Սիլիցիում

Սիլիցիում, գտնվում է տարրերի պարբերական համակարգի 4-րդ խմբի գլխավոր ենթախմբում (3րդ պարբերություն), քիմիական նշանն է Si և ատոմային թիվը՝ 14։ Արտաքին էլեկտրոնային շերտում ունի 4 վալենտային էլեկտրոն՝ ns2np2 վիճակում։ Բնորոշ են -4, +2, +4 օքսիդացման աստիճաններ։

Բնական սիլիցիումը բաղկացած է 28Si (92,27 %), 29Si (4,68 %) և 30Si (3,05 %) կայուն իզոտոպներից։ Ստացվել են 27Si (T½ = 4,5 վրկ), 31Si (T½ = 262 ժ) և 32Si (T½ = 700 տարի) արհեստական ռադիոակտիվ իզոտոպները։ Սիլիցիումի միացությունները, որոնք չափազանց շատ են տարածված երկրի վրա, մարդն օգտագործել է դեռ քարի դարում (քարե գործիքներ)։

Պատմություն 
Սիլիցիումը հայտնաբերել են ֆրանսիացի քիմիկոսներ Ժ․ Գեյ-Լյուսակը և Լ․ Թենարը (1811), անջատել և նոր տարր լինելը հաստատել է Ի․ Բերցելիուսը (1825)։ Սիլիցիումը ամենատարածված տարրերից է՝ կազմում է երկրակեղևի զանգվածի 29,5 %-ը (տարածվածությամբ երկրորդն է, թթվածնից հետո)։
Մաքուր վիճակում առաջին անգամ հայտնաբերվել է 1811 թվականին ֆրանսիացի գիտնական Ժոզեֆ Լուի Գեյ-Լյուսակի և Լուի Ժակ Թենարի կողմից։

Անվան ծագում 
1825 թվականին շվեդ քիմիկոս Յակոբ Բերցելյուսի ազդելով մետաղական կալիումով սիլիցիումի ֆտորիդի վրա SiF4 ստացավ մաքուր սիլիցիում։ Նոր ստացված տարրն վաղուց անվանել էին «սիլիցիում» ( - կայծքար)։ Թարգմանաբար  - «ժայռ, լեռ»։

Բնության մեջ 
Թթվածնից հետո սիլիցիումը բնության մեջ ամենատարածված էլեմենտն է։ Նա կազմում է երկրի կեղևի կշռի 1/4 մասը և այնպիսի կարևոր դեր է խաղում անկենդան աշխարհում, որպիսին ածխածինը կենդանի բնության մեջ։ Ի տարբերությոն ածխածնի, սիլիցիումը բնության մեջ ազատ վիճակում չի հանդիպում։ Նրա բազմաթիվ միացությունները կազմում են լեռնատեսակների (գրանիտներ, գնեյսներ, բազալտներ) և հանքերի հսկայական մեծամասնությունը (կվարց, դաշտաշպատներ, փայլար և այլն)։ Ավազը և կավը, որոնք կազմում են հողի հանքային մասը, նույնպես սիլիցիումի միացություններ են հանդիսանում։ Ծովի ջրերում կոնցենտրացիան հավասար է 3 մգ/լ։

Կենդանի օրգանիզմներում սիլիցիումի պարունակությունը փոքր է, գտնվում է հիմնականում կարծր հյուսվածքներում։ Կուտակվում է ծովային որոշ բույսերում (դիատոմային ջրիմուռներ) և կենդանիներում (սիլիցիումեղջրային սպունգներ, ճառագայթավորներ), պարունակվում է նաև երիկամներում, ենթաստամոքսային գեղձում, հացահատիկային բույսերի ցողուններում։ Մարդու մեկ օրվա սնունդը պարունակում է մինչև 1 գ սիլիցիում։ Սիլիկահողի փոշու մեծ պարունակությունն օդում վտանգավոր է՝ առաջացնում է սիլիկոզ։

Ստացում 
Տեխնիկական սիլիցիումը (95-98 %) ստանում են քվարցը էլեկտրական վառարաններում ածխածնով վերականգնելով։ Ստացված սիլիցումը լվանում են աղաթթվի և ծծմբական թթվի, ապա ֆտորաջրածնական և ծծմբական թթուների խառնուրդներով։ Ստացվում է մաքուր սիլիցիում (99,98 %), որը մշակում են քլորով (քլորիդները թորում են, վերականգնում ջրածնով)։ Վերջնական մաքրումն իրականացնում են Չոխրալսկու և զոնային հալման եղանակով։

Ստացվում են հատուկ մաքրության միաբյուրեղներ, որոնց ρ≥103 օհմ-սմ (խառնուրդների պարունակությունը 10−5-10−6 % է)։

«Սիլիցիումը ստանում են՝ բարձր ջերմաստիճանում փոխազդեցության մեջ դնելով քվարցային ավազը մագնեզիումի հետ.
 
Այդպես է ստացվում շականակագույն փոշի ամորֆ սիլիցիում»։

Սիլիցիումը ստանում են էլեկտրական վառարաններում, բարձր ջերմաստիճաններում սիլիցիումի դիօքսիդը (ավազը) ածուխով վերականգնելով՝
 

Առավել մաքուր սիլիցիում ստանում են սիլիցիումի քլորիդի և ցինկի գոլորշիների փոխազդեցության միջոցով.

Ֆիզիկական հատկություններ 

Սիլիցիումը մուգ մոխրագույն, բյուրեղական նյութ է, թույլ մետաղական փայլով, հալ․ ջերմաստիճանը՝ 1415 °C, եռմանը՝ 3250 °C, խտությունը՝ 2328 կգ/մ3։ Կիսահաղորդիչ է, էլեկտրա- և ջերմահաղորդականությունը կախված է մաքրության աստիճանից։ Սիլիցիումի սեփական ծավալային տեսակարար էլեկտրադիմադրությունը 2,3•103 օհմ է, խառնուրդներ պարունակողինը՝ շատ ավելի փոքր։

Դիամագնիսական է, բարձր ճնշումների (120-150 կբար) տակ առաջանում է սիլիցիումի մետաղական ձևափոխությունը, որը գերհաղորդիչ է (անցման կետը 6,7 K)։ Հայտնի է նաև ամորֆ ձևափոխությունը։ Սիլիցիումը p-տարր է, ատոմի էլեկտրոնային թաղանթների կառուցվածքն է 1s2 2s2 2p63s2 Зр2։ Միացություններում քառարժեք է, կոորդինացիոն թիվը՝ 4 կամ 6։ Քիմիական կապերն իրականացվում են sp3 հիբրիդային օրբիտալների միջոցով, երբեմն մասնակցում են նաև դատարկ 3 d օրբիտալներից երկուսը։

Փոքր էլեկտրաբացասականություն (1,5) ունեցող ոչ մետաղ է։

Բյուրեղային սիլիցիումը որոշ նմանություն ունի մետաղների հետ․ նա ունի փայլ և էլէկտրահաղորդականություն․ սակայն թթուների հետ այն չի փոխազդում։ Մանրացված սիլիցիումը զգալի չափով տաքացնելիս օդի մեջ բռնկվում է, գոյացնելով սիլիցիումի դիօքսիդ (SiO</sub>2)՝

Քիմիական հատկություններ 

Սովորական պայմաններում քիմիապես պասիվ է (միանում է միայն ֆտորի հետ)։ Կայուն է թթուների նկատմամբ, լուծվում է ֆտորջրածնական և ազոտական թթուների խառնուրդում, հեշտությամբ՝ ալկալիների տաք լուծույթներում

 

Ջրածնի հետ անմիջականորեն չի միանում, սիլաններն ստացվում են սիլիցիդներից։ Սիիցիումը օդում պատվում է օքսիդի պաշտպանիչ շերտով։ 400 °C-ից բարձր տաքացնելիս օքսիդանում է թթվածնում, առաջացնելով սիլիցիումի երկօքսիդ՝ Si02։ Si-Օ կապը (իոնական է 50 %-ով) չափազանց ամուր է։ Սիլիցիումի երկօքսիդի հիդրատները՝ սիլիկաթթուները, ջրում վատ լուծվող, թույլ թթուներ են։ Պարզագույնը՝ H2Si03 մետասիլիկաթթուն է։ Սիլիցիումի երկօքսիդը, սիլիկաթթուները և նրանց աղերը անօրգանական պոլիմերներ են, որոնցում սիլիցիումի ատոմները իրար են միացած թթվածնի ատոմների միջոցով։
 

Բարձր ջերմաստիճաններում ստացվում է SiO բաղադրության օքսիդ, որը կայուն է գազային ֆազում։ Սիլիցիումը միանում է ֆտորի հետ սենյակային պայմաններում, մյուս հալոգենների հետ՝ տաքացնելիս, առա ջացնելով հալոգենիդներ։ SiF4 գազ է, SiCl4-ը, SiBr4-ը՝ հեղուկներ, ՏH4-ը՝ պինդ, որոնք հիդրոլիզվում են (ստացվում է Si02 և հալոգենաջրածին, ջրի հետ SiF4 փոխազդելիս առաջացնում է H2SiF6)։

Սիլիցիումը քլորի հետ առաջացնում է նաև SinCl2n+2 (ո=1-6) քլորիդներ, մյուս հալոգենների հետ՝ Si2X6 ։ SiCl4-ն օգտագործվում է քսայուղերի, էլեկտրամեկուսիչների, ջերմակիր և այլ նյութերի ար տադրության համար։ Տաքացնելիս սիլիցիումը միանում է ազոտի (1000 °C), ֆոսֆորի (1200 °C), ածխածնի (1300 °C) և այլ ոչ մետաղների հետ։

 

Սիլիցիումի կարբիդը և բորիդները՝ SiB3, SiB6, SiBi2, բարձր կայունության, կարծր նյութեր են։ Կատալիզատորների առկայությամբ սիլիցիումը փոխազդում է քլորօրգանական միացությունների հետ՝ առաջացնելով սիլիցիում օրգանական միացություններ՝ սիլիցիումը լուծվում է հեղուկ մետաղներում, որոնց մեծ մասի հետ առաջացնում է սիլիցիդներ կամ տեղակալման պինդ լուծույթներ։

Օգտագործում 

Կիսահաղորդչային սիլիցիումը լեգիրացնում են անհրաժեշտ խառնուրդներով (սովորաբար միաբյուրեղը ձգելիս) և օգտագործում ջերմաէլեկտրական, ռադիո-լուսատեխնիկական սարքեր, ուղղիչներ և փոխարկիչներ պատրաստելու համար։ Սիլիցիումի փոշուց ստանում են համաձուլվածքներ, սիլիցիդներ և սիլիցիումի կարբիդ։

Տեխնիկական սիլիցիումը և նրա համաձուլվածքները երկաթի հետ օգտագործում են որպես թթվածնազրկողներ և լեգիրացնող հավելանյութեր։
Սիլիցիումը գործադրվում է համաձուլվածքների արտադրության մեջ։ 4% սիլիցիում պարունակող պողպատը օգտագործվում է էլեկտրական տրանսֆորմատորներ պատրաստելու համար։ Ավելի մեծ տոկոս (15% և ավելի) սիլիցիում պարունակող պողպատը թթվակայուն է և կիրառվում է քիմիական ապարատներ պատրաստելու համար։

Սիլիցիումի միացությունը ածխածնի հետ, սիլիցիումի կարբիդը (SiC), կոչվում է կարբորունդ։ Այն իր կարծրությամբ մոտենում է ալմաստին և դրա համար էլ օգտագործվում է հեսանաքարեր, հղկող շրջանակներ պատրաստելու և այլ, այսպես կոչված, հղկման նյոթերի համար։

Տեսեք նաև 
 Պարբերական աղյուսակ
 Տրանզիստոր

Ծանոթագրություններ

Գրականություն 
 Յու․ Վ․ Խոդակով, Լ․ Ա․ Ցվետկով և ուրիշներ։ «Քիմիա», Երևան, 1961։
 Самсонов. Г. В. Силициды и их использование в технике. — Киев, Изд-во АН УССР, 1959. — 204 с. с илл.

Արտաքին հղումներ 
 Սիլիցիումը Webelements-ում
 Սիլիցիումը քիմիական տարրերի հայտնի գրադարանում
 Silicon at The Periodic Table of Videos (University of Nottingham)
 Mineral.Galleries.com – Silicon 
 WebElements.com – Silicon
 CDC – NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards
 New Semiconductor Materials - Ioffe Physicotechnical Institute St. Petersburg, Russia

Կիսամետաղներ
Կիսահաղորդիչներ
Սիլիցիում