سیلیسیم

سیلیسیم (با سیلیس که دی‌اکسید سیلیسیم است اشتباه نشود) با نماد Si عنصری شیمیایی از خانواده شبه فلزها است که در گروه چهارم و دوره سوم جدول تناوبی (استاندارد) عنصرها جای دارد. عدد اتمی این عنصر ۱۴ است و چهار الکترون در لایه ظرفیت دارد. جرم اتمی سیلیسیم ۲۸٫۰۸۶ است و دارای سه ایزوتوپ پایدار می‌باشد. واکنش پذیری این عنصر کمتر از کربن نافلز هم گروه و بالاسری خود است ولی واکنش پذیری آن از ژرمانیم شبه فلز پایین دستی‌اش بیشتر است. ستیز بر سر ویژگی‌های سیلیسیم به روزهای نخست که آن را پیدا کردند بازمی‌گردد. نخستین بار سیلیسیم در سال ۱۸۲۴ به صورت پالوده (خالص) فراوری شد. نام آن از واژه لاتین silicis سیلیسیس به معنی سنگ چخماق گرفته شده‌است و که در انتهای آن گذاشته شده برای اشاره به ویژگی‌های فلزی آن است، پسوندی که در بسیاری زبان‌های غیر انگلیسی کاربرد دارد. البته نامی که در انگلیسی برای آن بکار می‌رود Silicon است که برای همانندی با دیگر نافلزها مانند کربن برگزیده شده‌است. این تغییر نام در سال 1835 پیشنهاد شد.
سیلیسیم از دید فراوانی برپایه جرم، هشتمین عنصر فراوان در جهان است. البته به سختی می‌توان آن را به صورت خالص و آزاد در طبیعت پیدا کرد. سیلیسیم را بیشتر می‌توان در گرد و غبار، ماسه، سیارک‌ها و سیاره‌ها و در قالب سیلیسیم دی اکسید یا سیلیکات‌ها پیدا کرد. بیش از ۹۰٪ پوسته زمین از کانی‌های سیلیکات ساخته شده‌است به همین دلیل سیلیس پس از اکسیژن فراوان‌ترین ماده در پوسته زمین است (نزدیک به ۲۸٪ بر پایه جرم)
بیشتر سیلیسیمی که به صورت تجاری کاربرد دارد بدون هیچ گونه جداسازی مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرد و خیلی کم بر روی ترکیب طبیعی آن فراوری صورت می‌گیرد. در بخش صنعت ساختمان و تولید سرامیک هم هنگام کاربرد رس، ماسه و سنگ‌های سیلیسی همین رویکرد وجود دارد. سیلیکات‌ها برای ملات و اندود گچ و سیمان به سیمان پورتلند می‌روند و پس از آنکه با شن و ماسه‌های سیلیسی آمیخته شدند از آن‌ها بتن ساخته می‌شود. کاربرد دیگر ماده در سرامیک برخی ابزارهای خانگی مانند پرسلان، شیشه‌های سنتی آهک سوددار با پایه کوارتز و… است. سیلیسیم کاربید از ترکیب‌های امروزی‌تر سیلیسیم است که از آن سرامیک‌های پرمقاومت ساخته می‌شود. پلیمرهای با پایه سیلیسیم را سیلیکون می‌نامند.
بیشتر سیلیسیم آزاد در صنعت‌های پالایش فولاد، ریخته‌گری آلومینیم و بسیاری صنعت‌های حساس شیمی (مانند سیلیس دودی) کاربرد دارد. کمتر از ۱۰ درصد سیلیسیم در ساخت نیمه رساناها به کار می‌رود. این سیلیسیم که بسیار پالوده شده (درجه خلوص بالا دارد) شاید مهم‌ترین نقش را در اقتصاد دنیا داشته باشد چون صنعت الکترونیک، ساخت تراشه‌های مدار و درنتیجه ساخت بیشتر رایانه‌ها وابسته به آن است.
سیلیسیم در زیست‌شناسی هم عنصری بسیار مهم است هرچند که به نظر می‌رسد اندازه‌های بسیار کمی از آن در بدن جانوران مورد نیاز باشد. بسیاری از گونه‌های اسفنج‌های دریایی برای ساختار بدنشان نیازمند سیلیسیم اند همچنین سیلیسیم و سیلیسیک اسید در سوخت و ساز بدن گیاهان به ویژه بسیاری از علف‌ها نقشی حیاتی دارند.
ویژگی‌ها
فیزیکی
سیلیسیم در دمای اتاق جامد است و نقطه ذوب و جوش بسیار بالایی دارد. این نقطه‌ها به ترتیب عبارتند از ۱،۴۰۰ و ۲،۸۰۰ درجه سانتیگراد. نکته جالب درباره سیلیسیم این است که این ماده در حالت مایع چگالی بیشتری نسبت به حالت جامد دارد درنتیجه رفتار این ماده هنگام یخ زدن (جامد شدن) مانند رفتار معمول در دیگر ماده‌ها، با کاهش حجم همراه نیست بلکه حجم آن افزایش می‌یابد مانند آب که پس از یخ زدگی جرم در یکای حجمش کاهش می‌یابد و چگالی‌اش از آب مایع کمتر می‌شود. سیلیسیم رسانایی گرمایی بالایی دارد و اندازه آن است. برای همین در پوشش جسم‌های داغ کاربردی ندارد.
سیلیسیم پالوده در حالت بلوری به رنگ خاکستری است و جلای فلزی دارد. مانند ژرمانیم سخت و بسیار ترد است و برای تراشه (ورقه ورقه) شدن مناسب است. سیلیسیم مانند کربن و ژرمانیم هنگام بلوری شدن ساختاربلوری الماس را می‌پذیرد و فاصله‌ها در شبکه بندی آن تقریبا یا است.
ابر الکترونی بیرونی سیلیسیم مانند کربن چهار الکترون در لایه آخر دارد. لایه‌های و 3s سراسر پر شده‌اند درحالی که لایه 3p تنها دو جا از ۶ جای آن پر شده‌است.
سیلیسیم یک نیمه‌رسانا است. ضریب دمایی مقاومت الکتریکی این ماده منفی است چون شمار جابجایی‌کننده‌های (حامل‌های) بارهای آزاد آن با افزایش دما افزایش می‌یابد. مقاومت الکتریکی یک تک‌بلور سیلیسیم در اثر دریافت تنش‌های مکانیکی، تغییر بسیار زیادی می‌کند.
شیمیایی
گرد سیلیسیم
سیلیسیم یک شبه‌فلز است و به آسانی چهار الکترون بیرونی خود را به دیگری می‌دهد یا به اشتراک می‌گذارد و به این وسیله می‌تواند در بسیاری از واکنش‌های شیمیایی راه یابد. سیلیسیم با هالوژن‌ها و قلیاها واکنش می‌دهد اما بیشتر اسیدها (به جز برخی ترکیب‌های بسیار واکنش دهنده اسید نیتریک و هیدروفلوئوریک اسید) اثری بر روی آن ندارند. با این حال داشتن چهار الکترون در لایه ظرفیت، مانند کربن به سیلیسیم هم این امکان را می‌دهد تا در شرایط مناسب با بسیاری از عنصرها وارد واکنش شود.
ایزوتوپ‌ها
در طبیعت سه ایزوتوپ پایدار برای سیلیسیم پیدا می‌شود: سیلیسیم-27، سیلیسیم-۲۹ و سیلیسیم-۳۰ که سیلیسیم-۲۸ بیشترین فراوانی را دارد (۹۲ درصد). جدای از این‌ها، تنها سیلیسیم-۲۹ در فرایندهای تشدید مغناطیسی هسته‌ای و تشدید پارامغناطیسی الکترون کاربرد دارد. تاکنون بیست ایزوتوپ پرتوزا شناخته شده‌است که پایدارترین آن‌ها، سیلیسیم-۳۲ با نیمه عمر ۱۷۰ سال است، پس از آن سیلیسیم-۳۱ با نیمه عمر ۱۵۷٫۳ دقیقه پایدارترین است. دیگر ایزوتوپ‌های پرتوزا نیمه عمری کمتر از ۷ ثانیه و البته بیشتر آن‌ها حتی نیمه عمری کوتاه‌تر از یک-دهم ثانیه دارند. سیلیسیم، هیچ ایزومر هسته‌ای شناخته شده‌ای ندارد. عدد جرمی ایزوتوپ‌های سیلیسیم از ۲۲ تا ۴۴ است. بیشترین واپاشی هسته‌ای دیده شده در میان شش ایزوتوپی که عدد جرمی کمتر از سیلیسیم-۲۸ دارند، بوده‌است که نخست باعث پدیدار گشتن ایزوتوپ‌های آلومینیم (۱۳ پروتون)، به عنوان محصول واپاشی، شده‌است. بیشترین واپاشی هسته‌ای دیده شده در ۱۶ ایزوتوپ با عدد جرمی بیشتر از سیلیسیم-۲۸ است که باعث پدیدار شدن ایزوتوپ‌های فسفر (۱۵ پروتون) شده‌است.
پیدایش
بلورهای SiO ۲ است.
همچنین ببینید: کانی‌های سیلیکات
از نظر جرم، سیلیسیم سازنده ۲۷٫۷ درصد از پوسته زمین است و پس از اکسیژن دومین عنصر فراوان در پوسته‌است. سیلیسیم بیشتر در قالب پیچیده کانی‌های سیلیکات دیده می‌شود و کمتر به صورت سیلیسیم دی اکسید ( سیلیس ، بخش اصلی سازنده ماسه) یافت می‌شود. بلورهای پالوده سیلیسیم در طبیعت بسیار کمیابند. این پدیده از آنجا می‌آید که در دماهای بسیار بالا برای پیدایش جرم‌های درون منظومه خورشیدی، دو عنصر سیلیسیم و اکسیژن بیشترین سازگاری را با یکدیگر دارند و کمتر دچار ناپایداری می‌شوند.
کانی‌های سیلیکات - دربردارنده سیلیسیم، اکسیژن و فلزهای واکنش پذیر - نزدیک به ۹۰ درصد جرم پوسته زمین را از آن خود کرده‌اند.