Silicon và đặc điểm của nó

Silicon một yếu tố hóa học có ký hiệu hóa học Si và số nguyên tử. Nó là một chất rắn tinh thể cứng, giòn với ánh kim loại màu xanh lam và là một kim loại tetravalent và chất bán dẫn. Nó là thành viên của nhóm 14 trên bảng định kỳ: carbon ở trên Nó; Germanium, thiếc, chì và praseodymium ở dưới nó. Nó tương đối không hoạt động.Do ái lực hóa học cao đối với oxy, phải đến năm 1823, Jakob Berzelius mới có thể chuẩn bị nó và mô tả nó ở dạng tinh khiết. Các oxit tạo thành một họ anion gọi là silicat. Điểm nóng chảy và điểm sôi của nó lần lượt là 1414 ° C và 3265 ° C, xếp thứ hai trong số tất cả các kim loại và phi kim, chỉ đứng sau boron.Silicon là yếu tố phổ biến thứ tám trong vũ trụ theo khối lượng, nhưng hiếm khi xảy ra như một nguyên tố thuần túy trong lớp vỏ trái đất. Nó được phân phối rộng rãi trong không gian trong bụi vũ trụ, tiểu hành tinh và các hành tinh ở các dạng silica khác nhau (silicon dioxide) hoặc silicat. Hơn 90% lớp vỏ trái đất bao gồm các khoáng chất silicat, làm cho silicon trở thành nguyên tố phong phú thứ hai trong lớp vỏ của Trái đất (khoảng 28% theo khối lượng), sau oxy.

Hầu hết silicon được sử dụng thương mại mà không có sự cô lập, thường với việc xử lý tối thiểu khoáng chất tự nhiên. Sử dụng bao gồm xây dựng công nghiệp sử dụng đất sét, cát silica và đá. Bê tông cho vỉa hè, nền móng và đường. Chúng cũng được sử dụng trong gốm trắng như sứ, cũng như thủy tinh vôi soda truyền thống và nhiều loại kính đặc biệt khác. -Strong gốm sứ.silicon là cơ sở của silicon polymer tổng hợp được sử dụng rộng rãi.

Cuối thế kỷ 20 đến đầu thế kỷ 21 được gọi là Thời đại Silicon (còn được gọi là Thời đại kỹ thuật số hoặc Thời đại thông tin) do tác động to lớn của yếu tố Silicon đối với nền kinh tế thế giới hiện đại. Silicon nguyên tố độ tinh khiết cao (<10% [cần trích dẫn]) được sử dụng trong thiết bị điện tử bán dẫn là rất quan trọng đối với các bóng bán dẫn và chip mạch tích hợp được sử dụng trong hầu hết các công nghệ hiện đại như điện thoại thông minh và máy tính khác. Trong năm 2019, 32,4% thị trường bán dẫn đã được sử dụng trong các thiết bị kết nối và truyền thông, và ngành công nghiệp bán dẫn dự kiến ​​sẽ đạt 726,73 tỷ đô la vào năm 2027.Silicon là một yếu tố thiết yếu trong sinh học. Hầu hết các động vật chỉ cần dấu vết, nhưng một số bọt biển và vi khuẩn, chẳng hạn như tảo cát và phóng xạ, cấu trúc xương tiết ra bằng silica. Silica được lắng đọng trong nhiều mô thực vật.

Đặc trưng

Thể chất và nguyên tử:

Một nguyên tử silicon có mười bốn electron. Ở trạng thái cơ bản, chúng được sắp xếp trong cấu hình điện tử [NE] 3S23P2. Trong số này, bốn là các electron hóa trị, chiếm quỹ đạo 3s và hai quỹ đạo 3p. Và chì, nó có cùng số lượng electron hóa trị với các quỹ đạo hóa trị: do đó, nó có thể hoàn thành octet của nó và đạt được sự trơ nhất ổn định bằng cấu hình argon gas tạo thành quỹ đạo lai SP3, tạo thành tứ diện sáu.4 dẫn xuất trong đó nguyên tử silicon trung tâm chia sẻ một cặp electron với mỗi trong bốn nguyên tử mà nó được liên kết. Bốn năng lượng ion hóa đầu tiên của silicon là 786.3, 1576.5, 3228.3 và 4354,4 kJ/mol; Những con số này đủ cao để loại trừ khả năng hóa học cation đơn giản của nguyên tố. Theo dõi xu hướng định kỳ, bán kính cộng hóa trị liên kết của nó là 117,6 chiều, nằm giữa carbon (77,2 pm) và germanium (122.3 pm).

Điện

Ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn, silicon là một chất bán dẫn sáng bóng với ánh kim loại màu xanh xám; Là một chất bán dẫn điển hình, điện trở suất của nó giảm khi nhiệt độ tăng. Điều này xảy ra vì silicon có khoảng cách năng lượng nhỏ (bandgap) giữa mức năng lượng chiếm cao nhất của nó giữa các dải hóa trị và dẫn truyền và là năng lượng mà tại đó một trạng thái có khả năng bị chiếm bởi các electron. Do đó, silicon tinh khiết thực sự là một chất cách điện ở nhiệt độ phòng. Một electron bổ sung trên mỗi dopant, sau đó có thể được kích thích về mặt nhiệt hoặc quang điện vào dải dẫn, tạo thành chất bán dẫn loại N. Tương tự như vậy, doping silicon với các yếu tố nhóm 13 như boron, nhôm hoặc gallium dẫn đến việc giới thiệu các mức độ chấp nhận mà bẫy các electron có thể bị kích thích từ dải hóa trị được lấp đầy, tạo thành một loại bán dẫn loại P -type silicon tạo ra một ngã ba p-n với mức độ fermi chung; Các electron chảy từ N đến P, trong khi các lỗ chảy từ P đến N, tạo ra một giọt điện áp. Vì vậy, ngã ba p-n này hoạt động giống như một diode và chỉnh lưu dòng điện xen kẽ, giúp dòng điện dễ dàng chảy theo một chiều chứ không phải là bóng bán dẫn là một điểm nối N-P-N với một lớp silicon loại P yếu giữa hai loại N giữa các vùng. Khai thác bộ phát bằng một điện áp chuyển tiếp nhỏ và bộ thu bằng một điện áp đảo ngược lớn cho phép bóng bán dẫn hoạt động như một bộ khuếch đại Triode.

Cấu trúc tinh thể

Trong điều kiện tiêu chuẩn, silicon kết tinh trong các cấu trúc cộng hóa trị khổng lồ, đặc biệt là trong mạng lưới khối kim cương (nhóm không gian 227). Do đó, nó có điểm nóng chảy cao là 1414 ° C vì cần rất nhiều năng lượng để phá vỡ các liên kết cộng hóa trị mạnh và làm tan chảy silicon tan chảy, mạng lưới liên kết tứ diện tầm xa bị phá vỡ và các khoảng trống trong mạng được lấp đầy, tương tự như băng nước khi các liên kết hydro bị phá vỡ trong quá trình nóng chảy. Nó không có bất kỳ phân bổ ổn định nhiệt động ở áp suất tiêu chuẩn, nhưng một số cấu trúc tinh thể khác được biết đến ở áp suất cao hơn. Xu hướng chung là số phối hợp tăng theo áp suất, Cuối cùng tạo thành một phân bổ đóng gói hình lục giác khoảng 40 GPa, được gọi là SI-VII (biến thể tiêu chuẩn là SI-I). .

Silicon sôi ở 3265 ° C: mặc dù cao, nhưng nó vẫn thấp hơn nhiệt độ mà tại đó carbon carbon nhẹ hơn của nó (3642 ° C) và nhiệt của quá Tỷ lệ của liên kết Si Si Si với C. liên kết C là yếu.Các lớp silicene giống như graphene cũng có thể được xây dựng.

Đồng vị

Silicon xuất hiện tự nhiên bao gồm ba đồng vị ổn định, 28SI (92,23%), 29SI (4,67%) và 30SI (3,10%). spin (i = 1/2). Tất cả ba được sản xuất bởi quá trình đốt oxy trong các siêu tân tinh Ia loại IA [49] [50], trong đó 28SI được sản xuất như một phần của quá trình alpha và do đó là cầu chì nhất.28SI với alpha các hạt trong các ngôi sao thông qua sự sắp xếp lại photodecay, một quá trình được gọi là đốt silicon; Đây là giai đoạn cuối cùng của nucleos tổng hợp trước khi ngôi sao nhanh chóng sụp đổ và phát nổ dữ dội trong một siêu tân tinh loại II.

Hai mươi radioisotopes đã được đặc trưng, ​​hai lần ổn định nhất là 32Si với thời gian bán hủy khoảng 150 năm và 31SI với thời gian bán hủy là 2,62 giờ. Cuộc sống ít hơn một phần mười của một giây.Silicon có một đồng phân hạt nhân đã biết, 34msi, với thời gian bán hủy dưới 210 NS.32SI trải qua quá trình phân rã beta năng lượng thấp đến 32p và sau đó ổn định đến 32s. 31SI có thể được sản xuất bằng cách kích hoạt neutron của silicon tự nhiên và do đó có thể được sử dụng để phân tích định lượng; Nó có thể dễ dàng được phát hiện bởi sự phân rã beta đặc trưng 31p ổn định của nó, trong đó các electron phát ra mang năng lượng lên tới 1,48 MeV.

Các đồng vị được biết của silicon có khối lượng từ 22 đến 44. Chế độ phân rã phổ biến nhất đối với các đồng vị có khối lượng thấp hơn ba đồng vị ổn định là sự phân rã beta ngược, với sự hình thành chủ yếu của đồng vị nhôm (13 proton) là sản phẩm phân rã. Chế độ phân rã phổ biến nhất cho các đồng vị không ổn định nặng hơn là sự phân rã beta, với sự hình thành chiếm ưu thế của đồng vị phốt pho (15 proton) là sản phẩm phân rã.Silicon có thể xâm nhập vào đại dương thông qua vận chuyển nước ngầm và sông. Đầu vào nước ngầm số lượng lớn có thành phần đồng vị khác so với đầu vào silicon Fluvial. Trong các giá trị đồng vị nước sâu trong các lưu vực đại dương khác nhau trên thế giới. Giữa Đại Tây Dương và Thái Bình Dương, có độ dốc 30Si nước sâu lớn hơn 0,3 ‰ .30SI thường liên quan đến năng suất.