Silicon: aplicação, propriedades químicas e físicas

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Última modificação: 2023-12-17 05:39

Um dos elementos mais comuns na natureza é o silício, ou silício. Uma distribuição tão ampla fala da importância e significado dessa substância. Isso foi rapidamente entendido e adotado por pessoas que aprenderam a usar adequadamente o silício para seus próprios propósitos. Sua aplicação é baseada em propriedades especiais, sobre as quais falaremos mais adiante.

Silício é um elemento químico

Se caracterizarmos um determinado elemento por posição no sistema periódico, podemos identificar os seguintes pontos importantes:

1. Número ordinal - 14.
2. O ponto é o terceiro pequeno.
3. Grupo - IV.
4. Subgrupo - principal.
5. A estrutura da camada externa de elétrons é expressa pela fórmula 3s²3p².
6. O elemento silício é indicado pelo símbolo químico Si, que se pronuncia "silício".
7. Os estados de oxidação que exibe: -4; +2; +4.
8. A valência de um átomo é IV.
9. A massa atômica do silício é 28,086.
10. Na natureza, existem três isótopos estáveis deste elemento com números de massa 28, 29 e 30.

Então o átomoDo ponto de vista químico, o silício é um elemento bem estudado, muitas de suas várias propriedades já foram descritas.

Histórico de descobertas

Como são os vários compostos do elemento em consideração que são muito populares e massivos em conteúdo na natureza, desde os tempos antigos as pessoas usavam e conheciam as propriedades de apenas muitos deles. O silício puro permaneceu por muito tempo além do conhecimento humano em química.

Os compostos mais populares usados na vida cotidiana e na indústria pelos povos de culturas antigas (egípcios, romanos, chineses, russos, persas e outros) eram pedras preciosas e ornamentais à base de óxido de silício. Estes incluem:

• opala;
• strass;
• topaz;
• crisoprásio;
• ônix;
• calcedônia e outros.

Também é costume usar quartzo e areia de quartzo na construção desde os tempos antigos. No entanto, o próprio silício elementar permaneceu desconhecido até o século 19, embora muitos cientistas tenham tentado em vão isolá-lo de vários compostos, usando catalisadores, altas temperaturas e até corrente elétrica. Estas são mentes brilhantes como:

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

Jens Jacobs Berzelius conseguiu obter com sucesso silício puro em 1823. Para fazer isso, ele realizou um experimento sobre a fusão de vapores de fluoreto de silício e potássio metálico. Como resultado, ele recebeu uma modificação amorfa do elemento em questão. O mesmo cientista propôs um nome latino para o átomo descoberto.

Um pouco mais tarde, em 1855, outro cientista - Saint Clair-Deville - conseguiu sintetizar outra variedade alotrópica - o silício cristalino. Desde então, o conhecimento sobre esse elemento e suas propriedades começou a crescer muito rapidamente. As pessoas perceberam que ele possui recursos exclusivos que podem ser usados de maneira muito inteligente para atender às suas próprias necessidades. Portanto, hoje um dos elementos mais exigidos em eletrônica e tecnologia é o silício. Seu uso apenas expande seus limites a cada ano.

O nome russo para o átomo foi dado pelo cientista Hess em 1831. Isso é o que ficou até hoje.

Contido na natureza

Silicon é o segundo mais abundante na natureza depois do oxigênio. Sua porcentagem em comparação com outros átomos na composição da crosta terrestre é de 29,5%. Além disso, carbono e silício são dois elementos especiais que podem formar cadeias ao se conectarem. É por isso que mais de 400 minerais naturais diferentes são conhecidos por este último, no qual está contido na litosfera, hidrosfera e biomassa.

Onde exatamente o silício é encontrado?

1. Nas camadas profundas do solo.
2. Em rochas, depósitos e maciços.
3. No fundo dos corpos d'água, especialmente mares e oceanos.
4. Nas plantas e na vida marinha do reino animal.
5. Em humanos e animais terrestres.

É possível designar vários dos minerais e rochas mais comuns, que contêm uma grande quantidade desilício. Sua química é tal que o teor de massa de um elemento puro neles atinge 75%. No entanto, o valor específico depende do tipo de material. Então, rochas e minerais contendo silício:

• feldspato;
• mica;
• anfibólios;
• opalas;
• calcedônia;
• silicatos;
• arenitos;
• aluminossilicatos;
• argilas e outros.

Acumulando-se nas conchas e esqueletos externos de animais marinhos, o silício eventualmente forma poderosos depósitos de sílica no fundo dos corpos d'água. Esta é uma das fontes naturais deste elemento.

Além disso, descobriu-se que o silício pode existir em sua forma nativa pura - na forma de cristais. Mas esses depósitos são muito raros.

Propriedades físicas do silício

Se você caracteriza o elemento em consideração por um conjunto de propriedades físicas e químicas, em primeiro lugar, são os parâmetros físicos que devem ser indicados. Aqui estão alguns dos principais:

1. Existe na forma de duas modificações alotrópicas - amorfa e cristalina, que diferem em todas as propriedades.
2. A rede cristalina é muito semelhante à do diamante, porque carbono e silício são quase os mesmos nesse aspecto. No entanto, a distância entre os átomos é diferente (o silício tem mais), então o diamante é muito mais duro e forte. Tipo de treliça - cúbico de face centrada.
3. A substância é muito frágil, torna-se plástica em altas temperaturas.
4. O ponto de fusão é 1415˚C.
5. Temperaturaponto de ebulição - 3250˚С.
6. Densidade da matéria - 2,33 g/cm³.
7. A cor da conexão é cinza-prata, com um brilho metálico característico.
8. Possui boas propriedades semicondutoras, que podem variar com a adição de certos agentes.
9. Insolúvel em água, solventes orgânicos e ácidos.
10. Especificamente solúvel em álcalis.

Propriedades físicas designadas do silício permitem que as pessoas o controlem e o usem para criar vários produtos. Por exemplo, o uso de silício puro em eletrônica é baseado nas propriedades de semicondutividade.

Propriedades Químicas

As propriedades químicas do silício são muito dependentes das condições de reação. Se falamos de uma substância pura em parâmetros padrão, precisamos designar uma atividade muito baixa. Tanto o silício cristalino quanto o amorfo são muito inertes. Não interage com agentes oxidantes fortes (exceto flúor), nem com agentes redutores fortes.

Isso se deve ao fato de que um filme de óxido SiO₂ é instantaneamente formado na superfície da substância, o que evita interações posteriores. Pode ser formado sob a influência de água, ar, vapores.

Se você alterar as condições padrão e aquecer o silício a uma temperatura acima de 400˚С, sua atividade química aumentará muito. Nesse caso, ele reagirá com:

• oxigênio;
• todos os tipos de halogênios;
• hidrogênio.

Com um aumento adicional da temperatura, a formação de produtos é possível eminteração com boro, nitrogênio e carbono. De particular importância é o carborundum - SiC, pois é um bom material abrasivo.

Além disso, as propriedades químicas do silício são vistas claramente em reações com metais. Em relação a eles, é um agente oxidante, por isso os produtos são chamados de silicatos. Compostos semelhantes são conhecidos por:

• alcalino;
• terra alcalina;
• metais de transição.

Propriedades incomuns têm um composto obtido pela fusão de ferro e silício. Chama-se cerâmica de ferrosilício e tem sido utilizada com sucesso na indústria.

Silicon não interage com substâncias complexas, portanto, de todas as suas variedades, só pode se dissolver em:

• royal vodka (uma mistura de ácidos nítrico e clorídrico);
• álcalis cáusticos.

Neste caso, a temperatura da solução deve ser de pelo menos 60˚С. Tudo isso mais uma vez confirma a base física da substância - uma rede cristalina estável semelhante a um diamante, que lhe confere força e inércia.

Métodos de obtenção

A obtenção de silício puro é um processo bastante caro economicamente. Além disso, devido às suas propriedades, qualquer método fornece apenas 90-99% de produto puro, enquanto as impurezas na forma de metais e carbono permanecem as mesmas. Portanto, apenas obter a substância não é suficiente. Também deve ser qualitativamente limpo de elementos estranhos.

Em geral, a produção de silício é realizada de duas formas principais:

1. Da areia brancaque é óxido de silício puro SiO₂. Quando é calcinado com metais ativos (na maioria das vezes com magnésio), um elemento livre é formado na forma de uma modificação amorfa. A pureza deste método é alta, o produto é obtido com um rendimento de 99,9%.
2. Um método mais difundido em escala industrial é a sinterização de areia fundida com coque em fornos térmicos especializados. Este método foi desenvolvido pelo cientista russo Beketov N. N.

O processamento posterior consiste em submeter os produtos a métodos de limpeza. Para isso, são usados ácidos ou halogênios (cloro, flúor).

Silicio amorfo

A caracterização do silício será incompleta se não considerarmos separadamente cada uma de suas modificações alotrópicas. O primeiro é amorfo. Nesse estado, a substância que estamos considerando é um pó marrom-acastanhado, finamente disperso. Tem um alto grau de higroscopicidade, exibe uma atividade química suficientemente alta quando aquecido. Sob condições padrão, ele só pode interagir com o agente oxidante mais forte - flúor.

Não é totalmente correto chamar o silício amorfo de uma variedade de silício cristalino. Sua rede mostra que essa substância é apenas uma forma de silício finamente disperso que existe na forma de cristais. Portanto, como tal, essas modificações são o mesmo composto.

No entanto, suas propriedades diferem, portanto, é costume falar de alotropia. Por si só, o silício amorfo tem alta capacidade de absorção de luz. Além disso, sob certas condições, este indicador é várias vezes superior ao da forma cristalina. Portanto, é usado para fins técnicos. Na forma considerada (pó), o composto é facilmente aplicado em qualquer superfície, seja ela plástica ou de vidro. Portanto, é o silício amorfo que é tão conveniente para uso. A aplicação é baseada na fabricação de painéis solares de diversos tamanhos.

Embora o desgaste desse tipo de bateria seja bastante rápido, o que está associado à abrasão de uma fina película da substância, no entanto, o uso e a demanda só crescem. De fato, mesmo em uma vida útil curta, as células solares baseadas em silício amorfo são capazes de fornecer energia a empresas inteiras. Além disso, a produção de tal substância é livre de resíduos, o que a torna muito econômica.

Obtenha essa modificação reduzindo compostos com metais ativos, como sódio ou magnésio.

Silicio cristal

Modificação brilhante cinza prata do elemento em questão. É esta forma que é a mais comum e mais procurada. Isso se deve ao conjunto de propriedades qualitativas que essa substância possui.

A característica do silício com rede cristalina inclui uma classificação de seus tipos, pois existem vários deles:

1. Qualidade eletrônica - a mais pura e alta qualidade. É esse tipo que é usado na eletrônica para criar dispositivos especialmente sensíveis.
2. Qualidade ensolarada. O próprio nomedefine a área de uso. É também um silício de alta pureza, cujo uso é necessário para criar células solares de alta qualidade e longa duração. Os conversores fotovoltaicos criados com base em uma estrutura cristalina são de maior qualidade e mais duráveis do que aqueles criados usando uma modificação amorfa por deposição em vários tipos de substratos.
3. Silício técnico. Esta variedade inclui aquelas amostras de uma substância que contém cerca de 98% do elemento puro. Todo o resto vai para vários tipos de impurezas:

• boro;
• alumínio;
• cloro;
• carbono;
• fósforo e outros.

A última variedade da substância em questão é utilizada para obter policristais de silício. Para isso, são realizados processos de recristalização. Como resultado, em termos de pureza, são obtidos produtos que podem ser atribuídos aos grupos de qualidade solar e eletrônica.

Por natureza, o polissilício é um produto intermediário entre a modificação amorfa e cristalina. Esta opção é mais fácil de trabalhar, é melhor reciclada e limpa com flúor e cloro.

Os produtos resultantes podem ser classificados da seguinte forma:

• multicilicon;
• monocristalino;
• cristais perfilados;
• sucata de silicone;
• silício técnico;
• resíduos de produção na forma de fragmentos e restos de matéria.

Cada um deles encontra aplicação na indústria e é usadouma pessoa completamente. Portanto, os processos de produção envolvendo silício são considerados isentos de resíduos. Isso reduz muito seu custo econômico sem afetar a qualidade.

Usando silício puro

A produção de silício na indústria está bem estabelecida e sua escala é bastante volumosa. Isso se deve ao fato de que este elemento, puro e na forma de vários compostos, é difundido e procurado em vários ramos da ciência e tecnologia.

Onde é usado o silício puro cristalino e amorfo?

1. Na metalurgia como aditivo de liga capaz de alterar as propriedades dos metais e suas ligas. Assim, é usado na fundição de aço e ferro.
2. Diferentes tipos de substâncias são usados para fazer uma versão mais limpa - polissilício.
3. Compostos de silício com substâncias orgânicas - esta é toda uma indústria química que ganhou particular popularidade hoje. Os materiais de silicone são usados na medicina, na fabricação de pratos, ferramentas e muito mais.
4. Produção de vários painéis solares. Este método de obtenção de energia é um dos mais promissores no futuro. Ambientalmente amigável, econômico e durável - as principais vantagens dessa produção de eletricidade.
5. Silicon tem sido usado em isqueiros por muito tempo. Mesmo nos tempos antigos, as pessoas usavam pederneira para criar uma faísca ao acender uma fogueira. Este princípio é a base para a produção de isqueiros de vários tipos. Hoje existem espécies em quea pederneira é substituída por uma liga de determinada composição, o que dá um resultado ainda mais rápido (faísca).
6. Eletrônica e energia solar.
7. Produção de espelhos em aparelhos de laser a gás.

Assim, o silício puro tem muitas propriedades vantajosas e especiais que permitem que ele seja usado para criar produtos importantes e necessários.

Aplicação de compostos de silício

Além de uma substância simples, vários compostos de silício também são usados, e muito amplamente. Existe todo um ramo da indústria chamado silicato. É ela quem se baseia no uso de várias substâncias, que incluem esse elemento incrível. O que são esses compostos e o que eles produzem?

1. Quartz, ou areia de rio - SiO₂. É usado para a fabricação de materiais de construção e decorativos, como cimento e vidro. Onde esses materiais são usados, todos sabem. Nenhuma construção está completa sem esses componentes, o que confirma a importância dos compostos de silício.
2. Cerâmica de silicato, que inclui materiais como faiança, porcelana, tijolo e produtos à base deles. Esses componentes são utilizados na medicina, na fabricação de louças, enfeites decorativos, utensílios domésticos, na construção civil e em outras áreas domésticas da atividade humana.
3. Compostos de silicone - silicones, gel de sílica, óleos de silicone.
4. Cola de silicato - usada como papelaria, em pirotecnia e construção.

Silicon, cujo preço varia no mercado mundial, mas não cruzade cima para baixo, a marca de 100 rublos da Federação Russa por quilograma (por cristalino), é uma substância procurada e valiosa. Naturalmente, os compostos desse elemento também são difundidos e aplicáveis.

O papel biológico do silício

Do ponto de vista da importância para o corpo, o silício é importante. Seu conteúdo e distribuição nos tecidos é o seguinte:

• 0, 002% - musculoso;
• 0, 000017% - osso;
• sangue - 3,9 mg/l.

Todos os dias, cerca de um grama de silício deve entrar, caso contrário, as doenças começarão a se desenvolver. Não há nenhum mortal entre eles, no entanto, a fome prolongada de silício leva a:

• queda de cabelo;
• aparecimento de acne e espinhas;
• fragilidade e fragilidade dos ossos;
• permeabilidade capilar fácil;
• fadiga e dores de cabeça;
• o aparecimento de várias contusões e hematomas.

Para as plantas, o silício é um importante oligoelemento necessário para o crescimento e desenvolvimento normais. Experimentos com animais mostraram que indivíduos que consomem silício suficiente diariamente crescem melhor.