Silicio

Silicio estas kemia elemento de la perioda tabelo kun la simbolo Si kaj atomnumero 14. Trivalenta metaloido, silicio estas malpli reakcia ol sia kemia analogo karbono.

La nomo "silicio" venas de la latina vorto silex, speco de ŝtono (Siliko). Laŭ pezo, 25,7% de la terkrusto estas silicio. En la formo de silico (aŭ silicia dioksido, SiO2) aŭ de silikato, ĝi troviĝas en la krusto de la Tero kiel sablo, kvarco, kaolinito, ktp. Opaloj, ametistoj, kaj jaspoj estas formoj de kvarco. Granito, asbesto, feldspato, argilo, kaj glimo estas silikataj mineraloj. Silicio fortigas plantajn trunketojn, birdajn plumojn, kaj iujn spongojn. Silikono estas alia silicia kombinaĵo, uzata por fari oleojn, grasojn, farbojn, kaj kaŭĉukojn.

En la moderna industrio, oni uzas silicion aŭ silician kombinaĵojn por fari vitron, ŝtalon, emajlojn, ceramikaĵojn, abraziojn, kaj laserilojn. Hodiaŭ, silicio estas grava elemento en la faro de transistoroj, sunenergiaj piloj, kaj en icizita tekniko, kiel en la komputila industrio.

Ecoj 
 Atompezo: 28,086
 Kemia serio: metaloido
 Kemia grupo: 14(IVA)
 Kemia periodo: 3
 Masa denseco: 2328 kg/m3
 Atoma denseco: 5,0x1028 atomoj/m3
 Dureco: 6,5
 VAN-DER-WAAL-a radiuso: 210 pm
 Elektrona konfigurado: [ Ne ]3s2 3p2
 Kristala strukturo: diamanta aŭ fac-centre kuba
 Stato de materio: solidaĵo
 Bolpunkto: 3265oC
 Fandpunkto: 1414oC
 Unumola volumeno: 12,06x10−6 m3/mol
 Vaporiga varmo: 384,22 kJ/mol
 Glaciiga varmo: 50,55 kJ/mol
 Vapora premo: 4,77 Pa ĉe 1683 K
 Elektronegativeco: 1,90 (skalo de Pauling)
 Specifa varmokapacito: 700 J/(kg*K)
 Elektra konduktivo: 4,35x10−4 S/m
 Termika konduktiveco: 148 W/(m*k)
 1-a joniga potencialo: 786,5 kJ/mol
 2-a joniga potencialo: 1577,1 kJ/mol
 3-a joniga potencialo: 3231,6 kJ/mol
 4-a joniga potencialo: 4355,5 kJ/mol
 Rompiĝa elektra kampo: ~3x105 V/m
 Dielektra konstanto: 11,9
 Efektiva denseco de statoj en kondukta bendo: 2,8x1025
 Efektiva denseco de statoj en valenta bendo: 1,04x1025
 Elektrona afineco: 4,05 V
 Energia bendbreĉo: 1,12 eV
 Esenca koncentreco de portantoj 1,45x1016 m−3
 Esenca Debye-a longo: 2,4x10−5 m
 Elektra rezistivo: 2,3x103 ohm. m
 Latisa konstanto: 5,43095
 Koeficiento de lineara termika pligrandiĝo: 2,6x10−6 K−1
 Driva movebleco de elektronoj: 0,15 m2/V s
 Driva movebleco de truoj: 0,045 m2/V s
 Pligrandiĝo ĉe glaciiĝo: ~9%
 Eltrovintoj: Antoine Lavoisier 1787, kaj Gay Lussac 1811

Pura kristala silicio havas grizan koloron, sed en la naturo, la elemento silicio troviĝas nur en kombinaĵoj. Silicio havas naŭ izotopojn.

En ĝia kristala formo, silicio havas metalan glaceon kaj grizan koloron. Ĝi estas frakasiĝema solidaĵo ĉe ĉambra temperaturo kiu fariĝas plasta ĉirkaŭ 900 o C. Elektre ĝi estas duonkonduktaĵo, do povas esti foje izolaĵo, foje konduktaĵo. Ĝi bone konduktas hejton kaj sonon. Kaj ĝi flosas en sia propra likvaĵo.

Kvankam silicio estas relative inerta, silicio reakcias kun oksigeno, nitrogeno, la halogenoj kaj diluaj alkaloj, sed plej multaj (neoksidigaj) acidoj ne rekte efikas. Nitrata acido estas oksidiga al silicio.

Elementa silicio transmisias pli ol 95% da ĉia infraruĝa lumo. Sed malpuraĵoj en silicio, tiel kiel oksigeno, karbono, nitrogeno, boro, fosforo, kaj arseno, absorbas ĉe certaj frekvencoj en la infraruĝa. Silicio ne estas travidebla en ordinara videbla lumo.

Historio 

Silicio (Latine silex, silicis signifata siliko) unue estis identigita de Antoine Lavoisier dum 1787 kaj estis poste mise identigita de Humphry Davy dum 1800 kiel kombinaĵo. Dum 1811 Gay Lussac kaj Thenard probable preparis malpuran amorfan silicion tra la hejtado de kalio kun silicia kvarflorido. Dum 1824 Berzelius preparis silicion uzante proksimume la saman metodon de Lussac. Berzelius ankaŭ purigis la produktaĵon per refoja lavado.

Ĉar silicio estas grava elemento en semikonduktaĵaj kaj alt-teknologiaj aparatoj, la alt-teknologia regiono Silicia Valo, Kalifornio nomiĝis laŭ tiu ĉi elemento.

Produktado 

Silicio estas komerce produktata per hejtado de alte pura silico en elektra forno per uzo de karbonaj elektrodoj. Ĉe temperaturoj super 1900o C, la karbono reduktas la silicon al silicio laŭ la kemia ekvacio:

SiO2 + C → Si + CO2

Likva silicio kolektiĝas ĉe la malsupro de forno, kaj ĝi dreniĝas kaj malvarmiĝas. La silicio tiel produktita nomiĝas metalurgie grada silicio kaj estas 99% pura. Dum 1997 metalurie grada silicio kostis proksimume $0,50/g.

Purigado 

La uzo de silicio en duonkonduktaĵaj aparatoj postulas multe pli altan purecon ol atingeblan per metalurgia silico. Historie kelkaj metodoj uziĝis produkti alte puran silicion.

Fizikaj metodoj 

Fruaj teknikoj por purigado de silicio baziĝis sur tiu fakto ke kiam silicio fandiĝas kaj tiam re-solidiĝas, la lasta parto kiu re-solidiĝas entenas la plejparton de la malpuraĵoj. La plej frua metodo de silicia purigado, unue priskribita en 1919 kaj lime uzita por fari radarajn komponantojn dum la unua mondmilito, miksis rompadon de metalurgia silicio kaj tiam parte dissolvadon de la silicia pulvoro en acido. Kiam rompita, la silicio fendiĝis tiel ke la pli malfortikaj malpuraĵ-plenaj regionoj estis ekstere de la rezulta kerno de silico. Rezulte, la malpuraĵ-plena silicio estis unue solvita dum traktado kun acido, kio postlasis pli puran produktaĵon.

En zona fandado, la unua metodo por purigado de silicio larĝe uzata en industrio, stangoj de metalurgia silicio hejtiĝis ĉe unu ekstremaĵo. Tiam, la hejtilo malrapide moviĝis laŭ la longo de la stango, tenante malgrandan longon de la fandiĝinta stango, dum la silicio malvarmiĝis kaj re-solidiĝis malantaŭ la fandiĝinta parto. Ĉar plejparto da malpuraĵoj tendencas resti en la fanda regiono anstataŭ re-solidiĝi,procezofine plejmultaj malpuraĵoj de la stango moviĝis al la ekstremaĵo kiu estis laste fandita. Tiu ĉi finaĵo fortranĉiĝis kaj forĵetiĝis, kaj la procezo re-fariĝis se oni deziris pli altan purecon.

Kemiaj metodoj 

Hodiaŭ, silicio puriĝas per konvertado al silicia kombinaĵo kiu povas pli facile puriĝi ol silicio mem kaj poste denove okazas konvertado de tiu silicia kombinaĵo reen al pura silicio. Triklora silano estas la silicia kombinaĵo plej ofte uzita kiel mezaĵo, kvankam silicia kvarklorido kaj silano ankaŭ uziĝas. Kiam tiuj ĉi gasoj blovas super silicio ĉe alta temperaturo, ili diskomponas al altpureca silicio kaj kloro. La gasa silicio tiam deponas sur la solidan silicion.

Ĉe la procezo de Siemens, alte pure siliciaj stangoj elmetiĝas al triklora silano ĉe 1150 oC. La triklora silano dekomponiĝas kaj deponas plian silicion sur la stango, laŭ la kemia ekvacio

2 HSiCl3 → Si + 2 HCl + SiCl4

Silicio produktita de tiu kaj similaj procezoj nomiĝas polikristala silicio. Polikristala silicio tipe havas malpuraĵan nivelon de 1 parto el miliardo (pemd) aŭ malpli.

Iam, DuPont produktis ultrapuran silicion per reakciado de silicia kvarklorido kun alt-pureca zinka vaporo ĉe 950oC, produktante silicio laŭ la ekvacio:

SiCl4 + 2 Zn → 2 ZnCl2.

Tamen, tiu ĉi procezo kaŭzis multajn praktikajn problemojn (ekz. solidiĝo de flankproduktita zinka klorido ŝtopis liniojn) kaj fine forlasiĝis favore al la procezo de Siemens.

Kristalizado 

La procezo de Czochralski ofte uziĝas fari altpurecajn unuopajn kristalojn por uzo en solidŝtataj aŭ semikonduktaĵaj aparatoj.

Izotopoj 

Silicio havas naŭ izotopojn, kun atomnumero de 25 ĝis 33. 28Si (la plej abunda izotopo ĉe 92.23%), 29Si (4.67%), kaj 30Si (3.1%)estas stabilaj, 32Si estas radioaktiva izotopo produktita per argona diseriĝo. Ĝia duonvivo, post multa disputado, determiniĝas esti proksimume 276 jaroj, kaj ĝi diseriĝas per beta elsendo al 32P (kiu havas duonvivon de 14,28 jaroj)kaj tiam al 32S.

Antaŭzorgoj 

Grava pulma malsano konata kiel silikozo ofte okazis inter ministoj, ŝtontranĉistoj kaj inter aliaj, kiuj laboris en medio, kie grandkvante estiĝis, enspiriĝis silika pulvoro.

Kombinaĵoj 
 Kalia fluoro-silikato
 Kalia siliciido
 Kalia silikato
 Natria siliciido

Vidu ankaŭ 

 Listo de kemiaj elementoj laŭ nomo
 Listo de kemiaj elementoj laŭ simbolo
 Listo de kemiaj elementoj laŭ atomnumero
 Silikozo
 Vitro

Eksteraj ligiloj 

 http://periodic.lanl.gov/elements/14.html  
 http://www.webelements.com/webelements/elements/text/Si/key.html 
 http://environmentalchemistry.com/yogi/periodic/Si.html 
 http://www.webelements.com/webelements/elements/text/Si/index.html 

 
Kemiaj elementoj
Duonkonduktaj materialoj