سيليكون
السيليكون أو الكُثَاب هو عنصر كيميائي رمزه Si وعدده الذري 14. يصنف السليكون من أشباه الفلزات وهو رباعي التكافؤ، أقل نشاطًا كيميائيًا من نظيره الهيكلي الكربون اللا فلز الذي يقع فوقه في الجدول الدوري، ولكنه أكثر نشاطًا من الجرمانيوم شبه الفلز الذي يقع فوقه في الجدول. يوجد خلاف حول تاريخ اكتشافه للمرة الأولى في التاريخ؛ لكن تم تحضيره وتنقيته للمرة الأولى عام 1823. في 1808، أطلق عليه اسم سليكيوم (باللاتينية: "silex"، وتعني الحجر الصلب أو الصوان) مع وجود اللاحقة يوم اللاتينية في نهاية أسماء العناصر.
السليكون هو ثامن عنصر شائع في الكون حسب الوفرة، ولكن من النادر وجوده نقيًا في الطبيعة. وكثيرًا ما يكون مختلطًا بالغبار والرمال في الكويكبات والكواكب بعدة صور من ثاني أكسيد السيليكون والسيليكات. تتألف حوالي 90% من القشرة الأرضية من معادن السيليكات، مما يجعل السليكون ثاني أكثر عنصر متوفر في القشرة الأرضية (حوالي 28% حسب الوفرة) بعد الأكسجين.
يستخدم معظم السليكون تجاريًا دون أن ينفصل، بل أحيانًا بمعالجة بعض المركبات من الطبيعة. وهذه الاستخدامات تتضمن الاستخدام البنائي الصناعي المباشر للصلصال والرمل والصخور. تستخدم السيليكا في الخزف اللبن. كما تستخدم السليكات في الأسمنت البورتلاندي والملاط وزخرف مجصص، وعندما يخلط برمل السليكا بالحصى، لصناعة الخرسانة. السليكات هي سلعة خزفية بيضاء مثل البورسلان، وفي زجاج الجير الصودي التقليدي المروي. هناك المزيد من مركبات السليكون الحديثة مثل كربيد السليكون موادًا كاشطة وخزف عالي الجودة. السليكون هو أساس البولميرات السليكونية الموجودة في كل مكان المسماة بالسيليكونات.
لدى عنصر السليكون تأثير كبير على اقتصاد العالم الجديد. على الرغم أن السليكون الحر يستخدم لتنقية الصلب والألومنيوم المسكوب والصناعات الكيميائية الدقيقة (غالبًا ما يشارك في صنع فوميد سيليكا)، ويستخدم أيضًا أجزاء صغيرة من السليكون النقي في إلكترونيات شبه الموصلات (أكثر من 10%). بسبب الاستخدام الواسع للسليكون في الدوائر المتكاملة التى هى أساس الحواسيب والهواتف المحمولة وجميع الأجهزة الإلكترنية، لذا فإن كمية كبيرة من التكنولوجيا تعتمد عليه.
السليكون عنصر أساسي في الأحياء، برغم أن الحيوانات تحتاج منه كميات قليلة. مع ذلك، فإن العديد من الإسفجنيات والكائنات الحية الدقيقة مثل الدياتومات تحتاج السليكون لكي تصنع بنيتها. السليكون مهم أكثر لأيض النباتات، وخاصة النجيلة.
السليكون صلب في درجة حرارة الغرفة، ودرجة انصهاره وغليانه النسبيتين 1414° و3265° درجة مئوية على الترتيب. كثافته أكبر في حالته السائلة عن حالته الصلبة. السليكون لا ينكمش حينما يتجمد كمعظم المواد بل يتمدد، متماثلاً مع الثلج كيفما يكون أقل كثافة من الماء. بقدرة نقل حرارة نسبية عالية تصل إلى 149 W·m·K، فإن السليكون موصل جيد للحرارة ونتيجة لذلك فإنه لا يستخدم غالبًا لعزل الأشياء الساخنة.
في الشكل البلوري، يتلون السليكون باللون البرونزي وله بريق معدني. وكالجرمانيوم، السليكون قوي نوعًا ما وهش للغاية وعرضة للتقطيع. ومثل الكربون والجرمانيوم، فالسليكون يتبلور في شكل بنية بلورية ذات شكل مكعب ماسي، بوجود مسافات بينية تقدر بحوالي 0.5430710 نانومتر (5.430710 أنغستروم).
المدار الذري الخارجي للسليكون، مثل الكربون، لديه 4 إلكترونات تكافؤية. المدرات الفرعية 1s و2s و2p و3s مكتملة إلكتروناتها في حين أن المدار الفرعي 3p يتشبع بإلكترونين وبإمكانه التشبع بأربعة آخرين.
السليكون عنصر شبه موصل. لديه معدل عكسي لدرجة حرارة المقاومة، لأن عدد الشحنات التي يحملها يزداد بالحرارة. المقاومة الكهربية لبلورة مفردة من السليكون تتغير بشكل ملحوظ بفعل الضغط الميكانيكي بفضل تأثير المقاومة الانضغاطية.
السليكون من عناصر أشباه الفلزات، ويشارك أو يساهم بسهولة إلكتروناته الأربعة الخارجية، مما يجعله يكون الكثير من الروابط الكيميائية. ومثل الكربون، فإنه يكون عادةً أربع روابط. وعلى عكس الكربون، يمكنه القبول بإلكترونات إضافية وتكوين خمس أو ست روابط وأحيانًا يشكل سليكات قابلة للتغيير (غير مستقرة). السليكون رباعي التكافؤ خامل نسبيًا، لكنه يتفاعل مع الهالوجينات ويخفف القلويات، ولكن لم يُعرف لمعظم الأحماض أي تأثير عليه (ما عدا بعض المركبات مفرطة تفاعليتها مثل حمض النتريك وحمض الهيدروفلوريك). ومع ذلك، فإن امتلاكه لأربعة إلكترونات تكافؤ، تتيح له مثل الكربون فرص كثيرة للاتحاد مع عناصر أخرى أو مركبات في الظروف المناسبة.
السليكون الموجود طبيعيًا يتكون من 3 نظائر مستقرة ألا وهي سليكون-28، وسليكون-29، وسيلكون-30، حيث أن السليكون-28 هو الأكثر توافرًا (بنسبة تصل إلى 92% منالتوافر الطبيعي). ومن بين هذه النظائر، فإن السليكون-29 هو ما يستخدم في الرنين النووي المغناطيسي والرنين الإلكتروني المغناطيسي. يوجد اثنا عشر نظير مشع للسليكون، وأكثرهم استقرارًا هو السليكون-32 حيث أن عمر النصف له يبلغ 170 سنة، والسليكون-31 والذي يبلغ عمر النصف له 157.3 دقيقة. كل النظائر المضمحلة إشعاعيًا المتبقية عمر النصف لها لا يتجاوز السبع ثوان، ومعظم هذه الأعمار أقل من عُشر من الثانية. ليس لدى السليكون أي متماكبات نووية معروفة.
متوسط عدد الكتلة لنظائر السليكون يترواح بين 22 إلى 44. نمط الاضمحلال المشترك للستة نظائر التي أعداد كتلتها أقل من أكثر نظير مستقر متوفر - وهو السليكون-28 -، هو نمط β، مشكلاً في المقام الأول نظائر ألومنيوم (13 بروتون) كنواتج اضمحلال. معدل التحلل الأكثر شيوعًا للنظائر الستة عشر التي أعداد كتلتها أكبر من السليكون-28 هو β، ومكونًا في المقام الأول نظائر فسفور (15 بروتون) كنواتج اضمحلال.
مرتبًا حسب الكتلة، يشكل السليكون 27.7% من القشرة الأرضية وأكثر ثاني عنصر من حيث الوفرة في القشرة، حيث يحظى الأكسجين بأعلى نسبة توافر في القشرة. عادةً ما يوجد السليكون بشكل معقد في معادن السيليكات، وأقل من ثنائي أكسيد السيليكون (السليكا، المكون الأساسي للرمل العادي). ونادرًا ما تكون بلورات السليكون النقية موجودة في الطبيعة.
معادن السيليكات - معادن متعددة تحتوي على السليكون والأكسجين ومعادن متفاعلة - تشكل 90% من القشرة الأرضية. كل ذلك بفضل حقيقة أنه في درجات الحراراة المميزة لتشكيل النظام الشمسي الداخلي، الأكسجين والسليكون لديهما انجذاب كبير لبعضهما البعض، مكونين شبكات من السليكون والأكسجين في مركبات قليلة التطاير. ولأن السليكون والأكسجين كانا أكثر عنصرين لا فلزيين ولا غازيين في أطلال غبار المستعر الأعظم والذي كون القرص الكوكبي في تشكل وتطور المجموعة الشمسية، فقط كونا مركبات سليكات معقدة كثيرة والتي تراكمت في كواكب مصغرة صخرية كبيرة والتي كونت الكواكب الأرضية. ومن هنا، تفاعلت معادن السليكات المختزلة مع العناصر المؤكسدة (مثل الألومنيوم، والكالسيوم، والصوديوم، والبوتاسيوم، والمغنسيوم). بعد فقدان الغازات المتطايرة، وفقدان الكربون والكبريت بعد تفاعلهما مع الهيدروجين، قام خليط السليكات من العناصر هذا بتكوين معظم القشرة الأرضية. هذه السليكات كثافتها كانت منخفضة نسبيًا فيما يتعلق بكثافة الحديد، والنيكل، وفلزات أخرى لا تتفاعل مع الأكسجين وبالتالي نزل بقية الحديد والنيكل غير المتفاعلين إلى نواة الأرض، تاركين غلافًا سميكًا يتكون معظمه من المغنسيوم وسليكات الحديد. ويُعتقد أن هناك معظم بيروفسكايت السليكات، يتبعه أكسيد حديد مغنسيوم من حيث الوفرة.
معادن (مواد) السليكا التي تحتويها القشرة مثل التي توجد في مجموعات البيروكسين والأمفيبول والمايكا والفلدسبار. هذه المعادن توجد في الطين، وأنواع متعددة من الصخر مثل الجرانيت والحجر الرملي.
توجد السليكا في معادن تتألف من ثاني أكسيد السليكون النقي تحديدًا في أشكال بلورية مختلفة كالمرو والعقيق والعقيق الأبيض والجمشت والصوان واليشم والأوبال. لدى البلورات الصيغة المجملة لثاني أكسيد السليكون، ولكنها لا تحتوي فقط على جزئيات ثاني أكسيد السليكون منفصلاً على غرار ثاني أكسيد الكربون. وبالأحرى، فإن السليكا شبكة صلبة هيكليًا تتألف من السليكون والأكسجين في بلورات ثلاثية الأبعاد، كالماس. السليكا الأقل نقاءً تكون زجاج السبج. السليكا الحيوية توجد في تركيب الدياتومات والراديولاريا والإسفنج السليكوني.
السليكون أيضًا مكون أساسي لنيازك كثيرة، ومكون للتكتيت - معدن سليكات من المحتمل أن يكون ذا أصل قمري - أو (مشتق أرضي) الذي تعرض لدرجات حرارة وضغط استثنائيين، وقد يكون مصدرها ضربة نيزك.