Silicium : application, propriétés chimiques et physiques

2024 Auteur: Angel Austin | [email protected]. Dernière modifié: 2023-12-17 05:26

L'un des éléments les plus courants dans la nature est le silicium, ou silicium. Une distribution aussi large témoigne de l'importance et de la signification de cette substance. Cela a été rapidement compris et adopté par les personnes qui ont appris à utiliser correctement le silicium à leurs propres fins. Son application est basée sur des propriétés spéciales, dont nous parlerons plus tard.

Le silicium est un élément chimique

Si nous caractérisons un élément donné par sa position dans le système périodique, nous pouvons identifier les points importants suivants:

1. Nombre ordinal - 14.
2. Le point est le troisième petit.
3. Groupe - IV.
4. Sous-groupe - principal.
5. La structure de la couche électronique externe est exprimée par la formule 3s²3p².
6. L'élément silicium est désigné par le symbole chimique Si, qui se prononce "silicium".
7. Les états d'oxydation qu'il présente: -4; +2; +4.
8. La valence d'un atome est IV.
9. La masse atomique du silicium est de 28,086.
10. Dans la nature, il existe trois isotopes stables de cet élément avec des nombres de masse 28, 29 et 30.

Alors l'atomeD'un point de vue chimique, le silicium est un élément bien étudié, plusieurs de ses diverses propriétés ont été décrites.

Historique de la découverte

Étant donné que ce sont les différents composés de l'élément considéré qui sont très populaires et dont le contenu est massif dans la nature, depuis l'Antiquité, les gens utilisaient et connaissaient les propriétés de bon nombre d'entre eux. Le silicium pur est longtemps resté au-delà des connaissances humaines en chimie.

Les composés les plus populaires utilisés dans la vie quotidienne et l'industrie par les peuples des cultures anciennes (Égyptiens, Romains, Chinois, Russes, Perses et autres) étaient des pierres précieuses et ornementales à base d'oxyde de silicium. Ceux-ci incluent:

• opale;
• strass;
• topaze;
• chrysoprase;
• onyx;
• calcédoine et autres.

Il est également courant d'utiliser du quartz et du sable de quartz dans la construction depuis l'Antiquité. Cependant, le silicium élémentaire lui-même est resté inconnu jusqu'au 19e siècle, bien que de nombreux scientifiques aient tenté en vain de l'isoler de divers composés, en utilisant des catalyseurs, des températures élevées et même du courant électrique. Ce sont des esprits brillants comme:

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

Jens Jacobs Berzelius a réussi à obtenir du silicium pur en 1823. Pour ce faire, il a mené une expérience sur la fusion de vapeurs de fluorure de silicium et de potassium métallique. En conséquence, il a reçu une modification amorphe de l'élément en question. Le même scientifique a proposé un nom latin pour l'atome découvert.

Un peu plus tard, en 1855, un autre scientifique - Saint Clair-Deville - réussit à synthétiser une autre variété allotropique - le silicium cristallin. Depuis lors, les connaissances sur cet élément et ses propriétés ont commencé à croître très rapidement. Les gens ont réalisé qu'il avait des caractéristiques uniques qui pouvaient être utilisées très intelligemment pour répondre à leurs propres besoins. Par conséquent, aujourd'hui, l'un des éléments les plus demandés en électronique et en technologie est le silicium. Son utilisation ne fait que repousser ses limites chaque année.

Le nom russe de l'atome a été donné par le scientifique Hess en 1831. C'est ce qui est resté jusqu'à aujourd'hui.

Contenu dans la nature

Le silicium est le deuxième plus abondant dans la nature après l'oxygène. Son pourcentage par rapport aux autres atomes dans la composition de la croûte terrestre est de 29,5%. De plus, le carbone et le silicium sont deux éléments particuliers qui peuvent former des chaînes en se connectant l'un à l'autre. C'est pourquoi plus de 400 minéraux naturels différents sont connus pour ce dernier, dans lequel il est contenu dans la lithosphère, l'hydrosphère et la biomasse.

Où se trouve exactement le silicium ?

1. Dans les couches profondes du sol.
2. Dans les roches, les dépôts et les massifs.
3. Au fond des étendues d'eau, en particulier des mers et des océans.
4. Dans les plantes et la vie marine du règne animal.
5. Chez les humains et les animaux terrestres.

Il est possible de désigner plusieurs des minéraux et roches les plus courants, qui contiennent une grande quantité desilicium. Leur chimie est telle que la teneur massique d'un élément pur en eux atteint 75%. Cependant, le chiffre spécifique dépend du type de matériau. Donc, roches et minéraux contenant du silicium:

• feldspaths;
• mica;
• amphiboles;
• opales;
• calcédoine;
• silicates;
• grès;
• aluminosilicates;
• argiles et autres.

S'accumulant dans les coquilles et les squelettes externes des animaux marins, le silicium finit par former de puissants dépôts de silice au fond des plans d'eau. C'est l'une des sources naturelles de cet élément.

De plus, il a été découvert que le silicium peut exister sous sa forme native pure - sous forme de cristaux. Mais de tels gisements sont très rares.

Propriétés physiques du silicium

Si vous caractérisez l'élément considéré par un ensemble de propriétés physiques et chimiques, alors ce sont d'abord les paramètres physiques qu'il convient d'indiquer. En voici quelques-uns:

1. Existe sous la forme de deux modifications allotropiques - amorphe et cristalline, qui diffèrent dans toutes les propriétés.
2. Le réseau cristallin est très similaire à celui du diamant, car le carbone et le silicium sont presque identiques à cet égard. Cependant, la distance entre les atomes est différente (le silicium en a plus), donc le diamant est beaucoup plus dur et plus résistant. Type de réseau - cubique face centrée.
3. La substance est très cassante, devient plastique à haute température.
4. Le point de fusion est de 1415˚C.
5. Températurepoint d'ébullition - 3250˚С.
6. Densité de matière - 2,33 g/cm³.
7. La couleur de la connexion est gris argenté, avec un éclat métallique caractéristique.
8. Possède de bonnes propriétés semi-conductrices, qui peuvent varier avec l'ajout de certains agents.
9. Insoluble dans l'eau, les solvants organiques et les acides.
10. Spécifiquement soluble dans les alcalis.

Les propriétés physiques désignées du silicium permettent aux gens de le contrôler et de l'utiliser pour créer divers produits. Par exemple, l'utilisation du silicium pur en électronique est basée sur les propriétés de la semi-conductivité.

Propriétés chimiques

Les propriétés chimiques du silicium dépendent beaucoup des conditions de réaction. Si nous parlons d'une substance pure à des paramètres standard, nous devons désigner une activité très faible. Le silicium cristallin et amorphe est très inerte. Ne pas interagir avec des agents oxydants puissants (à l'exception du fluor), ni avec des agents réducteurs puissants.

Cela est dû au fait qu'un film d'oxyde SiO₂ se forme instantanément à la surface de la substance, ce qui empêche d'autres interactions. Il peut se former sous l'influence de l'eau, de l'air, des vapeurs.

Si vous modifiez les conditions standard et chauffez le silicium à une température supérieure à 400˚С, son activité chimique augmentera considérablement. Dans ce cas, il réagira avec:

• oxygène;
• toutes sortes d'halogènes;
• hydrogène.

Avec une nouvelle augmentation de la température, la formation de produits est possible àinteraction avec le bore, l'azote et le carbone. Le carborundum - SiC revêt une importance particulière, car il s'agit d'un bon matériau abrasif.

De plus, les propriétés chimiques du silicium sont clairement visibles dans les réactions avec les métaux. Par rapport à eux, c'est un agent oxydant, c'est pourquoi les produits sont appelés siliciures. Des composés similaires sont connus pour:

• alcaline;
• terre alcaline;
• métaux de transition.

Les propriétés inhabituelles ont un composé obtenu en fusionnant du fer et du silicium. C'est ce qu'on appelle la céramique de ferrosilicium et elle a été utilisée avec succès dans l'industrie.

Le silicium n'interagit pas avec les substances complexes, par conséquent, de toutes leurs variétés, il ne peut se dissoudre que dans:

• vodka royale (mélange d'acides nitrique et chlorhydrique);
• alcalis caustiques.

Dans ce cas, la température de la solution doit être d'au moins 60˚С. Tout cela confirme une fois de plus la base physique de la substance - un réseau cristallin stable semblable à un diamant, ce qui lui confère force et inertie.

Méthodes d'obtention

Obtenir du silicium pur est un procédé assez coûteux économiquement. De plus, en raison de ses propriétés, toute méthode ne donne qu'un produit pur à 90-99%, tandis que les impuretés sous forme de métaux et de carbone restent les mêmes. Il ne suffit donc pas d'obtenir la substance. Il doit également être qualitativement nettoyé des éléments étrangers.

En général, la production de silicium s'effectue de deux manières principales:

1. Du sable blancqui est de l'oxyde de silicium pur SiO₂. Lorsqu'il est calciné avec des métaux actifs (le plus souvent avec du magnésium), un élément libre se forme sous la forme d'une modification amorphe. La pureté de cette méthode est élevée, le produit est obtenu avec un rendement de 99,9 %.
2. Une méthode plus répandue à l'échelle industrielle est le frittage de sable fondu avec du coke dans des fours thermiques spécialisés. Cette méthode a été développée par le scientifique russe Beketov N. N.

La transformation ultérieure consiste à soumettre les produits à des méthodes de nettoyage. Pour cela, des acides ou des halogènes (chlore, fluor) sont utilisés.

Silicium amorphe

La caractérisation du silicium sera incomplète si l'on ne considère pas séparément chacune de ses modifications allotropiques. Le premier est amorphe. Dans cet état, la substance que nous considérons est une poudre brun-brun, finement dispersée. Il a un haut degré d'hygroscopicité, présente une activité chimique suffisamment élevée lorsqu'il est chauffé. Dans des conditions standard, il ne peut interagir qu'avec l'agent oxydant le plus puissant - le fluor.

Il n'est pas tout à fait correct d'appeler le silicium amorphe une variété de silicium cristallin. Son réseau montre que cette substance n'est qu'une forme de silicium finement dispersé qui existe sous forme de cristaux. Par conséquent, en tant que telles, ces modifications sont le même composé.

Cependant, leurs propriétés diffèrent, il est donc d'usage de parler d'allotropie. Par lui-même, le silicium amorphe agrande capacité d'absorption de la lumière. De plus, dans certaines conditions, cet indicateur est plusieurs fois supérieur à celui de la forme cristalline. Par conséquent, il est utilisé à des fins techniques. Sous la forme considérée (poudre), le composé s'applique facilement sur n'importe quelle surface, qu'elle soit en plastique ou en verre. Par conséquent, c'est le silicium amorphe qui est si pratique à utiliser. L'application est basée sur la fabrication de panneaux solaires de différentes tailles.

Bien que l'usure de ce type de batteries soit assez rapide, ce qui est associé à l'abrasion d'un film mince de la substance, cependant, l'utilisation et la demande ne font que croître. En effet, même dans une courte durée de vie, les cellules solaires à base de silicium amorphe sont capables de fournir de l'énergie à des entreprises entières. De plus, la production d'une telle substance est sans déchets, ce qui la rend très économique.

Obtenez cette modification en réduisant les composés avec des métaux actifs, tels que le sodium ou le magnésium.

Silicium cristal

Modification gris argenté brillant de l'élément en question. C'est cette forme qui est la plus courante et la plus demandée. Cela est dû à l'ensemble des propriétés qualitatives que cette substance possède.

La caractéristique du silicium à réseau cristallin comprend une classification de ses types, puisqu'il en existe plusieurs:

1. Qualité électronique - la qualité la plus pure et la plus élevée. C'est ce type qui est utilisé en électronique pour créer des appareils particulièrement sensibles.
2. Qualité ensoleillée. Le nom lui-mêmedéfinit le domaine d'utilisation. C'est aussi un silicium de haute pureté, dont l'utilisation est nécessaire pour créer des cellules solaires de haute qualité et durables. Les convertisseurs photovoltaïques créés à partir d'une structure cristalline sont de meilleure qualité et plus durables que ceux créés à partir d'une modification amorphe par dépôt sur différents types de substrats.
3. Silicium technique. Cette variété comprend les échantillons d'une substance qui contiennent environ 98% de l'élément pur. Tout le reste va à divers types d'impuretés:

• bore;
• aluminium;
• chlore;
• carbone;
• phosphore et autres.

La dernière variété de la substance en question est utilisée pour obtenir des polycristaux de silicium. Pour cela, des procédés de recristallisation sont mis en oeuvre. En conséquence, en termes de pureté, on obtient des produits qui peuvent être attribués aux groupes de qualité solaire et électronique.

Par nature, le polysilicium est un produit intermédiaire entre la modification amorphe et cristalline. Cette option est plus facile à travailler, elle est mieux recyclée et nettoyée avec du fluor et du chlore.

Les produits résultants peuvent être classés comme suit:

• multicilicon;
• monocristallin;
• cristaux profilés;
• débris de silicium;
• silicium technique;
• déchets de production sous forme de fragments et chutes de matière.

Chacun d'entre eux trouve une application dans l'industrie et est utilisécomplètement une personne. Par conséquent, les processus de production impliquant du silicium sont considérés comme sans déchets. Cela réduit considérablement son coût économique sans affecter la qualité.

Utilisation de silicium pur

La production de silicium dans l'industrie est assez bien établie et son échelle est assez volumineuse. Cela est dû au fait que cet élément, à la fois pur et sous forme de divers composés, est répandu et demandé dans diverses branches de la science et de la technologie.

Où est utilisé le silicium pur cristallin et amorphe ?

1. En métallurgie comme additif d'alliage capable de modifier les propriétés des métaux et de leurs alliages. Ainsi, il est utilisé dans la fusion de l'acier et du fer.
2. Différents types de substances sont utilisés pour fabriquer une version plus propre - le polysilicium.
3. Composés de silicium avec des substances organiques - c'est toute une industrie chimique qui a acquis une popularité particulière aujourd'hui. Les matériaux en silicone sont utilisés en médecine, dans la fabrication de plats, d'outils et bien plus encore.
4. Production de divers panneaux solaires. Cette méthode d'obtention d'énergie est l'une des plus prometteuses pour l'avenir. Respectueux de l'environnement, rentable et durable - les principaux avantages d'une telle production d'électricité.
5. Le silicium est utilisé depuis très longtemps dans les briquets. Même dans les temps anciens, les gens utilisaient le silex pour créer une étincelle lors de l'allumage d'un feu. Ce principe est à la base de la production de briquets de toutes sortes. Aujourd'hui, il existe des espèces dans lesquellesle silex est remplacé par un alliage d'une certaine composition, ce qui donne un résultat encore plus rapide (étincelage).
6. Électronique et énergie solaire.
7. Production de miroirs dans les dispositifs laser à gaz.

Ainsi, le silicium pur possède de nombreuses propriétés avantageuses et spéciales qui lui permettent d'être utilisé pour créer des produits importants et nécessaires.

Application de composés de silicium

En plus d'une substance simple, divers composés de silicium sont également utilisés, et très largement. Il existe toute une branche de l'industrie appelée silicate. C'est elle qui se base sur l'utilisation de diverses substances, qui incluent cet élément étonnant. Quels sont ces composés et que produisent-ils ?

1. Quartz, ou sable de rivière - SiO₂. Il est utilisé pour la fabrication de matériaux de construction et de décoration tels que le ciment et le verre. Où ces matériaux sont utilisés, tout le monde le sait. Aucune construction n'est complète sans ces composants, ce qui confirme l'importance des composés de silicium.
2. Céramique au silicate, qui comprend des matériaux tels que la faïence, la porcelaine, la brique et les produits à base de ceux-ci. Ces composants sont utilisés en médecine, dans la fabrication de plats, d'ornements décoratifs, d'articles ménagers, dans la construction et d'autres domaines domestiques de l'activité humaine.
3. Composés de silicone - silicones, gels de silice, huiles de silicone.
4. Colle au silicate - utilisée comme papeterie, dans la pyrotechnie et la construction.

Silicium, dont le prix varie sur le marché mondial, mais ne traverse pasde haut en bas, la marque de 100 roubles de la Fédération de Russie par kilogramme (par cristallin) est une substance recherchée et précieuse. Naturellement, les composés de cet élément sont également répandus et applicables.

Le rôle biologique du silicium

Du point de vue de la signification pour le corps, le silicium est important. Son contenu et sa distribution tissulaire sont les suivants:

• 0, 002% - musclé;
• 0, 000017% - os;
• sang - 3,9 mg/l.

Chaque jour, environ un gramme de silicium devrait pénétrer à l'intérieur, sinon des maladies commenceront à se développer. Il n'y a pas de mort parmi eux, cependant, une privation prolongée de silicium conduit à:

• perte de cheveux;
• apparition d'acné et de boutons;
• fragilité et fragilité des os;
• perméabilité capillaire facile;
• fatigue et maux de tête;
• l'apparition de nombreuses contusions et contusions.

Pour les plantes, le silicium est un oligo-élément important nécessaire à la croissance et au développement normaux. Les expérimentations animales ont montré que les individus qui consomment suffisamment de silicium par jour se développent le mieux.