ซิลิคอน: ประวัติคุณสมบัติโครงสร้างการได้รับการใช้งาน - เคมี - 2026

ซิลิกอนเป็นที่ไม่ใช่ - โลหะและกึ่งโลหะองค์ประกอบเวลาเดียวกันจะถูกแทนด้วยสัญลักษณ์ทางเคมีศรี เป็นสารกึ่งตัวนำซึ่งเป็นส่วนสำคัญของคอมพิวเตอร์เครื่องคิดเลขโทรศัพท์มือถือเซลล์แสงอาทิตย์ไดโอด ฯลฯ เป็นองค์ประกอบหลักในทางปฏิบัติที่อนุญาตให้มีการก่อตั้งยุคดิจิทัล

ซิลิคอนมีอยู่ในควอตซ์และซิลิเกตเสมอแร่ธาตุทั้งสองมีมวลประมาณ 28% โดยมวลของเปลือกโลกทั้งหมด ด้วยเหตุนี้จึงเป็นองค์ประกอบที่อุดมสมบูรณ์เป็นอันดับสองบนพื้นผิวโลกและความกว้างใหญ่ของทะเลทรายและชายหาดทำให้เห็นว่ามีความอุดมสมบูรณ์เพียงใด

ทะเลทรายเป็นแหล่งอนุภาคซิลิกาหรือหินแกรนิตตามธรรมชาติที่อุดมสมบูรณ์พร้อมกับแร่ธาตุอื่น ๆ ที่มา: pxhere.

ซิลิคอนอยู่ในกลุ่มที่ 14 ของตารางธาตุเช่นเดียวกับคาร์บอนซึ่งอยู่ด้านล่าง นั่นคือเหตุผลที่องค์ประกอบนี้ถือว่าเป็น metalloid tetravalent; มันมีสี่เลนซ์อิเล็กตรอนและในทางทฤษฎีมันจะสูญเสียทั้งหมดของพวกเขาในรูปแบบศรี⁴⁺ไอออนบวก

ทรัพย์สินอย่างหนึ่งที่ใช้ร่วมกับถ่านหินคือความสามารถในการเชื่อมโยงเข้าด้วยกัน นั่นคืออะตอมของพวกมันเชื่อมโยงกับโควาเลนต์เพื่อกำหนดโซ่โมเลกุล นอกจากนี้ซิลิคอนยังสามารถสร้าง "ไฮโดรคาร์บอน" ของตัวเองที่เรียกว่าไซเลน

สารประกอบที่โดดเด่นของซิลิกอนในธรรมชาติคือซิลิเกตที่มีชื่อเสียง ในรูปแบบบริสุทธิ์สามารถปรากฏเป็นผลึกเดี่ยวโพลีคริสตัลไลน์หรือของแข็งอสัณฐาน เป็นของแข็งที่ค่อนข้างเฉื่อยดังนั้นจึงไม่ก่อให้เกิดความเสี่ยงมากนัก

ประวัติศาสตร์

หินซิลิคอน

ซิลิคอนอาจเป็นองค์ประกอบหนึ่งที่มีอิทธิพลมากที่สุดในประวัติศาสตร์ของมนุษยชาติ

องค์ประกอบนี้เป็นตัวชูโรงของยุคหินและยุคดิจิทัล ต้นกำเนิดของมันย้อนกลับไปเมื่ออารยธรรมเคยทำงานกับควอตซ์และทำแก้วของตัวเอง และปัจจุบันมันเป็นส่วนประกอบหลักของคอมพิวเตอร์แล็ปท็อปและสมาร์ทโฟน

ซิลิคอนเป็นหินของสองยุคที่กำหนดไว้อย่างชัดเจนในประวัติศาสตร์ของเรา

การแยกตัว

เนื่องจากซิลิกามีมากดังนั้นชื่อที่เกิดจากหินเหล็กไฟจึงต้องมีองค์ประกอบที่อุดมสมบูรณ์อย่างมากในเปลือกโลก นี่เป็นข้อสงสัยที่ถูกต้องของ Antoine Lavoisier ซึ่งในปี ค.ศ. 1787 ล้มเหลวในความพยายามที่จะลดปัญหานี้จากสนิม

ต่อมาในปี 1808 Humphry Davy ได้ลองใช้ตัวเองและตั้งชื่อให้กับองค์ประกอบนี้ว่า 'silicium' ซึ่งแปลว่า 'หินเหล็กไฟ' นั่นคือซิลิกอนถือเป็นโลหะในตอนนั้นเนื่องจากไม่มีลักษณะเฉพาะ

จากนั้นในปีพ. ศ. 2354 นักเคมีชาวฝรั่งเศส Joseph L. Gay-Lussac และ Louis Jacques Thénardประสบความสำเร็จในการเตรียมซิลิกอนอสัณฐานเป็นครั้งแรก ด้วยเหตุนี้พวกเขาจึงทำปฏิกิริยากับซิลิคอนเตตระฟลูออไรด์กับโพแทสเซียมโลหะ อย่างไรก็ตามพวกเขาไม่ได้ทำให้บริสุทธิ์หรือกำหนดลักษณะของผลิตภัณฑ์ที่ได้รับดังนั้นพวกเขาจึงไม่ได้สรุปว่าเป็นซิลิเซียมองค์ประกอบใหม่

จนกระทั่งปี ค.ศ. 1823 Jacob Berzelius นักเคมีชาวสวีเดนได้รับซิลิคอนอสัณฐานที่มีความบริสุทธิ์เพียงพอที่จะรับรู้ว่าเป็นซิลิคอน ชื่อที่ได้รับในปี 1817 โดยนักเคมีชาวสก็อต Thomas Thomson เมื่อพิจารณาว่าเป็นองค์ประกอบที่ไม่ใช่โลหะ Berzelius ทำปฏิกิริยาระหว่างโพแทสเซียมฟลูออโรซิลิเกตและโพแทสเซียมหลอมเหลวเพื่อผลิตซิลิกอนนี้

ซิลิคอนผลึก

Crystalline silicon จัดทำขึ้นครั้งแรกในปี ค.ศ. 1854 โดย Henry Deville นักเคมีชาวฝรั่งเศส เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ Deville ได้ทำการอิเล็กโทรลิซิสของส่วนผสมของอลูมิเนียมและโซเดียมคลอไรด์ดังนั้นจึงได้ผลึกซิลิกอนที่ปกคลุมด้วยชั้นของอะลูมิเนียมซิลิไซด์ซึ่งเขาเอาออก (เห็นได้ชัด) โดยการล้างด้วยน้ำ

คุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมี

ลักษณะทางกายภาพ

ธาตุซิลิกอนซึ่งมีความมันวาวของโลหะ แต่แท้จริงแล้วเป็นโลหะชนิดหนึ่ง ที่มา: ภาพความละเอียดสูงขององค์ประกอบทางเคมี

ซิลิคอนในรูปแบบบริสุทธิ์หรือเป็นองค์ประกอบประกอบด้วยของแข็งสีเทาหรือสีน้ำเงินอมดำ (ภาพบนสุด) ซึ่งแม้จะไม่ใช่โลหะ แต่ก็มีใบหน้าที่แวววาวราวกับว่ามันเป็นจริงๆ

เป็นของแข็งที่แข็ง แต่เปราะซึ่งยังแสดงพื้นผิวที่เป็นขุยหากประกอบด้วยโพลีคริสตัล ในทางกลับกันอะมอร์ฟัสซิลิกอนมีลักษณะเป็นผงสีน้ำตาลเข้ม ด้วยเหตุนี้จึงง่ายต่อการระบุและแยกความแตกต่างของซิลิกอนชนิดหนึ่ง (ผลึกหรือโพลีคาร์บอเนต) จากอีกชนิดหนึ่ง (อสัณฐาน)

มวลโมลาร์

28.085 ก. / โมล

เลขอะตอม (Z)

14 ( ₁₄ใช่)

จุดหลอมเหลว

1414 ºC

จุดเดือด

3265 ºC

ความหนาแน่น

- ที่อุณหภูมิห้อง: 2.33 g / mL

- ตรงจุดหลอมเหลว: 2.57 g / mL

โปรดสังเกตว่าซิลิกอนเหลวมีความหนาแน่นมากกว่าซิลิกอนที่เป็นของแข็ง ซึ่งหมายความว่าผลึกของมันจะลอยอยู่บนเฟสของเหลวเช่นเดียวกับที่เกิดขึ้นกับระบบน้ำน้ำแข็ง คำอธิบายเกิดจากความจริงที่ว่าช่องว่างระหว่างอะตอม Si ในคริสตัลมีขนาดใหญ่กว่า (มีความหนาแน่นน้อยกว่า) มากกว่าอะตอมที่สอดคล้องกันในของเหลว (มีความหนาแน่นมากกว่า)

ความร้อนของฟิวชั่น

50.21 กิโลจูล / โมล

ความร้อนของการกลายเป็นไอ

383 กิโลจูล / โมล

ความจุความร้อนกราม

19.789 J / (โมล K)

อิเล็ก

1.90 ในระดับ Pauling

พลังงานไอออไนเซชัน

- ขั้นแรก: 786.5 กิโลจูล / โมล

- วินาที: 1577.1 กิโลจูล / โมล

- ประการที่สาม: 3231.6 กิโลจูล / โมล

วิทยุปรมาณู

111 น. (วัดจากผลึกเพชรตามลำดับ)

การนำความร้อน

149 W / (ม. K)

ความต้านทานไฟฟ้า

2.3 · 10 ³ Ω· m ที่ 20 ºC

ความแข็ง Mohs

6.5

การเชื่อมต่อ

อะตอมของซิลิคอนมีความสามารถในการสร้างพันธะ Si-Si อย่างง่ายซึ่งท้ายที่สุดแล้วการกำหนดโซ่ (Si-Si-Si …)

คุณสมบัตินี้แสดงให้เห็นด้วยคาร์บอนและกำมะถัน อย่างไรก็ตามการผสมพันธ์ sp ³ของซิลิกอนนั้นด้อยกว่าเมื่อเทียบกับอีกสององค์ประกอบและยิ่งไปกว่านั้นวงโคจร 3p ของพวกมันมีการกระจายมากกว่าดังนั้นการทับซ้อนกันของวงโคจร sp ^{3 ที่}เป็นผลลัพธ์จึงอ่อนแอกว่า

พลังงานเฉลี่ยของพันธะโคเวเลนต์ Si-Si และ CC คือ 226 kJ / mol และ 356 kJ / mol ตามลำดับ ดังนั้นพันธบัตร Si-Si จึงอ่อนแอกว่า ด้วยเหตุนี้ซิลิกอนจึงไม่ใช่รากฐานที่สำคัญของชีวิต (และไม่ใช่กำมะถัน) ในความเป็นจริงโซ่หรือโครงกระดูกที่ยาวที่สุดที่ซิลิกอนสามารถก่อตัวได้มักเป็นแบบสี่แผ่น (Si ₄ )

เลขออกซิเดชัน

ซิลิคอนสามารถมีเลขออกซิเดชันใด ๆ ต่อไปนี้โดยสมมติว่าในแต่ละตัวมีไอออนที่มีประจุตามลำดับ: -4 (Si ^4- ), -3 (Si ^3- ), -2 (Si ^2- ), -1 (Si ^- ), +1 (Si ⁺ ), +2 (Si ²⁺ ), +3 (Si ³⁺ ) และ +4 (Si ⁴⁺ ) จากทั้งหมดนั้น -4 และ +4 มีความสำคัญที่สุด

ตัวอย่างเช่น -4 จะถือว่าเป็นซิลิไซด์ (Mg ₂ Si หรือ Mg ₂ ²⁺ Si ^4- ); ในขณะที่ +4 สอดคล้องกับซิลิกา (SiO ₂หรือ Si ⁴⁺ O ₂ ^2- )

การเกิดปฏิกิริยา

ซิลิกอนไม่ละลายในน้ำเช่นเดียวกับกรดหรือเบสแก่ อย่างไรก็ตามมันละลายในส่วนผสมเข้มข้นของกรดไนตริกและกรดไฮโดรฟลูออริก (HNO ₃ -HF) ในทำนองเดียวกันมันละลายในสารละลายอัลคาไลน์ร้อนปฏิกิริยาทางเคมีต่อไปนี้จะเกิดขึ้น:

Si (s) + 2NaOH (aq) + H ₂ O (l) => นา₂ SiO ₃ (aq) + 2H ₂ (g)

เกลือโซเดียมเมตาซิลิเกต Na ₂ SiO ₃เกิดขึ้นเมื่อซิลิกอนละลายในโซเดียมคาร์บอเนตหลอมเหลว:

Si (s) + Na ₂ CO ₃ (l) => Na ₂ SiO ₃ (l) + C (s)

ที่อุณหภูมิห้องจะไม่ทำปฏิกิริยากับออกซิเจนเลยแม้แต่น้อยที่ 900 ºCเมื่อชั้นน้ำเลี้ยงป้องกันของ SiO ₂เริ่มก่อตัวขึ้น และจากนั้นเวลา 14.00 องศาเซลเซียส, ปฏิกิริยาซิลิกอนที่มีไนโตรเจนในอากาศในรูปแบบที่มีส่วนผสมของไนไตรบาปและศรี₃ N 4

ซิลิคอนยังทำปฏิกิริยาที่อุณหภูมิสูงกับโลหะเพื่อสร้างโลหะซิลิไซด์:

2Mg (s) + Si (s) => Mg ₂ Si (s)

2Cu (s) + Si (s) => Cu ₂ Si (s)

ที่อุณหภูมิห้องจะทำปฏิกิริยากับฮาโลเจนโดยตรง (ไม่มีชั้น SiO ₂เพื่อป้องกันสิ่งนี้) ตัวอย่างเช่นเรามีปฏิกิริยาการก่อตัวของ SiF ₄ :

ศรี (s) + 2F ₂ (g) => SiF ₄ (g)

และแม้ว่าซิลิกอนจะไม่ละลายในน้ำ แต่ก็ทำปฏิกิริยากับไอน้ำร้อนเป็นสีแดง:

Si (s) + H ₂ O (g) => SiO ₂ (s) + 2H ₂ (g)

โครงสร้างและการกำหนดค่าอิเล็กทรอนิกส์

โครงสร้างผลึกหรือเซลล์หน่วยของซิลิคอนแสดงโดยแบบจำลองทรงกลมและแท่ง ที่มา: Benjah-bmm27

ภาพด้านบนแสดงโครงสร้างลูกบาศก์ที่มีใบหน้าเป็นศูนย์กลาง (fcc) แบบเดียวกับของเพชรสำหรับผลึกซิลิกอน ทรงกลมสีเทาตรงกับอะตอมของ Si ซึ่งเท่าที่เห็นจะมีความเชื่อมโยงซึ่งกันและกัน นอกจากนี้พวกมันยังมีสภาพแวดล้อมแบบ tetrahedral ที่สร้างขึ้นใหม่ตามคริสตัล

ผลึกซิลิกอนเป็น fcc เนื่องจากมีการสังเกตเห็นอะตอมของ Si อยู่บนแต่ละใบหน้าของลูกบาศก์ (6 × 1/2) ในทำนองเดียวกันมี Si แปดอะตอมที่จุดยอดของลูกบาศก์ (8 × 1/8) และมีสี่อะตอมอยู่ภายใน (ซึ่งแสดงจัตุรมุขที่กำหนดไว้อย่างชัดเจนรอบ ๆ 4 × 1)

ที่กล่าวว่าเซลล์แต่ละหน่วยมีอะตอมซิลิกอนทั้งหมดแปดอะตอม (3 + 1 + 4 ตัวเลขที่ระบุในย่อหน้าด้านบน) ลักษณะที่ช่วยอธิบายความแข็งและความแข็งแกร่งสูงเนื่องจากซิลิกอนบริสุทธิ์เป็นผลึกโควาเลนต์เหมือนเพชร

อักขระโควาเลนต์

ลักษณะโควาเลนต์นี้เกิดจากความจริงที่ว่าเช่นเดียวกับคาร์บอนซิลิคอนมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนสี่ตัวตามการกำหนดค่าอิเล็กทรอนิกส์:

3s ² 3p ²

สำหรับการเชื่อมออร์บิทัล 3s และ 2p บริสุทธิ์นั้นไร้ประโยชน์ นั่นคือเหตุผลที่อะตอมสร้างออร์บิทัลไฮบริด sp ³สี่วงซึ่งสามารถสร้างพันธะโควาเลนต์ Si-Si ได้สี่พันธะและด้วยวิธีนี้จะทำให้เวเลนซ์ออกเตตสำหรับอะตอมซิลิกอนทั้งสองสมบูรณ์

จากนั้นผลึกซิลิกอนจะถูกมองเห็นเป็นตาข่ายโควาเลนต์สามมิติซึ่งประกอบด้วยเตตระฮีดราที่เชื่อมต่อกัน

อย่างไรก็ตามเครือข่ายนี้ไม่สมบูรณ์แบบเนื่องจากมีข้อบกพร่องและขอบเขตของเกรนซึ่งแยกและกำหนดคริสตัลหนึ่งจากอีกอันหนึ่ง และเมื่อผลึกดังกล่าวมีขนาดเล็กมากและมีจำนวนมากเราจะพูดถึงของแข็งโพลีคาร์บอเนตซึ่งระบุได้จากความมันวาวที่แตกต่างกัน (คล้ายกับโมเสกสีเงินหรือพื้นผิวที่เป็นเกล็ด)

การนำไฟฟ้า

โดยหลักการแล้วพันธะ Si-Si กับอิเล็กตรอนที่อยู่ในตำแหน่งดีนั้นแตกต่างจากที่คาดไว้ของโลหะนั่นคือทะเลของอิเล็กตรอน "เปียก" อะตอมของมัน อย่างน้อยก็คือที่อุณหภูมิห้อง

อย่างไรก็ตามเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นซิลิกอนจะเริ่มนำไฟฟ้าและมีพฤติกรรมเหมือนโลหะ นั่นคือมันเป็นองค์ประกอบเมทัลลอยด์ของเซมิคอนดักเตอร์

ซิลิคอนอสัณฐาน

ซิลิกอนเตตระฮีดราไม่ได้ใช้รูปแบบโครงสร้างเสมอไป แต่สามารถจัดเรียงได้อย่างไม่เป็นระเบียบ และถึงแม้จะมีอะตอมของซิลิกอนซึ่งการผสมพันธุ์ดูเหมือนจะไม่ใช่ sp ³แต่เป็น sp ²ซึ่งมีส่วนช่วยเพิ่มระดับความผิดปกติ ดังนั้นเราจึงพูดถึงซิลิกอนที่ไม่มีรูปร่างและไม่เป็นผลึก

ในซิลิคอนอสัณฐานมีตำแหน่งว่างทางอิเล็กทรอนิกส์ซึ่งอะตอมบางตัวมีออร์บิทัลที่มีอิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่ ด้วยเหตุนี้ของแข็งของมันสามารถถูกเติมไฮโดรเจนได้ทำให้เกิดการก่อตัวของซิลิกอนอสัณฐานที่เติมไฮโดรเจน นั่นคือมีพันธะ Si-H ซึ่ง tetrahedra จะเสร็จสมบูรณ์ในตำแหน่งที่ไม่เป็นระเบียบและตามอำเภอใจ

จากนั้นสรุปส่วนนี้โดยกล่าวว่าซิลิคอนสามารถนำเสนอได้ในของแข็งสามประเภท (โดยไม่ต้องระบุระดับความบริสุทธิ์) ได้แก่ ผลึกโพลีคริสตัลลีนและอสัณฐาน

แต่ละคนมีวิธีการผลิตหรือกระบวนการของตัวเองตลอดจนการใช้งานและการแลกเปลี่ยนเมื่อตัดสินใจว่าจะใช้ทั้งสามแบบโดยรู้ข้อดีและข้อเสียของมัน

จะหาและรับได้ที่ไหน

ผลึกควอตซ์ (ซิลิกา) เป็นหนึ่งในแร่ธาตุหลักและพิเศษที่สุดที่พบซิลิคอน ที่มา: James St. John (https://www.flickr.com/photos/jsjgeology/22437758830)

ซิลิคอนเป็นองค์ประกอบที่มีมากที่สุดเป็นอันดับ 7 ของจักรวาลและเป็นองค์ประกอบที่สองในเปลือกโลกนอกจากนี้ยังเสริมสร้างชั้นผิวของโลกด้วยแร่ธาตุมากมาย องค์ประกอบนี้เชื่อมโยงกับออกซิเจนได้เป็นอย่างดีทำให้เกิดออกไซด์ได้หลากหลาย ในหมู่พวกเขาซิลิกา SO ₂และซิลิเกต (มีองค์ประกอบทางเคมีที่หลากหลาย)

ซิลิกาสามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่าในทะเลทรายและชายหาดเนื่องจากทรายประกอบด้วย SiO _{2 เป็น}หลัก ในทางกลับกันออกไซด์นี้สามารถปรากฏตัวในโพลีมอร์ฟไม่กี่ชนิดซึ่งเป็นสิ่งมีชีวิตที่พบมากที่สุด ได้แก่ ควอตซ์อเมทิสโมราคริสโตบาไลต์ทริโปลีโคไซท์สทิโชวิตและไตรไดไมท์ นอกจากนี้ยังสามารถพบได้ในของแข็งอสัณฐานเช่นโอปอลและดินเบา

ในขณะเดียวกันซิลิเกตยังมีโครงสร้างและทางเคมีที่สมบูรณ์กว่า แร่ซิลิเกตบางชนิด ได้แก่ แร่ใยหิน (สีขาวสีน้ำตาลและสีน้ำเงิน) เฟลด์สปาร์ดินเหนียวไมกาโอลิวีนอะลูมิโนซิลิเกตซีโอไลต์แอมฟิโบลและไพร็อกซีเนส

หินเกือบทั้งหมดประกอบด้วยซิลิกอนและออกซิเจนโดยมีพันธะ Si-O ที่เสถียรและซิลิก้าและซิลิเกตผสมกับออกไซด์ของโลหะและอนินทรีย์

- การลดซิลิกา

ปัญหาในการได้รับซิลิกอนคือการทำลายพันธะ Si-O ซึ่งจำเป็นต้องใช้เตาเผาพิเศษและกลยุทธ์การลดที่ดี วัตถุดิบสำหรับกระบวนการนี้คือซิลิกาในรูปของควอตซ์ซึ่งก่อนหน้านี้จะถูกบดจนเป็นผงละเอียด

จากซิลิกาพื้นดินนี้สามารถเตรียมซิลิคอนอสัณฐานหรือโพลีคาร์บอเนตได้

ซิลิคอนอสัณฐาน

ในปริมาณเล็กน้อยดำเนินการในห้องปฏิบัติการและด้วยมาตรการที่เหมาะสมซิลิกาจะถูกผสมกับผงแมกนีเซียมในเบ้าหลอมและเผาในที่ที่ไม่มีอากาศ ปฏิกิริยาต่อไปนี้จะเกิดขึ้น:

SiO ₂ (s) + Mg (s) => 2MgO (s) + Si (s)

แมกนีเซียมและออกไซด์จะถูกกำจัดออกด้วยสารละลายกรดไฮโดรคลอริกเจือจาง จากนั้นของแข็งที่เหลือจะถูกบำบัดด้วยกรดไฮโดรฟลูออริกเพื่อให้ SiO ₂ส่วนเกินเสร็จสิ้นการทำปฏิกิริยา มิฉะนั้นแมกนีเซียมส่วนเกินจะเอื้อต่อการก่อตัวของซิลิไซด์ตามลำดับ Mg ₂ Si ซึ่งเป็นสารประกอบที่ไม่พึงปรารถนาสำหรับกระบวนการนี้

SiO ₂ถูกเปลี่ยนเป็นก๊าซระเหย SiF ₄ซึ่งถูกกู้คืนสำหรับการสังเคราะห์ทางเคมีอื่น ๆ ในที่สุดมวลซิลิกอนอสัณฐานจะถูกทำให้แห้งภายใต้กระแสของก๊าซไฮโดรเจน

อีกวิธีที่คล้ายกันที่จะได้รับซิลิคอนอสัณฐานประกอบด้วยการใช้เออเดียวกัน₄ผลิตก่อนหน้านี้หรือ SiCl ₄ (ที่ได้มาก่อนหน้านี้) ไอระเหยของซิลิกอนเฮไลด์เหล่านี้จะถูกส่งผ่านโซเดียมเหลวในบรรยากาศเฉื่อยดังนั้นการลดก๊าซจะเกิดขึ้นได้โดยไม่ต้องมีออกซิเจน:

SiCl ₄ (g) + 4Na (l) => Si (s) + 4NaCl (ล.)

ที่น่าสนใจคือใช้อะมอร์ฟัสซิลิกอนเพื่อสร้างแผงเซลล์แสงอาทิตย์ที่ประหยัดพลังงาน

ซิลิคอนผลึก

เริ่มต้นอีกครั้งจากซิลิกาหรือควอตซ์ที่บดแล้วพวกมันจะถูกนำไปที่เตาอาร์กไฟฟ้าซึ่งทำปฏิกิริยากับโค้ก ด้วยวิธีนี้สารรีดิวซ์จึงไม่ใช่โลหะอีกต่อไป แต่เป็นวัสดุคาร์บอเนตที่มีความบริสุทธิ์สูง:

SiO ₂ (s) + 2C (s) => Si (s) + 2CO (กรัม)

ปฏิกิริยานี้ยังก่อให้เกิดซิลิกอนคาร์ไบด์ SiC ซึ่งถูกทำให้เป็นกลางโดยมี SiO ₂มากเกินไป(อีกครั้งควอตซ์อยู่เกิน)

2SiC + SiO ₂ (s) => 3Si (s) + 2CO (g)

อีกวิธีหนึ่งในการเตรียมผลึกซิลิคอนคือการใช้อลูมิเนียมเป็นตัวรีดิวซ์:

3SiO ₂ (s) + 4Al (l) => 3Si (s) + 2Al ₂ O ₃ (s)

และเริ่มจากเกลือโพแทสเซียมเฮกซาฟลูออโรซิลิเกต K ₂จะทำปฏิกิริยากับโลหะอลูมิเนียมหรือโพแทสเซียมเพื่อผลิตผลิตภัณฑ์เดียวกัน:

K ₂ (ล.) + 4Al (ล.) => 3Si (s) + 6KF (ล.) + 4AlF ₃ (ก.)

ซิลิกอนจะละลายในอลูมิเนียมหลอมเหลวทันทีและเมื่อระบบเย็นตัวแรกจะตกผลึกและแยกออกจากตัวที่สอง กล่าวคือผลึกซิลิกอนจะเกิดขึ้นซึ่งมีสีเทา

ซิลิคอนโพลีคาร์บอเนต

ซึ่งแตกต่างจากการสังเคราะห์อื่น ๆ หรือโปรดักชั่นที่จะได้รับซิลิคอน polycrystalline หนึ่งเริ่มต้นด้วยเฟสก๊าซไซเลน, SiH 4 ก๊าซนี้อยู่ภายใต้ไพโรไลซิสที่สูงกว่า 500 ºCในลักษณะที่การสลายตัวด้วยความร้อนเกิดขึ้นดังนั้นจากไอระเหยเริ่มต้นโพลีคาร์บอเนตของซิลิกอนจะตกทับถมบนพื้นผิวเซมิคอนดักเตอร์

สมการทางเคมีต่อไปนี้เป็นตัวอย่างของปฏิกิริยาที่เกิดขึ้น:

SiH ₄ (g) => ศรี (s) + H ₂ (g)

เห็นได้ชัดว่าไม่ควรมีออกซิเจนในห้องเพราะจะทำปฏิกิริยากับ SiH ₄ :

SiH ₄ (g) + 2O ₂ (g) => SiO ₂ (s) + 2H ₂ O (g)

และนั่นคือความเป็นธรรมชาติของปฏิกิริยาการเผาไหม้ที่เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วที่อุณหภูมิห้องโดยมีการสัมผัสไซเลนสู่อากาศน้อยที่สุด

เส้นทางสังเคราะห์อื่นในการผลิตซิลิกอนประเภทนี้เริ่มจากผลึกซิลิคอนเป็นวัตถุดิบ พวกเขาทำให้มันทำปฏิกิริยากับไฮโดรเจนคลอไรด์ที่อุณหภูมิประมาณ 300 ºCดังนั้นจึงเกิดไตรคลอโรซิเลน:

Si (s) + 3HCl (g) => SiCl ₃ H (g) + H ₂ (g)

และ SiCl ₃ H ทำปฏิกิริยาที่ 1100 ºCเพื่อสร้างซิลิคอนขึ้นมาใหม่ แต่ตอนนี้เป็นโพลีคริสตัลไลน์:

4SiCl ₃ H (g) => Si (s) + 3SiCl ₄ (g) + 2H ₂ (g)

เพียงแค่ดูที่สมการเพื่อให้ได้แนวคิดเกี่ยวกับงานและพารามิเตอร์การผลิตที่เข้มงวดซึ่งต้องพิจารณา

ไอโซโทป

ซิลิคอนเกิดขึ้นตามธรรมชาติและส่วนใหญ่เป็นไอโซโทป²⁸ Si โดยมีปริมาณมากถึง 92.23%

นอกจากนี้ยังมีไอโซโทปอีกสองชนิดที่เสถียรและไม่ผ่านการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสี: ²⁹ Si มีจำนวนมาก 4.67%; และ³⁰ใช่โดยมีจำนวนมากถึง 3.10% ²⁸ Si มีมากดังนั้นจึงไม่น่าแปลกใจที่น้ำหนักอะตอมของซิลิกอนเท่ากับ 28.084 u

ซิลิคอนสามารถพบได้ในไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีหลายชนิด ได้แก่³¹ Si (t _1/2 = 2.62 ชั่วโมง) และ³² Si (t _1/2 = 153 ปี) คนอื่น ๆ ( ²² Si - ⁴⁴ Si) สั้นหรือสั้นมากt _1/2 (น้อยกว่าในร้อยวินาที)

ความเสี่ยง

ซิลิกอนบริสุทธิ์เป็นสารที่ค่อนข้างเฉื่อยดังนั้นจึงมักไม่สะสมในอวัยวะหรือเนื้อเยื่อใด ๆ ตราบเท่าที่การสัมผัสกับมันอยู่ในระดับต่ำ ในรูปแบบผงอาจทำให้ระคายเคืองตาทำให้น้ำหรือตาแดงได้ในขณะที่สัมผัสอาจทำให้เกิดอาการไม่สบายผิวคันและลอกได้

เมื่อสัมผัสสูงมากซิลิกอนสามารถทำลายปอดได้ แต่ไม่มีผลกระทบใด ๆ เว้นแต่ปริมาณเพียงพอที่จะทำให้หายใจไม่ออก อย่างไรก็ตามนี่ไม่ใช่กรณีของควอตซ์ซึ่งเกี่ยวข้องกับมะเร็งปอดและโรคต่างๆเช่นหลอดลมอักเสบและถุงลมโป่งพอง

ในทำนองเดียวกันซิลิกอนบริสุทธิ์นั้นหาได้ยากมากในธรรมชาติและสารประกอบของมันที่มีอยู่มากมายในเปลือกโลกก็ไม่ได้แสดงถึงความเสี่ยงใด ๆ ต่อสิ่งแวดล้อม

ตอนนี้เกี่ยวกับออร์กาโนซิลิกอนสิ่งเหล่านี้อาจเป็นพิษได้ แต่เนื่องจากมีหลายอย่างจึงขึ้นอยู่กับปัจจัยที่กำลังพิจารณาเช่นเดียวกับปัจจัยอื่น ๆ (การเกิดปฏิกิริยา pH กลไกการออกฤทธิ์ ฯลฯ )

การประยุกต์ใช้งาน

อุตสาหกรรมการก่อสร้าง

แร่ซิลิคอนประกอบเป็น "หิน" ซึ่งใช้สร้างอาคารบ้านหรืออนุสาวรีย์ ตัวอย่างเช่นปูนซีเมนต์คอนกรีตปูนปั้นและอิฐประกอบด้วยส่วนผสมที่เป็นของแข็งโดยใช้ซิลิเกต จากแนวทางนี้เราสามารถจินตนาการถึงประโยชน์ขององค์ประกอบนี้ในเมืองและในสถาปัตยกรรม

แก้วและเซรามิก

คริสตัลที่ใช้ในอุปกรณ์ออพติคอลสามารถทำจากซิลิกาไม่ว่าจะเป็นฉนวนเซลล์ตัวอย่างสเปกโตรโฟโตมิเตอร์คริสตัลเพียโซอิเล็กทริกหรือเลนส์เพียงอย่างเดียว

นอกจากนี้เมื่อวัสดุถูกเตรียมด้วยสารเติมแต่งหลายชนิดมันจะเปลี่ยนเป็นของแข็งอสัณฐานหรือที่รู้จักกันดีในชื่อแก้ว และภูเขาทรายมักเป็นแหล่งของซิลิกาหรือควอตซ์ที่จำเป็นสำหรับการผลิต ในทางกลับกันผลิตด้วยวัสดุเซรามิกซิลิเกตและพอร์เซลเลน

ความคิดที่ผสมผสานกันซิลิคอนยังมีอยู่ในงานฝีมือและการตกแต่ง

โลหะผสม

อะตอมของซิลิคอนสามารถจับตัวกันและเข้ากันได้กับเมทริกซ์โลหะทำให้เป็นสารเติมแต่งสำหรับโลหะผสมหรือโลหะหลายชนิด ตัวอย่างเช่นเหล็กเพื่อสร้างแกนแม่เหล็ก สัมฤทธิ์สำหรับการผลิตสายโทรศัพท์ และอะลูมิเนียมในการผลิตโลหะผสมอะลูมิเนียม - ซิลิกอนสำหรับชิ้นส่วนยานยนต์ขนาดเบา

ดังนั้นจึงไม่เพียงพบได้ใน "หิน" ของอาคารเท่านั้น แต่ยังพบในโลหะของเสาด้วย

สารดูดความชื้น

ลูกบอลซิลิก้าเจลาตินใช้เป็นสารดูดความชื้น ที่มา: สารดูดความชื้น

ซิลิกาในรูปแบบเจลหรืออสัณฐานช่วยให้สามารถผลิตของแข็งที่ทำหน้าที่เป็นสารดูดความชื้นโดยการดักจับโมเลกุลของน้ำที่เข้าสู่ภาชนะบรรจุและทำให้ภายในแห้ง

อุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์

Polycrystalline และ amorphous silicon ใช้ทำแผงโซลาร์เซลล์ ที่มา: pxhere.

ชั้นซิลิคอนที่มีความหนาและสีต่างกันเป็นส่วนหนึ่งของชิปคอมพิวเตอร์เช่นเดียวกับของแข็ง (ผลึกหรืออสัณฐาน) ได้รับการออกแบบวงจรรวมและเซลล์แสงอาทิตย์

ในฐานะเซมิคอนดักเตอร์จะรวมอะตอมที่มีอิเล็กตรอนน้อยกว่า (Al, B, Ga) หรือมากกว่า (P, As, Sb) เพื่อเปลี่ยนเป็นสารกึ่งตัวนำชนิดพอนตามลำดับ ด้วยจุดเชื่อมต่อของซิลิโคนสองตัวหนึ่ง n และอีก p ทำให้เกิดไดโอดเปล่งแสง

ซิลิโคนโพลีเมอร์

กาวซิลิโคนที่มีชื่อเสียงประกอบด้วยพอลิเมอร์อินทรีย์ที่ได้รับการสนับสนุนโดยความเสถียรของโซ่ของพันธะ Si-O-Si … หากโซ่เหล่านี้มีความยาวสั้นหรือเชื่อมโยงกันคุณสมบัติของโพลีเมอร์ซิลิโคนจะเปลี่ยนไปเช่นเดียวกับการใช้งานขั้นสุดท้าย .

ในการใช้งานตามรายการด้านล่างอาจมีการกล่าวถึงสิ่งต่อไปนี้:

- กาวหรือกาวไม่เพียง แต่ใช้ในการติดกระดาษเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการสร้างบล็อคยางแผ่นกระจกหิน ฯลฯ

- น้ำมันหล่อลื่นในระบบเบรกไฮดรอลิก

- เพิ่มความแข็งแรงของสีและปรับปรุงความสว่างและความเข้มของสีในขณะที่ช่วยให้ทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิโดยไม่แตกหรือกินไป

- ใช้เป็นสเปรย์กันน้ำซึ่งช่วยให้พื้นผิวหรือวัตถุแห้ง

- ให้ผลิตภัณฑ์เพื่อสุขอนามัยส่วนบุคคล (ยาสีฟันแชมพูเจลครีมโกนหนวด ฯลฯ ) ให้ความรู้สึกเนียนนุ่ม

- การเคลือบปกป้องชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ของอุปกรณ์ที่บอบบางเช่นไมโครโปรเซสเซอร์จากความร้อนและความชื้น

- ด้วยซิลิโคนโพลีเมอร์ทำให้ลูกบอลยางหลายลูกเด้งทันทีที่หล่นลงพื้น

อ้างอิง

1. ตัวสั่นและแอตกินส์ (2008) เคมีอนินทรีย์. (พิมพ์ครั้งที่สี่). Mc Graw Hill
2. วิกิพีเดีย (2019). ซิลิคอน. สืบค้นจาก: en.wikipedia.org
3. ไมโครเคมี (เอสเอฟ) การตกผลึกของซิลิคอน ดึงมาจาก: microchemicals.com
4. Lenntech BV (2019). ตารางธาตุ: ซิลิกอน สืบค้นจาก: lenntech.com
5. Marques Miguel (เอสเอฟ) การเกิดซิลิคอน กู้คืนจาก: nautilus.fis.uc.pt
6. Hemant เพิ่มเติม (05 พฤศจิกายน 2560). ซิลิคอน. สืบค้นจาก: hemantmore.org.in
7. Pilgaard Michael (22 สิงหาคม 2561). ซิลิคอน: การเกิดขึ้นการแยกและการสังเคราะห์ ดึงมาจาก: pilgaardelements.com
8. ดร. ดั๊กสจ๊วต (2019). ข้อเท็จจริงองค์ประกอบของซิลิคอน Chemicool. ดึงมาจาก: chemicool.com
9. Christiana Honsberg และ Stuart Bowden (2019). แหล่งข้อมูลสำหรับนักการศึกษาไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ PVeducation. สืบค้นจาก: pveducation.org
10. American Chemistry Council, Inc. (2019). ซิลิโคนในชีวิตประจำวัน สืบค้นจาก: sehsc.americanchemistry.com