Silic

Silic là một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn nguyên tố có ký hiệu Si và số nguyên tử bằng 14
Nó là nguyên tố phổ biến sau oxy trong vỏ Trái Đất (25,8 %), cứng, có màu xám sẫm - ánh xanh kim loại, là á kim có hóa trị +4.
Thuộc tính.
Trong dạng tinh thể, silic có màu xám sẫm ánh kim. Mặc dù là một nguyên tố tương đối trơ, silic vẫn có phản ứng với các halogen và các chất kiềm loãng, nhưng phần lớn acid (trừ tổ hợp acid nitric và acid flohiđric) không tác dụng với nó. Silic nguyên tố truyền khoảng hơn 95% các bước sóng hồng ngoại. Tinh thể silic nguyên chất hiếm tìm thấy trong tự nhiên, thông thường nó nằm trong dạng silic dioxide (SiO2). Các tinh thể silic nguyên chất tìm thấy trong tạp chất của vàng hay dung nham núi lửa. Nó có hệ số kháng nhiệt âm.
Silic hoạt động hóa học kém hơn cacbon là nguyên tố tương tự nó về mặt hóa học. Nó có trong đất sét, fenspat, granit, thạch anh và cát, chủ yếu trong dạng dioxide silic (hay silica) và các silicat (Các hợp chất chứa silic, oxy và kim loại trong dạng R-SiO3).
Lịch sử.
Silic (tên Latinh: "silex", "silicis" có nghĩa là đá lửa) lần đầu tiên được nhận ra bởi Antoine Lavoisier năm 1787, và sau đó đã bị Humphry Davy vào năm 1800 cho là hợp chất. Năm 1811 Gay Lussac và Thénard có lẽ đã điều chế ra silic vô định hình không nguyên chất khi nung nóng kali với tetraflorua silic SiF4. Năm 1824 Berzelius điều chế silic vô định hình sử dụng phương pháp giống như của Lussac. Berzelius cũng đã làm tinh khiết sản phẩm bằng cách rửa nó nhiều lần.
Vì silic là nguyên tố quan trọng trong các thiết bị bán dẫn và công nghệ cao, nên khu vực công nghệ cao ở California được đặt tên là "Silicon Valley" (Thung lũng Silicon), tức đặt tên theo nguyên tố này.
Ứng dụng.
Silic là nguyên tố rất có ích, là cực kỳ cần thiết trong nhiều ngành công nghiệp. Dioxide silic trong dạng cát và đất sét là thành phần quan trọng trong chế tạo bê tông và gạch cũng như trong sản xuất xi măng Portland. Silic là nguyên tố rất quan trọng cho thực vật và động vật. Silica dạng nhị nguyên tử phân lập từ nước để tạo ra lớp vỏ bảo vệ tế bào. Các ứng dụng khác có:
Sự phổ biến.
Silic là thành phần cơ bản của các loại aerolit là một loại của các thiên thạch và của các tektit là dạng tự nhiên của thủy tinh.
Theo khối lượng, silic chiếm 29,5% vỏ Trái Đất, là nguyên tố phổ biến thứ hai sau oxy. Silic nguyên tố không tìm thấy trong tự nhiên. Nó thường xuất hiện trong các oxide và silicat. Cát, amêtít, mã não ("agate"), thạch anh, đá tinh thể, đá lửa, jatpe, và opan là những dạng tự nhiên của silic dưới dạng oxide. Granit, amiăng, fenspat, đất sét, hoócblen, mica là những dạng khoáng chất silicat.
Sản xuất.
Silic được sản xuất công nghiệp bằng cách nung nóng silica siêu sạch trong lò luyện bằng hồ quang với các điện cực cacbon. Ở nhiệt độ trên 1900 °C, Silic lỏng được thu hồi ở đáy lò, sau đó nó được tháo ra và làm nguội. Silic sản xuất theo công nghệ này gọi là silic loại luyện kim và nó ít nhất đạt 99% tinh khiết. Năm 2000, silic loại này có giá khoảng $ 0,56 trên một pao ($1,23/kg). .
Làm tinh khiết.
Việc sử dụng silic trong các thiết bị bán dẫn đòi hỏi phải có độ tinh khiết cao hơn so với sản xuất bằng phương pháp trên. Có một số phương pháp làm tinh khiết silic được sử dụng để sản xuất silic có độ tinh khiết cao.
Phương pháp vật lý.
Các kỹ thuật làm tinh khiết silic đầu tiên dựa trên cơ sở thực tế là nếu silic nóng chảy và sau đó đông đặc lại thì những phần cuối khi đông đặc bao giờ cũng chứa nhiều tạp chất. Các phương pháp sớm nhất để làm tinh khiết silic, lần đầu tiên được miêu tả năm 1919 và sử dụng trong một số hữu hạn nền tảng để sản xuất các thành phần của rađa trong Đại chiến thế giới lần thứ hai, bao gồm việc đập vỡ silic phẩm chất công nghiệp và hòa tan từng phần bột silic trong acid. Khi bị đập vỡ, silic bị làm vỡ để những khu vực có nhiều tạp chất yếu hơn sẽ nằm ra phía ngoài của các hạt silic được tạo ra, chúng sẽ bị acid hòa tan, để lại sản phẩm tinh khiết hơn.
Trong khu vực nung chảy, phương pháp đầu tiên làm tinh khiết silic được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, các thỏi silic phẩm cấp công nghiệp được nung nóng tại một đầu. Sau đó, nguồn nhiệt chuyển động rất chậm dọc theo chiều dài của thỏi, giữ cho chỉ một đoạn ngắn của thỏi nóng chảy và silic được làm nguội và tái đông đặc ở phía sau nó. Vì phần lớn các tạp chất có xu hướng nằm trong phần nóng chảy hơn là trong phần tái đông đặc, nên khi quá trình này kết thúc, phần lớn tạp chất của thỏi sẽ chuyển về đầu nóng chảy sau cùng. Đầu này sau đó bị cắt bỏ, và quy trình này được lặp lại nếu muốn có silic với phẩm cấp cao hơn.
Phương pháp hóa học.
Ngày nay, silic được làm sạch bằng cách chuyển nó thành các hợp chất silic để dễ dàng làm tinh khiết hơn là làm tinh khiết trực tiếp silic, và sau đó chuyển hợp chất của nó trở lại thành silic nguyên chất. Triclorosilan là hợp chất của silic được sử dụng rộng rãi nhất như chất trung gian, mặc dầu tetrachloride silic và silan cũng được sử dụng. Khi các khí này được thổi qua silic ở nhiệt độ cao, chúng phân hủy để tạo ra silic có độ tinh khiết cao.
Trong công nghệ Siemens, các thỏi silic có độ tinh khiết cao được đưa vào triclorosilan ở nhiệt độ 1150 °C. Khí triclorosilan phân hủy và lắng đọng silic bổ sung trên thỏi, làm to nó theo phản ứng sau:
Silic sản xuất từ phương pháp này và các công nghệ tương tự gọi là "silic đa tinh thể". Silic đa tinh thể thông thường có tạp chất ở mức một phần tỷ hoặc thấp hơn.
Cùng thời gian đó, DuPont đã sản xuất silic siêu sạch bằng cách cho tetrachloride silic phản ứng với hơi kẽm nguyên chất ở nhiệt độ 950 °C, theo phản ứng:
Tuy nhiên, kỹ thuật này đã vấp phải những vấn đề thực tế (chẳng hạn như sản phẩm phụ chloride kẽm đông đặc lại và dính vào sản phẩm) và cuối cùng nó đã bị bỏ đi để sử dụng chỉ mỗi công nghệ Siemens.
Tinh thể hóa.
Công nghệ Czochralski thông thường được sử dụng để sản xuất các tinh thể silic đơn có độ tinh khiết cao để sử dụng trong các thiết bị bán dẫn bằng silic ở trạng thái rắn.
Đồng vị.
Silic có chín đồng vị, với số A từ 25 đến 33. Si28 (đồng vị phổ biến nhất, 92,23%), Si29 (4,67%) và Si30 (3,1%) là ổn định; Si32 là đồng vị phóng xạ sản xuất bằng phân rã agon. Chu kỳ bán rã của nó, được xác định là khoảng 276 năm, và nó phân rã bằng bức xạ beta thành P32 (có cả chu kỳ bán rã 14,28 năm) và sau đó thành Si32.
Cảnh báo.
Các bệnh nghiêm trọng về phổi được biết đến như bệnh nhiễm silic ("silicosis") thường gặp ở những người thợ mỏ, cắt đá và những người phải làm việc trong môi trường nhiều bụi silic.