سیلیکن

Silicon

عمومی نام, علامت اختصاری, شماره Silicon, Si, 14 گروه شیمیایی شبه فلز گروه, تناوب, بلوک 14 (IVA), 3, p جرم حجمی, سختی 2330 kg/m3, 6.5 رنگ خاکستری تیره با ته مایه آبی

خواص اتمی         وزن اتمی 28.0855 amu شعاع اتمی (calc.) 110 (111)pm شعاع کووالانسی 111 pm شعاع واندروالس 210 pm ساختار الکترونی Ne]3s2 3p2] -e بازای هر سطح انرژی 2, 8, 4 درجه اکسیداسیون (اکسید) 4 (آمفوتریک) ساختار کریستالی مکعبی face centered

خواص فیزیکی       حالت ماده جامد(غیر مغناطیسی) نقطه ذوب 1687 K (2577 °F) نقطه ذوب 3173 K (5252 °F) حجم مولی  ש»10-6 * 12.06««متر مکعب بر مول گرمای تبخیر 384.22 kJ/mol گرمای هم جوشی 50.55 kJ/mol فشار بخار 4.77 Pa at 1683 K سرعت صوت m/s at K

متفرقه             الکترونگاتیویته 1.90 (درجه پاولینگ) ظرفیت گرمایی ویژه 700 J/(kg*K) رسانائی الکتریکی 2.52 10-4/m اهم رسانائی گرمایی 148 W/(m*K) 1st پتانسیل یونیزاسیون 786.5 kJ/mol 2nd پتانسیل یونیزاسیون 1577.1 kJ/mol 3rd پتانسیل یونیزاسیون 3231.6 kJ/mol 4th پتانسیل یونیزاسیون 4355.5 kJ/mol 5th پتانسیل یونیزاسیون 16091 kJ/mol 6th پتانسیل یونیزاسیون 19805 kJ/mol 7th پتانسیل یونیزاسیون 23780 kJ/mol 8th پتانسیل یونیزاسیون 29287 kJ/mol 9th پتانسیل یونیزاسیون 33878 kJ/mol 10th پتانسیل یونیزاسیون 38726 kJ/mol

 

پایدارترین ایزوتوپها       iso NA نیمه عمر DM DE MeV DP 28Si 92.23% Si با 14 نوترون پایدار است 29Si 4.67% Si با 15 نوترون پایدار است 30Si 3.1% Si با 16 نوترون پایدار است 32Si {syn} 276 y Beta- 0.224 32P واحدهای SI & STP استفاده شده مگر آنکه ذکر شده باشد.

سیلیکن یکی از عناصر شیمیایی جدول تناوبی است که نماد آن Si و عدد اتمی آن 14 می باشد. این شبه فلز 4 ظرفیتی به واکنش پذیری کربن نیست. این عنصر دومین عنصر از نظر فراوانی در سطح پوسته زمین است که 25.7% از وزن آن را به خود اختصاص می دهد. این عنصر در خاک رس Feldspar گرانیت کوارتز و ماسه معمولا به شکل دی اکسید سیلیکن وجود دارد که با عنوان سیلیکا شناخته می شود. ترکیبات سیلیکاتی حاوی سیلیکن اکسیژن و فلزات هستند . سیلیکن ماده اصلی شیشه ماده های نیمه رسانا سیمان سرامیک و Silicones می باشد که ماده پلاستیکی است که نام آن معمولا با سیلیکن اشتباه می شود.

ویژگیهای قابل توجه

سیلیکن به صورت کریستال و متبلور درخشش فروزانی و رنگ مایل به خاکستری دارد. اگرچه سیلیکن یک عنصر بی اثر است ولی با هالوژنها واکنش نشان داده و مواد قلیایی را رقیق می کند. اما بیشتر اسیدها بجز اسید هیدروفلوریک بر آن اثر نمی گذارند. سیلیکن Element بیش از 95% طول موج نور مادون قرمز را انتقال می دهد.

کاربردها

سیلیکن ماده بسیار مهمی است که برای بسیاری از صنایع بشری نقش حیاتی دارد. دی اکسید سیلیکن به شکل ماسه و خاک رس ماده اصلی ساخت بتون و آجر بوده و در ساخت سیمان نیز استفاده می شود. سیلیکن یک عنصر بسیار مهم برای زندگی گونه های حیوانات و گیاهان است. دیاتم ها سیلیکا را از آب می گیرند تا دیواره های سلولی محافظ خود درا بسازند. دیگر کاربردهای سلیکن عبارتند از:   سیلیکن از مواد بسیار مقاوم و نسوزی است که تولید مواد با درجه حرارت بالا استفاده می شود . همچنین سیلیکاتهای آن در مینا کاری و سفالگری کاربرد دارد.   سیلیکن جزء اصلی برخی از فلزات می باشد.   سیلیکا ی ماسه از ترکیبات مهم شیشه است. شیشه میتواند به شکلهای گوناگون ساخته شده و در پنجره ها ظرفهای نگه دارنده و عایق ها استفاده شود.   کاربد سیلیکن از مواد ساینده بسیار مهم به شمار می رود.   سیلیکن Ultrapure میتواند با آرسنیک , بورون ,گالیوم یا فوسفور تخدیر شده و رسانایی سلیکن را برای استفاده در ترانزیستورها سلولهای خورشیدی و وسایل نیمه هادی که در الکترونیک کاربرد دارند افزایش دهد.   سیلیکن می تواند در لیزرها برای تولید نور منسجم با طول موج 2560Angstrom به کار رود.   Silicones ها ترکیبات قابل انعطافی هستند که شامل Silicon-Oxygen Silicon Carbon, می شوند که به میزان گسترده ای در کاشت سینه مصنوعی و لنزهای تماسی استفاده می شوند.   به نظر می رسد که سیلیکن بی نظم هیدروژنه در مقیاس وسیع در الکترونیک و سلولهای خورشیدی بکار گرفته شود.   سیلیکا به دلیل واکنش پذیری پایینش عنصر اصلی سازنده آجر می باشد.

 

تاریخچه

سلیکن که از واژه لاتین Silex به معنی سنگ چخماق گرفته شده است برای اولین بار توسط Antonie Lavoisier در سال 1787 شناسایی شد و بعدا توسط Humphry Davy برای یک ترکیب بصورت نادرست دوباره گرفته شد. در سال 1811 Gay)) Lussac)) و Thenard سیلیکن بی نظم و ناخالصی را بوسیله گرما دادن پتاسیم سیلیکن به دست آوردند. در سال 1824 Berzelius سیلیکن بی نظم را تقریباً با همان شیوه Lussac به دست آورد. Berzelius همچنین این عنصر را با شستن مکرر آن پالایش کرد.

 

پیدایش

سیلیکن ماده اصلی شهاب سنگهای Aerolite بوده که یک گروه از شهاب سنگها می باشد. همچنین سیلیکن ماده اصلی Tektites ها که ماده اصلی شیشه می باشند را نیز تشکیل می دهد. سیلیکن بعد از اکسیژن دومین عنصر در پوسته زمین است که 25.7% آن را به خود اختصاص میدهد. عنصر سیلیکن به صورت آزاد در طبیعت وجود ندارد و معمولا به صورت اکسید (سیلیکات) وجود دارد. ماسه یاقوت عقیق کوارتز سنگ کریستال سنگ چخماق یشم و اوپال همگی موادی هستند که در آنها اکسید سیلیکن وجود دارد. گرانیت پنبه نسوز Feldspar خاک رس Hornblende و میکا تعدادی از کانی های سیلیکات می باشند.

 

تولید

سیلیکن به صورت اقتصادی با حرارت دادن سیلیکای خالص در کوره با استفاده از الکترودهای کربنی به دست می آید. در دمای بالا 1900 درجه سانتیگراد کربن سیلیکا را بر طبق معادله زیر به سیلیکن تبدیل می کند. SiO+ 2C → Si + CO2 سیلیکن مایع در زیر کوره جمع شده و سپس سرد و خشک می شود. سلیکنی که از این راه به دست آید Metallurgical Grade Silicon نامیده می شود 99% خالص می باشد. در سال 1997 این شیوه حدودا 50 سنت در هر گرم هزینه در بر داشت.

 

پالایش

استفاده از سیلیکن در وسایل نیمه هادی تخلیص بیشتری از شیوه Metallurgical Grade Silicon را می طلبید. در طول تاریخ شیوه های گوناگونی برای تولید سیلیکن خالص وجود داشته است.

 

روشهای فیزیکی

روشهای اولیه پالایش سیلیکن بر این اساس بوده است که اگر سیلیکن ذوب شود و دوباره منجمد شود آخرین قسمت جسم که جامد می شود بیشترین خلوص را دارد. اولین شیوه پالایش سلیکن در سال 1919 شرح داده شد و در ساخت اجزاء رادارها در طی جنگ جهانی دوم مورد استفاده قرار گرفت. که این عمل در واقع فشردن سلیکن به دست آمده از طریق شیوه Metallurgical Grade Silicon و حل کردن پودر سلیکن در اسید بود. به هنگام فشردن سیلیکن قسمت ناخالص در بیرون تفاله سلیکن قرار می گرفت و به این طریق دانه های خالص سلیکن به دست می آمد. و در نتیجه سلیکن نا خالص اولین چیزی بود که در اسید حل می شد و سلیکن خالصتر را باقی می گذاشت. در مرحله آب شدن در اولین شیوه پالایش سلیکن که در صنعت بسیار استفاده می شود میله های Metallurgical Grade گرما داده می شوند تا آب شوند سپس طول میله ها به تدریج کاهش می یابد و زمانی که سلیکن سرد و جامد می شود قسمت کوچکی از میله بصورت ذوب شده باقی می ماند. از آنجا که بیشتر ناخالصی ها در قسمت ذوب شده باقی می مانند تا در قسمت جامد وقتی که این فرایند کامل می شود تمام ناخالصی ها به آخر میله روانه می شوند که آخرین قسمتی است که ذوب می شود. قسمت آخر پس از سرد شدن جدا می شود و دور انداخته می شود اگر خلوص بیشتری مد نظر باشد این فرایند مجددا تکرار می شود.

روشهای شیمیایی

امروزه سیلیکن با تبدیل آن به ترکیبات سیلیکن و سپس پالایش آنها خالص می شود چرا که این عمل به مراتب ساده تر از پالایش خود سیلیکن به تنهایی می باشد. بعد از عمل پالایش ترکیب سیلیکن آن ترکیب مجددا به سیلکن خالص تبدیل می شود. تری کلرو سیلان یکی از ترکیبات سلیکن است که به عنوان میانجی برای عمل پالایش استفاده می شود. البته تترا کلرید سلیکن و سیلان نیز استفاده می شوند . هنگامی که این گازها در دمای بالا به سیلکن دمیده می شوند سیلیکن خالص را بوجود می آورد. در فرآیند Siemens میله های خالص سیلیکن در دمای 1150 درجه سانتیگراد در معرض تری کلروسیلان قرار می گیرد. گاز تریکلروسیلان تجزیه شده و سیلیکن بیشتری را در روی میله ها باقی به وجود می آورد و باعث بزرگتر شدن آنها بر طبق فرمول شیمیایی زیر می شود: :HSiCl3 → Si + 2HCl + SiCl4 سیلیکن به دست آمده از این شیوه و همچنین فرآیندهای مشابه سیلیکن Polycrystalline نامیده می شود. سیلیکن Polycrystalline معمولا دارای ناخالصی یک قسمت در هر یک میلیارد قسمت می باشد. DuPont یک بار توانست سیلیکن بسیار خالصی را با واکنش دادن تتراکلرید سیلیکن با بخار روی خالص در دمای 950 درجه را بر طبق معادله شیمیایی زیر تولید کند: :SiCl4 + 2 Zn → Si + 2 ZnCl2 با این حال این روش از مشکلات عملی رنج می برد (مانند بوجود آمدن محصول دوم کلرید روی و منجمد شدن آن) و سرانجام با بودن فرایند Siemens به فراموشی سپرده شد.

 

تبلور

فرایند Czochralski معمولاً برای ساخت کریستالهای خالص سیلیکن برای استفاده در Solid State و وسایل نیمه رسانا استفاده می شود.

ایزوتوپها

سیلیکن نه ایزوتوپ با عدد جرمی 25 تا 33 دارد. Si-28 (فراوانترین ایزوتوپ آن 92.23%) Si-29(%4.67) و Si-30(%3.1) پایدار بوده Si-32 ایزوتوپ رادیواکتیوی آن می باشد که از تجزیه آرگون به دست می اید. نیمه عمر آن بعد از مدتها بحث و جدل 276 روز تعیین شد.

 

هشدارها

یک بیماری ریوی جدی که معمولا با نام silicosis شناخته می شود در معدنچی ها سنگ تراش ها و دیگر افرادی که در معرض استنشاق گرد و غبار Siliceous قرار دارند اتفاق می افتد.

اطلاعات دیگر

از آنجا که سیلیکن یک عنصر مهم در ابزار نیمه رسانا و پیشرفته می باشد . منطقه High Tech در خیابان Silicon کالیفرنیا به این نام نامگذاری شده است.