Kiselhistoria, egenskaper, struktur, erhållning, användning

han kisel Det är ett icke -metalliskt element och samtidigt metalloid som representeras av den kemiska symbolen om. Det är en halvledare, som är en viktig del av datorer, kalkylatorer, mobiltelefoner, solceller, dioder, etc.; Det är praktiskt taget huvudkomponenten som har möjliggjort att den digitala eran har.

Kisel har alltid varit närvarande i kvarts och silikater, båda mineraler som komponerar cirka 28% i massan av hela jordskorpan. Det är alltså det näst vanligaste elementet på jordens yta, och den stora öken och stränderna erbjuder ett perspektiv på hur rikligt det är.

Öknar är en riklig naturlig källa till kiseldioxidpartiklar eller graniter med andra mineraler. Källa: Pxhere.

Kiselet tillhör grupp 14 i det periodiska tabellen, samma som kol, beläget under detta. Det är därför detta element betraktas som en tetravalent metalloid; Den har fyra elektroner av Valencia och i teorin kan du förlora dem alla för att bilda katjonen om⁴⁺.

En egendom som delar med kol är dess förmåga att sammanfoga; det vill säga deras atomer är kopplade kovalent för att definiera molekylkedjor. På samma sätt kan kisel bilda sina egna "kolväten", kallad Siltans.

De dominerande föreningarna av kisel i naturen är de berömda silikaterna. I sin rena form kan det uppstå som en fast monokristallin, polyristisk eller amorf. Det är ett relativt inert fast ämne, så det representerar inte betydande risker.

[TOC]

Historia

Kiselstenen

Kisel är kanske ett av de element som har haft mest inflytande på mänsklighetens historia.

Detta element är huvudpersonen i stenåldern och även den digitala eran. Deras ursprung går tillbaka när civilisationerna arbetade med Quartz och gjorde sitt eget glas; Och för närvarande är det huvudkomponenten i datorer, bärbara datorer och smartphones.

Praktiskt taget kisel har varit stenen i två epoker som tydligt definieras i vår historia.

Isolering

När kiseldioxiden var så rik, ett namn född av Flint Rock, var det tvungen att innehålla ett extremt rikt element i jordskorpan; Detta var den framgångsrika misstanken om Antoine Lavoisier, som 1787 misslyckades i hennes försök att minska den från hennes oxid.

En tid senare, 1808, gjorde Humphry Davy sina egna försök och tilldelade sitt förnamn till elementet: 'Silicium', som översatt skulle vara som 'Pedernal Metal'. Det vill säga kiselet då betraktades som en metall på grund av dess brist på karaktärisering.

Sedan 1811 1811. Gay-Lussac och Louis Jacques Thénard lyckades förbereda amorft kisel för första gången. För detta reagerade de kisel tetrafluorid med metallisk kalium. De renade emellertid inte eller karakteriserade den erhållna produkten, så de drog inte slutsatsen att det var det nya silikelementet.

Det var inget annat än 1823 när den svenska kemisten Jacob Berzelius fick ett amorft kisel med tillräcklig renhet för att känna igen det som kisel; namn som gavs 1817 av den skotska kemisten Thomas Thomson när han betraktar det som ett icke -metalliskt element. Berzelius genomförde reaktionen mellan kalium och smält kaliumfluorosilikat för att producera detta kisel.

Kristallin kisel

Det kristallina kiselet förbereddes för första gången 1854 av den franska kemisten Henry Deville. För att uppnå detta gjorde Deville en elektrolys av en blandning av aluminium- och natriumklorider, vilket erhöll kiselkristaller täckta av ett skikt av aluminiumsiliciuro, som elimineras (tydligen) tvätta dem med vatten med vatten med vatten med vatten med vatten med vatten.

Fysiska och kemiska egenskaper

Fysiskt utseende

Elementär kisel, som har en metallisk lyster, men det är faktiskt en metalloid. Källa: Hi-reser Bilder av kemiska element [CC av 3.0 (https: // CreativeCommons.Org/licenser/av/3.0)]

Kiselen i sin rena eller elementära form består av ett blågråt eller svart fast ämne (överlägsen bild), som även om det inte är en metall, presenterar ljusa ansikten som om det verkligen var.

Det är ett svårt men sprött fasta, som också uppvisar en skivepitel om den bildas av Polyristales. Å andra sidan ser amorft kisel ut som ett mörkbrunt pulveriserat fast ämne. Tack vare detta är det lätt att identifiera och skilja en typ av kisel (kristallin eller polyristalin) från en annan (amorf).

Molmassa

28.085 g/mol

Atomantal (z)

14 (₁₄Ja)

Smältpunkt

1414 ºC

Kokpunkt

3265 ºC

Densitet

-Vid rumstemperatur: 2,33 g/ml

-Rätt vid smältpunkten: 2,57 g/ml

Observera att flytande kisel är tätare än fast kisel; Vilket innebär att deras kristaller flyter på en flytande fas, som med isvattensystemet. Förklaringen beror på det faktum att det interatomiska utrymmet mellan atomerna om det är i glaset är större (mindre tätt) än motsvarande i vätskan (tätare).

Fusionsvärme

50,21 kJ/mol

Förångningsvärme

383 kJ/mol

Molvärmekapacitet

19 789 J/(mol · k)

Elektronnegativitet

1,90 på Pauling -skalan

Joniseringsenergier

-Först: 786,5 kJ/mol

-Andra: 1577,1 kJ/mol

-Tredje: 3231,6 kJ/mol

Atomradio

231 (mätt i sina respektive diamantkristaller)

Värmeledningsförmåga

149 w/(m · k)

Elektrisk resistans

2.3 · 10³ Ω · m till 20 ºC

Mohs hårdhet

6.5

Sammankoppling

Kiselatomer har förmågan att bilda enkla Si-Si-länkar, som slutar definiera en kedja (si-si-si ...).

Denna egenskap manifesteras också av kol och svavel; Men SP -hybridiseringar³ av kisel är mer bristfälliga jämfört med de andra två elementen och dessutom är deras 3p orbitaler mer diffusa, så överlappningen av orbitalerna SP³ Resultat är svagare.

Kan tjäna dig: exotermiska och endotermiska reaktioner

De genomsnittliga energierna för Si-Si- och C-C-kovalenta bindningar är 226 kJ/mol respektive 356 kJ/mol. Därför är Si-if-länkar svagare. På grund av detta är kisel inte hörnstenen i livet (inte heller svavel). Faktum är att den längsta kedjan eller skelettet som kisel kan bilda är vanligtvis fyra medlemmar (om₄).

Oxidationsnummer

Kiselet kan ha något av följande oxidationsnummer, förutsatt att i var och en av dem finns med sina respektive belastningar: -4 (ja^4-), -3 (ja^3-), -2 (ja^2-), -1 (ja^-), +1 (ja⁺), +2 (ja²⁺), +3 (ja³⁺) och +4 (ja⁴⁺). Av dem alla är -4 och +4 de viktigaste.

Till exempel antas -4 i Siliciuros (MG₂Ja eller mg₂²⁺Ja^4-); Medan +4 motsvarar kiseldioxid (SIO₂ eller om⁴⁺ANTINGEN₂^2-).

Reaktivitet

Kisel är helt olösligt i vatten, liksom starka syror eller baser. Det löses emellertid i en koncentrerad blandning av kväve och fluorhorhoriska syror (HNO₃-Hf). På samma sätt upplöses det i en varm alkalisk lösning, följande kemiska reaktion inträffar:

Ja (s) + 2naoh (ac) + h₂Eller (l) => na₂Sio₃(AC) + 2H₂(g)

Natriummetasilikatet, NA₂Sio₃, Det bildas också när kisel upplöses i smält natriumkarbonat:

Ja (s) + na₂Co₃(L) => na₂Sio₃(L) + c (s)

Vid rumstemperatur reagerar den inte alls med syre, inte ens vid 900 ° C, när ett SIIO -skyddande glasögon börjar bildas₂; Och sedan, vid 1400 ° C, reagerar kiselet med luftkvävet för att bilda en blandning av nitrhures, utan och om₃N₄.

Kisel reagerar också vid höga temperaturer med metaller för att bilda metallsilikuros:

2 mg (s) + ja (s) => mg₂Ja (s)

2CU (s) + ja (s) => cu₂Ja (s)

Vid rumstemperatur reagerar det explosivt och direkt med halogener (det finns inget SIO -skikt₂ som skyddar det från detta). Till exempel har du SIF -bildningsreaktionen₄:

Ja (s) + 2f₂(g) => sif₄(g)

Och även om kisel är olösligt i vattnet, reagerar Red Alive med en ångström:

Ja (s) + h₂Eller (g) => si₂(S) + 2H₂(g)

Elektronisk struktur och konfiguration

Kristallin struktur eller den enhetliga cellen i kisel representerad med en modell av sfärer och staplar. Källa: Benjah-Bmm27 [Public Domain]

Den övre bilden visar den kubiska strukturen centrerad på ansikten (FCC), samma som diamanten, för kiselkristall. De grå sfärerna motsvarar atomerna om de, som uppskattat, är kovalent kopplade till varandra; Dessutom har de tetraedrala miljöer som reproduceras längs glaset.

Kiselkristallen är FCC eftersom en atom observeras om den ligger på var och en av ansikten på kuben (6 × 1/2). Det finns också åtta atomer om i toppen av kuben (8 × 1/8) och fyra belägna inuti den (de som visar en väldefinierad tetrahedron runt dem, 4 × 1).

Sade ovanstående, varje enhetscell har totalt åtta kiselatomer (3 + 1 + 4, siffror som anges i stycket ovan); Karakteristik som hjälper till att förklara dess höga hårdhet och styvhet, eftersom rent kisel är en kovalent kristall såväl som diamant.

Kovalent karaktär

Denna kovalenta karaktär beror på att kisel, precis som kol, har fyra valenselektroner enligt dess elektroniska konfiguration:

[NE] 3S² 3p²

För att länka är rena orbitaler 3s och 2p värdelösa. Det är därför atomen skapar fyra SP -hybrid orbitaler³, Med vilka du kan bilda fyra Si-Si-kovalenta bindningar och på detta sätt slutföra Octet of Valencia för de två kiselatomerna.

Kiselkristallen visualiseras sedan som ett kovalent och tre dimensionellt nätverk bestående av sammankopplad tetrahedra.

Detta nätverk är emellertid inte perfekt, eftersom det presenterar defekter och korngränser, som separerar och definierar en kristall från en annan; Och när sådana kristaller är mycket små och många, är det prat om ett polyristalt fast ämne, identifierat av dess heterogena ljusstyrka (liknande en bedräglig mosaik eller ytsilver).

Elektrisk konduktivitet

Si-if länkar, med sina väl belägna elektroner, i princip håller inte med vad som förväntas av en metall: ett hav av elektroner "vätning" av deras atomer; Åtminstone är detta så vid rumstemperatur.

När temperaturen ökar börjar kisel emellertid driva elektricitet och därför uppför sig som en metall; Det vill säga, det är ett halvledare metalloidelement.

Amorf kisel

Silicon -tetraeder antar inte alltid ett strukturellt mönster, men kan ordnas på ett oordning; Och till och med, med kiselatomer vars hybridiseringar verkar vara SP³ men sp², som bidrar till att ytterligare öka graden av störningar. Därför talas det om ett amorf och icke -kristallint kisel.

I amorft kisel finns det elektroniska lediga platser, där några av deras atomer har en orbital med en elektron försvinner. Tack vare detta kan dess fasta väte själv, vilket ger upphov till bildningen av väte amorft kisel; Det vill säga, det har Si-H-länkar, med vilka tetrahedraen är klar i oordning och godtyckliga positioner.

Kan tjäna dig: interatomiska länkar

Detta avsnitt avslutas sedan med att säga att kisel kan presenteras i tre typer av fasta ämnen (för att inte tala om dess grad av renhet): kristallin, polyristalin och amorf.

Var och en av dem har sin egen metod eller produktionsprocess, såväl som dess tillämpningar och dilemma när de bestämmer vilken av de tre att använda, att känna till deras fördelar och nackdelar.

Var är det och få

Kvartkristaller (kiseldioxid) är en av de viktigaste och mest extraordinära mineralerna där kisel finns. Källa: James ST. John (https: // www.Flickr.com/foton/jsjgeology/22437758830)

Silicon är det sjunde vanligaste elementet i universum, och det andra i jordskorpan, som också berikar jordens mantel med sin enorma familj av mineraler. Detta element är associerat utomordentligt väl med syre och bildar ett brett utbud av oxider; Bland dem, kiseldioxid, så₂, och silikater (olika kemisk sammansättning).

Kiseldioxid kan ses med blotta ögat i öknarna och stränderna, eftersom sanden huvudsakligen består av SIO₂. I sin tur kan denna oxid manifestera sig i några polymorfer, som är den vanligaste: kvarts, ametist, agat, christobalite, tripoli, coesite, stishovita och thundimita. Dessutom finns det i amorfa fasta ämnen som opaler och diatomea -land.

Silikaterna är under tiden ännu rikare strukturellt och kemiskt. Bland några av silikaterna kan mineraler nämnas: asbest (vitt, kaffe och blåaktig), fältspar, leror, mycies, oliv, aluminosilikater, zeoliter, amfibe och pyroxener.

Praktiskt taget består alla stenar av kisel och syre, med deras SI-O-stabila bindningar, och deras silikater och silikater blandade med metalloxider och oorganiska arter.

-Kiseldioxidreduktion

Problemet som representerar att få kisel är att bryta denna SI-O-länk, för vilken speciella ugnar och en bra reduktionsstrategi behövs. Råmaterialet för denna process är kvartsformad kiseldioxid, som tidigare rör sig tills det är ett fint pulver.

Från denna markkiseldioxid kan den framställas antingen genom amorft kisel eller polyristalin.

Amorf kisel

I liten skala, tillverkad i ett laboratorium och med relevanta åtgärder, blandas kiseldioxiden med magnesiumdamm i en smältkruka och förbränns i frånvaro av luft. Nästa reaktion äger rum då:

Sio₂(s) + mg (s) => 2mgo (s) + ja (s)

Magnesium och oxid elimineras med en utspädd saltsyralösning. Sedan behandlas det återstående fasta ämnet med fluorhorhorinsyra, så att den slutar reagera SIO₂ i överskott; Annars gynnar överskott av magnesium bildningen av dess respektive silikuro, mg₂Ja, oönskad förening för processen.

Sio₂ Den förvandlas till Sif flyktig gas₄, som återvinns för annan kemisk syntes. Slutligen torkas den amorfa kiseldegen under en gasväteström.

En annan liknande metod för att erhålla amorft kisel är att använda samma SF₄ tidigare producerad, eller SICL₄ (tidigare förvärvad). Ångorna i dessa kiselhalogenuros passeras över flytande natrium i en inert atmosfär, så att minskning av gas kan ges utan närvaro av syre:

Sicl₄(g) + 4NA (L) => Ja (S) + 4NACL (L)

Intressant nog, med amorft kisel, tillverkas solpaneler med hög energiprestanda.

Kristallin kisel

Börjar igen från pulveriserad kiseldioxid eller kvarts, de tas till en elektrisk bågsugn, där den reagerar med koks. På detta sätt är det reducerande medlet inte längre en metall utan ett kolhaltigt material med hög renhet:

Sio₂(S) + 2C (S) => Ja (S) + 2CO (G)

I reaktionen produceras också kiselkarbid, SIC, som neutraliseras med ett överskott av SIO₂ (Återigen är kvartset för mycket):

2SIC (S) + SIO₂(S) => 3SI (S) + 2CO (G)

En annan metod för att framställa kristallint kisel är att använda aluminium som reducerande medel:

3sio₂(S) + 4Al (L) => 3SI (S) + 2AL₂ANTINGEN₃(S)

Och börjar från kaliumhexafluorurosilikatet, k₂[SIF₆], det reageras också med metallaluminium eller kalium för att orsaka samma produkt:

K₂[SIF₆] (l) + 4al (l) => 3Si (s) + 6kf (l) + 4alf₃(g)

Omedelbart upplöses kiselet i smält aluminium, och när systemet kyls, kristalliseras och separeras den första från det andra; det vill säga kiselkristaller bildas, som ser gråaktiga färger.

Polyristisk kisel

Till skillnad från den andra syntesen eller produktioner, för att erhålla polyristalin kisel, börjar det med en silanvasig fas, SIH₄. Denna gas genomgår en pyrolys över 500 ° C.

Följande kemisk ekvation exemplifierar reaktionen som äger rum:

Ja H₄(g) => ja (s) + h₂(g)

Uppenbarligen bör det inte finnas något syre i kammaren, eftersom det skulle reagera med SIH₄:

Ja H₄(g) + 2: a₂(g) => sio₂(S) + 2H₂O (g)

Och spontaniteten i förbränningsreaktionen är sådan, som sker snabbt vid rumstemperatur i ansiktet.

En annan syntetisk väg för att producera denna typ av kiseldel av det kristallina kisel som råmaterial. De får den att reagera med väteklorid vid en temperatur runt 300 ° C, så att triklorosilanen bildas:

Kan tjäna dig: järn (element): egenskaper, kemisk struktur, användningar

Ja (s) + 3hcl (g) => sicl₃H (g) + h₂(g)

Och sicl₃H reagerar på 1100 ºC för att regenerera kisel, men nu polyristalin:

4sicl₃H (g) => ja (s) + 3sicl₄(g) + 2h₂(g)

Det räcker med att se ekvationerna för att ge en uppfattning om arbete och rigorösa produktionsparametrar som måste övervägas.

Isotoper

Kisel är naturligt och främst som isotop ²⁸Ja, med ett överflöd på 92,23%.

Utöver detta finns det två andra isotoper som är stabila och därför inte lider av radioaktivt förfall: ²⁹Ja, med ett överflöd på 4,67%; och ³⁰Ja, med ett överflöd på 3,10%. Att vara så riklig ²⁸Ja, det är inte förvånande att kiselens atomvikt är 28 084 U.

Kiselet kan också vara i flera radioisotoper, bland vilka ³¹Ja (t_1/2= 2,62 timmar) och ³²Ja (t_1/2= 153 år). Andra (²²Ja - ⁴⁴Om de har det t_1/2 mycket kort eller kort (mindre än hundratals sekunder).

Risker

Pure Silicon är ett relativt inert ämne, så det ackumuleras vanligtvis inte i något organ eller vävnad så länge exponering för det är låg. I dammform kan det orsaka ögonirritationer, orsaka tårar eller rodnad, medan den berör det kan orsaka obehag i huden, klåda och peeling.

När exponeringen är mycket hög kan kisel skada lungorna; Men utan efterföljande effekter, såvida inte beloppet räcker för att orsaka kvävning. Detta händer emellertid inte med kvarts, som är förknippat med lungcancer och sjukdomar som bronkit och emfysem.

På samma sätt är rent kisel mycket sällsynt i naturen, och dess föreningar, så rikligt i jordskorpan, representerar inte någon risk för miljön.

Nu, med avseende på organen, kan dessa vara giftiga; Men att ha många av dem beror på vilken som övervägs, liksom andra faktorer (reaktivitet, pH, verkningsmekanism etc.).

Ansökningar

Byggbranschen

Kiselmineraler integrerar "stenen" som byggnader, hus eller monument byggs. Till exempel består cement, betong, stuckatur och eldfasta tegelstenar av fasta blandningar baserade på silikater. Från detta tillvägagångssätt kan man se ut som detta element har i städer och arkitektur.

Glas och keramik

Från kiseldioxid kan kristaller som används på optiska anordningar tillverkas, vare sig som isolatorer, celler för spektrofotometrarprover, piezoelektriska kristaller eller bara glasögon.

När materialet framställs med flera tillsatser, hamnar det med ett amorft fast, välkänt glas; och berg av sand är vanligtvis källan till kiseldioxid eller kvarts som krävs för dess produktion. Å andra sidan tillverkas med silikaterna keramiska och porslinmaterial.

Sammanflätade idéer, kisel finns också i hantverk och prydnader.

Legeringar

Kiselatomer kan sammanhängande och vara blandbara med en metallmatris, så det är ett tillsatsmedel för många legeringar eller metaller; Till exempel stål, för att tillverka magnetkärnor; brons, för tillverkning av telefonkablar; och aluminium, i produktion av aluminium-Sailicio-legering för lätta fordonsdelar.

Därför finns det inte bara i byggnadens "sten", utan också i metallerna i deras kolumner.

Torkmedel

Gelatinösa kiseldioxidbollar, används som torkmedel. Källa: Desiccants [CC BY-SA 3.0 (https: // CreativeCommons.Org/licenser/BY-SA/3.0)]

Kiseldioxid, i form av gel eller amorf, gör det möjligt att tillverka fasta ämnen som fungerar som torkmedel när man fångar vattenmolekylerna som kommer in i behållaren och underhåller deras inre torr.

Elektronisk industri

Polyristala och amorfa kisel används för tillverkning av solpaneler. Källa: Pxhere.

Kiselskikt av olika tjocklekar och färger är en del av datorchips, liksom med deras fasta (kristallina eller amorfa), integrerade kretsar och solceller har utformats.

Som halvledare är atomer införlivade med mindre (Al, B, GA) eller fler elektroner (P, AS, SB) för att förvandla den till typ halvledare p antingen n, respektive. Med två fackföreningar, en n och den andra p, Dioder av ljusutsläpp tillverkas.

Silikonpolymerer

Det berömda silikonlimet består av en organisk polymer som stöds av stabiliteten hos kedjorna i Si-O-Si-länkarna ... Om dessa kedjor är mycket långa, korta eller tvärbundna, ändras egenskaperna för silikonpolymeren, såväl som deras Slutliga applikationer.

Bland dess användning kan följande nämnas nedan:

-Lim eller lim, inte bara för att gå med papper, utan konstruktionsblock, gummi, glaspaneler, stenar, etc.

-Smörjmedel i hydrauliska bromssystem

-Förstärker målningarna och förbättrar ljusstyrkan och intensiteten i sina färger, samtidigt som du kan motstå temperaturförändringar utan att spricka eller sköta vård

-De används som vattenavvisande sprayer, som förblir torra några ytor eller föremål

-De ger personliga hygienprodukter (tandpasta, schampo, geler, rakkniv krämer etc.) Känslan av att vara silkeslen

-Dess beläggningar skyddar de elektroniska komponenterna i känsliga enheter från värme och fuktighet, såsom mikroprocessorer

-Med silikonpolymerer tappas flera av gummikulorna som studsar knappt på golvet.

Referenser

1. Shiver & Atkins. (2008). Oorganisk kemi. (Fjärde upplagan). MC Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Kisel. Hämtad från: i.Wikipedia.org
3. Mikrokemikalier. (s.F.). Kristallografi av kisel. Återhämtat sig från: mikrokemikalier.com
4. Lentech B.V. (2019). Period Tabell: kisel. Återhämtat sig från: Lentech.com
5. Marques Miguel. (s.F.). Kisel förekommer. Återhämtat sig från: nautilus.Fis.Uc.Pt
6. Mer hemant. (5 november 2017). Kisel. Återhämtat sig från: Hemantmore.org.i
7. Pilgaard Michael. (22 augusti 2018). Kisel: förekomst, isolering och syntes. Återhämtat sig från: pilgaardelegs.com
8. Doktor. Doug Stewart. (2019). Kiselelement fakta. Kemikkolis. Återhämtat sig från: Chemicool.com
9. Christiana Hononsberg och Stuart Bowden. (2019). En samling resurser för den fotovoltaiska utbildaren. Pveducation. Hämtad från: pveducation.org
10. American Chemistry Council, Inc. (2019). Silikoner i vardagen. Återhämtat sig från: SEHSC.Amerikan.com