KISEL: HISTORIK, EGENSKAPER, STRUKTUR, ERHÅLLANDE, ANVÄNDNING - KEMI - 2025

Den kisel är ett icke - metalliska och metalloida samtidigt elementet representeras av den kemiska symbolen Si. Det är en halvledare, som är en väsentlig del av datorer, miniräknare, mobiltelefoner, solceller, dioder osv .; Det är praktiskt taget huvudkomponenten som har möjliggjort upprättandet av den digitala tidsåldern.

Kisel har alltid funnits i kvarts och silikater, båda mineraler utgör cirka 28 viktprocent av hela jordskorpan. Det är därmed det näst vanligaste elementet på jordens yta, och den stora mängden öknar och stränder erbjuder ett perspektiv på hur rikligt det är.

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

Kisel tillhör gruppen 14 i det periodiska systemet, samma som kol, som ligger under den. Det är därför detta element betraktas som en tetravalent metalloid; den har fyra valenselektroner och i teorin kan den förlora alla av dem för att bilda Si 4 ⁺ -katjonen .

En egendom som den delar med kol är dess förmåga att koppla samman; deras atomer är kovalent kopplade för att definiera molekylkedjor. Dessutom kan kisel bilda sina egna "kolväten", kallad silaner.

De dominerande kiselföreningarna i naturen är de berömda silikaten. I sin rena form kan det framstå som en monokristallin, polykristallin eller amorf fast substans. Det är ett relativt inert fast ämne, så det innebär inte stora risker.

Historia

Kiselsten

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

Detta element är huvudpersonen från stenåldern och även den digitala tidsåldern. Dess ursprung går tillbaka till när civilisationer en gång arbetade med kvarts och gjorde sina egna glasögon; Och idag är det huvudkomponenten i datorer, bärbara datorer och smartphones.

Kisel har praktiskt taget varit stenen i två tydligt definierade epoker i vår historia.

Isolering

Eftersom kiseldioxid är så rikligt, ett namn som är fött av flintrock, måste det ha innehaft ett extremt rikt element i jordskorpan; detta var rätt misstank av Antoine Lavoisier, som 1787 misslyckades i sina försök att minska den från dess rost.

En stund senare, 1808, gjorde Humphry Davy sina egna försök och gav elementet sitt förnamn: 'silicium', som översatt skulle bli "flintmetall". Det vill säga kisel betraktades då som en metall på grund av dess brist på karakterisering.

Sedan 1811 lyckades franska kemister Joseph L. Gay-Lussac och Louis Jacques Thénard förbereda amorf kisel för första gången. För detta reagerade de kiseltetrafluorid med metalliskt kalium. De renade eller karakteriserade emellertid inte den erhållna produkten, så de drog inte slutsatsen att det var det nya elementet silicium.

Det var först 1823 som den svenska kemisten Jacob Berzelius erhöll 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 betraktade det som ett icke-metalliskt element. Berzelius genomförde reaktionen mellan kaliumfluorosilikat och smält kalium för att producera detta kisel.

Kristallint kisel

Kristallint kisel framställdes först 1854 av den franska kemisten Henry Deville. För att uppnå detta utförde Deville en elektrolys av en blandning av aluminium- och natriumklorider, varigenom han erhöll kiselkristaller täckta av ett lager aluminiumsilicid, som han avlägsnade (uppenbarligen) genom att tvätta dem med vatten.

Fysiska och kemiska egenskaper

Fysiskt utseende

Elementärt kisel, som har en metallisk glans, men faktiskt är en metalloid. Källa: Hi-Res Images of Chemical Elements

Kisel i sin rena eller elementära form består av en gråaktig eller blåsvart massiv (toppbild), som även om det inte är en metall, har blanka ansikten som om det verkligen var.

Det är ett hårt men sprött fast ämne, som också uppvisar en flagnig yta om den består av polykristaller. Amorft kisel, å andra sidan, ser ut som ett mörkbrunt pulverformigt fast ämne. Tack vare detta är det lätt att identifiera och differentiera en typ av kisel (kristallin eller polykristallin) från en annan (amorf).

Molmassa

28,085 g / mol

Atomnummer (Z)

14 ( ₁₄ Ja)

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 dess kristaller flyter på en vätskefas av densamma, som det händer med is-vattensystemet. Förklaringen beror på det faktum att det interatomiska utrymmet mellan Si-atomerna i dess kristall är större (mindre tätt) än motsvarande i vätskan (tätare).

Smältvärme

50,21 kJ / mol

Förångningsvärme

383 kJ / mol

Molär värmekapacitet

19,789 J / (mol K)

Elektronnegativitet

1,90 på Pauling-skalan

Ioniseringsenergier

-Först: 786,5 kJ / mol

-Sekund: 1577,1 kJ / mol

-Tredde: 3231,6 kJ / mol

Atomradio

111 pm (mätt på deras respektive diamantkristaller)

Värmeledningsförmåga

149 W / (mK)

Elektrisk resistans

2,3 · 10 ³ Ω · m vid 20 ºC

Mohs hårdhet

6,5

sammanlänkning

Kiselatomer har förmågan att bilda enkla Si-Si-bindningar, som slutligen definierar en kedja (Si-Si-Si …).

Denna egenskap manifesteras också av kol och svavel; emellertid är sp ^3- hybridiseringarna av kisel sämre jämfört med de för de andra två elementen, och dessutom är deras 3p-orbitaler mer diffusa, så överlappningen av de resulterande sp ^3- orbitalerna är svagare.

De genomsnittliga energierna för kovalenta Si-Si- och CC-bindningar är 226 kJ / mol respektive 356 kJ / mol. Därför är Si-Si-obligationerna svagare. På grund av detta är kisel inte livets hörnsten (och inte heller svavel). I själva verket är den längsta kedjan eller skelett som kisel kan bilda vanligen fyra-ledad (Si ₄ ).

Oxidationsnummer

Kisel kan ha något av följande oxidationsnummer, antar i var och en av dem förekomsten av joner med deras respektive laddningar: -4 (Si ^4- ), -3 (Si ^3- ), -2 (Si ^2-) ), -1 (Si ^- ), +1 (Si ⁺ ), +2 (Si2 ⁺ ), +3 (Si3 ⁺ ) och +4 (Si4 ⁺ ). Av dem alla är -4 och +4 de viktigaste.

Till exempel, -4 antas i silicider (Mg ₂ Si eller Mg ₂ ²⁺ Si ^4- ); medan de +4 motsvarar den för kiseldioxid (SiO ₂ eller Si ⁴⁺ O ₂ ^2- ).

Reaktivitet

Kisel är helt olösligt i vatten såväl som starka syror eller baser. Emellertid löses det upp i en koncentrerad blandning av salpetersyra och fluorvätesyror (HNO _3- HF). På samma sätt upplöses den i en varm alkalisk lösning, följande kemiska reaktion inträffar:

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

Den natriummetasilikat salt, Na ₂ SiO ₃ , bildas också när kisel upplöses i smält natriumkarbonat:

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

Vid rumstemperatur reagerar det inte alls med syre, inte ens vid 900 ºC, när ett skyddande glasskikt av SiO ₂ börjar bildas ; och sedan, vid 1400 ° C, de reagerar kisel med kvävet i luft för att bilda en blandning av nitrider, SiN och Si ₃ N ₄ .

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

2Mg (s) + Si (s) => Mg ₂ Si (s)

2Cu (s) + Si (s) => Cu ₂ Si (s)

Vid rumstemperatur reagerar det explosivt och direkt med halogener (det finns inget SiO _2- lager för att skydda det från detta). Till exempel har vi bildningsreaktionen av SiF ₄ :

Si (s) + 2F ₂ (g) => SiF ₄ (g)

Och även om kisel är olöslig i vatten, reagerar den röd het med en ångström:

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

Struktur och elektronisk konfiguration

Kristallin struktur eller enhetscell av kisel representerad av en sfär- och stavmodell. Källa: Benjah-bmm27

Bilden ovan visar den ansiktscentrerade kubiska strukturen (fcc), samma som diamant, för kiselkristall. De gråaktiga sfärerna motsvarar Si-atomerna, som, som kan ses, är kovalent bundna till varandra; dessutom har de i sin tur tetraedriska miljöer som reproduceras längs kristallen.

Kiselkristallen är fcc eftersom en Si-atom observeras belägen på var och en av kubens ytor (6 × 1/2). På samma sätt finns det åtta Si-atomer vid kubens hörn (8 × 1/8) och fyra ligger inuti den (de som visar en väldefinierad tetrahedron runt dem, 4 × 1).

Som sagt, varje enhetscell har totalt åtta kiselatomer (3 + 1 + 4, siffror som anges i avsnittet ovan); kännetecken som hjälper till att förklara dess höga hårdhet och stelhet, eftersom rent kisel är en kovalent kristall liknande diamant.

Kovalent karaktär

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

3s ² 3p ²

För bindning är de rena 3-orna och 2p-orbitalerna värdelösa. Det är därför atomen skapar fyra sp ^3- hybridorbitaler , med vilka den kan bilda fyra Si-Si-kovalenta bindningar och på detta sätt fullborda valensokteten för de två kiselatomerna.

Kiselkristallen visualiseras sedan som en tredimensionell kovalent gitter som består av sammankopplade tetraedrar.

Detta nätverk är dock inte perfekt, eftersom det har defekter och korngränser, som separerar och definierar en kristall från en annan; och när sådana kristaller är mycket små och många talar vi om ett polykristallint fast ämne, identifierat med dess heterogena glans (liknande en silvrig mosaik eller skalig yta).

Elektrisk konduktivitet

Si-Si-bindningar, med sina välplacerade elektroner, skiljer sig i princip från vad som förväntas av en metall: ett hav av elektroner som "väter" sina atomer; åtminstone är detta så vid rumstemperatur.

När temperaturen ökar börjar emellertid kiseln leda elektricitet och uppför sig således som en metall; det vill säga, det är ett metalloidelement med halvledare.

Amorf kisel

Silikon tetraedra antar inte alltid ett strukturellt mönster, men kan ordnas på ett oordningligt sätt; och även med kiselatomer vars hybridisering verkar inte vara sp ³ utan sp ² , vilket bidrar till att ytterligare öka graden av störning. Därför talar vi om ett amorft och icke-kristallint kisel.

I amorf kisel finns elektroniska vakanser, där några av dess atomer har en orbital med en oparad elektron. Tack vare detta kan dess fasta substans hydreras, vilket ger upphov till bildningen av hydrerat amorft kisel; det vill säga den har Si-H-bindningar, med vilka tetraederen är fullbordade i oordnade och godtyckliga positioner.

Detta avsnitt avslutas sedan med att säga att kisel kan presenteras i tre typer av fasta ämnen (utan att nämna deras renhetsgrad): kristallin, polykristallin och amorf.

Var och en av dem har sin egen produktionsmetod eller -process, såväl som dess applikationer och avvägningar när de bestämmer vilken av de tre som ska användas, med kännedom om fördelar och nackdelar.

Var att hitta och få

Kvarts (silika) -kristaller är en av de viktigaste och mest extraordinära mineralerna där kisel finns. Källa: James St. John (https://www.flickr.com/photos/jsjgeology/22437758830)

Kisel är det sjunde vanligaste elementet i universum och det andra i jordskorpan, vilket också berikar jordens mantel med sin stora mineralfamilj. Detta element förknippas extremt bra med syre och bildar ett brett spektrum av oxider; bland dem kiseldioxid, SO ₂ och silikater (med olika kemiska sammansättningar).

Kiseldioxid kan ses med blotta ögat i öknar och stränder, eftersom sand huvudsakligen består av SiO ₂ . I sin tur kan denna oxid manifestera sig i några få polymorfer, den vanligaste är: kvarts, ametist, agat, cristobalite, tripoli, coesite, stishovite och tridymite. Dessutom finns det i amorfa fasta ämnen som opaler och kiselgur.

Silikater är under tiden ännu rikare strukturellt och kemiskt. Några av silikatmineralerna inkluderar: asbest (vit, brun och blåaktig), fältspat, leror, micas, oliviner, aluminosilikater, zeoliter, amfiboler och pyroxener.

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

-Reduktion av kiseldioxid

Problemet med att erhålla kisel bryter nämnda Si-O-bindning, för vilken specialugnar och en bra reduktionsstrategi behövs. Råmaterialet för denna process är kiseldioxid i form av kvarts, som tidigare males tills det är ett fint pulver.

Från denna malda kiseldioxid kan antingen amorf eller polykristallin kisel framställas.

Amorf kisel

I liten skala, utförd i ett laboratorium och med lämpliga åtgärder, blandas kiseldioxid med magnesiumpulver i en degel och förbränns i frånvaro av luft. Följande reaktion äger rum sedan:

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

Magnesium och dess oxid avlägsnas med en utspädd saltsyralösning. Sedan, den återstående fasta substansen behandlades med fluorvätesyra, så att de överskjutande SiO ₂ ytbehandlingar reagera ; annars, överskottet av magnesium gynnar bildningen av dess respektive silicid, Mg ₂ Si, en oönskad förening för processen.

SiO ₂ omvandlas till flyktig gas SiF ₄ , som utvinnes för andra kemiska synteser. Slutligen torkas den amorfa kiselmassan under en ström av vätgas.

En annan liknande metod för att erhålla amorf kisel består av att använda samma SiF ₄ tidigare producerat, eller SiCl ₄ (tidigare förvärvad). Ångorna från dessa kiselhalogenider föres över flytande natrium i en inert atmosfär, så att reduktionen av gasen kan ske utan närvaro av syre:

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

Intressant nog används amorft kisel för att göra energieffektiva solpaneler.

Kristallint kisel

Börjar på nytt från pulveriserad kiseldioxid eller kvarts och föras till en elektrisk bågeugn, där de reagerar med koks. På detta sätt är reduktionsmedlet inte längre en metall utan ett kolhaltigt material med hög renhet:

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

Reaktionen producerar också kiselkarbid, SiC, som neutraliseras med ett överskott av SiO ₂ (återigen den kvarts är i överskott):

2SiC (s) + SiO ₂ (s) => 3Si (s) + 2CO (g)

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

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

Och utgående från den kalium hexafluorurosilicate salt, K ₂ , är det även reagera med metalliskt aluminium eller kalium för att producera samma produkt:

K ₂ (l) + 4Al (l) => 3Si (s) + 6KF (l) + 4AlF ₃ (g)

Kisel upplöses omedelbart i smält aluminium, och när systemet kyls, kristalliseras det första och separerar från det andra; det vill säga, silikonkristaller bildas, som uppträder gråaktiga färger.

Polykristallint kisel

Till skillnad från de andra synteser eller produktioner, för erhållande av polykristallint kisel, en börjar med en silan gasfas, SiH ₄ . Denna gas utsätts för en pyrolys över 500 ºC, på ett sådant sätt att en termisk sönderdelning inträffar och därmed, från dess initiala ångor, polykristaller av kisel hamnar på en halvledaryta.

Följande kemiska ekvation exemplifierar reaktionen som äger rum:

SiH ₄ (g) => Si (s) + H ₂ (g)

Uppenbarligen borde det inte finnas något syre i kammaren, eftersom det skulle reagera med SiH ₄ :

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

Och sådan är spontaniteten hos förbränningsreaktionen att den snabbt inträffar vid rumstemperatur med minimal exponering av silan för luft.

En annan syntetisk väg för att producera denna typ av kisel börjar från kristallint kisel som råmaterial. De får den att reagera med väteklorid vid en temperatur runt 300 ºC, så att triklorsilan bildas på så sätt:

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

Och SiCl ₃ H reagerar vid 1100 ° C för att regenerera kisel, men nu polykristallina:

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

Titta bara på ekvationerna för att få en uppfattning om arbetet och rigorösa produktionsparametrar som måste beaktas.

isotoper

Kisel förekommer naturligt och huvudsakligen som ²⁸ Si isotop , med ett överflöd på 92,23%.

Utöver detta finns det två andra isotoper som är stabila och därför inte genomgår radioaktivt förfall: ²⁹ Si, med ett överflöd på 4,67%; och ³⁰ Ja, med ett överflöd på 3,10%. ²⁸ Si är så riklig , det är inte förvånande att kärnans atomvikt är 28,084 u.

Kisel finns också i olika radioisotoper, bland vilka är ³¹ Si (t _1/2 = 2,62 timmar) och ³² Si (t _1/2 = 153 år). De andra ( ²² Si - ⁴⁴ Si) har mycket kort eller kort t _1/2 (mindre än hundradelar av en sekund).

risker

Rent kisel är ett relativt inert ämne, så det ackumuleras vanligtvis inte i något organ eller vävnad så länge exponeringen för den är låg. I pulverform kan det irritera ögonen, orsaka vattning eller rodnad, men vid beröring kan det orsaka obehag i huden, klåda och skalning.

När exponeringen är mycket hög, kan kisel skada lungorna; men utan efterverkningar, såvida inte mängden är tillräcklig för att orsaka kvävning. Detta är dock inte fallet 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 rikliga i jordskorpan, utgör inte någon risk för miljön.

Nu när det gäller organosilikon kan dessa vara giftiga; Men eftersom det finns många av dem beror det på vilken man överväger, liksom av andra faktorer (reaktivitet, pH, verkningsmekanism, etc.).

tillämpningar

Byggbranschen

Kiselmineraler utgör "stenen" med vilken byggnader, hus eller monument byggs. Till exempel består cement, betong, stukkar och eldstenar av fasta blandningar baserade på silikater. Från denna metod kan man föreställa sig användbarheten av detta element i städer och i arkitektur.

Glas och keramik

Kristaller som används i optiska anordningar kan tillverkas av kiseldioxid, antingen som isolatorer, spektrofotometerprovceller, piezoelektriska kristaller eller bara linser.

När materialet framställs med flera tillsatser hamnar det också i ett amorft fast ämne, välkänt som glas; och berg av sand är vanligtvis källan till kiseldioxid eller kvarts som är nödvändig för dess produktion. Å andra sidan tillverkas keramiska material och porslin med silikater.

Flätade idéer, kisel finns också i hantverk och dekorationer.

Alloys

Kiselatomer kan sammanhållas och vara blandbara med en metallmatris, vilket gör det till ett tillsatsmedel för många legeringar eller metaller; till exempel stål för att skapa magnetkärnor; brons för tillverkning av telefonkablar; och aluminium, vid produktion av aluminium-kisellegering avsedd för lätta bildelar.

Därför kan den inte bara hittas i "sten" i byggnader, utan också i metallerna i deras kolumner.

torkmedel

Gelatinösa kiseldioxidbollar, används som torkmedel. Källa: Torkmedel

Kiseldioxid, i gel eller amorf form, gör det möjligt att tillverka fasta ämnen som fungerar som torkmedel genom att fånga vattenmolekylerna som kommer in i behållaren och hålla dess inre torr.

Elektronisk industri

Polykristallin och amorf kisel används för att tillverka solpaneler. Källa: Pxhere.

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

Som halvledare innehåller den atomer med färre (Al, B, Ga) eller fler elektroner (P, As, Sb) för att omvandla den till halvledare av pontyp. Med korsningarna mellan två silikoner, en n och den andra p, är ljusemitterande dioder tillverkade.

Silikonpolymerer

Det berömda silikonlimet består av en organisk polymer som stöds av stabiliteten hos kedjorna med Si-O-Si-bindningar … Om dessa kedjor är mycket långa, korta eller tvärbundna, förändras egenskaperna hos silikonpolymeren, såväl som deras slutliga tillämpningar. .

Följande användningar, listade nedan, kan följande nämnas:

-Lim eller lim, inte bara för att koppla samman papper, utan byggstenar, gummin, glaspaneler, stenar etc.

-Smörjmedel i hydrauliska bromssystem

-Förstärker färger och förbättrar ljusstyrkan och intensiteten i deras färger, samtidigt som de kan motstå temperaturförändringar utan att spricka eller äta bort

-De används som vattenavvisande sprayer, vilket håller vissa ytor eller föremål torra

-De ger personliga hygienprodukter (tandkräm, schampon, geler, rakkräm, etc.) känslan av att vara silkeslen

-Detta beläggningar skyddar de elektroniska komponenterna i känsliga enheter, t.ex. mikroprocessorer, från värme och fukt

-Med silikonpolymerer har flera av gummikulorna gjorts som studsar så snart de släpps ner på golvet.

referenser

1. Shiver & Atkins. (2008). Oorganisk kemi . (Fjärde upplagan). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Kisel. Återställd från: en.wikipedia.org
3. MicroChemicals. (Sf). Kristallografi av kisel. Återställd från: microchemicals.com
4. Lenntech BV (2019). Periodisk tabell: kisel. Återställd från: lenntech.com
5. Marques Miguel. (Sf). Silicon förekomst. Återställd från: nautilus.fis.uc.pt
6. Mer Hemant. (05 november 2017). Kisel. Återställd från: hemantmore.org.in
7. Pilgaard Michael. (22 augusti 2018). Kisel: förekomst, isolering och syntes. Återställd från: pilgaardelements.com
8. Dr Doug Stewart. (2019). Fakta om kiselelement. Chemicool. Återställd från: chemicool.com
9. Christiana Honsberg och Stuart Bowden. (2019). En samling resurser för fotovoltaikutbildaren. PVeducation. Återställd från: pveducation.org
10. American Chemistry Council, Inc. (2019). Silikoner i vardagen. Återställd från: sehsc.americanchemistry.com