Silisium

iso	AN	Periode	MD	Ed	P.S.
iso	AN	Periode	MD	MeV	P.S.
28 ja	92,23 %	stabil med 14 nøytroner
29 ja	4,67 %	stabil med 15 nøytroner
30 ja	3,1 %	stabil med 16 nøytroner
32 ja	Syntetisk	132 til	β- _	0,224	32P _

Verdier i SI og normale forhold for trykk og temperatur , med mindre annet er angitt.

Silisium (fra latin : flint ) er et metalloid kjemisk grunnstoff , atomnummer 14 og plassert i gruppe 14 i det periodiske system av grunnstoffer med symbol Si . [ 1 ] Det er det nest mest tallrike grunnstoffet i jordskorpen (25,7 vekt%) [ 2 ] etter oksygen . Det forekommer i amorf og krystallisert form; den første er et brunaktig pulver, mer aktivt enn den krystallinske varianten, som forekommer i blågrå oktaeder med metallisk glans.

Funksjoner

Egenskapene ligger mellom egenskapene til karbon og germanium . I krystallinsk form er den veldig hard og lite løselig og har en metallisk glans og gråaktig farge. [ 3 ] Selv om det er et relativt inert grunnstoff og motstår virkningen av de fleste syrer , reagerer det med halogener [ 4 ] og fortynnede alkalier . Silisium overfører mer enn 95 % av bølgelengdene til infrarød stråling .

Det er tilberedt som et brungult pulver eller gråsvarte krystaller. Den er laget ved å varme opp silisiumdioksyd, eller silisiumdioksid (SiO 2 ), med et reduksjonsmiddel , for eksempel karbon eller magnesium , i en elektrisk ovn . [ 5 ] Krystallinsk silisium har en hardhet på 7, nok til å skrape glass, hardhet 5 til 7. Silisium har et smeltepunkt på 1411 °C, et kokepunkt på 2355 °C og en relativ tetthet Atommassen er 28 086 u (atommasseenhet) .

Det løses opp i flussyre og danner gassen silisiumtetrafluorid , SiF 4 (se fluor ), og angripes av salpetersyre, saltsyre og svovelsyre, selv om silisiumdioksidet som dannes hemmer reaksjonen. Det oppløses også i natriumhydroksid, og danner natriumsilikat og hydrogengass. Ved vanlige temperaturer angripes ikke silisium av luft, men ved høye temperaturer reagerer det med oksygen og danner et lag med silisiumdioksyd som hindrer videre reaksjon. Ved høye temperaturer reagerer den også med nitrogen og klor og danner henholdsvis silisiumnitrid og silisiumklorid.

Silisium utgjør 28 % av jordskorpen. Det eksisterer ikke i fri tilstand, men finnes i form av silisiumdioksid og komplekse silikater. Silisiumholdige mineraler utgjør omtrent 40 % av alle vanlige mineraler, inkludert mer enn 90 % av mineralene som danner vulkanske bergarter. Mineralet kvarts , dets varianter ( karneol , krysopras , onyx , flint og jaspis ) og mineralene cristobalitt og tridymitt er de krystallinske formene av silisium som finnes i naturen. Silisiumdioksid er hovedkomponenten i sand . Silikater (spesielt aluminium , kalsium og magnesium ) er hovedkomponentene i leire , jord og bergarter, i form av feltspat , amfiboler, pyroksener, glimmer og zeolitter , og av halvedelstener som olivin , granat , zirkon , topas og turmalin .

Silisium som biokjemisk grunnlag

Egenskapene deles med karbon , som å være i samme familie 14, ikke være et metall i seg selv, være i stand til å bygge forbindelser som ligner på enzymer ( zeolitter ), andre lange forbindelser med oksygen ( silikoner ), og ha de samme fire grunnleggende bindingene, gir det en mulighet til å bli grunnlaget for levende vesener, selv om det ikke er på jorden, i en hypotetisk biokjemi .

Applikasjoner

Det brukes i legeringer , i dekantering av silikoner , i den tekniske keramikkindustrien , og fordi det er et svært rikelig med halvledermateriale , er det av spesiell interesse i elektronikk- og mikroelektronikkindustrien som et grunnleggende materiale for fremstilling av wafere eller brikker . som kan implanteres i transistorer , solceller og en rekke elektroniske kretser. Silisium er et viktig element i mange bransjer. Silisiumdioksid ( sand og leire ) er en viktig bestanddel av betong og murstein , og brukes i produksjonen av portlandsement . På grunn av sine halvlederegenskaper brukes den i produksjon av transistorer , solceller og alle slags halvlederenheter; Av denne grunn er regionen i California hvor mange selskaper innen elektronikk- og informasjonsteknologisektoren er konsentrert kjent som Silicon Valley . Mulige anvendelser av silisen , som er en allotropisk form for silisium som danner et todimensjonalt nettverk som ligner på grafen , blir også studert . Andre viktige bruksområder for silisium er:

Som et ildfast materiale brukes det i keramikk , glasurer og emaljer .
Som gjødselelement i form av et primært mineral rikt på silisium, for landbruk .
Som legeringselement i støperier .
Produksjon av glass til vinduer og isolasjon .
Silisiumkarbid er et av de viktigste slipemidlene .
Den brukes i lasere for å oppnå lys med en bølgelengde på 456 nm .
Silikon brukes medisinsk i brystimplantater og kontaktlinser . _

Det brukes i stålindustrien som en komponent av silisium-stållegeringer. For å lage stål deoksideres smeltet stål ved å tilsette små mengder silisium; vanlig stål inneholder mindre enn 0,30 % silisium. Silisiumstål , som inneholder 2,5 til 4% silisium , brukes til å lage kjernene til elektriske transformatorer , da legeringen viser lav hysterese (se Magnetisme ). Det er en stållegering, duriron, som inneholder 15 % silisium og er hard, sprø og motstandsdyktig mot korrosjon; duriron brukes i industrielt utstyr som er i kontakt med etsende kjemikalier. Silisium brukes også i kobberlegeringer som bronse og messing .

Silisium er en halvleder; deres resistivitet mot elektrisk strøm ved romtemperatur varierer mellom den for metaller og den for isolatorer. Ledningsevnen til silisium kan kontrolleres ved å tilsette små mengder urenheter kalt dopingmidler. Evnen til å kontrollere de elektriske egenskapene til silisium og dets overflod i naturen har gjort det mulig å utvikle og anvende transistorer og integrerte kretser som brukes i elektronikkindustrien.

Silika og silikater brukes til fremstilling av glass , lakk , emaljer , sement og porselen , og har viktige individuelle bruksområder. Fused silica, som er et glass oppnådd ved å smelte kvarts eller hydrolysere silisiumtetraklorid , er preget av en lav ekspansjonskoeffisient og høy motstand mot de fleste kjemikalier. Silikagel er en fargeløs, porøs og amorf substans; Den fremstilles ved å fjerne en del av vannet fra et gelatinaktig bunnfall av kiselsyre , SiO 2 • H 2 O, som oppnås ved å tilsette saltsyre til en løsning av natriumsilikat. Silikagel absorberer vann og andre stoffer og brukes som tørke- og avfargingsmiddel.

Natriumsilikat (Na 2 SiO 3 ), også kalt glass, er et viktig syntetisk silikat , fargeløst, amorft fast stoff , løselig i vann, smelter ved 1088 °C. Det oppnås ved å reagere silika (sand) og natriumkarbonat ved høy temperatur, eller ved å varme opp sand med konsentrert natriumhydroksid ved høyt trykk. Den vandige løsningen av natriumsilikat brukes til å konservere egg; som erstatning for lim eller lim for å lage bokser og andre beholdere; å binde kunstige edelstener; som et ikke-brennbart middel, og som fyllstoff og klebriggjørende middel i såper og rengjøringsmidler. En annen viktig silisiumforbindelse er karborundum, en forbindelse av silisium og karbon som brukes som slipemiddel.

Silisiummonoksid, SiO, brukes til å beskytte materialer ved å belegge dem slik at den ytre overflaten oksideres til dioksidet, SiO 2 . Disse lagene gjelder også for interferensfiltre.

Den ble først identifisert av Antoine Lavoisier i 1787.

Overflod og innhenting

Målt etter vekt utgjør silisium mer enn en fjerdedel av jordskorpen og er det nest mest tallrike grunnstoffet bak oksygen . Silisium finnes ikke i sin opprinnelige tilstand; sand , kvarts , ametyst , agat , flint, opal og jaspis er noen av mineralene som rust oppstår i, mens den danner silikater , finnes den blant annet i granitt , feltspat , leire , hornblende og glimmer i meteoritter .

Fysiske metoder for metallurgisk silisiumrensing

Disse metodene er basert på den større løseligheten av urenhetene i det flytende silisiumet, slik at det konsentreres i de siste størknede områdene. Den første metoden, som i begrenset grad ble brukt til å bygge radarkomponenter under andre verdenskrig , er å male silisiumet slik at urenheter samler seg på overflatene av kornene; delvis oppløsning av disse med syre ga et renere pulver. Sonesmelting , den første metoden som brukes i industriell skala, består i å smelte den ene enden av silisiumstangen og sakte flytte varmekilden langs stangen slik at silisiumet størkner med en høyere renhet ved å dra den smeltede sonen mye av urenhetene. Prosessen kan gjentas så mange ganger som nødvendig til ønsket renhet er oppnådd, ganske enkelt ved å kutte den siste enden der urenhetene har samlet seg.

Kjemiske metoder for metallurgisk silisiumrensing

For tiden brukte kjemiske metoder virker på en silisiumforbindelse som er lettere å rense ved å dekomponere den etter rensing for å oppnå silisium. Vanlig brukte forbindelser er triklorsilan (HSiCl 3 ), silisiumtetraklorid (SiCl 4 ) og silan (SiH 4 ).

I Siemens-prosessen [6] eksponeres silisiumstaver med høy renhet ved 1150 °C for triklorsilan, en gass som brytes ned og avsettes ytterligere silisium på stangen i henhold til følgende reaksjon:

2 HSiCl3 → Si + 2 HCl + SiCl 4

Silisium produsert ved denne og lignende metoder kalles polykrystallinsk silisium og har typisk en urenhetsfraksjon på 0,001 ppm eller mindre.

Dupont-metoden består av å reagere silisiumtetraklorid ved 950 °C med svært rene sinkdamper :

SiCl 4 + 2 Zn → Si + 2 ZnCl 2

Denne metoden er full av vanskeligheter (sinkklorid, et biprodukt av reaksjonen, størkner og tetter igjen linjene), så den har til slutt blitt forlatt til fordel for Siemens-prosessen.

Når det ultrarene silisiumet er oppnådd, er det nødvendig å oppnå en enkelt krystall , som Czochralski-prosessen brukes til .

Solar-grade silisium: state-of-the-art teknologi

De forskjellige SoG-Si produksjonsalternativene er presentert nedenfor. [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] Alle har blitt samlet og presentert siden 2004 på Solar Silicon Conferences . Disse konferansene arrangeres årlig av magasinet Photon International i München, etter økende bekymring for mangelen på polysilisium . Så langt har ingen av disse alternativene kommet til produksjonsstadiet, selv om noen er i nærheten. [ referanse nødvendig ]

Reaktor med fluidisert sjikt

Wacker Chemie, [ 10 ] Hemlock og Solar Grade Silicon foreslår en reaktor med fluidisert sjikt. Denne består av et kvartsrør som triklorsilan (Wacker, Hemlock) eller silan (SGS) er innført i bunnen sammen med hydrogen. Gassen passerer gjennom en sjikt av silisiumpartikler som avsetning skjer på, og gir dermed større partikler. Nådd en viss størrelse, er partiklene for tunge og faller til bakken, og kan fjernes. Denne prosessen bruker ikke bare mye mindre energi enn Siemens, men kan også gjøres kontinuerlig.

Rørreaktor

Joint Solar Silicon GmbH & Co. KG (JSSI) presenterer en lignende reaktor som Siemens, hvis forskjeller er: a.) silisiumet avsettes i en hul silisiumsylinder i stedet for stenger; b.) Silan brukes i stedet for triklorsilan, og derfor kan prosesstemperaturen begrenses til 800 °C.

Damp-til-væske reservoar

Tokuyama Corporation foreslår sin VLD-prosess (Vapour to Liquid Deposition). Et grafittrør varmes opp i en reaktor til 1500 °C, over smeltepunktet til silisium. Triklorsilan og hydrogen tilføres fra toppen. Silisium avsettes på grafittveggene i flytende form. Derfor drypper det ned på gulvet i reaktoren, hvor det størkner til pellets og kan samles opp. Den høyere energikostnaden sammenlignet med Siemens-reaktoren kompenserer for den 10 ganger høyere avsetningshastigheten.

Reduksjon med Zn

Chisso Corporation og den japanske regjeringen undersøker en prosess basert på reduksjon av silisiumtetraklorid (SiCl4) med sink (Zn) damp. Det dannes sinkklorid og silisium. Dette alternativet ble skrotet på 1980-tallet av Bayer AG da rester av spormetaller ikke kunne fjernes. Chisso sørger for at dens metalliske urenheter er på et akseptabelt nivå. [ 8 ]

Metallurgiske alternativer

Det er også gjort store anstrengelser for å oppnå SoG-Si ved å unngå det energisk kostbare trinnet med å bruke triklorsilan, silan eller tetraklorsilan, og påfølgende deponering hos Siemens eller lignende.

Elkem [ 11 ] renser mg-Si i tre relativt enkle raffineringstrinn, pyrometallurgisk, hydrometallurgisk og rengjøring, og bruker bare 20 til 25 % av energien som brukes i Siemens-ruten. Sammen med Universitetet i Konstanz har de oppnådd celleeffektivitet bare et halvt poeng under kommersielle celler.

Apollon Solar SAS og det franske nasjonale forskningslaboratoriet CNRS renser Mg-Si med et plasma. Solceller med 11,7 % virkningsgrad er oppnådd. [ 12 ]

Et annet metallurgisk alternativ er å produsere mg-Si med kvarts og kjønrøk så rent at ingen ytterligere raffinering er nødvendig. Det er to arbeider parallelt: det ene er det av Kazakh National Technical University i Alma Ata, Kasakhstan. [ 7 ] Det andre er SOLSILC-prosjektet, finansiert av EU-kommisjonen. Solceller laget av dette materialet har oppnådd relativt lav momenteffektivitet. [ 8 ] 28 prosent av dette materialet eksisterer ikke lenger.

Silisium har ni isotoper , med et massetall mellom 25 og 33. Den mest tallrike isotopen er Si-28 med en overflod på 92,23 %, Si-29 med en overflod på 4,67 % og Si-30 med en overflod på 3,1 %. Alle er stabile, mens resten av isotopene har en ubetydelig andel. Si-32 er en radioaktiv isotop som kommer fra nedbrytningen av argon . Halveringstiden er omtrent 132 år. Den gjennomgår beta-forfall som omdanner den til P-32 (som har en halveringstid på 14,28 dager).

Forholdsregler

Innånding av krystallinsk silikastøv kan forårsake silikose .

Se også

Referanser

^ Rodriguez, Ricardo Martinez (2008). Teoretisk og praktisk grunnlag for histokjemi . Redaksjonell CSIC - CSIC Press. ISBN 9788400086725 . Hentet 8. februar 2018 .
↑ Science Dictionary . Complutense Publisher. 2000. ISBN 9788489784802 . Hentet 8. februar 2018 .
↑ Mª, CLARAMUNT VALLESPÍ Rosa; Pilar, CORNAGO RAMIREZ; Soledad, ESTEBAN SANTOS; Angeles, FARRAN MORALES; Marta, PEREZ TORRALBA; Dionisia, SANZ DEL CASTILLO (7. juli 2015). HOVED KJEMISKE FORBINDELSER . Redaksjonell UNED. ISBN 9788436269161 . Hentet 8. februar 2018 .
^ Dickson, TR (1976). Introduksjon til kjemi . omvendt . Hentet 8. februar 2018 .
↑ Introduksjon til uorganisk kjemi . National University of the Coast. ISBN 9789875085626 . Hentet 8. februar 2018 .
↑ Castells, Xavier Elías (4. mai 2012). Fornybare energier: energi, vann, miljø, territorialitet og bærekraft . Diaz de Santos Editions. ISBN 9788499691237 . Hentet 8. februar 2018 .
↑ a b Schmela, M., Photon International, mai 2005, 24-35
↑ abc Kreutzmann , A., Photon International, mai 2006, 26-34
↑ Bernreuter, J., Photon International, juni 2004, 36-42
↑ Weidhaus, D., Schindlbeck, E., Hesse, K., i Proc. av det 19. europeiske PVSEC, Paris, 2004, 564-567
↑ Kriestad, K. et al., i Proc. av det 19. europeiske PVSEC, Paris 2004, 568-571
↑ Soric, A. et al., i Proc. av det 21. europeiske PVSEC, Dresden 2006, 1000-1004

Eksterne lenker

Wikimedia Commons har et mediegalleri om Silisium .
Flytende silisium - Jord- og plantebehandling.
Silisiums rolle i levende vesener.
National Institute of Safety and Hygiene at Work (Spania). ( brutt lenke tilgjengelig på Internet Archive ; se historikk , første og siste versjon ). Internasjonalt kjemikaliesikkerhetsdatablad for silisium.