicium - silicium et Aluminium - aluminium), Nom commun un groupe d'alliages coulés à base d'aluminium contenant du silicium (4-13%, dans certaines nuances jusqu'à 23%). Selon la combinaison souhaitée de propriétés technologiques et opérationnelles, la silumine est alliée à Cu, Mn, Mg, parfois Zn, Ti, Be et d'autres métaux. Les silumines ont des propriétés de coulée élevées et des propriétés mécaniques plutôt élevées, cédant cependant, en termes de propriétés mécaniques, aux alliages de coulée basés sur le système Al-Cu. Les avantages des silumines incluent leur résistance accrue à la corrosion dans les atmosphères humides et marines. Les silumines sont utilisées dans la fabrication de pièces configuration complexe, principalement dans les industries automobile et aéronautique.

Silicomanganèse

Le silicomanganèse est un ferroalliage dont les principaux composants sont le silicium et le manganèse ; fondu dans des fours à minerai thermique par un procédé de réduction du charbon. Le silicomanganèse avec 10 à 26 % de Si (le reste est Mn, Fe et des impuretés), obtenu à partir de minerai de manganèse, de laitier de manganèse et de quartzite, est utilisé dans la sidérurgie comme désoxydant et additif d'alliage, ainsi que pour la fusion du ferromanganèse à teneur réduite en carbone par un procédé silicothermique. Le silicomanganèse avec 28-30% de Si (matière première pour laquelle est un laitier à haute teneur en manganèse et à faible teneur en phosphore spécialement obtenu) est utilisé dans la production de manganèse métallique.

Silicochrome

Silicochrome, ferrosilicochrome, ferroalliage dont les principaux composants sont le silicium et le chrome ; fondu dans un four à minerai thermique par un processus de réduction du charbon à partir de quartzite et de ferrochrome de porc granulaire ou de minerai de chrome. Le silicochrome avec 10-46% de Si (le reste Cr, Fe et les impuretés) est utilisé dans la fusion de l'acier faiblement allié, ainsi que pour la production de ferrochrome à teneur réduite en carbone par le procédé silicothermique. Le silicochrome avec 43 à 55 % de Si est utilisé dans la production de ferrochrome sans carbone et dans la fusion de l'acier inoxydable.

Silchrome (du latin Silicium - silicium et Chrome - chrome), le nom général d'un groupe d'aciers résistants à la chaleur et résistants à la chaleur alliés à Cr (5-14%) et Si (1-3%). Selon le niveau requis de propriétés de performance, le silchrome est en outre allié avec du Mo (jusqu'à 0,9 %) ou de l'Al (jusqu'à 1,8 %). Les silchromes résistent à l'oxydation à l'air et dans les milieux soufrés jusqu'à 850-950 °C ; ils sont principalement utilisés pour la fabrication de soupapes pour moteurs à combustion interne, ainsi que de pièces pour installations de chaudières, grilles, etc. Avec des charges mécaniques accrues, les pièces en silchrome fonctionnent de manière fiable pendant longtemps à des températures allant jusqu'à 600-800 ° C .

Halogénures de silicium

Halogénures de silicium, composés de silicium avec des halogènes. Les halogénures de silicium des types suivants (X-halogène) sont connus : SiX 4, SiH n X 4-n (halosilanes), Si n X 2n+2 et des halogénures mixtes, tels que SiClBr 3. Dans des conditions normales SiF 4- gaz, SiCl 4et SiBr 4- liquides (tmelt - 68,8 et 5°C), SiI 4- corps solide (tnl 124°C). Connexions Six 4facilement hydrolysé :

Six 4+2H 2O=SiO 2+4HX ;

fumée dans l'air en raison de la formation de très petites particules SiO 2; le tétrafluorure de silicium réagit différemment :

SiF 4+2H 2O=SiO 2+2H 2SiF 6

Chlorosilanes (SiH n X 4-n ), par exemple SiHCl 3(obtenus par action de HCl gazeux sur Si), ils forment sous l'action de l'eau des composés polymères à forte chaîne siloxane Si-O-Si. Étant hautement réactifs, les chlorosilanes servent de matières premières pour la production de composés organosiliciés. Connexions de type Si n X2 n+2 contenant des chaînes d'atomes de Si, avec X - chlore, donnent une série, y compris Si 6CL 14(tnl 320°С); les autres halogènes ne forment que Si 2X 6. Composés de types (SiX 2)n et (SiX) n . Molécules SiX 2et SiX existent à haute température sous forme de gaz et lors d'un refroidissement rapide (azote liquide) forment des substances polymères solides qui sont insolubles dans les solvants organiques courants.

Le tétrachlorure de silicium SiCl4 est utilisé dans la production d'huiles lubrifiantes, d'isolants électriques, de fluides caloporteurs, de liquides hydrofuges, etc. cristal de quartz de silicate de silicium

Carbure de silicium

Carbure de silicium, carborundum, SiC, composé silicium-carbone ; l'un des carbures les plus importants utilisés en ingénierie. Dans sa forme pure, le carbure de silicium est un cristal incolore avec un éclat de diamant ; produit technique vert ou bleu-noir. Le carbure de silicium existe sous deux principales modifications cristallines - hexagonale (a-SiC) et cubique (b-SiC), et l'hexagone est une "molécule géante" construite sur le principe d'une sorte de polymérisation dirigée par la structure de molécules simples. Les couches d'atomes de carbone et de silicium dans l'a-SiC sont placées les unes par rapport aux autres de différentes manières, formant de nombreux types structurels. La transition b-SiC vers a-SiC se produit à une température de 2100–2300°C (la transition inverse n'est généralement pas observée). Le carbure de silicium est réfractaire (fond avec décomposition à 2830°C), a une dureté exceptionnellement élevée (microdureté 33400 MN/m ² ou 3,34 tf/mm ² ), juste derrière le diamant et le carbure de bore B4 C ; fragile; densité 3,2 g/cm ³ . Le carbure de silicium est stable dans divers environnements chimiques, y compris à des températures élevées.

Le carbure de silicium est produit dans des fours électriques à 2000-2200°C à partir d'un mélange de sable de quartz (51-55%), de coke (35-40%) additionné de NaCI (I-5%) et de sciure de bois (5-10 %). En raison de sa dureté élevée, de sa résistance chimique et de sa résistance à l'usure, le carbure de silicium est largement utilisé comme matériau abrasif (lors du meulage), pour couper des matériaux durs, des outils de pointage, ainsi que pour la fabrication de diverses pièces d'équipements chimiques et métallurgiques fonctionnant dans conditions difficiles de hautes températures. Le carbure de silicium dopé avec diverses impuretés est utilisé dans la technologie des semi-conducteurs, en particulier à des températures élevées. Il est intéressant d'utiliser le carbure de silicium en génie électrique - pour la fabrication de radiateurs pour fours à résistance électrique à haute température (tiges de silite), de parafoudres pour lignes de transmission de courant électrique, de résistances non linéaires, dans le cadre de dispositifs d'isolation électrique, etc.

dioxyde de silicone

Dioxyde de silicium (silice), SiO 2, cristaux. Le minéral le plus commun est le quartz ; le sable ordinaire est également du dioxyde de silicium. Utilisé dans la production de verre, porcelaine, faïence, béton, brique, céramique, comme charge de caoutchouc, adsorbant en chromatographie, électronique, acousto-optique, etc. Minéraux de silice, un certain nombre d'espèces minérales, qui sont des modifications polymorphes du dioxyde de silicium ; stable à certains intervalles de température en fonction de la pression.

La base de la structure cristalline de la silice est un cadre tridimensionnel construit à partir de tétraèdres (5104) reliés par de l'oxygène commun. Cependant, la symétrie de leur emplacement, leur densité de tassement et leur orientation mutuelle sont différentes, ce qui se reflète dans la symétrie des cristaux de minéraux individuels et leurs propriétés physiques. Une exception est la stishovite, dont la structure est basée sur des octaèdres (SiO 6), formant une structure de type rutile. Toutes les silices (à l'exception de certaines variétés de quartz) sont généralement incolores. La dureté sur l'échelle minéralogique est différente : de 5,5 (a-tridymite) à 8-8,5 (stishovite).

La silice se présente généralement sous forme de très petits grains, de formations fibreuses cryptocristallines (a-cristobalite, dite lyussatite), et parfois de formations sphéroïdales. Moins souvent - sous forme de cristaux d'aspect tabulaire ou lamellaire (tridymite), octaédrique, dipyramidal (a- et b-cristobalite), fines aiguilles (coésite, stishovite). La majeure partie de la silice (à l'exception du quartz) est très rare et instable dans les conditions des zones superficielles de la croûte terrestre. Modifications à haute température de SiO 2- b-tridymite, b-cristobalite - se forment dans de petits vides de jeunes roches effusives (dacites, basaltes, liparites, etc.). L'a-cristobalite à basse température, avec l'a-tridymite, est l'un des composants de l'agate, de la calcédoine et de l'opale; déposé à partir de solutions aqueuses chaudes, parfois à partir de SiO colloïdal 2. La stishovite et la coésite se trouvent dans les grès du cratère météoritique du Devil's Canyon en Arizona (États-Unis), où elles se sont formées à cause du quartz à ultra haute pression instantanée et avec une augmentation de la température lors d'une chute de météorite. On trouve également dans la nature: le verre de quartz (appelé leshatelierite), qui se forme à la suite de la fusion du sable de quartz d'un coup de foudre, et la mélanophlogite - sous forme de petits cristaux cubiques et de croûtes (pseudomorphoses constituées d'opale- calcédoine et calcédoine), cultivées sur soufre natif dans les gisements de Sicile (Italie). La baleine ne se trouve pas dans la nature.

Quartz (allemand : Quarz), minéral ; sous le nom de quartz, deux modifications cristallines du dioxyde de silicium SiO sont connues 2: quartz hexagonal (ou a-quartz), stable à une pression de 1 atm (ou 100 kN/m ² ) dans la plage de température 870-573 °C, et trigonal (b-quartz), stable à des températures inférieures à 573 °C. Le quartz b est le plus répandu dans la nature. Il cristallise dans la classe des trapézoèdres trigonaux du système trigonal. La structure cristalline de type cadre est constituée de tétraèdres silicium-oxygène disposés en hélice (avec la vis à droite ou à gauche) par rapport à l'axe principal du cristal. En fonction de cela, on distingue les formes structurales-morphologiques droite et gauche des cristaux, qui diffèrent extérieurement par la symétrie de la disposition de certaines faces (par exemple, un trapézoèdre, etc.). L'absence de plans et de centre de symétrie dans les cristaux de quartz détermine la présence de propriétés piézoélectriques et pyroélectriques.

Le plus souvent, les cristaux de quartz ont un aspect prismatique allongé avec le développement prédominant de faces de prismes hexagonaux et de deux rhomboèdres (tête de cristal). Plus rarement, les cristaux prennent la forme d'une dipyramide pseudohexagonale. Les cristaux de quartz extérieurement réguliers sont généralement maclés de manière complexe, formant le plus souvent des zones de macles selon ce qu'on appelle. Lois brésiliennes ou dauphinoises. Ces derniers surviennent non seulement lors de la croissance des cristaux, mais également à la suite d'un réarrangement structurel interne lors de transitions thermiques a - b accompagnées de compression, ainsi que lors de déformations mécaniques. La couleur des cristaux de quartz, des grains, des agrégats est la plus diverse : le quartz incolore, blanc laiteux ou gris est le plus courant. Les cristaux transparents ou translucides magnifiquement colorés sont appelés en particulier: incolore, transparent - cristal de roche; violet - améthyste; fumé - rauchtopaz; noir - morion; jaune d'or - citrine. Les différentes couleurs sont généralement dues à des défauts structurels lors du remplacement de Si 4+sur Fe 3+ou Al 3+avec entrée simultanée dans le réseau Na 1+, Li 1+ou (OH) 1-. Il existe également des quartz de couleur complexe en raison de microinclusions de minéraux étrangers : prase verte - inclusions de microcristaux d'actinote ou de chlorite ; aventurine scintillante dorée - inclusions de mica ou d'hématite, etc. Les variétés cryptocristallines de quartz - agate et calcédoine - sont constituées des formations fibreuses les plus fines. Le quartz est optiquement uniaxial, positif. Indices de réfraction (pour la lumière du jour l=589,3) : ne=1,553 ; non=1.544. Transparent aux rayons ultraviolets et partiellement infrarouges. Lorsqu'un faisceau lumineux polarisé dans le plan est transmis dans la direction de l'axe optique, les cristaux de quartz de gauche font tourner le plan de polarisation vers la gauche et ceux de droite vers la droite. Dans la partie visible du spectre, la valeur de l'angle de rotation (pour 1 mm d'épaisseur de plaque de quartz) varie de 32,7 (pour l 486 nm) à 13,9° (728 nm). Sens permittivité(eij), module piézoélectrique (djj) et coefficients élastiques (Sij) sont les suivants (à température ambiante) : e11 = 4,58 ; e33 = 4,70 ; d11 \u003d -6,76 * 10-8; d14 \u003d 2,56 * 10-8; S11 = 1,279 ; S12 = - 0,159 ; S13 = -0,110 ; S14 = -0,446 ; S33 = 0,956 ; S44 = 1,978. Les coefficients de dilatation linéaire sont : perpendiculaire à l'axe du 3ème ordre 13,4*10 -6et parallèle à l'axe 8*10 -6. La chaleur de transformation b - a K. est de 2,5 kcal / mol (10,45 kJ / mol). Dureté sur une échelle minéralogique 7 ; densité 2650 kg/m ³ . Il fond à une température de 1710 ° C et se solidifie lors du refroidissement dans le soi-disant. verre de quartz. Le quartz fondu est un bon isolant; la résistance d'un cube avec une arête de 1 cm à 18°C ​​est de 5 * 10 18ohm/cm, coefficient de dilatation linéaire 0,57*10 -6cm/°C. Une technologie économiquement avantageuse a été développée pour la croissance de monocristaux d'oxygène synthétique, qui est obtenu à partir de solutions aqueuses de SiO2 à des pressions et des températures élevées (synthèse hydrothermale). Les cristaux synthétiques ont des propriétés piézoélectriques stables, une résistance aux radiations, une uniformité optique élevée et d'autres propriétés techniques précieuses.

Le quartz naturel est un minéral très répandu, c'est un composant essentiel de nombreuses roches, ainsi que des gisements minéraux de genèse la plus diverse. Les matériaux de quartz les plus importants pour l'industrie sont les sables de quartz, les quartzites et le quartz monocristallin cristallin. Ce dernier est rare et très apprécié. Les principaux gisements de cristaux de quartz se trouvent dans l'Oural, dans le Pamir, dans le bassin du fleuve. Aldan ; à l'étranger - dépôts au Brésil et en République Malgache. Les sables de quartz sont une matière première importante pour les industries de la céramique et du verre. Les monocristaux de quartz sont utilisés dans l'ingénierie radio (stabilisateurs de fréquence piézoélectriques, filtres, résonateurs, plaques piézoélectriques dans les installations à ultrasons, etc.) ; dans l'instrumentation optique (prismes pour spectrographes, monochromateurs, lentilles pour l'optique ultraviolette, etc.). Le quartz fondu est utilisé pour fabriquer de la verrerie chimique spéciale. K. est également utilisé pour obtenir du silicium chimiquement pur. Les variétés de quartz transparentes et magnifiquement colorées sont des pierres semi-précieuses et sont largement utilisées dans les bijoux.

Verre de quartz, un verre de silicate à un composant obtenu en faisant fondre des variétés de silice naturelle - cristal de roche, quartz veiné et sable de quartz, ainsi que du dioxyde de silicium synthétique. Il existe deux types de verre quartz industriel : transparent (optique et technique) et opaque. L'opacité du verre de quartz donne un grand nombre de de petites bulles de gaz y sont réparties (d'un diamètre de 0,03 à 0,3 microns) qui diffusent la lumière. Le verre de quartz transparent optique, obtenu par fusion de cristal de roche, est complètement homogène, ne contient pas de bulles de gaz visibles ; a l'indice de réfraction le plus bas parmi les verres de silicate (nD = 1,4584) et la transmission lumineuse la plus élevée, en particulier pour les rayons ultraviolets. Le verre de quartz se caractérise par une résistance thermique et chimique élevée ; point de ramollissement K. s. 1400°C. Le verre de quartz est un bon diélectrique, spécifique conductivité électriqueà 20 °С-10 -14 - 10-16ohm -1m -1, tangente de l'angle pertes diélectriquesà une température de 20 ° C et une fréquence de 106 Hz - 0,0025-0,0006. Le verre de quartz est utilisé pour la fabrication de verrerie de laboratoire, de creusets, d'instruments d'optique, d'isolateurs (notamment pour les hautes températures), de produits résistants aux variations de température.

Silanes

Silanes (du lat. Silicium - silicium), composés de silicium avec de l'hydrogène de formule générale Si n H2 n+2 . Silanes jusqu'à l'octasilane Si 8H 18. A température ambiante, les deux premiers composés du silicium sont du monosilane SiH 4et disilane Si 2H 6- gazeux, le reste - liquides volatils. Tous les composés de silicium ont une odeur désagréable et sont toxiques. Les silanes sont beaucoup moins stables que les alcanes ; ils s'enflamment spontanément à l'air, par exemple

Si 2H 6+7O 2=4SiO2 +6H 2Oh

L'eau se décompose :

3H 8+6H 2O=3SiO2 +10H 2

Les silanes ne sont pas présents dans la nature. Au laboratoire, par action d'acides dilués sur du siliciure de magnésium, on obtient un mélange de divers minéraux qui est fortement refroidi et séparé (par distillation fractionnée en l'absence totale d'air).

Acides siliciques

Acides siliciques, dérivés de l'anhydride silicique SiO 2; acides très faibles, peu solubles dans l'eau. Acide métasilicique pur H 2SiO 3(plus précisément, sa forme polymérique H 8Si 4O 12) et H 2Si 2O 5. Le dioxyde de silicium amorphe (silice amorphe) en solution aqueuse (solubilité d'environ 100 mg dans 1 l) forme principalement de l'acide orthosilicique H 4SiO 4. Dans les solutions sursaturées obtenues par diverses méthodes, les acides siliciques changent avec la formation de particules colloïdales (masse molaire jusqu'à 1500), à la surface desquelles se trouvent des groupes OH. Instruit donc. le sol, selon le pH, peut être stable (pH environ 2) ou s'agréger en se transformant en gel (pH 5-6). Des sols d'acide silicique stables et hautement concentrés contenant des substances spéciales - des stabilisants, sont utilisés dans la fabrication du papier, dans l'industrie textile et pour la purification de l'eau. Acide fluorosilicique, H 2SiF 6, un acide inorganique fort. Existe uniquement en solution aqueuse ; dans forme libre se décompose en tétrafluorure de silicium SiF 4et le fluorure d'hydrogène HF. Il est utilisé comme désinfectant puissant, mais principalement pour la production de sels d'acide silicique - silicofluorures.

silicates

Silicates, sels d'acides de silicium. Le plus répandu dans la croûte terrestre (80% en poids); plus de 500 minéraux sont connus, parmi lesquels - gemmes comme l'émeraude, le béryl, l'aigue-marine. Silicates - la base des ciments, céramiques, émaux, verre de silicate; matières premières dans la production de nombreux métaux, adhésifs, peintures, etc. ; matériaux de radioélectronique, etc. Silicofluorures, fluorosilicates, sels d'acide fluorosilicique H 2SiF 6. Lorsqu'ils sont chauffés, ils se décomposent, par exemple

6= CaF2 + SiF 4

Les sels de Na, K, Rb, Cs et Ba sont peu solubles dans l'eau et forment des cristaux caractéristiques, qui sont utilisés dans les analyses quantitatives et microchimiques. Silicofluorure de sodium Na 2SiF 6(en particulier, dans la production de ciments résistants aux acides, d'émaux, etc.). Une proportion importante de Na 2SiF 6transformé en NaF. Obtenez Na 2SiF 6contenant SiF 4déchets des usines de superphosphate. Les silicofluorures de Mg, Zn et Al (nom technique des fluates) sont très solubles dans l'eau et sont utilisés pour rendre la pierre de construction étanche. Tous les silicates (ainsi que H 2SiF6 ) sont toxiques.

Application

Fig.1 Quartz droit et gauche.

Fig.2 Minéraux de silice.

Fig.3 Quartz (structure)

Tutorat

Besoin d'aide pour apprendre un sujet ?

Nos experts vous conseilleront ou vous fourniront des services de tutorat sur des sujets qui vous intéressent.
Soumettre une candidature indiquant le sujet dès maintenant pour connaître la possibilité d'obtenir une consultation.

De nombreux appareils et dispositifs technologiques modernes ont été créés en raison des propriétés uniques des substances présentes dans la nature. L'humanité, par l'expérimentation et l'étude minutieuse des éléments qui nous entourent, modernise constamment ses propres inventions - ce processus s'appelle le progrès technique. Il est basé sur des choses élémentaires, accessibles à tous, qui nous entourent dans Vie courante. Par exemple, le sable : qu'est-ce qui peut y avoir de surprenant et d'inhabituel ? Les scientifiques ont pu en isoler le silicium - un élément chimique sans lequel il n'y aurait pas la technologie informatique. La portée de son application est diversifiée et en constante expansion. Ceci est réalisé en raison des propriétés uniques de l'atome de silicium, de sa structure et de la possibilité de composés avec d'autres substances simples.

Caractéristique

Dans celui développé par D. I. Mendeleïev, le silicium est désigné par le symbole Si. Il appartient aux non-métaux, est situé dans le quatrième groupe principal de la troisième période, a le numéro atomique 14. Sa proximité avec le carbone n'est pas accidentelle : à bien des égards, leurs propriétés sont comparables. Il n'existe pas dans la nature sous sa forme pure, car c'est un élément actif et a des liens assez forts avec l'oxygène. La substance principale est la silice, qui est un oxyde, et les silicates (sable). Dans le même temps, le silicium (ses composés naturels) est l'un des éléments chimiques les plus courants sur Terre. En termes de fraction massique de contenu, il se classe deuxième après l'oxygène (plus de 28%). La couche supérieure de la croûte terrestre contient du dioxyde de silicium (c'est du quartz), divers types d'argiles et du sable. Le deuxième groupe le plus courant est ses silicates. À une profondeur d'environ 35 km de la surface, il existe des couches de dépôts de granit et de basalte, qui comprennent des composés siliceux. Le pourcentage de contenu dans le noyau terrestre n'a pas encore été calculé, mais les couches du manteau les plus proches de la surface (jusqu'à 900 km) contiennent des silicates. Dans le cadre de eau de mer la concentration en silicium est de 3 mg/l, 40 % est constitué de ses composés. Les étendues d'espace que l'humanité a étudiées jusqu'à présent contiennent cet élément chimique en grande quantité. Par exemple, des météorites qui se sont approchées de la Terre à une distance accessible aux chercheurs ont montré qu'elles étaient constituées de 20 % de silicium. Il existe une possibilité de formation de vie basée sur cet élément dans notre galaxie.

Processus de recherche

L'histoire de la découverte de l'élément chimique silicium comporte plusieurs étapes. De nombreuses substances systématisées par Mendeleïev sont utilisées par l'humanité depuis des siècles. Dans le même temps, les éléments étaient dans leur forme naturelle, c'est-à-dire dans des composés qui n'ont pas été soumis à un traitement chimique, et toutes leurs propriétés n'étaient pas connues des gens. Au cours de l'étude de toutes les caractéristiques de la substance, de nouvelles directions d'utilisation sont apparues. Les propriétés du silicium n'ont pas été complètement étudiées à ce jour - cet élément, aux applications assez larges et variées, laisse la place à de nouvelles découvertes pour les futures générations de scientifiques. Technologies modernes accélérer considérablement ce processus. Au 19ème siècle, de nombreux chimistes célèbres ont tenté d'obtenir du silicium pur. Pour la première fois, L. Tenar et J. Gay-Lussac y parvinrent en 1811, mais la découverte de l'élément appartient à J. Berzelius, qui put non seulement isoler la substance, mais aussi la décrire. Un chimiste suédois a obtenu du silicium en 1823 en utilisant du potassium métallique et du sel de potassium. La réaction a eu lieu avec un catalyseur sous forme de haute température. La substance simple gris-brun obtenue était du silicium amorphe. L'élément pur cristallin a été obtenu en 1855 par St. Clair Deville. La complexité de l'isolement est directement liée à la haute résistance des liaisons atomiques. Dans les deux cas, la réaction chimique vise le processus de purification des impuretés, tandis que les modèles amorphe et cristallin ont des propriétés différentes.

Silicium prononciation de l'élément chimique

Le premier nom de la poudre résultante - kisel - a été proposé par Berzelius. Au Royaume-Uni et aux États-Unis, le silicium n'est encore appelé que silicium (silicium) ou silicone (silicium). Le terme vient du latin "silex" (ou "pierre"), et dans la plupart des cas, il est lié au concept de "terre" en raison de sa large distribution dans la nature. Prononciation russe donné chimique différent, tout dépend de la source. Elle s'appelait silice (Zakharov utilisa ce terme en 1810), sicile (1824, Dvigubsky, Solovyov), silice (1825, Strakhov), et ce n'est qu'en 1834 que le chimiste russe German Ivanovich Hess introduisit le nom qui est encore utilisé aujourd'hui. la plupart des sources - silicium. Dans il est désigné par le symbole Si. Comment lit-on l'élément chimique silicium ? De nombreux scientifiques des pays anglophones prononcent son nom comme "si" ou utilisent le mot "silicone". De là vient le nom mondialement connu de la vallée, qui est un site de recherche et de production de technologie informatique. La population russophone appelle l'élément silicium (du mot grec ancien signifiant "roche, montagne").

Découverte dans la nature : gisements

Des systèmes montagneux entiers sont constitués de composés de silicium, qui ne se trouvent pas sous leur forme pure, car tous les minéraux connus sont des dioxydes ou des silicates (aluminosilicates). Des pierres incroyablement belles sont utilisées par les gens comme matériau ornemental - ce sont des opales, des améthystes, des quartz divers types, jaspe, calcédoine, agate, cristal de roche, cornaline et bien d'autres. Ils ont été formés en raison de l'inclusion de diverses substances dans la composition du silicium, qui ont déterminé leur densité, leur structure, leur couleur et leur sens d'utilisation. Tout le monde inorganique peut être associé à cet élément chimique, qui dans environnement naturel forme des liaisons fortes avec les métaux et les non-métaux (zinc, magnésium, calcium, manganèse, titane, etc.). Comparé à d'autres substances, le silicium est facilement disponible pour l'exploitation minière à l'échelle industrielle : on le trouve dans la plupart des types de minerais et de minéraux. Par conséquent, les gisements activement développés sont liés aux sources d'énergie disponibles plutôt qu'aux accumulations territoriales de matière. Les quartzites et les sables quartzeux se trouvent dans tous les pays du monde. Les plus grands fabricants et fournisseurs de silicium sont : la Chine, la Norvège, la France, les États-Unis (Virginie occidentale, Ohio, Alabama, New York), l'Australie, l'Afrique du Sud, le Canada, le Brésil. Tous les fabricants utilisent différentes manières, qui dépendent du type de produits fabriqués (technique, semi-conducteur, silicium haute fréquence). Un élément chimique, en outre enrichi ou, au contraire, purifié de tous les types d'impuretés, possède des propriétés individuelles dont dépend son utilisation ultérieure. Ceci s'applique également à cette substance. La structure du silicium détermine la portée de son application.

Historique d'utilisation

Très souvent, en raison de la similitude des noms, les gens confondent le silicium et le silex, mais ces concepts ne sont pas identiques. Apportons de la clarté. Comme déjà mentionné, le silicium sous sa forme pure n'existe pas dans la nature, ce qui ne peut être dit de ses composés (la même silice). Les principaux minéraux et roches formés par le dioxyde de la substance considérée sont le sable (de rivière et de quartz), le quartz et les quartzites et le silex. Tout le monde doit avoir entendu parler de ce dernier, car il est donné grande importance dans l'histoire du développement humain. Les premiers outils créés par les hommes à l'âge de pierre sont associés à cette pierre. Ses arêtes vives, formées lors de la rupture du rocher principal, ont grandement facilité le travail des anciennes ménagères et la possibilité d'affûter - chasseurs et pêcheurs. Le silex n'avait pas la résistance des produits métalliques, mais les outils défectueux étaient faciles à remplacer par de nouveaux. Son utilisation comme silex et acier s'est poursuivie pendant de nombreux siècles - jusqu'à l'invention de sources alternatives.

Quant aux réalités modernes, les propriétés du silicium permettent d'utiliser la substance pour la décoration intérieure ou la création de plats en céramique, tandis qu'en plus d'un bel aspect esthétique, il possède de nombreuses excellentes qualités fonctionnelles. Une direction distincte de son application est associée à l'invention du verre il y a environ 3000 ans. Cet événement a permis de créer des miroirs, des plats, des vitraux en mosaïque à partir de composés contenant du silicium. La formule de la substance initiale a été complétée par les composants nécessaires, ce qui a permis de donner au produit la couleur requise et a influencé la résistance du verre. Des œuvres d'art d'une beauté et d'une variété étonnantes ont été fabriquées par l'homme à partir de minéraux et de pierres contenant du silicium. Les propriétés curatives de cet élément ont été décrites par des scientifiques anciens et ont été utilisées tout au long de l'histoire de l'humanité. Ils ont aménagé des puits pour l'eau potable, des garde-manger pour stocker les aliments, utilisés à la fois dans la vie quotidienne et en médecine. La poudre obtenue à la suite du broyage a été appliquée sur les plaies. Une attention particulière a été portée à l'eau, qui a été infusée dans des plats fabriqués à partir de composés contenant du silicium. L'élément chimique a interagi avec sa composition, ce qui a permis de détruire un certain nombre de bactéries et de micro-organismes pathogènes. Et c'est loin de toutes les industries où la substance que nous envisageons est très, très demandée. La structure du silicium détermine sa polyvalence.

Propriétés

Pour une connaissance plus détaillée des caractéristiques d'une substance, celle-ci doit être considérée en tenant compte de toutes les propriétés possibles. Le plan de caractérisation de l'élément chimique du silicium comprend les propriétés physiques, les indicateurs électrophysiques, l'étude des composés, les réactions et les conditions de leur passage, etc. Le silicium sous forme cristalline a une couleur gris foncé avec un éclat métallique. Le réseau cubique à faces centrées est similaire à celui du carbone (diamant), mais en raison des liaisons plus longues, il n'est pas si fort. Chauffer jusqu'à 800°C le rend plastique, dans les autres cas il reste cassant. Les propriétés physiques du silicium rendent cette substance vraiment unique : elle est transparente au rayonnement infrarouge. Point de fusion - 1410 0 C, point d'ébullition - 2600 0 C, densité dans des conditions normales - 2330 kg / m 3. La conductivité thermique n'est pas constante, pour divers échantillons elle est prise à une valeur approximative de 25 0 C. Les propriétés de l'atome de silicium permettent de l'utiliser comme semi-conducteur. Ce domaine d'application est le plus demandé dans monde moderne. L'amplitude de la conductivité électrique est influencée par la composition du silicium et des éléments qui lui sont associés. Ainsi, pour une conductivité électronique accrue, on utilise de l'antimoine, de l'arsenic, du phosphore, pour l'aluminium perforé, du gallium, du bore, de l'indium. Lors de la création d'appareils avec du silicium comme conducteur, un traitement de surface avec un certain agent est utilisé, ce qui affecte le fonctionnement de l'appareil.

Les propriétés du silicium en tant qu'excellent conducteur sont largement utilisées dans l'instrumentation moderne. Son utilisation dans la production d'équipements complexes (par exemple, des appareils informatiques modernes, des ordinateurs) est particulièrement pertinente.

Silicium : caractéristiques d'un élément chimique

Dans la plupart des cas, le silicium est tétravalent, il existe aussi des liaisons dans lesquelles il peut avoir une valeur de +2. Dans des conditions normales, il est inactif, contient des composés puissants et, à température ambiante, ne peut réagir qu'avec le fluor, qui est à l'état gazeux d'agrégation. Cela est dû à l'effet de blocage de la surface avec un film de dioxyde, qui est observé lors de l'interaction avec l'oxygène ou l'eau ambiants. Pour stimuler les réactions, il faut utiliser un catalyseur : élever la température est idéal pour une substance comme le silicium. L'élément chimique interagit avec l'oxygène à 400-500 0 C, en conséquence, le film de dioxyde augmente et le processus d'oxydation a lieu. Lorsque la température monte à 50 0 C, une réaction avec le brome, le chlore, l'iode est observée, entraînant la formation de tétrahalogénures volatils. Le silicium n'interagit pas avec les acides, à l'exception d'un mélange d'acides fluorhydrique et nitrique, tandis que tout alcali à l'état chauffé est un solvant. Les hydrogènes du silicium ne se forment que par décomposition des siliciures, il ne réagit pas avec l'hydrogène. Les composés contenant du bore et du carbone se distinguent par la plus grande résistance et passivité chimique. La haute résistance aux alcalis et aux acides a un lien avec l'azote, qui se produit à des températures supérieures à 1000 0 C. Les siliciures sont obtenus par réaction avec des métaux, et dans ce cas, la valence montrée par le silicium dépend de l'élément supplémentaire. La formule de la substance formée avec la participation du métal de transition est résistante aux acides. La structure de l'atome de silicium affecte directement ses propriétés et sa capacité à interagir avec d'autres éléments. Le processus de formation de liaisons dans la nature et sous l'influence d'une substance (en laboratoire, dans des conditions industrielles) diffère considérablement. La structure du silicium suggère son activité chimique.

Structure

Le silicium a ses propres caractéristiques. La charge du noyau est +14, ce qui correspond au numéro de série dans le système périodique. Nombre de particules chargées : protons - 14 ; électrons - 14 ; neutrons - 14. Le schéma de la structure de l'atome de silicium a la forme suivante: Si +14) 2) 8) 4. Il y a 4 électrons au dernier niveau (externe), qui détermine le degré d'oxydation avec le "+ » ou « - ». L'oxyde de silicium a la formule SiO 2 (valence 4+), le composé hydrogéné volatil est SiH 4 (valence -4). Le grand volume de l'atome de silicium permet dans certains composés d'avoir un nombre de coordination de 6, par exemple, lorsqu'il est combiné avec du fluor. Masse molaire - 28, rayon atomique - 132 pm, configuration de la couche électronique : 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 2.

Application

Le silicium de surface ou entièrement dopé est utilisé comme semi-conducteur dans la création de nombreux dispositifs, y compris de haute précision (par exemple, photocellules solaires, transistors, redresseurs de courant, etc.). Le silicium ultra-pur est utilisé pour créer panneaux solaires(énergie). Le type monocristallin est utilisé pour fabriquer des miroirs et un laser à gaz. À partir de composés de silicium, on obtient du verre, des carreaux de céramique, de la vaisselle, de la porcelaine, de la faïence. Il est difficile de décrire la variété des types de biens reçus, leur exploitation se fait au niveau du ménage, dans l'art et la science, et dans la production. Le ciment obtenu sert de matière première pour la création de mélanges de construction et de briques, matériaux de finition. La distribution d'huiles, à base de lubrifiants, peut réduire considérablement la force de frottement dans les pièces mobiles de nombreux mécanismes. Les siliciures sont largement utilisés dans l'industrie en raison de leurs propriétés uniques dans le domaine de la résistance aux milieux agressifs (acides, températures). Leurs caractéristiques électriques, nucléaires et chimiques sont prises en compte par les spécialistes des industries complexes, et la structure de l'atome de silicium joue un rôle important.

Nous avons répertorié les domaines d'application les plus avancés et les plus exigeants à ce jour. Le silicium commercial le plus courant, produit en grande quantité, est utilisé dans plusieurs domaines :

1. En tant que matière première pour la production d'une substance plus pure.
2. Pour les alliages d'alliage dans l'industrie métallurgique : la présence de silicium augmente la réfractarité, augmente la résistance à la corrosion et la résistance mécanique (avec un excès de cet élément, l'alliage peut être trop cassant).
3. Comme désoxydant pour éliminer l'excès d'oxygène du métal.
4. Matières premières pour la production de silanes (composés de silicium avec des substances organiques).
5. Pour la production d'hydrogène à partir d'un alliage de silicium avec du fer.
6. Fabrication de panneaux solaires.

La valeur de cette substance est également grande pour le fonctionnement normal du corps humain. La structure du silicium, ses propriétés sont déterminantes dans ce cas. Dans le même temps, un excès ou un manque de celui-ci entraîne des maladies graves.

Dans le corps humain

La médecine utilise depuis longtemps le silicium comme agent bactéricide et antiseptique. Mais avec tous les bienfaits d'un usage externe, cet élément doit être constamment renouvelé dans le corps humain. Un niveau normal de son contenu améliorera la vie en général. En cas de carence, plus de 70 oligo-éléments et vitamines ne seront pas absorbés par l'organisme, ce qui réduira considérablement la résistance à un certain nombre de maladies. Le pourcentage le plus élevé de silicium est observé dans les os, la peau, les tendons. Il joue le rôle d'un élément structurel qui maintient la résistance et donne de l'élasticité. Tous les tissus durs squelettiques sont formés par ses composés. À la suite d'études récentes, une teneur en silicium a été trouvée dans les reins, le pancréas et les tissus conjonctifs. Le rôle de ces organes dans le fonctionnement du corps est assez important, donc une diminution de son contenu aura un effet néfaste sur de nombreux indicateurs de base du maintien de la vie. Le corps devrait recevoir 1 gramme de silicium par jour avec de la nourriture et de l'eau - cela aidera à éviter d'éventuelles maladies, telles que l'inflammation de la peau, le ramollissement des os, la formation de calculs dans le foie, les reins, la déficience visuelle, les cheveux et les ongles , athérosclérose. À niveau suffisant le contenu de cet élément augmente l'immunité, normalise les processus métaboliques, améliore l'absorption de nombreux éléments nécessaires à la santé humaine. La plus grande quantité de silicium se trouve dans les céréales, le radis, le sarrasin. L'eau de silicium apportera des avantages significatifs. Pour déterminer la quantité et la fréquence de son utilisation, il est préférable de consulter un spécialiste.

CPU? Le sable? Quelles associations avez-vous avec ce mot ? Ou peut-être la Silicon Valley ?
Quoi qu'il en soit, nous rencontrons du silicium tous les jours, et si vous êtes intéressé à savoir ce qu'est Si et avec quoi il est mangé, veuillez sous cat.

Introduction

Silicium

Référence historique

Le silicium est très présent dans la nature dans la composition du sable ordinaire.

Répartition du silicium dans la nature

Propriétés physiques du silicium

Propriétés chimiques du silicium

Obtenir du silicium

Le silicium de pureté technique (95-98%) est obtenu dans un arc électrique par réduction de silice SiO2 entre des électrodes en graphite. Dans le cadre du développement de la technologie des semi-conducteurs, des procédés ont été développés pour obtenir du silicium pur et extra pur. Cela nécessite une synthèse préalable des composés de silicium initiaux les plus purs, à partir desquels le silicium est extrait par réduction ou décomposition thermique.
Silicium polycristallin ("polysilicium") - la forme la plus pure de silicium produit industriellement - un produit semi-fini obtenu en nettoyant le silicium technique par des méthodes au chlorure et au fluorure et utilisé pour la production de silicium monocristallin et multicristallin.
Traditionnellement, le silicium polycristallin est obtenu à partir de silicium technique en le convertissant en silanes volatils (monosilane, chlorosilanes, fluorosilanes), suivi d'une séparation des silanes résultants, d'une purification par distillation du silane sélectionné et d'une réduction du silane en silicium métallique.
Le silicium semi-conducteur pur est obtenu sous deux formes : polycristallin(réduction de SiCl4 ou SiHCl3 avec du zinc ou de l'hydrogène, décomposition thermique de SiI4 et SiH4) et monocristallin(fusion en zone sans creuset et "extraction" d'un monocristal à partir de silicium fondu - la méthode Czochralski).

Ici, vous pouvez voir le processus de croissance du silicium en utilisant la méthode Czochralski.

Méthode Czochralski- un procédé de croissance de cristaux par arrachage de la surface libre d'un volume important de la masse fondue avec initiation du début de cristallisation par mise en contact d'un cristal germe (ou de plusieurs cristaux) de structure et d'orientation cristallographique donnée avec le surface libre de la masse fondue.

Demande de silicium

Silicium ultra-pur et son produit

Silicium dans le corps

Conclusion