Kiseloxid. Metod för att erhålla kisel från dess oxid Silicon oxide 4 erhåller kisel

Uppfinningen syftar till att framställa kisel från dess oxid i form av en legering av kisel och järn genom att reducera kisel och järnoxider från en bulkladdning med låg kiseldioxidhalt med fast kol vid temperaturer något över kiselns smältpunkt. Metoden innefattar bildandet av en reaktionsvolym i en ugn baserad på natriumfluorid, skapandet av ett malm-termiskt smältsystem i reaktionsvolymen, laddning i reaktionsvolymen av en laddning innehållande bulkoxider av kisel, järn och aluminiumoxid, och en kolhaltigt reduktionsmedel, smältning av satsen vid 1450 - 1550°C och avlägsnande av smältprodukt från reaktionsvolymen. Grafitavfall från beklädnaden av elektrolytiska aluminiumceller används som ett kolhaltigt reduktionsmedel. 1 z. föremål fly, 1 bord.

Uppfinningen avser pyrometallurgi, i synnerhet framställning av kisel från dess oxid, och kan användas för framställning av ferrokisel. Reaktionen av reduktion av kiseloxid med kol är känd:

SiO2 +2C--->Si+2CO (1)

Enligt arbetet kan förändringen i Gibbs termodynamiska potential beräknas med hjälp av ekvationen:

G 0 T = 697390-359,07T,

Följaktligen är G 0 T = 0, och Kр = 1 vid 1943 K (1670 oC). Detta betyder att det teoretiskt sett krävs en temperatur på 1670 o C för att påbörja reduktionen av kiseldioxid med fast kol enligt reaktion (1) att det finns en känd elektrotermisk metod för att framställa kisel i form av dess förening med kol (kiselkarbid). ) genom att reducera kiseloxid med kol i kraftfulla elektriska ugnar. I den kända metoden består satsen för framställning av kiselkarbid av kiseloxid i form av kvartssand och petroleumkoks. Reduktionen av kiseloxid med kokskol utförs vid temperaturer på 2200-2500 o C, medan ugnens värmeelement är en kärna gjord av klumpigt kolmaterial. När SiO 2 reduceras med kol, bildas kiselkarbid som målprodukt i fast form genom reaktionen:

SiO2 +3C--->SiC+2CO (2)

G 0 T = 555615-322.11T kal,

Följaktligen är G0T = 0 och Kр = 1 vid 1725 K (1452°C). En nackdel med den kända metoden för framställning av kisel i form av kiselkarbid är processens höga temperatur. Det finns en elektrotermisk metod för att framställa kisel i form av dess legering med aluminium (kiselaluminium) genom gemensam reduktion av kisel och aluminiumoxider med kol. I den kända metoden består satsen för framställning av kiselaluminium av kvartsit (SiO 2), aluminiumoxid (Al 2 O 3) och mullit (3Al 2 O 3 2SiO 2), gaskol och petroleumkoks används som reduktionsmedel. Mullitreduktion beskrivs med ekvationen:

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

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

Följaktligen är G0T = 0 och Kр = 1 vid 2221 K (1947°C). Nackdelen med den elektrotermiska metoden för framställning av kisel i form av kiselaluminium är den höga temperaturen i processen och det associerade behovet av att använda malmreduktionsugnar. Det finns en känd metod för att framställa metaller och legeringar, inklusive kisel i form av dess legering med järn, vald som närmaste analog. (RF-patent N 2130500, C22B 5/10, 1999). Metoden innefattar att bilda en reaktionsvolym av en ugn baserad på en alkalimetallhalogenid, skapa en malm-termisk smältning i ugnens reaktionsvolym, ladda en laddning innehållande bulkoxider av kisel, järn och aluminiumoxid och ett kolhaltigt reduktionsmedel i reaktionsvolymen, reducering av smältningen av satsen och avlägsnande av smältprodukten från reaktionsvolymen. Syftet med uppfinningen är att erhålla kisel från dess oxid i form av en legering av kisel med järn (ferrokisel), genom att reducera kisel och järnoxider med fast kol från en bulkladdning med låg kiseldioxidhalt och hög aluminiumoxidhalt vid temperaturer något över smältpunkten för kisel. Detta tekniska resultat uppnås genom det faktum att i metoden för att framställa kisel från dess oxid, inklusive bildandet av en reaktionsvolym i en ugn baserad på en alkalimetallhalogenid, skapas ett malmtermiskt smältningssätt i reaktionsvolymen av ugnen, ladda en laddning innehållande bulkoxider av kisel, järn och aluminiumoxid i ugnens reaktionsvolym och ett kolhaltigt reduktionsmedel, reduktionssmältning av laddningen och avlägsnande av smältprodukten från reaktionsvolymen, natriumfluorid används som en alkalimetallhalogenid, och smältning utförs vid en temperatur av 1450-1550 o C, medan grafitavfall från beklädnad av aluminiumelektrolysatorer används som reduktionsmedel. Metoden utförs enligt följande. Natriumfluorid laddas i badet i en elektrisk malmreduktionsugn, fodrad med en kolhaltig massa eller representerar ett vattenkylt metallhölje, smälts i bågläge och bringas till ett flytande tillstånd i ett malmtermiskt läge. Därefter laddas en bulkladdning innehållande kisel- och järnoxider (aluminiumoxidhalten kan nå flera procent) i ugnsbadet. Efter detta laddas en stökiometrisk mängd kolhaltigt reduktionsmedel i ugnsbadet. Fast kol som flyter på ytan av smältan minskar kisel- och järnoxiderna lösta i natriumfluoridsmältan, och den resulterande metallegeringen faller till botten av ugnen. Cykeln för att ladda laddningen i smältan - reduktion upprepas många gånger, medan den resulterande ferrokiseln förblir i ugnen (smältning på ett block) eller avlägsnas genom ugnens utlopp. Användningen av natriumfluorid, som har en smältpunkt på 996 o C, förklaras av det faktum att dess densitet i smält form är 1,961 g/cm 3 . Kisel, med en densitet av 2,42 g/cm3, reducerat från kiseldioxid löst i natriumfluorid, sänks ned på ugnens botten. (Försök att återställa kisel från dess oxid löst i en smälta av flusspat CaF 2 ledde till att det reducerade kislet flöt till ytan av smältan av kalciumfluorid med en densitet av 2,599 g/cm 3 och oxiderade - brände). Ett exempel på den föreslagna metoden. I experimentet användes en RKZ-2FS-N1 ljusbågsugn, som hade ett badkar med en diameter på 1435 mm, fodrat med grafit och försett med ett utloppshål i höljets mittdel. Spänning tillfördes ugnen genom tre grafitelektroder med en diameter på 150 mm, strömförsörjda av en trefastransformator med en effekt på 2000 kVA. Natriumfluorid (NaF-halt - 80%) i mängden 1000 kg och 50 kg metalliserade pellets för att tända ljusbågen laddades i ugnsbadet. Natriumfluorid smältes i ett bågläge och bringades till ett flytande tillstånd i ett malmtermiskt läge. Natriumfluoridsmältans höjd var 180 mm. När smältan nådde en temperatur av 1370 o C, laddades 1000 kg malm med en partikelstorlek av 0,1-5,0 mm av följande kemiska sammansättning (%) i smältan: SiO 2 - 70,3; Al2O3 - 4,46; CaO - 4,39; Fe2O3 - 3,52; MgO - 0,84; V2O3 - 0,67; Pb - 0,05; Zn - 0,05; Cu - 0,03; Corg - 7,64; Stotal - 1,12. När smältan nådde en temperatur på 1550 o C laddades 500 kg kvarnskal med en partikelstorlek på 5-20 mm, nästan helt bestående av järnoxid FeO, i smältan. Metallurgisk koks med en partikelstorlek av 10-50 mm, innehållande 80 % kol, i en mängd av 300 kg användes som reduktionsmedel. Reduktionsprocessen registrerades genom förbränning av kolmonoxid ovanför ugnsbadet. Smältningens varaktighet från början av laddningen av laddningen var 4 timmar. 20 minuter, varefter metallen och slaggen hälldes genom ugnens utlopp in i slaggtanken.

KRAV

Kisel IV-oxid TU 6-09-3379-79

SiO2

Kiseldioxid (kiseldioxid, SiO2; lat. kiseldioxid) - kisel(IV)oxid. Färglösa kristaller med en smältpunkt på +1713...+1728 °C, med hög hårdhet och styrka.

Kiseldioxid är huvudkomponenten i nästan alla terrestra bergarter, i synnerhet kiselgur. 87 % av litosfärens massa består av kiseldioxid och silikater. I humant blod och plasma är koncentrationen av kiseldioxid 0,001 viktprocent.

Egenskaper

• Tillhör gruppen sura oxider.
• Vid upphettning reagerar den med basiska oxider och alkalier.
• Reagerar med fluorvätesyra.
• SiO 2 tillhör gruppen glasbildande oxider, det vill säga det är benäget att bilda en underkyld smälta - glas.
• En av de bästa dielektrikumen (den leder inte elektrisk ström om den inte innehåller föroreningar och inte värms upp).

Polymorfism

Kiseldioxid har flera polymorfer.

Den vanligaste av dem på jordens yta - α-kvarts - kristalliseras i det trigonala systemet. Under normala förhållanden finns kiseldioxid oftast i α-kvartspolymorfen, som vid temperaturer över +573 °C reversibelt omvandlas till β-kvarts. Med en ytterligare ökning av temperaturen omvandlas kvarts till tridymit och kristobalit. Dessa polymorfer är stabila vid höga temperaturer och låga tryck.

Det finns också former i naturen - opal, kalcedon, kvartsin, lutecit, autentisk kvarts, som tillhör kiseldioxidgruppen. Opal (SiO 2 *nH 2 O) i tunn sektion är färglös, isotropisk, har en negativ relief, avsätts i marina reservoarer och är en del av många kiselhaltiga bergarter. Kalcedon, kvarts, lutcit - SiO 2 - är kryptokristallina sorter av kvarts. De bildar fibrösa aggregat, rosetter, sfäruliter, färglösa, blåaktiga, gulaktiga. De skiljer sig från varandra i vissa egenskaper - kalcedon och kvartsin har direkt utdöende, lutcit har snett utdöende och kalcedon har negativ förlängning.

Vid höga temperaturer och tryck omvandlas kiseldioxid först till coesit (som syntetiserades av den amerikanske kemisten Loring Coes 1953), och sedan till stishovit (som syntetiserades 1961 av S. M. Stishov och 1962 upptäcktes i en meteoritkrater) [ källa ej angiven 2294 dagar ] . Enligt vissa studier utgör stishovit en betydande del av manteln, så frågan om vilken typ av SiO 2 som är vanligast på jorden har ännu inte ett klart svar.

Den har också en amorf modifiering - kvartsglas.

Kemiska egenskaper

Kiseldioxid SiO 2 är en sur oxid som inte reagerar med vatten.

Kemiskt resistent mot syror, men reagerar med vätefluoridgas:

och fluorvätesyra:

Dessa två reaktioner används ofta för glasetsning.

När SiO 2 smälts samman med alkalier och basiska oxider, såväl som med karbonater av aktiva metaller, bildas silikater - salter av mycket svaga, vattenolösliga kiselsyror utan konstant sammansättning av den allmänna formeln xH 2 O ySiO 2 (ganska ofta i litteraturen nämns icke-kiselsyror och kiselsyra, även om vi faktiskt talar om samma ämne).

Till exempel kan natriumortosilikat erhållas:

kalciummetasilikat:

eller blandat kalcium och natriumsilikat:

Fönsterglas är tillverkat av silikat Na 2 CaSi 6 O 14 (Na 2 O·CaO·6SiO2).

De flesta silikater har inte en konstant sammansättning. Av alla silikater är endast natrium- och kaliumsilikater lösliga i vatten. Lösningar av dessa silikater i vatten kallas flytande glas. På grund av hydrolys kännetecknas dessa lösningar av en mycket alkalisk miljö. Hydrolyserade silikater kännetecknas av bildandet av inte sanna, men kolloidala lösningar. När lösningar av natrium- eller kaliumsilikater surgörs fälls en gelatinös vit fällning av hydratiserade kiselsyror ut.

Det huvudsakliga strukturella elementet i både fast kiseldioxid och alla silikater är gruppen, i vilken kiselatomen Si är omgiven av en tetraeder med fyra syreatomer O. I detta fall är varje syreatom kopplad till två kiselatomer. Fragment kan kopplas till varandra på olika sätt. Bland silikater, enligt arten av anslutningarna i deras fragment, är de uppdelade i ö, kedja, band, lager, ram och andra.

Mottagande

Syntetisk kiseldioxid framställs genom uppvärmning av kisel till en temperatur av +400...+500 °C i syreatmosfär, medan kisel oxideras till SiO 2 dioxid. Samt termisk oxidation vid höga temperaturer.

Under laboratorieförhållanden kan syntetisk kiseldioxid erhållas genom inverkan av syror, även svag ättiksyra, på lösliga silikater. Till exempel:

kiselsyra bryts omedelbart ner till vatten och SiO 2 som fälls ut.

Naturlig kiseldioxid i form av sand används där hög renhet av materialet inte krävs.

Ansökan

Kiseldioxid används vid tillverkning av glas, keramik, slipmedel, betongprodukter, för framställning av kisel, som fyllmedel vid tillverkning av gummi, vid framställning av eldfasta kiselmaterial, vid kromatografi etc. Kvartskristaller har piezoelektriska egenskaper och används därför i radioteknik, ultraljudsinstallationer och tändare. Amorf icke-porös kiseldioxid används i livsmedelsindustrin som ett hjälpämne E551, vilket förhindrar sammanbakning och kakning, parapharmaceuticals (tandkrämer), inom läkemedelsindustrin som ett hjälpämne (listad i de flesta farmakopéer), såväl som en livsmedelstillsats eller läkemedel som en enterosorbent.

Artificiellt framställda filmer av kiseldioxid används som isolator vid tillverkning av mikrokretsar och andra elektroniska komponenter.

Används även för tillverkning av fiberoptiska kablar. Ren smält kiseldioxid används med några speciella ingredienser tillsatta.

Silica filament används också i värmeelement av elektroniska cigaretter, eftersom det absorberar vätska väl och inte förstörs av uppvärmningen av spolen.

Stora klara kvartskristaller används som halvädelstenar; färglösa kristaller kallas bergskristaller, violetta kristaller kallas ametister och gula kristaller kallas citrin.

Inom mikroelektronik är kiseldioxid ett av huvudmaterialen. Det används som ett isolerande skikt och även som en skyddande beläggning. Det erhålls i form av tunna filmer genom termisk oxidation av kisel, kemisk ångavsättning och magnetronförstoftning.

Porösa kiseldioxider

Porösa kiseldioxider erhålls med olika metoder.

Silokrom erhålls genom att aerosil aggregerar, vilket i sin tur erhålls genom förbränning av silan (SiH 4). Silokrom kännetecknas av hög renhet och låg mekanisk hållfasthet. Den karakteristiska storleken på den specifika ytan är 60-120 m²/g. Det används som sorbent i kromatografi, gummifyllmedel och katalys.

Kiselgel erhålls genom att torka kiselsyragel. Jämfört med silokrom har den lägre renhet, men kan ha en extremt utvecklad yta: vanligtvis från 300 m²/g till 700 m²/g.

Kiselaerogel består av cirka 99,8 % luft och kan ha en densitet på upp till 1,9 kg/m³ (endast 1,5 gånger luftens densitet).

Kisel(II)oxid

Kiselmonoxid erhålls vanligtvis genom att värma SiO 2 eller silikater med reduktionsmedel såsom väte, kisel eller kol till temperaturer över ~1100°C i vakuum; i detta fall uppnås det bästa utbytet när kisel används som reduktionsmedel. Den resulterande gasformiga monomera SiO kondenserar i polymerform på delar av reaktionsanordningen som upphettas till högst 400°C - disproportioneringstemperaturen för SiO. På de varmare delarna av anordningen avsätts en brun blandning av kisel och SiO 2, som är produkter av oproportionering.

Si + SiO2 > SiO

En tät blandning av finmalet kisel (>98,5 % kisel) med bränd och finmalen kvarts av högsta renhet (det är tillrådligt att komprimera det till tabletter) placeras i ett rör gjort av Pythagoras massa eller sintrad korund, stängd på ena sidan (närmare den stängda änden). Röret är anslutet till en högvakuumpump. Ett vakuum på 10 -3 --10 -4 mm Hg skapas i röret. Art., och värm sedan långsamt den stängda änden av röret i en elektrisk ugn till cirka 1250 ° C, efter cirka 4 timmar avslutas processen. I den del av röret, som hade en lägre temperatur under uppvärmningen, finns SiO i form av en svart spröd massa, och i rörets övergångszon, som hade en temperatur på 400 - 700 ° C under uppvärmningen, finns är en voluminös brun blandning av SiO 2 och kisel. SiO separeras enkelt från rörväggarna med en spatel i rostfritt stål. Oxidation av SiO i luft börjar vanligtvis redan vid ~1000°C (även om det kan glöda spontant), så röret efter kylning bör fyllas med kväve eller argon. SiO-extraktion utförs också i en inertgasmiljö.

Det är särskilt viktigt att rörets övergångszon, som värms upp till 400-700°C, där den bildade SiO åter sönderdelas till kisel och SiO2, är så kort som möjligt. Detta inträffar när keramiska rör som leder värme dåligt används. Tvärtom, i metallrör som leder värme bra, som också rekommenderas för produktion av SiO, är denna övergångszon längre, och utbytet är därför extremt lågt.

SiO-gas kan också kondenseras direkt i den heta zonen på ett vattenkylt "finger" av järn eller koppar. I detta fall deponeras det i fibrös form.

Kisel(IV)oxid

Under laboratorieförhållanden kan syntetisk kiseldioxid erhållas genom inverkan av syror, även svag ättiksyra, på lösliga silikater. Till exempel:

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

Kiselsyra bryts omedelbart ner till vatten och SiO 2 som fälls ut.

Syntetisk kiseldioxid framställs genom uppvärmning av kisel till en temperatur av 400--500°C i en syreatmosfär, medan kisel oxideras till SiO 2 dioxid. Samt termisk oxidation vid höga temperaturer.

Naturlig kiseldioxid i form av sand används där hög renhet av materialet inte krävs.

För närvarande pågår ett arbete för att få fram kiseldioxid med högsta utbyte. Låt oss beskriva en av de nyaste miljövänliga och praktiskt taget avfallsfria metoderna för att framställa högren kiseldioxid av sorten vit sot eller aerosil. Denna metod fungerar enligt följande:

Schema för att rena kvartskoncentrat från föroreningar.

Smält ammoniumfluorid, som under normala förhållanden är ett icke-korrosivt, fast, kristallint ämne, är ett mer energiskt fluoreringsmedel än gasformigt vätefluorid. Fördelen med ammoniumfluorid är den kraftiga växelverkan mellan dess smälta och kiseloxid, som producerar ammoniumkiselfluorider, särskilt ammoniumhexafluorsilikat (NH 4) 2 SiF 6, som under normala förhållanden är ett icke-aggressivt, mycket vattenlösligt pulver. Vid upphettning sublimeras (NH 4) 2 SiF 6 utan sönderdelning, och när den kyls desublimeras den - denna egenskap används för att avlägsna föroreningar från kvartskoncentrat.

Vid avsättningsstadiet av hydratiserad kiseloxid används regenererat ammoniakvatten, som bildas som ett resultat av interaktionen av den ursprungliga kiseloxiden (kvartssand) med ammoniumfluorid. Således är den utvecklade ammoniumfluoridteknologin för framställning av kiseloxid praktiskt taget avfallsfri, eftersom den använder reagenser som regenereras under den tekniska cykeln.

(Kisel), Si - kemikalie. element i grupp IV i det periodiska systemet av element; på. n. 14, kl. m. 28 086. Kristallint kisel är en mörkgrå substans med en hartsartad glans. I de flesta föreningar uppvisar den oxidationstillstånd - 4, +2 och +4. Naturligt kisel består av stabila isotoper 28Si (92,28%), 29Si (4,67%) och 30Si (3,05%). Radioaktivt 27Si, 31Si och 32Si erhölls med halveringstider på 4,5 sekunder, 2,62 timmar respektive 700 år. K. isolerades första gången 1811 av fransmännen. kemisten och fysikern J. L. Gay-Lussac och French. av kemisten L. J. Tenar, men identifierad först 1823 av svensken, kemisten och mineralogen J. J. Berzelius.

Kisel är det näst vanligaste grundämnet i jordskorpan (27,6%) (efter syre). Beläget preim. i form av kiseldioxid Si02 och andra syrehaltiga ämnen (silikater, aluminiumsilikater etc.). Under normala förhållanden bildas en stabil halvledarmodifiering av koppar, kännetecknad av en ytcentrerad kubisk struktur som diamant, med en period a = 5,4307 A. Interatomiskt avstånd 2,35 A. Densitet 2,328 g/cm. Vid högt tryck (120-150 kbar) omvandlas den till tätare halvledar- och metallmodifieringar. Metallmodifieringen är en supraledare med en övergångstemperatur på 6,7 K. Med ökande tryck sjunker smältpunkten från 1415 ± 3 ° C vid ett tryck på 1 bar till 810 ° C vid ett tryck på 15 104 bar (trippelpunkten för samexistens av halvledare, metall och flytande K. ). Under smältning sker en ökning av koordinationstalet och metallisering av interatomära bindningar. Amorft kisel är nära vätska i dess korta räckviddsordning, vilket motsvarar en mycket förvrängd kroppscentrerad kubisk struktur. Debye temperaturen är nära 645 K. Coeff. temperatur linjär expansion ändras med temperaturförändringar enligt en extrem lag, under en temperatur på 100 K blir den negativ och når en minimum (-0,77 10 -6) grader -1 vid en temperatur på 80 K; vid en temperatur på 310 K är det lika med 2,33 · 10 -6 grader -1, och vid en temperatur på 1273 K -4,8 · 10 grader -1. Smältvärme 11,9 kcal/g-atom; kokpunkt 3520 K.

Värmen för sublimering och avdunstning vid smältpunkten är 110 respektive 98,1 kcal/g-atom. Den termiska och elektriska ledningsförmågan hos kisel beror på kristallernas renhet och perfektion. Med ökande t-ry-koefficient. Värmeledningsförmågan hos ren K. ökar först (upp till 8,4 cal/cm X X sek · grader vid en temperatur av 35 K), och minskar sedan och når 0,36 och 0,06 cal/cm · sek · grader vid en temperatur, respektive 300 resp. 1200 K. Entalpi, entropi och värmekapacitet hos K. under standardförhållanden är lika med respektive 770 cal/g-atom, 4,51 och 4,83 cal/g-atom - deg. Kisel är diamagnetiskt, den magnetiska känsligheten för fast (-1,1 · 10 -7 emu/g) och flytande (-0,8 · 10 -7 emu/g). Kisel beror svagt på temperaturen. Ytenergin, densiteten och kinematiska viskositeten för flytande kol vid smältpunkten är 737 erg/cm2, 2,55 g/cm3 och 3 × 10 m2/sek. Kristallint kisel är en typisk halvledare med ett bandgap på 1,15 eV vid en temperatur på 0 K och 1,08 eV vid en temperatur på 300 K. Vid rumstemperatur är koncentrationen av inre laddningsbärare nära 1,4 10 10 cm - 3, effektiv rörlighet för elektroner och hål är 1450 respektive 480 cm 2 /v · sek, och den elektriska resistiviteten är 2,5 · 105 ohm · cm Med ökande temperatur ändras de exponentiellt.

De elektriska egenskaperna hos kisel beror på arten och koncentrationen av föroreningar, såväl som på kristallens perfektion. Vanligtvis, för att erhålla halvledarkoppar med ledningsförmåga av p- och n-typ, dopas den med element av IIIb (bor, aluminium, gallium) och Vb (fosfor, arsenik, antimon, vismut) undergrupper, som skapar en uppsättning av acceptor och donator. nivåer, belägna nära bandgränserna . För legering används andra element (till exempel), formning etc. djupa nivåer, som bestämmer fångst och rekombination av laddningsbärare. Detta gör det möjligt att erhålla material med hög elektrisk effekt. motstånd (1010 ohm cm vid en temperatur på 80 K) och en kort livslängd för minoritetsladdningsbärare, vilket är viktigt för att öka prestanda hos olika enheter. Coeff. Termokraften hos kisel beror avsevärt på temperatur och föroreningsinnehåll och ökar med ökande elektriskt motstånd (vid p = 0,6 ohm - cm, a = 103 µV/grad). Den dielektriska konstanten för kisel (från 11 till 15) beror svagt på sammansättningen och perfektionen av enkristaller. Mönstren för optisk absorption av kisel förändras kraftigt med förändringar i dess renhet, koncentration och karaktär av strukturella defekter, såväl som våglängd.

Gränsen för indirekt absorption av elektromagnetiska vibrationer är nära 1,09 eV, direkt absorption - till 3,3 eV. I det synliga området av spektrumet beror parametrarna för det komplexa brytningsindexet (n - ik) mycket signifikant på ytans tillstånd och närvaron av föroreningar. För särskilt ren K. (atλ = 5461 A och t-re 293 K) n = 4,056 och k = 0,028. Elektronarbetsfunktionen är nära 4,8 eV. Kisel är ömtåligt. Dess hårdhet (temperatur 300 K) enligt Mohs är 7; HB = 240; HV = 103; I = 1250 kgf/mm2; normmodul, elasticitet (polykristall) 10 890 kgf/mm2. Draghållfastheten beror på kristallens perfektion: för böjning från 7 till 14, för kompression från 49 till 56 kgf/mm2; koefficient kompressibilitet 0,325 1066 cm2/kg.

Vid rumstemperatur interagerar kisel praktiskt taget inte med gasformiga (förutom) och fasta reagenser, förutom alkalier. Vid förhöjda temperaturer interagerar den aktivt med metaller och icke-metaller. I synnerhet bildar den SiC-karbid (vid temperaturer över 1600 K), Si3N4-nitrid (vid temperaturer över 1300 K), SiP-fosfid (vid temperaturer över 1200 K) och arsenider Si As, SiAS2 (vid temperaturer över 1000 K). Reagerar med syre vid temperaturer över 700 K och bildar dioxid Si02, med halogener - fluorid SiF4 (vid temperaturer över 300 K), klorid SiCl4 (vid temperaturer över 500 K), bromid SiBr4 (vid temperaturer 700 K) och nodid SiI4 (vid en temperatur på 1000 K). Reagerar intensivt med många. metaller, bildar fasta lösningar av substitution i dem eller kemiska. föreningar - silicider. Koncentrationsintervallen för homogenitet för fasta lösningar beror på lösningsmedlets natur (till exempel i germanium från 0 till 100 %, i järn upp till 15 %, i alfa-zirkonium mindre än 0,1 %).

Metaller och icke-metaller i hård flinta är mycket mindre förekommande och är vanligtvis retrograda. Samtidigt når det maximala innehållet av föroreningar som skapar grunda nivåer i K. ett maximum (2 × 10 18, 10 19, 2 × 10 19, 1021, 2 × 10 21 cm) i temperaturområdet från 1400 till 1600 K. Föroreningar med djupa nivåer kännetecknas av märkbart lägre löslighet (från 1015 för selen och 5 10 16 för järn till 7 10 17 för nickel och 10 18 cm-3 för koppar). I flytande tillstånd blandas kisel i oändlighet med alla metaller, ofta med mycket stor värmeavgivning. Rent kisel framställs av en teknisk produkt av 99% Si och 0,03% vardera av Fe, Al och Co), erhållen genom att reducera kvarts med kol i elektriska ugnar. Först tvättas föroreningar från det (en blandning av saltsyra och svavelsyra, och sedan fluorvätesyra och svavelsyra), varefter den resulterande produkten (99,98%) behandlas med klor. De syntetiserade renas genom destillation.

Halvledarkisel erhålls genom reduktion av SiCl4 (eller SiHCl3) klorid med väte eller termisk sönderdelning av SiH4 hydrid. Den slutliga reningen och tillväxten av enkristaller utförs med hjälp av en degelfri zonslät metod eller enligt Czochralski-metoden, vilket ger speciellt rena göt (föroreningshalt upp till 1010-1013 cm-3) sr > 10 3 ohm cm. Beroende på syftet med kloriderna vid framställning av klorider eller under tillväxt av monokristaller, införs doserade mängder av nödvändiga föroreningar i dem. Så här förbereds cylindriska tackor med en diameter på 2-4 och en längd på 3-10 cm för speciella ändamål. Större enkristaller produceras också för ändamål. Tekniskt kisel och speciellt det med järn används som ståldeoxidationsmedel och reduktionsmedel, samt legeringstillsatser. Särskilt rena prover av enkristallin koppar dopad med olika element används som grund för en mängd olika lågströms (särskilt termoelektriska, radio-, belysnings- och fototekniska) och högströms (likriktare, omvandlare) enheter.

Kisel eller kisel

Kisel är en icke-metall dess atomer har 4 elektroner på den yttre energinivån. Den kan donera dem, visa oxidationstillståndet + 4, och lägga till elektroner, som visar oxidationstillståndet - 4. Förmågan att fästa elektroner till kisel är dock mycket mindre än för kol. Kiselatomer har en större radie än kolatomer.

Att hitta kisel i naturen

Kisel är mycket vanligt i naturen. den står för över 26% av massan av jordskorpan. När det gäller prevalens kommer den på andra plats (efter syre). Till skillnad från kol förekommer C inte i fritt tillstånd i naturen. Det är en del av olika kemiska föreningar, främst olika modifieringar av kisel(IV)oxid och kiselsyrasalter (silikater).

Får kisel

Inom industrin erhålls kisel av teknisk renhet (95 - 98%) genom att reducera SiO 2 koks i elektriska ugnar under bränning:

Si02 + 2C = Si + 2CO

Si02 + 2Mg = Si + 2MgO

På detta sätt erhålls amorft brunt kiselpulver med föroreningar. Genom omkristallisation från smälta metaller (Zn, Al) kan den överföras till kristallint tillstånd.

För halvledarteknologi erhålls kisel med mycket hög renhet genom reduktion av kiseltetraklorid SiCl vid 1000°C 4 zinkpar:

SiCl4 + 2Zn = Si + 2ZnCl2

och rengöra den efter det med speciella metoder.

Fysikaliska och kemiska egenskaper hos kisel

Rent kristallint kisel är skört och hårt, repar. Liksom diamant har den ett kubiskt kristallgitter med en kovalent bindning. Dess smältpunkt är 1423 °C. Under normala förhållanden är kisel ett lågaktivt grundämne det kombineras endast med fluor, men när det upphettas går det in i olika kemiska reaktioner.

Det används som ett värdefullt material inom halvledarteknik. Jämfört med andra halvledare kännetecknas den av sin betydande motståndskraft mot syror och förmågan att upprätthålla hög elektrisk resistans upp till 300°C. Tekniskt kisel och ferrokisel används också inom metallurgin för tillverkning av värmebeständigt, syrabeständigt och verktygsstål, gjutjärn och många andra legeringar.

Med metaller bildar kisel kemiska föreningar som kallas silicider när de värms upp med magnesium, bildas magnesiumsilicid:

Si + 2Mg = Mg2Si

Metallsilicider liknar karbider i struktur och egenskaper, så metallliknande silicider, som metallliknande karbider, utmärks av hög hårdhet, hög smältpunkt och god elektrisk ledningsförmåga.

När en blandning av sand och koks bränns i elektriska ugnar, bildas en förening av kisel och kol - kiselkarbid eller karborundum:

Si02 + 3C = SiC + 2CO

Carborundum är ett eldfast, färglöst fast material, värdefullt som ett slipande och värmebeständigt material. Carborundum, liksom , har ett atomärt kristallgitter. I sitt rena tillstånd är det en isolator, men i närvaro av föroreningar blir det en halvledare.

Silikonliknande , bildar två oxider: kisel (II) oxid SiO och kisel (IV) oxid SiO 2 . Kisel(IV)oxid är ett fast, eldfast ämne, brett spridd i naturen i fritt tillstånd. Detta är ett kemiskt stabilt ämne som endast interagerar med fluor och gasformig vätefluorid eller fluorvätesyra:

SiO2 + 2F2 = SiF4 + O2

SiO2 + 4HF = SiF4 + 2H2O

Den givna reaktionsriktningen förklaras av det faktum att kisel har hög affinitet för fluor. Dessutom är kiseltetrafluorid ett flyktigt ämne.

Inom teknik, transparent SiO 2 används för tillverkning av stabilt, eldfast kvartsglas, som överför ultravioletta strålar bra, har en hög expansionskoefficient och tål därför betydande momentana temperaturförändringar. En amorf modifiering av kisel(II)oxid, tripoli, har hög porositet. Den används som värme- och ljudisolator, för produktion av dynamit (en explosiv bärare) och så vidare. Kisel(IV)oxid i form av vanlig sand är ett av de viktigaste byggmaterialen. Det används vid tillverkning av brand- och syrabeständiga material, glas, som ett flussmedel i metallurgi, och så vidare.

Genom att jämföra molekylformlerna, kemiska och fysikaliska egenskaper hos koloxid (IV) och kiseloxid (IV), är det lätt att se att egenskaperna hos dessa föreningar, liknande i kemisk sammansättning, är olika. Detta förklaras av det faktum att kisel(IV)oxid består av mer än bara SiO-molekyler 2 , men från deras associerade, i vilka kiselatomer är förbundna med varandra genom syreatomer. Kisel(IV)oxid (SiO 2 )n . Dess bild på planet är som följer:

¦ ¦ ¦

O O O

¦ ¦ ¦

¦ ¦ ¦

O O O

¦ ¦ ¦

— O — Si — O — Si — O — Si — O —

¦ ¦ ¦

O O O

¦ ¦ ¦

Kiselatomer är belägna i mitten av tetraedern, och syreatomer finns i dess hörn. Si-O-bindningarna är mycket starka, vilket förklarar den höga hårdheten hos kisel(IV)oxid.