Comment lire le tableau périodique de Mendeleev. Silicium (élément chimique) : propriétés, caractéristiques, formule

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Silicium(lat. silicium), si, élément chimique du groupe IV du système périodique de Mendeleïev ; numéro atomique 14, masse atomique 28,086. Dans la nature, l'élément est représenté par trois isotopes stables : 28 si (92,27 %), 29 si (4,68 %) et 30 si (3,05 %).

Référence historique . Les composés K, répandus sur terre, sont connus de l'homme depuis l'âge de pierre. L'utilisation d'outils en pierre pour le travail et la chasse s'est poursuivie pendant plusieurs millénaires. L'utilisation de composés K associée à leur transformation - production verre - a commencé vers 3000 avant JC. e. (dans l'Egypte ancienne). Le premier composé connu de K. est le dioxyde sio 2 (silice). Au XVIIIe siècle la silice était considérée comme un corps simple et appelée « terres » (comme son nom l’indique). La complexité de la composition de la silice a été établie par I. Ya. Berzélius. Pour la première fois, en 1825, il obtient du calcium élémentaire à partir du fluorure de silicium sif 4, en réduisant ce dernier avec du potassium métallique. Le nouvel élément a reçu le nom de « silicium » (du latin silex – silex). Le nom russe a été introduit par G.I. Hesse en 1834.

Prévalence dans la nature . En termes de prévalence dans la croûte terrestre, l'oxygène est le deuxième élément (après l'oxygène), sa teneur moyenne dans la lithosphère est de 29,5 % (en masse). Dans la croûte terrestre, le carbone joue le même rôle primordial que le carbone dans le monde animal et végétal. Pour la géochimie de l’oxygène, son lien extrêmement fort avec l’oxygène est important. Environ 12 % de la lithosphère est constituée de silice sio 2 sous forme minérale quartz et ses variétés. 75 % de la lithosphère est constituée de divers silicates Et aluminosilicates(feldspaths, micas, amphiboles, etc.). Le nombre total de minéraux contenant de la silice dépasse 400 .

Au cours des processus magmatiques, une faible différenciation du calcium se produit : il s'accumule à la fois dans les granitoïdes (32,3 %) et dans les roches ultrabasiques (19 %). À haute température et haute pression, la solubilité du sio 2 augmente. Sa migration avec la vapeur d'eau est également possible, c'est pourquoi les pegmatites des veines hydrothermales sont caractérisées par des concentrations importantes de quartz, qui sont souvent associées à des éléments minéralisés (veines d'or-quartz, quartz-cassitérite, etc.).

Proprietes physiques et chimiques. Le carbone forme des cristaux gris foncé avec un éclat métallique, ayant un réseau cubique de type diamant à faces centrées avec une période a = 5,431 a et une densité de 2,33 g/cm 3 . A très haute pression, une nouvelle modification (apparemment hexagonale) avec une densité de 2,55 g/cm 3 a été obtenue. K. fond à 1417°C, bout à 2600°C. Capacité thermique spécifique (à 20-100°C) 800 J/ (kg ? K), soit 0,191 cal/ (g ? deg) ; la conductivité thermique, même pour les échantillons les plus purs, n'est pas constante et se situe dans la plage (25°C) de 84 à 126 W/ (m ? K), soit 0,20 à 0,30 cal/ (cm ? sec ? deg). Coefficient de température de dilatation linéaire 2,33 ? 10-6 K-1 ; en dessous de 120k, il devient négatif. K. est transparent aux rayons infrarouges à ondes longues ; indice de réfraction (pour l = 6 µm) 3,42 ; constante diélectrique 11,7. K. est diamagnétique, la susceptibilité magnétique atomique est de -0,13 ? 10-6. K. dureté selon Mohs 7.0, selon Brinell 2,4 Gn/m2 (240 kgf/mm2), module élastique 109 Gn/m2 (10890 kgf/mm2), coefficient de compressibilité 0,325 ? 10 -6 cm2/kg. K. matériau fragile ; Une déformation plastique notable commence à des températures supérieures à 800°C.

K. est un semi-conducteur de plus en plus utilisé. Les propriétés électriques du cuivre dépendent fortement des impuretés. La résistivité électrique volumétrique spécifique intrinsèque d’une cellule à température ambiante est considérée comme étant de 2,3 ? 10 3 ohm? m(2,3 ? 10 5 ohm? cm) .

Circuit semi-conducteur avec conductivité R.-type (additifs B, al, in ou ga) et n-type (additifs P, bi, as ou sb) a une résistance nettement inférieure. La bande interdite selon les mesures électriques est de 1,21 evà 0 À et diminue à 1,119 evà 300 À.

Conformément à la position de l'anneau dans le système périodique de Mendeleev, les 14 électrons de l'atome de l'anneau sont répartis sur trois couches : dans la première (du noyau) 2 électrons, dans la seconde 8, dans la troisième (valence) 4 ; configuration de la couche électronique 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2. Potentiels d'ionisation successifs ( ev) : 8,149 ; 16h34 ; 33.46 et 45.13. Rayon atomique 1,33 a, rayon covalent 1,17 a, rayons ioniques si 4+ 0,39 a, si 4- 1,98 a.

Dans les composés carbonés (similaires au carbone) 4-valentène. Cependant, contrairement au carbone, la silice, avec un numéro de coordination de 4, présente un numéro de coordination de 6, ce qui s'explique par le grand volume de son atome (un exemple de tels composés sont les silicofluorures contenant le groupe 2).

La liaison chimique d'un atome de carbone avec d'autres atomes est généralement réalisée grâce aux orbitales hybrides sp 3, mais il est également possible d'impliquer deux de ses cinq (vacants) 3 d- orbitales, surtout lorsque K. est à six coordonnées. Ayant une faible valeur d'électronégativité de 1,8 (contre 2,5 pour le carbone ; 3,0 pour l'azote, etc.), le carbone est électropositif dans les composés avec des non-métaux, et ces composés sont de nature polaire. Énergie de liaison élevée avec l'oxygène si-o, égale à 464 kJ/mole(111 kcal/mole) , détermine la stabilité de ses composés oxygénés (sio 2 et silicates). L'énergie de liaison Si-si est faible, 176 kJ/mole (42 kcal/mole) ; Contrairement au carbone, le carbone ne se caractérise pas par la formation de longues chaînes ni de doubles liaisons entre les atomes de Si. Dans l'air, grâce à la formation d'un film d'oxyde protecteur, le carbone est stable même à des températures élevées. Dans l'oxygène, il s'oxyde à partir de 400°C, formant dioxyde de silicone si 2. On connaît également le monoxyde de Sio, stable à haute température sous forme de gaz ; à la suite d'un refroidissement soudain, on peut obtenir un produit solide qui se décompose facilement en un mince mélange de si et de sio 2. K. résiste aux acides et se dissout uniquement dans un mélange d'acides nitrique et fluorhydrique ; se dissout facilement dans les solutions alcalines chaudes avec libération d'hydrogène. K. réagit avec le fluor à température ambiante et avec d'autres halogènes lorsqu'il est chauffé pour former des composés de formule générale six 4 . L'hydrogène ne réagit pas directement avec le carbone et acides siliciques(silanes) sont obtenus par décomposition de siliciures (voir ci-dessous). Les silicones hydrogènes sont connues de sih 4 à si 8 h 18 (la composition est similaire aux hydrocarbures saturés). K. forme 2 groupes de silanes contenant de l'oxygène - siloxane et les siloxènes. K réagit avec l'azote à des températures supérieures à 1 000 °C. Le nitrure de si 3 n 4 est d'une grande importance pratique, car il ne s'oxyde pas dans l'air même à 1 200 °C, résiste aux acides (sauf nitrique) et aux alcalis, ainsi qu'aux métaux en fusion et aux scories, ce qui en fait un matériau précieux pour le industrie chimique, pour la production de réfractaires, etc. Les composés de carbone avec du carbone se distinguent par leur dureté élevée, ainsi que leur résistance thermique et chimique ( carbure de silicium sic) et avec du bore (sib 3, sib 6, sib 12). Lorsqu'il est chauffé, le chlore réagit (en présence de catalyseurs métalliques, comme le cuivre) avec des composés organochlorés (par exemple, ch 3 cl) pour former des organohalosilanes [par exemple, si (ch 3) 3 ci], qui sont utilisés pour la synthèse de nombreux composés organosiliciés.

K. forme des composés avec presque tous les métaux - siliciures(les connexions uniquement avec bi, tl, pb, hg n'ont pas été détectées). Plus de 250 siliciures ont été obtenus dont la composition (mesi, mesi 2, me 5 si 3, me 3 si, me 2 si, etc.) ne correspond généralement pas aux valences classiques. Les siliciures sont réfractaires et durs ; Le ferrosilicium et le siliciure de molybdène mosi 2 sont de la plus grande importance pratique (réchauffeurs de fours électriques, aubes de turbines à gaz, etc.).

Réception et demande. K. la pureté technique (95-98%) est obtenue sous arc électrique par réduction de silice sio 2 entre électrodes de graphite. Dans le cadre du développement de la technologie des semi-conducteurs, des méthodes ont été développées pour obtenir du cuivre pur et particulièrement pur.Cela nécessite la synthèse préalable des composés de départ les plus purs du cuivre, à partir desquels le cuivre est extrait par réduction ou décomposition thermique.

Le cuivre semi-conducteur pur est obtenu sous deux formes : polycristallin (par réduction du sici 4 ou du sihcl 3 avec du zinc ou de l'hydrogène, décomposition thermique du sil 4 et du sih 4) et monocristallin (fusion dans une zone sans creuset et « arrachage » d'un monocristal). à partir de cuivre fondu - méthode Czochralski).

Le cuivre spécialement dopé est largement utilisé comme matériau pour la fabrication de dispositifs semi-conducteurs (transistors, thermistances, redresseurs de puissance, diodes contrôlées - thyristors ; photocellules solaires utilisées dans les engins spatiaux, etc.). Puisque K. est transparent aux rayons de longueurs d'onde de 1 à 9 µm, il est utilisé en optique infrarouge .

K. a des domaines d'application divers et en constante expansion. En métallurgie, l’oxygène est utilisé pour éliminer l’oxygène dissous dans les métaux en fusion (désoxydation). K. est un composant d'un grand nombre d'alliages de fer et de métaux non ferreux. Habituellement, le carbone confère aux alliages une résistance accrue à la corrosion, améliore leurs propriétés de coulée et augmente la résistance mécanique ; cependant, avec une teneur plus élevée en K., cela peut provoquer une fragilité. Les plus importants sont les alliages de fer, de cuivre et d'aluminium contenant du calcium. Une quantité croissante de carbone est utilisée pour la synthèse de composés organosiliciés et de siliciures. La silice et de nombreux silicates (argiles, feldspaths, mica, talc, etc.) sont traités par les industries du verre, du ciment, de la céramique, de l'électricité et autres.

V.P. Barzakovsky.

Le silicium se trouve dans l’organisme sous la forme de divers composés, principalement impliqués dans la formation des parties et des tissus durs du squelette. Certaines plantes marines (par exemple les diatomées) et certains animaux (par exemple les éponges siliceuses, les radiolaires) peuvent accumuler des quantités particulièrement importantes de silicium, formant d'épais dépôts de dioxyde de silicium sur le fond océanique lorsqu'ils meurent. Dans les mers et les lacs froids, les limons biogènes enrichis en potassium prédominent, dans les mers tropicales, les limons calcaires à faible teneur en potassium prédominent. Parmi les plantes terrestres, les céréales, les carex, les palmiers et les prêles accumulent beaucoup de potassium. Chez les vertébrés, la teneur en dioxyde de silicium dans les cendres est de 0,1 à 0,5 %. En plus grande quantité, K. se trouve dans le tissu conjonctif dense, les reins et le pancréas. L'alimentation humaine quotidienne contient jusqu'à 1 g K. Lorsqu'il y a une teneur élevée en poussière de dioxyde de silicium dans l'air, celle-ci pénètre dans les poumons humains et provoque des maladies - silicose.

V.V. Kovalsky.

Lit. : Berezhnoy A.S., Le silicium et ses systèmes binaires. K., 1958 ; Krasyuk B. A., Gribov A. I., Semi-conducteurs - germanium et silicium, M., 1961 ; Renyan V.R., Technologie du silicium semi-conducteur, trans. de l'anglais, M., 1969 ; Sally I.V., Falkevich E.S., Production de silicium semi-conducteur, M., 1970 ; Silicium et germanium. Assis. Art., éd. E. S. Falkevich, D. I. Levinzon, V. 1-2, M., 1969-70 ; Gladyshevsky E.I., Chimie cristalline des siliciures et germanides, M., 1971 ; loup N. f., données sur les semi-conducteurs en silicium, oxf. -n. année, 1965.

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DÉFINITION

Silicium- le quatorzième élément du tableau périodique. Désignation - Si du latin "silicium". Situé en troisième période, groupe IVA. Fait référence aux non-métaux. La charge nucléaire est de 14.

Le silicium est l'un des éléments les plus répandus dans la croûte terrestre. Il représente 27 % (en poids) de la partie de la croûte terrestre accessible à notre étude, se classant au deuxième rang en abondance après l’oxygène. Dans la nature, le silicium se trouve uniquement sous forme de composés : sous forme de dioxyde de silicium SiO 2, appelé anhydride de silicium ou silice, sous forme de sels d'acides siliciques (silicates). Les aluminosilicates sont les plus répandus dans la nature, c'est-à-dire silicates contenant de l'aluminium. Ceux-ci incluent les feldspaths, les micas, le kaolin, etc.

Comme le carbone, qui fait partie de toutes les substances organiques, le silicium est l’élément le plus important du règne végétal et animal.

Dans des conditions normales, le silicium est une substance gris foncé (Fig. 1). On dirait du métal. Réfractaire - le point de fusion est de 1415 o C. Caractérisé par une dureté élevée.

Riz. 1. Silicium. Apparence.

Poids atomique et moléculaire du silicium

La masse moléculaire relative d'une substance (M r) est un nombre indiquant combien de fois la masse d'une molécule donnée est supérieure à 1/12 de la masse d'un atome de carbone, et la masse atomique relative d'un élément (A r) est combien de fois la masse moyenne des atomes d'un élément chimique est supérieure à 1/12 de la masse d'un atome de carbone.

Puisqu'à l'état libre le silicium existe sous forme de molécules de Si monoatomiques, les valeurs de ses masses atomique et moléculaire coïncident. Ils sont égaux à 28,084.

Allotropie et modifications allotropiques du silicium

Le silicium peut exister sous la forme de deux modifications allotropiques : de type diamant (cubique) (stable) et de type graphite (instable). Le silicium de type diamant est dans un état d'agrégat solide et le silicium de type graphite est dans un état amorphe. Ils diffèrent également par leur apparence et leur activité chimique.

Le silicium cristallin est une substance gris foncé avec un éclat métallique et le silicium amorphe est une poudre brune. La deuxième modification est plus réactive que la première.

Isotopes du silicium

On sait que dans la nature, le silicium peut être trouvé sous la forme de trois isotopes stables 28 Si, 29 Si et 30 Si. Leurs nombres de masse sont respectivement 28, 29 et 30. Le noyau d'un atome de l'isotope du silicium 28 Si contient quatorze protons et quatorze neutrons, et les isotopes 29 Si et 30 Si contiennent le même nombre de protons, respectivement quinze et seize neutrons.

Il existe des isotopes artificiels du silicium avec des nombres de masse compris entre 22 et 44, parmi lesquels le plus long terme est le 32 Si avec une demi-vie de 170 ans.

Ions silicium

Au niveau d'énergie externe de l'atome de silicium, il y a quatre électrons, qui sont de valence :

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 .

À la suite d'une interaction chimique, le silicium peut abandonner ses électrons de valence, c'est-à-dire être leur donneur et se transformer en un ion chargé positivement, ou accepter des électrons d'un autre atome, c'est-à-dire être un accepteur, et se transforme en un ion chargé négativement :

Si 0 -4e → Si 4+ ;

Si 0 +4e → Si 4- .

Molécule et atome de silicium

À l’état libre, le silicium existe sous forme de molécules de Si monoatomiques. Voici quelques propriétés caractérisant l’atome et la molécule de silicium :

Alliages de silicium

Le silicium est utilisé en métallurgie. Il entre dans la composition de nombreux alliages. Les plus importants d’entre eux sont les alliages à base de fer, de cuivre et d’aluminium.

Exemples de résolution de problèmes

EXEMPLE 1

Exercice

Quelle quantité d'oxyde de silicium (IV) contenant 0,2 masse d'impuretés est nécessaire pour obtenir 6,1 g de silicate de sodium.

Solution

Écrivons l'équation de réaction pour produire du silicate de sodium à partir d'oxyde de silicium (IV) :

SiO 2 + 2NaOH = Na 2 SiO 3 + H 2 O.

Trouvons la quantité de silicate de sodium :

n(Na 2 SiO 3) = m (Na 2 SiO 3) / M(Na 2 SiO 3) ;

n(Na 2 SiO 3) = 6,1 / 122 = 0,05 mol.

D'après l'équation de réaction n(Na 2 SiO 3) : n(SiO 2) = 1:1, c'est-à-dire n(Na 2 SiO 3) = n(SiO 2) = 0,05 mol.

La masse d'oxyde de silicium (IV) (sans impuretés) sera égale à :

M(SiO 2) = Ar(Si) + 2×Ar(O) = 28 + 2×16 = 28 + 32 = 60 g/mol.

m pur (SiO 2) = n(SiO 2) ×M(SiO 2) = 0,05 × 60 = 3 g.

Alors la masse d'oxyde de silicium (IV) nécessaire à la réaction sera égale à :

m(SiO 2) = m pur (SiO 2)/w impureté = 3 / 0,2 = 15 g.

Répondre

15g

EXEMPLE 2

Exercice

Quelle masse de silicate de sodium peut-on obtenir en fusionnant de l'oxyde de silicium (IV) avec 64,2 g de soude, dont la fraction massique d'impuretés est de 5 % ?

Solution

Écrivons l'équation de réaction pour produire du silicate de sodium par fusion de soude et d'oxyde de silicium (IV) :

SiO 2 + Na 2 CO 3 = Na 2 SiO 3 + CO 2 -.

Déterminons la masse théorique de soude (calculée à l'aide de l'équation de réaction) :

n(Na 2 CO 3) = 1 mol.

M(Na 2 CO 3) = 2×Ar(Na) + Ar(C) + 3×Ar(O) = 2×23 + 12 + 3×16 = 106 g/mol.

m(Na 2 CO 3) = n(Na 2 CO 3) ×M(Na 2 CO 3) = 1 × 106 = 106 g.

Trouvons la masse pratique de soda :

w pur (Na 2 CO 3) = 100 % - w impureté = 100 % - 5 % = 95 % = 0,95.

m pur (Na 2 CO 3) = m (Na 2 CO 3) ×w pur (Na 2 CO 3) ;

m pur (Na 2 CO 3) = 64,2 × 0,95 = 61 g.

Calculons la masse théorique de silicate de sodium :

n(Na 2 SiO 3) = 1 mol.

M(Na 2 SiO 3) = 2×Ar(Na) + Ar(Si) + 3×Ar(O) = 2×23 + 28 + 3×16 = 122 g/mol.

m(Na 2 SiO 3) = n(Na 2 SiO 3) ×M(Na 2 SiO 3) = 1 × 122 = 122g.

Soit la masse pratique de silicate de sodium x g. Faisons la proportion :

61 g Na 2 CO 3 - x g Na 2 SiO 3;

106 g Na 2 CO 3 - 122 g Na 2 SiO 3.

Donc x sera égal à :

x = 122 × 61 / 106 = 70,2 g.

Cela signifie que la masse de silicate de sodium libéré est de 70,2 g.

Répondre

70,2 g

Après l'oxygène silicium est l'élément le plus abondant de la croûte terrestre. Il possède 2 isotopes stables : 28 Si, 29 Si, 30 Si. Le silicium n’est pas présent sous forme libre dans la nature.

Les plus courants : les sels d'acide silicique et l'oxyde de silicium (silice, sable, quartz). Ils font partie des sels minéraux, du mica, du talc, de l'amiante.

Allotropie du silicium.

U silicium Il existe 2 modifications allotropiques :

Cristallin (cristaux gris clair. La structure est similaire au réseau cristallin de diamant, où l'atome de silicium est lié de manière covalente à 4 atomes identiques, et lui-même est en sp3 - hybridation) ;

Amorphe (poudre brune, forme plus active que cristalline).

Propriétés du silicium.

À température, le silicium réagit avec l’oxygène de l’air :

Si + Ô 2 = SiO 2 .

S'il n'y a pas assez d'oxygène (manque d'oxygène), la réaction suivante peut se produire :

2 Si + Ô 2 = 2 SiO,

Où SiO- du monoxyde, qui peut également se former lors de la réaction :

Si + SiO 2 = 2 SiO.

Sous des conditions normales silicium peut réagir avec F 2 , lorsqu'il est chauffé - avec Cl 2 . Si vous augmentez encore la température, alors Si pourra interagir avec N Et S:

4Si + S8 = 4SiS2 ;

Si + 2F 2 = SiF 4.

Le silicium est capable de réagir avec le carbone, donnant carborundum:

Si + C = SiC.

Le silicium est soluble dans un mélange d'acides nitrique et fluorhydrique concentrés :

3Si + 4HNO 3 + 12HF = 3SiF 4 + 4NO + 8H 2 O.

Le silicium se dissout dans les solutions aqueuses d'alcalis :

Si + 2NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + H 2.

Lorsqu'il est chauffé avec des oxydes, le silicium se disproportionne :

2 MgO + 3 Si = Mg 2 Si + 2 SiO.

Lorsqu'il interagit avec les métaux, le silicium agit comme un agent oxydant :

2 Mg + Si = Mg 2 Si.

Application de silicium.

Le silicium est le plus largement utilisé dans la production d'alliages destinés à conférer une résistance à l'aluminium, au cuivre et au magnésium et pour la production de ferrosiliciures, qui jouent un rôle important dans la production d'aciers et dans la technologie des semi-conducteurs. Les cristaux de silicium sont utilisés dans les cellules solaires et les dispositifs semi-conducteurs : transistors et diodes.

Le silicium sert également de matière première pour la production de composés organosiliciés, ou siloxanes, obtenus sous forme d'huiles, de lubrifiants, de plastiques et de caoutchoucs synthétiques. Les composés inorganiques de silicium sont utilisés dans la technologie de la céramique et du verre, comme matériau isolant et piézocristaux.

De nombreux dispositifs et appareils technologiques modernes ont été créés en raison des propriétés uniques des substances présentes dans la nature. L'humanité, grâce à l'expérimentation et à l'étude minutieuse des éléments qui nous entourent, modernise constamment ses propres inventions - ce processus est appelé progrès technique. Il s’appuie sur des choses élémentaires, accessibles à tous, qui nous entourent au quotidien. Par exemple, le sable : qu’y a-t-il de surprenant et d’inhabituel ? Les scientifiques ont pu en isoler le silicium, un élément chimique sans lequel la technologie informatique n’existerait pas. Le champ d'application de son application est diversifié et en constante expansion. Ceci est obtenu grâce aux propriétés uniques de l'atome de silicium, à sa structure et à la possibilité de composés avec d'autres substances simples.

Caractéristique

Dans la version développée par D.I. Mendeleev, le silicium est désigné par le symbole Si. Il appartient aux non-métaux, se situe dans le quatrième groupe principal de la troisième période et possède un numéro atomique de 14. Sa proximité avec le carbone n'est pas accidentelle : à bien des égards, leurs propriétés sont comparables. On ne le trouve pas dans la nature sous sa forme pure, car il s'agit d'un élément actif et possède des liaisons assez fortes avec l'oxygène. La substance principale est la silice, qui est un oxyde, et les silicates (sable). De plus, le silicium (ses composés naturels) est l’un des éléments chimiques les plus répandus sur Terre. En termes de fraction massique de contenu, il se classe au deuxième rang après l'oxygène (plus de 28 %). La couche supérieure de la croûte terrestre contient du silicium sous forme de dioxyde (c'est du quartz), divers types d'argiles et de sable. Le deuxième groupe le plus courant est celui des silicates. À une profondeur d'environ 35 km de la surface se trouvent des couches de gisements de granit et de basalte, qui comprennent des composés de silex. Le pourcentage de contenu dans le noyau terrestre n'a pas encore été calculé, mais les couches du manteau les plus proches de la surface (jusqu'à 900 km) contiennent des silicates. Dans la composition de l'eau de mer, la concentration en silicium est de 3 mg/l, dont 40 % sont constitués de ses composés. L’immensité de l’espace que l’humanité a exploré jusqu’à présent contient cet élément chimique en grande quantité. Par exemple, des météorites qui se sont approchées de la Terre à une distance accessible aux chercheurs ont montré qu'elles étaient constituées de 20 % de silicium. Il existe une possibilité de formation de vie basée sur cet élément dans notre galaxie.

Processus de recherche

L'histoire de la découverte de l'élément chimique silicium comporte plusieurs étapes. De nombreuses substances systématisées par Mendeleev sont utilisées par l'humanité depuis des siècles. Dans ce cas, les éléments étaient sous leur forme naturelle, c'est-à-dire dans des composés qui n'ont pas été soumis à un traitement chimique et toutes leurs propriétés n'étaient pas connues des gens. Au cours de l'étude de toutes les caractéristiques de la substance, de nouvelles orientations pour son utilisation sont apparues. Les propriétés du silicium ne sont pas encore entièrement étudiées aujourd'hui - cet élément, avec une gamme d'applications assez large et variée, laisse place à de nouvelles découvertes pour les futures générations de scientifiques. Les technologies modernes accéléreront considérablement ce processus. Au XIXe siècle, de nombreux chimistes célèbres ont tenté d’obtenir du silicium sous sa forme pure. Cela a été fait pour la première fois par L. Tenard et J. Gay-Lussac en 1811, mais la découverte de l'élément appartient à J. Berzelius, qui a pu non seulement isoler la substance, mais aussi la décrire. Un chimiste suédois a obtenu du silicium en 1823, pour cela il a utilisé du potassium métallique et du sel de potassium. La réaction s'est déroulée sous un catalyseur sous forme de haute température. La substance simple gris-brun résultante était du silicium amorphe. L'élément pur cristallin a été obtenu en 1855 par Sainte-Clair Deville. La difficulté de l’isolation est directement liée à la haute résistance des liaisons atomiques. Dans les deux cas, la réaction chimique vise le processus de purification des impuretés, tandis que les modèles amorphes et cristallins ont des propriétés différentes.

Prononciation du silicium de l'élément chimique

Le premier nom de la poudre obtenue - Kiesel - a été proposé par Berzelius. Au Royaume-Uni et aux États-Unis, le silicium n'est encore appelé que silicium (Silicium) ou silicone (Silicon). Le terme vient du latin « silex » (ou « pierre ») et, dans la plupart des cas, il est lié au concept de « terre » en raison de sa présence répandue dans la nature. La prononciation russe de cette substance chimique varie selon la source. On l'appelait silice (Zakharov a utilisé ce terme en 1810), sicilium (1824, Dvigubsky, Soloviev), silice (1825, Strakhov), et ce n'est qu'en 1834 que le chimiste russe German Ivanovich Hess a introduit le nom qui est encore utilisé aujourd'hui dans la plupart des sources. - du silicium. Il est désigné par le symbole Si. Comment lire l’élément chimique silicium ? De nombreux scientifiques des pays anglophones prononcent son nom par « si » ou utilisent le mot « silicium ». C'est de là que vient le nom mondialement connu de la vallée, qui est un site de recherche et de production de matériel informatique. La population russophone appelle l'élément silicium (du grec ancien « falaise, montagne »).

Présence dans la nature : dépôts

Des systèmes montagneux entiers sont composés de composés de silicium, que l'on ne trouve pas sous sa forme pure, car tous les minéraux connus sont des dioxydes ou des silicates (aluminosilicates). Des pierres incroyablement belles sont utilisées par les gens comme matériaux ornementaux - ce sont des opales, des améthystes, des quartz de divers types, du jaspe, de la calcédoine, de l'agate, du cristal de roche, de la cornaline et bien d'autres. Ils se sont formés en raison de l'inclusion de diverses substances dans le silicium, qui ont déterminé leur densité, leur structure, leur couleur et leur sens d'utilisation. L'ensemble du monde inorganique peut être associé à cet élément chimique qui, dans le milieu naturel, forme des liaisons fortes avec les métaux et les non-métaux (zinc, magnésium, calcium, manganèse, titane, etc.). Comparé à d'autres substances, le silicium est assez facilement accessible pour la production à grande échelle : on le trouve dans la plupart des types de minerais et de minéraux. Par conséquent, les gisements activement développés sont liés aux sources d’énergie disponibles plutôt qu’à des accumulations territoriales de matière. Les quartzites et les sables quartzeux se trouvent dans tous les pays du monde. Les plus grands producteurs et fournisseurs de silicium sont : la Chine, la Norvège, la France, les États-Unis (Virginie occidentale, Ohio, Alabama, New York), l'Australie, l'Afrique du Sud, le Canada et le Brésil. Tous les fabricants utilisent des méthodes différentes, qui dépendent du type de produit fabriqué (technique, semi-conducteur, silicium haute fréquence). Un élément chimique, enrichi en plus ou, au contraire, purifié de tous types d'impuretés, possède des propriétés individuelles dont dépend son utilisation ultérieure. Cela s'applique également à cette substance. La structure du silicium détermine son champ d'application.

Historique d'utilisation

Très souvent, en raison de la similitude des noms, on confond silicium et silex, mais ces concepts ne sont pas identiques. Soyons clairs. Comme déjà mentionné, le silicium n’existe pas dans la nature sous sa forme pure, ce qui n’est pas le cas de ses composés (la même silice). Les principaux minéraux et roches formés par le dioxyde de la substance que nous considérons sont le sable (rivière et quartz), le quartz et les quartzites et le silex. Tout le monde doit avoir entendu parler de cette dernière, car elle revêt une grande importance dans l’histoire du développement humain. Les premiers outils créés par l'homme à l'âge de pierre sont associés à cette pierre. Ses arêtes vives, formées lorsqu'elles étaient taillées dans la roche principale, facilitaient grandement le travail des anciennes ménagères, et la possibilité d'affûtage le rendait plus facile pour les chasseurs et les pêcheurs. Le silex n'avait pas la résistance des produits métalliques, mais les outils défaillants étaient faciles à remplacer par des neufs. Son utilisation comme silex a duré plusieurs siècles – jusqu’à l’invention de sources alternatives.

Quant aux réalités modernes, les propriétés du silicium permettent d'utiliser la substance pour décorer des locaux ou créer de la vaisselle en céramique, tandis qu'en plus de son bel aspect esthétique, elle possède de nombreuses excellentes qualités fonctionnelles. Un domaine distinct de son application est associé à l'invention du verre il y a environ 3000 ans. Cet événement a permis de créer des miroirs, des plats et des vitraux en mosaïque à partir de composés contenant du silicium. La formule de la substance initiale a été complétée par les composants nécessaires, ce qui a permis de donner au produit la couleur requise et d'influencer la résistance du verre. Des œuvres d'art d'une beauté et d'une variété étonnantes ont été réalisées par l'homme à partir de minéraux et de pierres contenant du silicium. Les propriétés curatives de cet élément ont été décrites par des scientifiques anciens et ont été utilisées tout au long de l’histoire de l’humanité. Ils bordaient les puits pour l'eau potable, les garde-manger pour stocker la nourriture et étaient utilisés à la fois dans la vie quotidienne et en médecine. La poudre obtenue par broyage était appliquée sur les plaies. Une attention particulière a été portée à l'eau, qui était infusée dans des plats fabriqués à partir de composés contenant du silicium. L'élément chimique a interagi avec sa composition, ce qui a permis de détruire un certain nombre de bactéries et micro-organismes pathogènes. Et ce ne sont pas toutes les industries où la substance que nous envisageons est très, très demandée. La structure du silicium détermine sa polyvalence.

Propriétés

Pour mieux connaître les caractéristiques d’une substance, il est nécessaire de la considérer en tenant compte de toutes les propriétés possibles. Le plan de caractérisation de l'élément chimique silicium comprend les propriétés physiques, les propriétés électriques, l'étude des composés, les réactions et les conditions de leur passage, etc. Le silicium sous forme cristalline a une couleur gris foncé avec une teinte métallique. Un réseau cubique à faces centrées est similaire à un réseau de carbone (diamant), mais en raison des liaisons plus longues, il n'est pas aussi solide. Chauffer à 800°C le rend plastique ; dans d’autres cas, il reste cassant. Les propriétés physiques du silicium rendent cette substance vraiment unique : elle est transparente au rayonnement infrarouge. Point de fusion - 1410 0 C, point d'ébullition - 2600 0 C, densité dans des conditions normales - 2330 kg/m 3. La conductivité thermique n'est pas constante, pour divers échantillons elle est prise à une valeur approximative de 25 0 C. Les propriétés de l'atome de silicium permettent de l'utiliser comme semi-conducteur. Ce domaine d'application est le plus demandé dans le monde moderne. La valeur de la conductivité électrique est influencée par la composition du silicium et des éléments qui y sont associés. Ainsi, pour une conductivité électronique accrue, on utilise de l'antimoine, de l'arsenic et du phosphore, pour une conductivité trouée - de l'aluminium, du gallium, du bore et de l'indium. Lors de la création de dispositifs avec du silicium comme conducteur, un traitement de surface avec un certain agent est utilisé, ce qui affecte le fonctionnement de l'appareil.

Les propriétés du silicium en tant qu’excellent conducteur sont largement utilisées dans la fabrication d’instruments modernes. Son utilisation est particulièrement pertinente dans la production d'équipements complexes (par exemple, appareils informatiques modernes, ordinateurs).

Silicium : caractéristiques d'un élément chimique

Dans la plupart des cas, le silicium est tétravalent, mais il existe également des liaisons dans lesquelles il peut avoir une valeur de +2. Dans des conditions normales, il est inactif, contient des composés forts et, à température ambiante, ne peut réagir qu'avec le fluor, qui est à l'état d'agrégat gazeux. Cela s'explique par l'effet de blocage de la surface avec un film de dioxyde, qui s'observe lors de l'interaction avec l'oxygène ou l'eau environnante. Pour stimuler les réactions, il est nécessaire d’utiliser un catalyseur : augmenter la température est idéal pour une substance comme le silicium. L'élément chimique interagit avec l'oxygène à 400-500 0 C, ce qui entraîne une augmentation du film de dioxyde et un processus d'oxydation. Lorsque la température monte jusqu'à 50 0 C, une réaction avec le brome, le chlore et l'iode est observée, entraînant la formation de tétrahalogénures volatils. Le silicium n'interagit pas avec les acides, à l'exception d'un mélange d'acides fluorhydrique et nitrique, alors que tout alcali à l'état chauffé est un solvant. L'hydrogène silicium est formé uniquement par la décomposition de siliciures ; il ne réagit pas avec l'hydrogène. Les composés contenant du bore et du carbone se caractérisent par la plus grande résistance et passivité chimique. La haute résistance aux alcalis et aux acides est liée à l'azote, qui se produit à des températures supérieures à 1 000 0 C. Les siliciures sont obtenus par réaction avec des métaux et, dans ce cas, la valence présentée par le silicium dépend de l'élément supplémentaire. La formule de la substance, formée avec la participation d'un métal de transition, résiste aux acides. La structure de l'atome de silicium affecte directement ses propriétés et sa capacité à interagir avec d'autres éléments. Le processus de formation de liaisons dans la nature et lors de l'exposition à une substance (en laboratoire, dans des conditions industrielles) diffère considérablement. La structure du silicium suggère son activité chimique.

Structure

Le silicium possède ses propres caractéristiques. La charge nucléaire est de +14, ce qui correspond au numéro de série dans le tableau périodique. Nombre de particules chargées : protons - 14 ; électrons - 14 ; neutrons - 14. Le schéma structurel d'un atome de silicium est le suivant : Si +14) 2) 8) 4. Au dernier niveau (externe) il y a 4 électrons, ce qui détermine l'état d'oxydation avec le « + » ou le « - " signe. L'oxyde de silicium a la formule SiO 2 (valence 4+), le composé hydrogène volatil est SiH 4 (valence -4). Le grand volume de l'atome de silicium permet à certains composés d'avoir un numéro de coordination de 6, par exemple lorsqu'ils sont combinés avec du fluor. Masse molaire - 28, rayon atomique - 132 pm, configuration de la couche électronique : 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 2.

Application

Le silicium de surface ou entièrement dopé est utilisé comme semi-conducteur dans la création de nombreux dispositifs, y compris de haute précision (par exemple, photocellules solaires, transistors, redresseurs de courant, etc.). Le silicium ultrapur est utilisé pour créer des cellules solaires (énergie). Le type monocristallin est utilisé pour fabriquer des miroirs et des lasers à gaz. Les composés de silicium sont utilisés pour produire du verre, des carreaux de céramique, de la vaisselle, de la porcelaine et de la faïence. Il est difficile de décrire la variété des types de biens obtenus ; leur exploitation se produit au niveau domestique, dans les arts et les sciences, et dans la production. Le ciment obtenu sert de matière première pour créer des mélanges de construction, des briques et des matériaux de finition. La diffusion d’huiles et de lubrifiants peut réduire considérablement la force de friction dans les pièces mobiles de nombreux mécanismes. Les siliciures, de par leurs propriétés uniques de résistance aux environnements agressifs (acides, températures), sont largement utilisés dans l'industrie. Leurs caractéristiques électriques, nucléaires et chimiques sont prises en compte par les spécialistes des industries complexes ; la structure de l'atome de silicium joue également un rôle important.

Nous avons répertorié aujourd'hui les domaines d'application les plus exigeants en connaissances et les plus avancés. Le plus répandu, fabriqué en grande série, le silicium technique est utilisé dans de nombreux domaines :

Comme matière première pour la production d'une substance plus pure.
Pour les alliages d'alliage dans l'industrie métallurgique : la présence de silicium augmente le caractère réfractaire, augmente la résistance à la corrosion et la résistance mécanique (en cas d'excès de cet élément, l'alliage peut être trop cassant).
Comme désoxydant pour éliminer l’excès d’oxygène du métal.
Matières premières pour la production de silanes (composés de silicium avec substances organiques).
Pour la production d'hydrogène à partir d'un alliage de silicium et de fer.
Fabrication de panneaux solaires.

Cette substance est également d'une grande importance pour le fonctionnement normal du corps humain. La structure du silicium et ses propriétés sont ici déterminantes. Dans ce cas, son excès ou sa carence entraîne des maladies graves.

Dans le corps humain

La médecine utilise depuis longtemps le silicium comme agent bactéricide et antiseptique. Mais malgré tous les bienfaits d’un usage externe, cet élément doit être constamment renouvelé dans le corps humain. Un niveau normal de son contenu améliorera l'activité vitale en général. S'il est déficient, plus de 70 microéléments et vitamines ne seront pas absorbés par l'organisme, ce qui réduira considérablement la résistance à un certain nombre de maladies. Le pourcentage le plus élevé de silicium est observé dans les os, la peau et les tendons. Il joue le rôle d'un élément structurel qui maintient la résistance et donne de l'élasticité. Tous les tissus durs du squelette sont formés grâce à ses connexions. Des études récentes ont révélé la teneur en silicium des reins, du pancréas et des tissus conjonctifs. Le rôle de ces organes dans le fonctionnement du corps est assez important, donc une diminution de leur contenu aura un effet néfaste sur de nombreux indicateurs fondamentaux du maintien de la vie. Le corps doit recevoir 1 gramme de silicium par jour avec de la nourriture et de l'eau - cela aidera à éviter d'éventuelles maladies, telles que les processus inflammatoires de la peau, le ramollissement des os, la formation de calculs dans le foie, les reins, la détérioration de la vision, l'état des cheveux. et les ongles, l'athérosclérose. Avec un niveau suffisant de cet élément, l'immunité augmente, les processus métaboliques sont normalisés et l'absorption de nombreux éléments nécessaires à la santé humaine est améliorée. La plus grande quantité de silicium se trouve dans les céréales, les radis et le sarrasin. L'eau de silicium apportera des avantages significatifs. Pour déterminer la quantité et la fréquence de son utilisation, il est préférable de consulter un spécialiste.