Silicijev oksid. Metoda pridobivanja silicija iz njegovega oksida Silicijev oksid 4 pridobi silicij

Izum je namenjen proizvodnji silicija iz njegovega oksida v obliki zlitine silicija in železa z redukcijo silicija in železovih oksidov iz nasipne mase z nizko vsebnostjo silicija s trdnim ogljikom pri temperaturah nekoliko nad tališčem silicija. Metoda vključuje oblikovanje reakcijskega volumna peči na osnovi natrijevega fluorida, ustvarjanje rudno-termičnega talilnega režima v reakcijskem volumnu, nalaganje v reakcijski volumen polnila, ki vsebuje masivne okside silicija, železa in aluminijevega oksida, in ogljikovo redukcijsko sredstvo, ki tali polnitev pri 1450 - 1550 °C in odstrani talilni produkt iz reakcijskega volumna. Grafitni odpadki iz oblog aluminijevih elektrolitskih celic se uporabljajo kot redukcijsko sredstvo, ki vsebuje ogljik. 1 z. postavke f-ly, 1 miza.

Izum se nanaša na pirometalurgijo, zlasti na proizvodnjo silicija iz njegovega oksida, in se lahko uporablja za proizvodnjo ferosilicija. Znana je reakcija redukcije silicijevega oksida z ogljikom:

SiO 2 +2C--->Si+2CO (1)

Glede na delo je mogoče spremembo Gibbsovega termodinamičnega potenciala izračunati z uporabo enačbe:

G 0 T = 697390-359.07T,

Zato je G 0 T = 0 in Kр = 1 pri 1943 K (1670 o C). To pomeni, da je teoretično za začetek redukcije silicijevega dioksida s trdnim ogljikom po reakciji (1) potrebna temperatura 1670 o C. Znana je elektrotermična metoda za proizvodnjo silicija v obliki njegove spojine z ogljikom (silicijev karbid). ) z redukcijo silicijevega oksida z ogljikom v močnih električnih pečeh. Pri znanem postopku sestoji šarža za proizvodnjo silicijevega karbida iz silicijevega oksida v obliki kremenčevega peska in petrolkoksa. Redukcija silicijevega oksida s koksnim ogljikom poteka pri temperaturah 2200-2500 o C, grelni element peči pa je jedro iz grudastega ogljikovega materiala. Ko se SiO 2 reducira z ogljikom, nastane silicijev karbid kot ciljni produkt v trdni obliki z reakcijo:

SiO 2 +3C--->SiC+2CO (2)

G 0 T = 555615-322,11T kal,

Zato je G 0 T = 0 in Kр = 1 pri 1725 K (1452 o C). Pomanjkljivost znane metode pridobivanja silicija v obliki silicijevega karbida je visoka temperatura postopka. Obstaja elektrotermična metoda za proizvodnjo silicija v obliki njegove zlitine z aluminijem (silikoaluminij) s skupno redukcijo silicija in aluminijevih oksidov z ogljikom. Pri znani metodi je polnilo za proizvodnjo silikoaluminija sestavljeno iz kvarcita (SiO 2), aluminijevega oksida (Al 2 O 3) in mulita (3Al 2 O 3 2SiO 2), kot reducent pa se uporablja plinski premog in naftni koks. Redukcija mulita je opisana z enačbo:

2/13(3Al 2 O 3 2SiO 2)+ 2C--->4/13Si+12/13Al+2CO (3)

G 0 T = 810828-365,1T kal,

Zato je G 0 T = 0 in Kр = 1 pri 2221 K (1947 o C). Pomanjkljivost elektrotermične metode pridobivanja silicija v obliki silicij-aluminija je visoka temperatura procesa in s tem povezana potreba po uporabi redukcijskih peči za rudo. Znana je metoda za proizvodnjo kovin in zlitin, vključno s silicijem v obliki njegove zlitine z železom, izbranim kot najbližji analog. (RF patent N 2130500, C 22 B 5/10, 1999). Metoda vključuje oblikovanje reakcijskega volumna peči na osnovi halogenida alkalijske kovine, ustvarjanje načina termičnega taljenja rude v reakcijskem volumnu peči, nalaganje polnila, ki vsebuje masivne okside silicija, železa in aluminijevega oksida ter ogljikovo redukcijsko sredstvo v reakcijski volumen, zmanjšanje talilnega polnjenja in odstranjevanje produkta taljenja iz reakcijskega volumna. Namen izuma je pridobiti silicij iz njegovega oksida v obliki zlitine silicija z železom (ferosilicij) z redukcijo silicija in železovih oksidov s trdnim ogljikom iz nasipne mase z nizko vsebnostjo silicijevega dioksida in visoko vsebnostjo aluminijevega oksida pri temperature nekoliko nad tališčem silicija. Ta tehnični rezultat je dosežen z dejstvom, da je pri metodi proizvodnje silicija iz njegovega oksida, vključno s tvorbo reakcijskega volumna peči na osnovi halogenida alkalijske kovine, ustvarjanje načina taljenja rude v reakcijskem volumnu peč, nalaganje polnila, ki vsebuje masivne okside silicija, železa in aluminijevega oksida v reakcijski volumen peči, in ogljikovo redukcijsko sredstvo, redukcijsko taljenje polnjenja in odstranitev produkta taljenja iz reakcijskega volumna, natrijev fluorid se uporablja kot halid alkalijske kovine, taljenje pa poteka pri temperaturi 1450-1550 o C, medtem ko se kot reducent uporablja grafitni odpadek iz obloge aluminijevih elektrolizerjev. Metoda se izvaja na naslednji način. Natrijev fluorid se naloži v kopel električne peči za redukcijo rude, ki je obložena z ogljikovo maso ali predstavlja vodno hlajeno kovinsko ohišje, se stopi v obločnem načinu in prenese v tekoče stanje v rudno-termičnem načinu. Nato se v kopel peči naloži množična polnitev, ki vsebuje silicijeve in železove okside (vsebnost aluminijevega oksida lahko doseže nekaj odstotkov). Po tem se stehiometrična količina ogljikovega reducenta naloži v kopel peči. Trden ogljik, ki lebdi na površini taline, reducira silicijeve in železove okside, raztopljene v talini natrijevega fluorida, in nastala kovinska zlitina pade na dno peči. Cikel vlaganja polnila v talino - redukcija se večkrat ponovi, nastali ferosilicij pa ostane v peči (taljenje na bloku) ali pa se odstrani skozi izhod iz peči. Uporabo natrijevega fluorida, ki ima tališče 996 o C, pojasnjujemo z dejstvom, da je njegova gostota v staljeni obliki 1,961 g/cm 3 . Silicij z gostoto 2,42 g/cm 3, ki se reducira iz silicijevega dioksida, raztopljenega v natrijevem fluoridu, spustimo na dno peči. (Poskusi obnovitve silicija iz njegovega oksida, raztopljenega v talini fluorita CaF 2, so pripeljali do dejstva, da je reducirani silicij plaval na površino taline kalcijevega fluorida z gostoto 2,599 g / cm 3 in oksidiral - zgorel). Primer predlagane metode. V poskusu je bila uporabljena elektroobločna peč RKZ-2FS-N1, ki je imela kopel s premerom 1435 mm, obloženo z grafitom in opremljeno z odvodno luknjo v srednjem delu ohišja. Napetost v peč je bila dovedena preko treh grafitnih elektrod premera 150 mm, ki jih je napajal trifazni transformator z močjo 2000 kVA. V kopel peči smo naložili natrijev fluorid (vsebnost NaF - 80%) v količini 1000 kg in 50 kg metaliziranih kroglic za vžig obloka. Natrijev fluorid je bil taljen v obločnem načinu in preveden v tekoče stanje v rudno-termičnem načinu. Višina taline natrijevega fluorida je bila 180 mm. Ko je talina dosegla temperaturo 1370 o C, je bilo v talino naloženo 1000 kg rude z velikostjo delcev 0,1-5,0 mm naslednje kemične sestave (%): SiO 2 - 70,3; Al2O3 - 4,46; CaO - 4,39; Fe 2 O 3 - 3,52; MgO - 0,84; V2O3 - 0,67; Pb - 0,05; Zn - 0,05; Cu - 0,03; Corg - 7,64; Skupaj - 1.12. Ko je talina dosegla temperaturo 1550 o C, je bilo v talino naloženo 500 kg mlinskega kamna z velikostjo delcev 5-20 mm, ki je skoraj v celoti sestavljen iz železovega oksida FeO. Kot reducent je bil uporabljen metalurški koks z velikostjo delcev 10-50 mm, ki vsebuje 80% ogljika, v količini 300 kg. Proces redukcije je bil zabeležen z zgorevanjem ogljikovega monoksida nad kopeljo peči. Trajanje taljenja od začetka nalaganja šarže je bilo 4 ure. 20 minut, nato pa sta kovino in žlindro prelili skozi izhod iz peči v rezervoar za žlindro.

ZAHTEVEK

Silicijev IV oksid TU 6-09-3379-79

SiO2

Silicijev dioksid (silicijev dioksid, SiO2; lat. silicijev dioksid) - silicijev (IV) oksid. Brezbarvni kristali s tališčem +1713…+1728 °C, ki imajo visoko trdoto in moč.

Silicijev dioksid je glavna sestavina skoraj vseh kopenskih kamnin, zlasti diatomejske zemlje. 87 % mase litosfere sestavljajo kremen in silikati. V človeški krvi in ​​plazmi je koncentracija silicijevega dioksida 0,001 mas. %.

Lastnosti

• Spada v skupino kislinskih oksidov.
• Pri segrevanju reagira z bazičnimi oksidi in alkalijami.
• Reagira s fluorovodikovo kislino.
• SiO 2 spada v skupino steklotvornih oksidov, to je, da je nagnjen k nastanku prehlajene taline - stekla.
• Eden najboljših dielektrikov (ne prevaja električnega toka, če ne vsebuje primesi in se ne segreva).

Polimorfizem

Silicijev dioksid ima več polimorfov.

Najpogostejši med njimi na površini zemlje - α-kremen - kristalizira v trigonalnem sistemu. V normalnih pogojih se silicijev dioksid najpogosteje nahaja v polimorfu α-kremena, ki pri temperaturah nad +573 °C reverzibilno prehaja v β-kremen. Z nadaljnjim zviševanjem temperature se kremen spremeni v tridimit in kristobalit. Ti polimorfi so stabilni pri visokih temperaturah in nizkih tlakih.

V naravi so tudi oblike – opal, kalcedon, kvarcin, lutecit, avtigeni kremen, ki spadajo v skupino kremena. Opal (SiO 2 *nH 2 O) v tankem rezu je brezbarven, izotropen, ima negativen relief, odlaga se v morskih rezervoarjih in je del mnogih silikatnih kamnin. Kalcedon, kremen, lutecit - SiO 2 - so kriptokristalne različice kremena. Tvorijo vlaknate agregate, rozete, sferulite, brezbarvne, modrikaste, rumenkaste. Med seboj se razlikujeta po nekaterih lastnostih - kalcedon in kvarcin imata direktno ekstincijo, lutecit poševno ekstincijo, kalcedon pa negativni raztezek.

Pri visokih temperaturah in tlakih se silicijev dioksid najprej pretvori v koesit (ki ga je leta 1953 sintetiziral ameriški kemik Loring Coes) in nato v stišovit (ki ga je leta 1961 sintetiziral S. M. Stishov, leta 1962 pa je bil odkrit v meteoritskem kraterju ) [ vir ni naveden 2294 dni ] . Po nekaterih raziskavah stišovit predstavlja pomemben del plašča, zato vprašanje, kateri tip SiO 2 je najpogostejši na Zemlji, še nima jasnega odgovora.

Ima tudi amorfno modifikacijo - kremenčevo steklo.

Kemijske lastnosti

Silicijev dioksid SiO 2 je kisli oksid, ki ne reagira z vodo.

Kemično odporen na kisline, vendar reagira s plinom vodikov fluorid:

in fluorovodikova kislina:

Ti dve reakciji se pogosto uporabljata za jedkanje stekla.

Pri spajanju SiO 2 z alkalijami in bazičnimi oksidi, pa tudi s karbonati aktivnih kovin nastanejo silikati - soli zelo šibkih, v vodi netopnih silicijevih kislin s splošno formulo xH 2 O ySiO 2, ki nimajo konstantne sestave. (v literaturi se pogosto omenjajo nesilicijeve kisline in silicijeva kislina, čeprav dejansko govorimo o isti snovi).

Na primer, natrijev ortosilikat je mogoče dobiti:

kalcijev metasilikat:

ali mešanica kalcijevega in natrijevega silikata:

Okensko steklo je izdelano iz silikata Na 2 CaSi 6 O 14 (Na 2 O·CaO·6SiO2).

Večina silikatov nima stalne sestave. Od vseh silikatov sta v vodi topna samo natrijev in kalijev silikati. Raztopine teh silikatov v vodi imenujemo tekoče steklo. Zaradi hidrolize je za te raztopine značilno močno alkalno okolje. Za hidrolizirane silikate je značilna tvorba ne pravih, ampak koloidnih raztopin. Pri nakisanju raztopin natrijevih ali kalijevih silikatov se izloči želatinasta bela oborina hidratiranih silicijevih kislin.

Glavni strukturni element tako trdnega silicijevega dioksida kot vseh silikatov je skupina, v kateri je atom silicija Si obdan s tetraedrom štirih atomov kisika O. V tem primeru je vsak atom kisika povezan z dvema atomoma silicija. Fragmente lahko med seboj povežemo na različne načine. Med silikati so glede na naravo povezav v njihovih fragmentih razdeljeni na otoke, verige, trakove, slojevite, okvirje in druge.

potrdilo o prejemu

Sintetični silicijev dioksid nastane s segrevanjem silicija na temperaturo +400...+500 °C v atmosferi kisika, medtem ko se silicij oksidira v SiO 2 dioksid. Kot tudi toplotna oksidacija pri visokih temperaturah.

V laboratorijskih pogojih lahko dobimo sintetični silicijev dioksid z delovanjem kislin, tudi šibke ocetne kisline, na topne silikate. Na primer:

kremenčeva kislina takoj razpade v vodo in SiO 2, ki se obori.

Naravni silicijev dioksid v obliki peska se uporablja tam, kjer ni potrebna visoka čistost materiala.

Aplikacija

Silicijev dioksid se uporablja pri proizvodnji stekla, keramike, abrazivov, betonskih izdelkov, za proizvodnjo silicija, kot polnilo pri proizvodnji gume, pri proizvodnji kremenčevih ognjevzdržnih materialov, v kromatografiji itd. Kristali kremena imajo piezoelektrične lastnosti in zato se uporabljajo v radiotehniki, ultrazvočnih napravah in vžigalnikih .Amorfni neporozni silicijev dioksid se uporablja v živilski industriji kot pomožna snov E551, ki preprečuje sprijemanje in sprijemanje, parafarmacevtiki (zobne paste), v farmacevtski industriji kot pomožna snov (navedeno v večini farmakopej), kot tudi aditiv za živila ali zdravilo kot enterosorbent.

Umetno proizvedeni filmi silicijevega dioksida se uporabljajo kot izolator pri proizvodnji mikrovezij in drugih elektronskih komponent.

Uporablja se tudi za proizvodnjo optičnih kablov. Uporablja se čisti staljeni silicijev dioksid z dodanimi nekaterimi posebnimi sestavinami.

Silikatni filament se uporablja tudi v grelnih elementih elektronskih cigaret, saj dobro vpija tekočino in se pod segrevanjem tuljave ne sesede.

Veliki prozorni kristali kremena se uporabljajo kot poldragi kamni; brezbarvne kristale imenujemo kamniti kristal, vijolične kristale imenujemo ametisti, rumene kristale pa citrin.

V mikroelektroniki je silicijev dioksid eden glavnih materialov. Uporablja se kot izolacijska plast in tudi kot zaščitni premaz. Pridobiva se v obliki tankih plasti s toplotno oksidacijo silicija, kemičnim nanašanjem iz pare in magnetronskim naprševanjem.

Porozni silicijevi dioksidi

Porozni silicijevi dioksidi se pridobivajo z različnimi metodami.

Silokrom se pridobiva z agregacijo aerosila, ki se nato pridobiva s sežiganjem silana (SiH 4). Za silokrom je značilna visoka čistost in nizka mehanska trdnost. Značilna velikost specifične površine je 60-120 m²/g. Uporablja se kot sorbent v kromatografiji, gumijasto polnilo in kataliza.

Silikagel se pridobiva s sušenjem gela silicijeve kisline. V primerjavi s silokromom je nižje čistosti, vendar ima lahko izjemno razvito površino: običajno od 300 m²/g do 700 m²/g.

Silikonski aerogel je sestavljen iz približno 99,8 % zraka in ima lahko gostoto do 1,9 kg/m³ (samo 1,5-kratna gostota zraka).

Silicijev(II) oksid

Silicijev monoksid se običajno pridobiva s segrevanjem SiO 2 ali silikatov z redukcijskimi sredstvi, kot so vodik, silicij ali premog, na temperature nad ~1100 °C v vakuumu; v tem primeru je najboljši izkoristek dosežen z uporabo silicija kot reducenta. Nastali plinasti monomerni SiO kondenzira v obliki polimera na delih reakcijske naprave, ki se ne segrejejo višje od 400°C - temperatura disproporcioniranja SiO. Na bolj vročih delih naprave se nalaga rjava mešanica silicija in SiO 2, ki sta produkta disproporcioniranja.

Si + SiO 2 > SiO

Tesno zmes fino mletega silicija (>98,5 % silicija) s kalciniranim in fino mletim kremenom največje čistosti (priporočljivo ga je stisniti v tablete) damo v enostransko zaprto cevko iz pitagorejske mase ali sintranega korunda. (bližje zaprtemu koncu). Cev je povezana z visoko vakuumsko črpalko. V cevi se ustvari vakuum 10 -3 --10 -4 mm Hg. Art., nato pa počasi segrejte zaprt konec cevi v električni pečici na približno 1250 ° C, po približno 4 urah se postopek konča. V tistem delu cevi, ki je imel med segrevanjem nižjo temperaturo, je SiO v obliki črne krhke mase, v prehodnem območju cevi, ki je imel med segrevanjem temperaturo 400 - 700 °C, pa je SiO je voluminozna rjava mešanica SiO 2 in silicija. SiO se zlahka loči od sten cevi z lopatico iz nerjavečega jekla. Oksidacija SiO na zraku se običajno začne že pri ~1000°C (čeprav lahko spontano zatleje), zato je treba cev po ohlajanju napolniti z dušikom ali argonom. Ekstrakcija SiO se izvaja tudi v okolju inertnega plina.

Posebej pomembno je, da je prehodna cona cevi, ki je segreta na 400-700°C, kjer nastali SiO ponovno razpade na silicij in SiO 2, čim krajša. To se zgodi pri uporabi keramičnih cevi, ki slabo prevajajo toploto. Nasprotno, pri kovinskih ceveh, ki dobro prevajajo toploto in so priporočljive tudi za proizvodnjo SiO, je ta prehodna cona daljša, zato je izkoristek izjemno nizek.

Plin SiO lahko kondenziramo tudi neposredno v vroči coni na vodno hlajenem "prstu" iz železa ali bakra. V tem primeru se odlaga v vlaknasti obliki.

Silicijev(IV) oksid

V laboratorijskih pogojih lahko dobimo sintetični silicijev dioksid z delovanjem kislin, tudi šibke ocetne kisline, na topne silikate. Na primer:

Na 2 SiO 3 + 2CH 3 COOH > 2CH 3 COONa + H 2 SiO 3

Kremenčeva kislina takoj razpade v vodo in SiO 2, ki se obori.

Sintetični silicijev dioksid nastane s segrevanjem silicija na temperaturo 400--500 °C v atmosferi kisika, medtem ko silicij oksidira v SiO 2 dioksid. Kot tudi toplotna oksidacija pri visokih temperaturah.

Naravni silicijev dioksid v obliki peska se uporablja tam, kjer ni potrebna visoka čistost materiala.

Trenutno poteka delo za pridobitev silicijevega dioksida z največjim izkoristkom. Naj opišemo eno najnovejših okolju prijaznih in skoraj brez odpadkov metod za proizvodnjo silicijevega dioksida visoke čistosti v obliki belih saj ali aerosilne sorte. Ta metoda deluje na naslednji način:

Shema čiščenja kremenčevega koncentrata pred nečistočami.

Staljeni amonijev fluorid, ki je v normalnih pogojih nejedka, trdna, kristalinična snov, je bolj energično sredstvo za fluoriranje kot plinasti vodikov fluorid. Prednost amonijevega fluorida je močna interakcija njegove taline s silicijevim oksidom, ki proizvaja amonijeve silikofluoride, zlasti amonijev heksafluorosilikat (NH 4) 2 SiF 6, ki je v normalnih pogojih neagresiven, visoko vodotopen prah. Pri segrevanju (NH 4) 2 SiF 6 sublimira brez razgradnje, pri ohlajanju pa desublimira – to lastnost se uporablja za odstranjevanje nečistoč iz kremenčevega koncentrata.

Na stopnji nanašanja hidriranega silicijevega oksida se uporablja regenerirana amonijakova voda, ki nastane kot posledica interakcije prvotnega silicijevega oksida (kremenčevega peska) z amonijevim fluoridom. Tako je razvita tehnologija amonijevega fluorida za proizvodnjo silicijevega oksida praktično brez odpadkov, saj uporablja reagente, ki se regenerirajo v tehnološkem ciklu.

(Silicij), Si - kemični. element IV. skupine periodnega sistema elementov; pri. n. 14, pri. m. 28.086. Kristalni silicij je temno siva snov s smolnatim leskom. V večini spojin ima oksidacijska stanja - 4, +2 in +4. Naravni silicij je sestavljen iz stabilnih izotopov 28Si (92,28 %), 29Si (4,67 %) in 30Si (3,05 %). Dobljeni so bili radioaktivni 27Si, 31Si in 32Si z razpolovnimi dobami 4,5 sekunde, 2,62 ure in 700 let. K. so 1811 prvi izolirali Francozi. kemik in fizik J. L. Gay-Lussac in francoski. kemik L. J. Tenar, vendar ga je šele leta 1823 identificiral Šved, kemik in mineralog J. J. Berzelius.

Silicij je drugi najpogostejši element v zemeljski skorji (27,6 %) (za kisikom). Nahaja se preim. v obliki silicijevega dioksida Si02 in drugih snovi, ki vsebujejo kisik (silikati, aluminosilikati itd.). Pri normalnih pogojih nastane stabilna polprevodniška modifikacija bakra, za katero je značilna kubična struktura s ploskvijo, kot je diamant, s periodo a = 5,4307 A. Medatomska razdalja 2,35 A. Gostota 2,328 g/cm. Pri visokem tlaku (120-150 kbar) se pretvori v gostejše polprevodniške in kovinske modifikacije. Kovinska modifikacija je superprevodnik s temperaturo prehoda 6,7 ​​K. Z naraščajočim tlakom se tališče zmanjša s 1415 ± 3 ° C pri tlaku 1 bar na 810 ° C pri tlaku 15 104 bar (trojna točka soobstoj polprevodnika, kovine in tekočine K. ). Med taljenjem pride do povečanja koordinacijskega števila in metalizacije medatomskih vezi. Amorfni silicij je blizu tekočine v svojem vrstnem redu kratkega dosega, kar ustreza močno popačeni kubični strukturi, osredotočeni na telo. Debyejeva temperatura je blizu 645 K. Coeff. temperaturna linearna ekspanzija se spreminja s temperaturnimi spremembami po ekstremnem zakonu, pod temperaturo 100 K postane negativna in doseže najmanj (-0,77 10 -6) deg -1 pri temperaturi 80 K; pri temperaturi 310 K je enako 2,33 · 10 -6 deg -1, pri temperaturi 1273 K pa -4,8 · 10 deg -1. Tališna toplota 11,9 kcal/g-atom; vrelišče 3520 K.

Toplota sublimacije in izhlapevanja pri tališču je 110 oziroma 98,1 kcal/g-atom. Toplotna in električna prevodnost silicija je odvisna od čistosti in popolnosti kristalov. Z naraščajočim koeficientom t-ry. Toplotna prevodnost čistega K. se najprej poveča (do 8,4 cal/cm X X sec · deg pri temperaturi 35 K), nato pa se zmanjša in doseže 0,36 oziroma 0,06 cal/cm · sec · deg pri temperaturi oziroma 300 oz. 1200 K. Entalpija, entropija in toplotna kapaciteta K. pri standardnih pogojih so enake 770 cal/g-atom, 4,51 in 4,83 cal/g-atom - deg. Silicij je diamagneten, magnetna občutljivost trdnega (-1,1 · 10 -7 emu/g) in tekočine (-0,8 · 10 -7 emu/g). Silicij je šibko odvisen od temperature. Površinska energija, gostota in kinematična viskoznost tekočega ogljika pri tališču so 737 erg/cm2, 2,55 g/cm3 in 3 × 10 m2/s. Kristalni silicij je tipičen polprevodnik z prepovedanim pasom 1,15 eV pri temperaturi 0 K in 1,08 eV pri temperaturi 300 K. Pri sobni temperaturi je koncentracija intrinzičnih nosilcev naboja blizu 1,4 10 10 cm -3, efektivna mobilnost elektronov in lukenj je 1450 oziroma 480 cm 2 /v · s, električna upornost pa je 2,5 · 105 ohm · cm. Z naraščajočo temperaturo se spreminjajo eksponentno.

Električne lastnosti silicija so odvisne od narave in koncentracije nečistoč ter od popolnosti kristala. Običajno je za pridobitev polprevodniškega bakra s prevodnostjo p- in n-tipa dopiran z elementi podskupin IIIb (bor, aluminij, galij) in Vb (fosfor, arzen, antimon, bizmut), ki ustvarjajo niz akceptorskih in donorskih ravni, ki se nahajajo blizu meja pasu. Za legiranje se uporabljajo drugi elementi (npr.), oblikovanje itd. globoke ravni, ki določajo zajem in rekombinacijo nosilcev naboja. To omogoča pridobivanje materialov z visoko električno močjo. odpornost (1010 ohm cm pri temperaturi 80 K) in kratko življenjsko dobo manjšinskih nosilcev naboja, kar je pomembno za povečanje zmogljivosti različnih naprav. Coeff. Termo moč silicija je bistveno odvisna od temperature in vsebnosti nečistoč, narašča z naraščanjem električnega upora (pri p = 0,6 ohm - cm, a = 103 µV/deg). Dielektrična konstanta silicija (od 11 do 15) je šibko odvisna od sestave in popolnosti monokristalov. Vzorci optične absorpcije silicija se močno spreminjajo s spremembami njegove čistosti, koncentracije in narave strukturnih napak ter valovne dolžine.

Meja posredne absorpcije elektromagnetnih vibracij je blizu 1,09 eV, neposredne absorpcije - 3,3 eV. V vidnem delu spektra so parametri kompleksnega lomnega količnika (n - ik) zelo odvisni od stanja površine in prisotnosti nečistoč. Za posebej čisto K. (atλ = 5461 A in t-re 293 K) n = 4,056 in k = 0,028. Delovna funkcija elektrona je blizu 4,8 eV. Silicij je krhek. Njegova trdota (temperatura 300 K) po Mohsu je 7; HB = 240; HV = 103; I = 1250 kgf / mm2; modul norm, elastičnost (polikristal) 10,890 kgf / mm2. Natezna trdnost je odvisna od popolnosti kristala: za upogibanje od 7 do 14, za stiskanje od 49 do 56 kgf / mm2; koeficient stisljivost 0,325 1066 cm2/kg.

Pri sobni temperaturi silicij praktično ne deluje s plinastimi (razen) in trdnimi reagenti, razen z alkalijami. Pri povišanih temperaturah aktivno sodeluje s kovinami in nekovinami. Tvori predvsem karbid SiC (pri temperaturah nad 1600 K), nitrid Si3N4 (pri temperaturah nad 1300 K), fosfid SiP (pri temperaturah nad 1200 K) in arzenide Si As, SiAS2 (pri temperaturah nad 1000 K). Reagira s kisikom pri temperaturah nad 700 K in tvori dioksid Si02, s halogeni - fluorid SiF4 (pri temperaturah nad 300 K), klorid SiCl4 (pri temperaturah nad 500 K), bromid SiBr4 (pri temperaturah 700 K) in nodid SiI4 (pri temperatura 1000 K). Intenzivno reagira z mnogimi. kovine, ki v njih tvorijo trdne substitucijske raztopine ali kem. spojine - silicidi. Območja koncentracije homogenosti trdnih raztopin so odvisna od narave topila (na primer v germaniju od 0 do 100%, v železu do 15%, v alfa cirkoniju manj kot 0,1%).

Kovin in nekovin v trdem kremenu je veliko manj in so običajno retrogradne. Hkrati največje vsebnosti nečistoč, ki ustvarjajo plitke ravni v K., dosežejo največ (2 × 10 18, 10 19, 2 × 10 19, 1021, 2 × 10 21 cm) v temperaturnem območju od 1400 do 1600 ° C. K. Za nečistoče z globokimi nivoji je značilna opazno nižja topnost (od 1015 za selen in 5 10 16 za železo do 7 10 17 za nikelj in 10 18 cm-3 za baker). V tekočem stanju se silicij neomejeno meša z vsemi kovinami, pogosto z zelo velikim sproščanjem toplote. Čisti silicij pripravimo iz tehničnega produkta 99 % Si in po 0,03 % Fe, Al in Co), pridobljenega z redukcijo kremena z ogljikom v električnih pečeh. Najprej iz njega speremo nečistoče (mešanica klorovodikove in žveplove kisline ter nato fluorovodikove in žveplove kisline), nato pa nastali produkt (99,98%) obdelamo s klorom. Sintetizirane čistimo z destilacijo.

Polprevodniški silicij se pridobiva z redukcijo SiCl4 (ali SiHCl3) klorida z vodikom ali termično razgradnjo SiH4 hidrida. Končno čiščenje in rast monokristalov se izvede z gladko consko metodo brez lončka ali po metodi Czochralskega, pri čemer dobimo posebej čiste ingote (vsebnost nečistoč do 1010-1013 cm-3) sr> 10 3 ohm cm. Odvisno od namena kloridov v procesu priprave kloridov ali med rastjo monokristalov se vanje vnašajo odmerjene količine potrebnih nečistoč. Tako se pripravljajo cilindrični ingoti s premerom 2-4 in dolžino 3-10 cm Za posebne namene. večji monokristali se proizvajajo tudi za namene. Tehnični silicij in še posebej z železom se uporabljata kot deoksidanti jekla in reducenti ter legirni dodatki. Posebej čisti vzorci monokristalnega bakra, dopiranega z različnimi elementi, se uporabljajo kot osnova za različne nizkotokovne (zlasti termoelektrične, radijske, svetlobne in fototehnične) in visokotokovne (usmerniki, pretvorniki) naprave.

Silicij ali silicij

Silicij je nekovina, njeni atomi imajo 4 elektrone na zunanji energijski ravni. Lahko jih podari, kar kaže oksidacijsko stanje + 4, in pripne elektrone, kar pokaže oksidacijsko stanje - 4. Vendar je sposobnost vezave elektronov na silicij veliko manjša kot pri ogljiku. Atomi silicija imajo večji polmer kot atomi ogljika.

Iskanje silicija v naravi

Silicij je v naravi zelo pogost. predstavlja več kot 26% mase zemeljske skorje. Po razširjenosti je na drugem mestu (za kisikom). Za razliko od ogljika se C v naravi ne pojavlja v prostem stanju. Je del različnih kemičnih spojin, predvsem različnih modifikacij silicijevega (IV) oksida in soli silicijeve kisline (silikatov).

Pridobivanje silicija

V industriji se silicij tehnične čistosti (95 - 98%) pridobiva z redukcijo SiO 2 koks v električnih pečeh med žganjem:

SiO 2 + 2C = Si + 2CO

SiO 2 + 2Mg = Si + 2MgO

Na ta način dobimo amorfen rjav silicijev prah z primesmi. S prekristalizacijo iz staljenih kovin (Zn, Al) ga lahko prevedemo v kristalno stanje.

Za polprevodniško tehnologijo se silicij zelo visoke čistosti pridobiva z redukcijo silicijevega tetraklorida SiCl pri 1000 °C. 4 cinkovi pari:

SiCl 4 + 2Zn = Si + 2ZnCl 2

in nato čiščenje s posebnimi metodami.

Fizikalne in kemijske lastnosti silicija

Čisti kristalni silicij je krhek in trd, praska. Tako kot diamant ima kubično kristalno mrežo s kovalentno vezjo. Njegovo tališče je 1423 °C. V normalnih pogojih je silicij nizko aktiven element, pri segrevanju pa vstopa v različne kemične reakcije.

Uporablja se kot dragocen material v tehnologiji polprevodnikov. V primerjavi z drugimi polprevodniki ga odlikuje znatna odpornost na kisline in sposobnost vzdrževanja visoke električne odpornosti do 300°C. Tehnični silicij in ferosilicij se uporabljata tudi v metalurgiji za proizvodnjo toplotno obstojnih, kislinsko obstojnih in orodnih jekel, litega železa in številnih drugih zlitin.

S kovinami silicij tvori kemične spojine, imenovane silicidi, pri segrevanju z magnezijem nastane magnezijev silicid:

Si + 2Mg = Mg 2 Si

Kovinski silicidi so po strukturi in lastnostih podobni karbidom, zato se kovinski silicidi, tako kot kovinski karbidi, odlikujejo po visoki trdoti, visokem tališču in dobri električni prevodnosti.

Pri žganju mešanice peska in koksa v električnih pečeh nastane spojina silicija in ogljika - silicijev karbid ali karborund:

SiO 2 + 3C = SiC + 2CO

Karborund je ognjevarna, brezbarvna trdna snov, dragocena kot abraziven in toplotno odporen material. Karborund, tako kot , ima atomsko kristalno mrežo. V čistem stanju je izolator, v prisotnosti primesi pa postane polprevodnik.

Kot silicij , tvori dva oksida: silicijev (II) oksid SiO in silicijev (IV) oksid SiO 2 . Silicijev (IV) oksid je trdna, ognjevarna snov, ki je v naravi široko razširjena v prostem stanju. To je kemično stabilna snov, ki medsebojno deluje samo s fluorom in plinastim vodikovim fluoridom ali fluorovodikovo kislino:

SiO 2 + 2F 2 = SiF 4 + O 2

SiO 2 + 4HF = SiF 4 + 2H 2 O

Dano smer reakcij je razloženo z dejstvom, da ima silicij visoko afiniteto do fluora. Poleg tega je silicijev tetrafluorid hlapljiva snov.

V tehnologiji prozoren SiO 2 uporablja se za izdelavo stabilnega, ognjevzdržnega kremenčevega stekla, ki dobro prepušča ultravijolične žarke, ima visok koeficient raztezanja in zato prenese znatne trenutne temperaturne spremembe. Amorfna modifikacija silicijevega (II) oksida, tripoli, ima visoko poroznost. Uporablja se kot toplotni in zvočni izolator, za proizvodnjo dinamita (nosilec eksploziva) ipd. Silicijev (IV) oksid v obliki navadnega peska je eden glavnih gradbenih materialov. Uporablja se pri proizvodnji ognjevarnih in kislinsko odpornih materialov, stekla, kot talilo v metalurgiji ipd.

Če primerjamo molekulske formule, kemijske in fizikalne lastnosti ogljikovega oksida (IV) in silicijevega oksida (IV), je zlahka videti, da so lastnosti teh spojin, podobnih kemični sestavi, različne. To je razloženo z dejstvom, da je silicijev (IV) oksid sestavljen iz več kot le molekul SiO 2 , temveč od njihovih sodelavcev, v katerih so atomi silicija med seboj povezani z atomi kisika. Silicijev (IV) oksid (SiO 2 )n . Njegova slika na ravnini je naslednja:

¦ ¦ ¦

O O O

¦ ¦ ¦

¦ ¦ ¦

O O O

¦ ¦ ¦

— O — Si — O — Si — O — Si — O —

¦ ¦ ¦

O O O

¦ ¦ ¦

Atomi silicija se nahajajo v središču tetraedra, atomi kisika pa na njegovih vogalih. Si-O vezi so zelo močne, kar pojasnjuje visoko trdoto silicijevega (IV) oksida.