Kisel: applicering, kemiska och fysikaliska egenskaper

2024 Författare: Angel Austin | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-17 05:42

Ett av de vanligaste grundämnena i naturen är kisel, eller kisel. En sådan bred spridning talar om vikten och betydelsen av detta ämne. Detta förstods och antogs snabbt av människor som lärde sig hur man korrekt använder kisel för sina egna syften. Dess tillämpning är baserad på speciella egenskaper, som vi kommer att prata om senare.

Kisel är ett kemiskt element

Om vi karakteriserar ett givet element efter position i det periodiska systemet, kan vi identifiera följande viktiga punkter:

1. Ordinalnummer - 14.
2. Punkten är den tredje lilla.
3. Grupp - IV.
4. Undergrupp – huvud.
5. Strukturen av det yttre elektronskalet uttrycks av formeln 3s²3p².
6. Elementet kisel betecknas med den kemiska symbolen Si, som uttalas "kisel".
7. Oxidationstillstånden uppvisar: -4; +2; +4.
8. Valensen för en atom är IV.
9. Atommassan för kisel är 28,086.
10. I naturen finns det tre stabila isotoper av detta element med massnummer 28, 29 och 30.

Så atomenUr kemisk synvinkel är kisel ett väl studerat grundämne, många av dess olika egenskaper har beskrivits.

Upptäcktshistorik

Eftersom det är de olika föreningarna av grundämnet som övervägs som är mycket populära och massiva till innehåll i naturen, använde och kände folk till egenskaperna hos bara många av dem från forntida tider. Rent kisel förblev under lång tid bortom mänsklig kunskap inom kemi.

De mest populära föreningarna som användes i vardagslivet och industrin av folken i antika kulturer (egyptier, romare, kineser, ryssar, perser och andra) var ädelstenar och prydnadsstenar baserade på kiseloxid. Dessa inkluderar:

• opal;
• rhinestone;
• topaz;
• chrysoprase;
• onyx;
• chalcedony och andra.

Det har också varit brukligt att använda kvarts och kvartssand i konstruktion sedan urminnes tider. Emellertid förblev elementärt kisel i sig oupptäckt fram till 1800-talet, även om många forskare förgäves försökte isolera det från olika föreningar med hjälp av katalysatorer, höga temperaturer och till och med elektrisk ström. Dessa är ljusa sinnen som:

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

Jens Jacobs Berzelius lyckades få fram rent kisel 1823. För att göra detta genomförde han ett experiment om sammansmältning av ångor av kiselfluorid och metalliskt kalium. Som ett resultat fick han en amorf modifiering av elementet i fråga. Samma vetenskapsman föreslog ett latinskt namn för den upptäckta atomen.

Lite senare, 1855, lyckades en annan vetenskapsman - Saint Clair-Deville - syntetisera en annan allotrop variant - kristallint kisel. Sedan dess började kunskapen om detta element och dess egenskaper växa mycket snabbt. Människor insåg att den har unika egenskaper som kan användas mycket intelligent för att möta deras egna behov. Därför är kisel idag ett av de mest efterfrågade elementen inom elektronik och teknik. Användningen utvidgar bara dess gränser varje år.

Det ryska namnet för atomen gavs av vetenskapsmannen Hess 1831. Det är vad som har fastnat till denna dag.

Innehålls i naturen

Kisel är det näst vanligaste i naturen efter syre. Dess procentandel i jämförelse med andra atomer i sammansättningen av jordskorpan är 29,5%. Dessutom är kol och kisel två speciella grundämnen som kan bilda kedjor genom att förbindas med varandra. Det är därför mer än 400 olika naturliga mineraler är kända för det senare, där det finns i litosfären, hydrosfären och biomassan.

Var exakt hittas kisel?

1. I de djupa lagren av jorden.
2. I klippor, avlagringar och massiv.
3. På botten av vattendrag, särskilt hav och hav.
4. I djurrikets växter och marina liv.
5. Hos människor och landdjur.

Det är möjligt att beteckna flera av de vanligaste mineralerna och bergarterna, som innehåller en stor mängdkisel. Deras kemi är sådan att massinnehållet av ett rent element i dem når 75%. Den specifika siffran beror dock på typen av material. Så, stenar och mineraler som innehåller kisel:

• fältspat;
• mica;
• amfiboler;
• opals;
• kalcedon;
• silicates;
• sandstenar;
• aluminatsilikater;
• leror och andra.

Kisel ackumuleras i skalen och yttre skelett hos marina djur och bildar så småningom kraftfulla avlagringar av kiseldioxid på botten av vattendrag. Detta är en av de naturliga källorna till detta element.

Dessutom fann man att kisel kan existera i sin rena naturliga form - i form av kristaller. Men sådana insättningar är mycket sällsynta.

kiselets fysikaliska egenskaper

Om du karakteriserar elementet i fråga med en uppsättning fysikaliska och kemiska egenskaper, så är det först och främst de fysikaliska parametrarna som ska anges. Här är några viktiga:

1. Finns i form av två allotropa modifikationer - amorfa och kristallina, som skiljer sig åt i alla egenskaper.
2. Kristallgittret är väldigt likt det för diamant, eftersom kol och kisel är nästan likadana i detta avseende. Avståndet mellan atomerna är dock olika (kisel har mer), så diamanten är mycket hårdare och starkare. Gittertyp - kubisk ansiktscentrerad.
3. Ämnet är mycket skört, blir plastiskt vid höga temperaturer.
4. Smältpunkten är 1415˚C.
5. Temperaturkokpunkt - 3250˚С.
6. Materiadensitet - 2,33 g/cm³.
7. Färgen på anslutningen är silvergrå, med en karakteristisk metallglans.
8. Har goda halvledaregenskaper, som kan variera med tillsats av vissa agenter.
9. Olösligt i vatten, organiska lösningsmedel och syror.
10. Specifikt lösligt i alkalier.

Utsedda fysiska egenskaper hos kisel gör att människor kan kontrollera det och använda det för att skapa olika produkter. Till exempel är användningen av rent kisel i elektronik baserad på egenskaperna hos halvledning.

Kemiska egenskaper

De kemiska egenskaperna hos kisel är mycket beroende av reaktionsförhållandena. Om vi talar om ett rent ämne vid standardparametrar, måste vi ange en mycket låg aktivitet. Både kristallint och amorft kisel är mycket inerta. Interagera inte med starka oxidationsmedel (förutom fluor), och inte heller med starka reduktionsmedel.

Detta beror på det faktum att en oxidfilm SiO₂ omedelbart bildas på ytan av ämnet, vilket förhindrar ytterligare interaktioner. Det kan bildas under påverkan av vatten, luft, ångor.

Om du ändrar standardförhållandena och värmer kisel till en temperatur över 400˚С, kommer dess kemiska aktivitet att öka kraftigt. I det här fallet kommer den att reagera med:

• oxygen;
• alla typer av halogener;
• väte.

Med ytterligare temperaturhöjning är bildningen av produkter möjlig klinteraktion med bor, kväve och kol. Av särskild betydelse är karborundum - SiC, eftersom det är ett bra slipmaterial.

Också de kemiska egenskaperna hos kisel ses tydligt i reaktioner med metaller. I förhållande till dem är det ett oxidationsmedel, därför kallas produkterna silicider. Liknande föreningar är kända för:

• alkaline;
• alkaline earth;
• övergångsmetaller.

Ovanliga egenskaper har en förening som erhålls genom att smälta järn och kisel. Det kallas ferrokiselkeramik och har använts framgångsrikt i industrin.

Kisel interagerar inte med komplexa ämnen, därför kan det av alla deras varianter bara lösas upp i:

• royal vodka (en blandning av salpetersyra och s altsyra);
• kaustiska alkalier.

I det här fallet bör temperaturen på lösningen vara minst 60˚С. Allt detta bekräftar än en gång den fysiska grunden för ämnet - ett diamantliknande stabilt kristallgitter, vilket ger det styrka och tröghet.

Metoder för att erhålla

Att erhålla rent kisel är en ganska kostsam process ekonomiskt. Dessutom, på grund av dess egenskaper, ger vilken metod som helst endast 90-99% ren produkt, medan föroreningar i form av metaller och kol förblir desamma. Så det räcker inte att bara få i sig substansen. Den bör också rengöras kvalitativt från främmande element.

I allmänhet sker tillverkningen av kisel på två huvudsakliga sätt:

1. Från den vita sandensom är ren kiseloxid SiO₂. När det kalcineras med aktiva metaller (oftast med magnesium) bildas ett fritt element i form av en amorf modifiering. Renheten i denna metod är hög, produkten erhålls med ett utbyte på 99,9 procent.
2. En mer utbredd metod i industriell skala är sintring av smält sand med koks i specialiserade termiska ugnar. Denna metod utvecklades av den ryske vetenskapsmannen Beketov N. N.

Vidarebearbetning består i att utsätta produkterna för rengöringsmetoder. För detta används syror eller halogener (klor, fluor).

Amorft kisel

Karakterisering av kisel kommer att vara ofullständig om vi inte överväger var och en av dess allotropa modifieringar separat. Den första är amorf. I detta tillstånd är ämnet vi överväger ett brunbrunt pulver, fint dispergerat. Den har en hög grad av hygroskopicitet, uppvisar en tillräckligt hög kemisk aktivitet vid upphettning. Under standardförhållanden kan den endast interagera med det starkaste oxidationsmedlet - fluor.

Det är inte helt korrekt att kalla amorft kisel för en variation av kristallint kisel. Dess galler visar att detta ämne bara är en form av fint dispergerat kisel som finns i form av kristaller. Därför är dessa modifieringar samma förening.

Deras egenskaper skiljer sig dock åt, därför är det vanligt att tala om allotropi. I sig har amorft kiselhög ljusabsorptionsförmåga. Dessutom, under vissa förhållanden, är denna indikator flera gånger högre än den för den kristallina formen. Därför används den för tekniska ändamål. I den övervägda formen (pulver) appliceras föreningen lätt på vilken yta som helst, vare sig det är plast eller glas. Därför är det amorft kisel som är så bekvämt att använda. Ansökan är baserad på tillverkning av solpaneler i olika storlekar.

Även om slitaget av denna typ av batterier är ganska snabbt, vilket är förknippat med nötning av en tunn film av ämnet, ökar dock användningen och efterfrågan. Faktum är att även under en kort livslängd kan solceller baserade på amorft kisel ge energi till hela företag. Dessutom är tillverkningen av ett sådant ämne avfallsfri, vilket gör det mycket ekonomiskt.

Få denna modifiering genom att reducera föreningar med aktiva metaller, såsom natrium eller magnesium.

Crystal silicon

Silvergrå glänsande modifiering av elementet i fråga. Det är denna form som är den vanligaste och mest efterfrågade. Detta beror på den uppsättning kvalitativa egenskaper som detta ämne har.

Karakteristiken för kisel med ett kristallgitter inkluderar en klassificering av dess typer, eftersom det finns flera av dem:

1. Elektronisk kvalitet - den renaste och högsta kvaliteten. Det är den här typen som används inom elektronik för att skapa särskilt känsliga enheter.
2. Solig kvalitet. Själva namnetdefinierar användningsområdet. Det är också ett kisel med hög renhet, vars användning är nödvändig för att skapa högkvalitativa och långvariga solceller. Fotovoltaiska omvandlare skapade på basis av en kristallin struktur är av högre kvalitet och mer hållbara än de som skapats med en amorf modifiering genom avsättning på olika typer av substrat.
3. Tekniskt kisel. Denna sort inkluderar de prover av ett ämne som innehåller cirka 98 % av det rena grundämnet. Allt annat går till olika typer av föroreningar:

• bor;
• aluminium;
• klor;
• carbon;
• fosfor och andra.

Den sista varianten av ämnet i fråga används för att erhålla kiselpolykristaller. För detta utförs omkristallisationsprocesser. Som ett resultat, när det gäller renhet, erhålls produkter som kan hänföras till grupperna solenergi och elektronisk kvalitet.

Polykisel är av naturen en mellanprodukt mellan amorf och kristallin modifiering. Det här alternativet är lättare att arbeta med, det är bättre att återvinna och rengöra med fluor och klor.

De resulterande produkterna kan klassificeras enligt följande:

• multicilicon;
• monokristallin;
• profilerade kristaller;
• silikonskrot;
• tekniskt kisel;
• produktionsavfall i form av fragment och materialrester.

Var och en av dem finner tillämpning inom industrin och användsen person helt. Därför anses produktionsprocesser som involverar kisel vara avfallsfria. Detta minskar de ekonomiska kostnaderna avsevärt utan att det påverkar kvaliteten.

Användning av rent kisel

Kiselproduktion i branschen är ganska väl etablerad och dess omfattning är ganska omfattande. Detta beror på att detta grundämne, både rent och i form av olika föreningar, är utbrett och efterfrågat inom olika grenar av vetenskap och teknik.

Var används rent kristallint och amorft kisel?

1. Inom metallurgi som en legeringstillsats som kan ändra egenskaperna hos metaller och deras legeringar. Så det används vid smältning av stål och järn.
2. Olika typer av ämnen används för att göra en renare version - polysilikon.
3. Föreningar av kisel med organiska ämnen - det här är en hel kemisk industri som har blivit särskilt populär idag. Silikonmaterial används inom medicin, vid tillverkning av tallrikar, verktyg och mycket mer.
4. Tillverkning av olika solpaneler. Denna metod för att få energi är en av de mest lovande i framtiden. Miljövänlig, kostnadseffektiv och hållbar – de främsta fördelarna med sådan elproduktion.
5. Silicon har använts i tändare under mycket lång tid. Även i forntida tider använde man flinta för att skapa en gnista när man tände en eld. Denna princip ligger till grund för tillverkning av tändare av olika slag. Idag finns det arter därflintan ersätts med en legering av en viss sammansättning, vilket ger ett ännu snabbare resultat (gnistor).
6. Elektronik och solenergi.
7. Tillverkning av speglar i gaslaserapparater.

Rent kisel har således många fördelaktiga och speciella egenskaper som gör att det kan användas för att skapa viktiga och nödvändiga produkter.

Applicering av kiselföreningar

Förutom ett enkelt ämne används också olika kiselföreningar, och mycket brett. Det finns en hel industrigren som heter silikat. Det är hon som är baserad på användningen av olika ämnen, som inkluderar detta fantastiska element. Vilka är dessa föreningar och vad producerar de?

1. Kvarts, eller flodsand - SiO₂. Det används för tillverkning av bygg- och dekorativa material som cement och glas. Var dessa material används vet alla. Ingen konstruktion är komplett utan dessa komponenter, vilket bekräftar vikten av kiselföreningar.
2. Silikatkeramik, som inkluderar material som fajans, porslin, tegel och produkter baserade på dem. Dessa komponenter används inom medicin, vid tillverkning av tallrikar, dekorativa prydnadsföremål, hushållsartiklar, inom konstruktion och andra hushållsområden för mänsklig aktivitet.
3. Silikonföreningar - silikoner, silikageler, silikonoljor.
4. Silikatlim - används som pappersvaror, inom pyroteknik och konstruktion.

Silicon, vars pris varierar på världsmarknaden, men inte korsarfrån topp till botten, märket på 100 rubel från Ryska federationen per kilogram (per kristallin), är ett eftertraktat och värdefullt ämne. Naturligtvis är föreningar av detta element också utbredda och användbara.

kislets biologiska roll

Ur en synvinkel av betydelse för kroppen är kisel viktigt. Dess innehåll och vävnadsfördelning är som följer:

• 0, 002 % - muskulös;
• 0, 000017 % - ben;
• blod - 3,9 mg/l.

Varje dag bör ungefär ett gram kisel komma in, annars kommer sjukdomar att börja utvecklas. Det finns inga dödliga bland dem, men långvarig kiselsvält leder till:

• håravfall;
• utseende av akne och finnar;
• bräcklighet och skörhet hos ben;
• lätt kapillärpermeabilitet;
• trötthet och huvudvärk;
• uppkomsten av många blåmärken och blåmärken.

För växter är kisel ett viktigt spårämne som är nödvändigt för normal tillväxt och utveckling. Djurförsök har visat att individer som konsumerar tillräckligt med kisel dagligen växer bäst.