Pii (alkuaine)

Pii on puolimetalli, joka on maankuoren toiseksi yleisin alkuaine. Piin kemiallinen merkki on Si (). Alkuaineen atomimassa IUPACin standardin mukaisesti on [28,084; 28,086] amu.
Esiintyminen luonnossa.
Pii on maankuoren toiseksi yleisin alkuaine. Sen osuus on 25,7 % maankuoren massasta; yleisin alkuaine on happi, jota on 49,5 %. Piin tavallisimpia luonnossa esiintyviä yhdisteitä ovat piidioksidi SiO2 ja silikaatit, jotka koostuvat piistä, hapesta ja metalleista. Hiekassa ja kvartsissa on pääosin SiO2:a, savessa, asbestissa, kiilteessä, sarvivälkkeessä, maasälvässä ja graniitissa puolestaan silikaatteja. Pii on pääkomponenttina eräissä meteoroidityypeissä sekä tektiiteissä, jotka ovat luonnossa muodostunutta lasia.
Monet arvostetut puolijalokivet ovat silikaattimineraaleja, kuten muun muassa ametisti, jaspis ja vuorikristalli. Puhdas pii on erittäin harvinaista luonnossa: sitä on tavattu vain satunnaisesti pieniä määriä tulivuorista purkautuneissa aineissa sekä sulkeumina kultahipuissa.
Ominaisuuksia.
Kiteisellä (puhtaalla, kiinteällä) piillä on metallinen kiilto ja sinertävä värisävy. Sen kiderakenne on timanttimainen. Pii kuuluu samaan jaksollisen järjestelmän ryhmään kuin hiili ja muistuttaa sitä joiltakin kemiallisilta ominaisuuksiltaan. Pii on kuitenkin hiiltä passiivisempi. Tosin se reagoi halogeenien ja monien emästen kanssa. Useimmat hapot eivät vaikuta siihen, lukuun ottamatta typpihapon (HNO3) ja fluorivetyhapon (HF) seosta.
Piin yhdisteet.
Yhdisteissään pii esiintyy tavallisesti hapetusasteella +IV, harvoin +II tai (silaanissa) -IV. Pii sitoutuu muihin alku­aineisiin ko­valent­ti­sesti, joskin piitetrafluoridilla on jonkin verran ioniyhdisteenkin luonnetta.
Piin pysyvin yhdiste on piidioksidi. Se on kiteinen aine, jota on luonnossa runsaasti kvartsina monine muunnoksineen. Piidioksidi on kemialli­sesti erittäin kestävää, mutta vetyfluoridin kanssa se reagoi muodostaen piitetrafluoridia:
SiO2 + 4HF → SiF4 + 2 H2O
Hapen kanssa pii muodostaa myös useita anioneja, sili­kaatteja, joista tavallisimpia ovat ortosilikaatti- (SiO44-), metasilikaatti- (SiO32-) ja disilikaatti-ionit (Si2O52-). Nämä muodostavat eri metallien kanssa ioniyhdisteitä, joita voidaan pitää piihappojen suoloina. Natriumsilikaattia voidaan valmistaa liuottamalla piidioksidia sulatettuun natriumhydroksidiin:
4 NaOH + SiO2 → Na4SiO44-
Natriumsilikaatti on vesiliukoista, ja sen liuos tunnetaan vesilasina. Jos sen väkevään liuokseen lisätään suolahappoa, saadaan silikageelia, joka on hydra­toitu­nutta orto­pii­hapon (H4SiO4) ja pii­di­oksidin seosta.
Jaksollisessa järjestelmässä samaan ryhmään kuuluvan hiilen tavoin myös pii voi katenoitua, toisin sanoen useampi piiatomi voi sitoutua toisiinsa pitkäksi ketjuksi. Tällä tavoin muodostuu yhdisteitä, jotka molekyyli­rakenteeltaan vastaavat hiilen muodostamia orgaanisia yhdisteitä. Yksin­kertaisimpia sellaisia ovat alkaanisarjan hiilivetyjä vastaavat silaanit, joiden molekyyli­rakenne voidaan esittää muodossa SinH2n+2. Nämä ovat kuitenkin selvästi vähemmän vakaita yhdisteitä kuin hiilivedyt.
Silikonit ovat suuri­molekyylisiä, polymeerisia yhdisteitä, jotka sisältävät sekä piitä että hiiltä.
Löytöhistoria.
Antoine Lavoisier kuvasi ensimmäisenä piin vuonna 1787. Humphry Davy erehtyi myöhemmin pitämään sitä yhdisteenä. Vuonna 1811 Gay-Lussac ja Thénard onnistuivat todennäköisesti valmistamaan epäpuhdasta amorfista piitä kuumentamalla kaliumia (K) piitetrafluoridin SiF4 kanssa. Berzelius valmisti amorfista piitä vuonna 1824 käyttäen jokseenkin samanlaista menetelmää kuin Gay Lussac ja Thénard. Berzelius myös puhdisti tuotteensa.
Käyttö.
Puolijohteisiin tarvitaan puhdasta piitä, joka sitten seostetaan pienillä määrillä muita sopivia alkuaineita. Piikarbidi (SiC) on puhtaan piin ohella käytössä puolijohdetekniikassa.
Piidioksidi on pääkomponenttina lasissa, sementissä ja keramiikassa. Silikonit ovat piin tärkeitä polymeerejä, joita käytetään muun muassa voiteluaineissa, liimoissa, saumaus- ja tiivistemateriaaleissa, rintaimplanteissa ja leluissa.
Isotoopit.
Piillä on 23 isotooppia, joiden massaluvut ovat välillä 22–44. Pysyviä isotooppeja ovat 28Si, 29Si ja 30Si. Luonnossa esiintyvästä piistä 92,22 % on isotooppia 28Si, 4,69 % isotooppia 29Si ja 3,09 % isotooppia 30Si. Radioaktiivisia isotooppeja on 20. Niistä pitkäikäisimmät isotoopit ovat 32Si, jonka puoliintumisaika on 153 vuotta, ja 31Si, jonka puoliintumisaika on 157,3 minuuttia. Muiden isotooppien puoliintumisajat ovat alle 7 sekuntia.
Ihmisen ruokavaliossa.
Pii on välttämätön luiden, nivelten ja mukopolysakkaridien (esimerkiksi kollageeni) muodostukselle ja puutos johtaa pitkien luiden epämuodostumiin. Piin parhaat lähteet ovat kokojyvävilja ja juurekset. Saannin tarpeen arvioidaan olevan välillä 21–46 mg/vrk.
Brittiläiset saavat piitä eniten viljatuotteista. Banaanista tulee kokonaiset 10 prosenttia saannista, mutta tällä ei ole juurikaan merkitystä, koska pii imeytyy banaanista huonosti. Vihreät pavut sekä muut pavut ja linssit sekä porkkana, mineraalivesi ja kahvi sisältävät paljon piitä.