السيليكون وخصائصه

السيليكون هو عنصر كيميائي ذو رمز كيميائي SI والرقم الذري. إنه صلبة بلورية صلبة مع بريق معدني أزرق رمادي وهي عبارة عن معادن رباعية ترابية وشباكة أشباه الموصلات. هو - هي؛ الجرمانيوم ، القصدير ، الرصاص ، و praseodymium تحتها. إنه غير نشط نسبيا.نظرًا لارتفاع تقاربها الكيميائي للأكسجين ، لم يتمكن Jöns Jakob Berzelius من تحضيره حتى عام 1823. تبلغ نقطة الانصهار ونقطة الغليان 1414 درجة مئوية و 3265 درجة مئوية على التوالي ، حيث تحتل المرتبة الثانية بين جميع المعادن والخلايا ، والثانية فقط إلى بورون.السيليكون هو العنصر الثامن الأكثر شيوعًا في الكون عن طريق الكتلة ، ولكن نادرًا ما يحدث كعنصر نقي في قشرة الأرض. يتم توزيعه على نطاق واسع في الفضاء في الغبار الكوني ، والكويكبات والكواكب في أشكال مختلفة من السيليكا (ثاني أكسيد السيليكون) أو السيليكات. يتكون أكثر من 90 ٪ من قشرة الأرض من معادن السيليكات ، مما يجعل السيليكون ثاني أكثر العناصر وفرة في قشرة الأرض (حوالي 28 ٪ بالكتلة) ، بعد الأكسجين.

يتم استخدام معظم السيليكون تجاريًا دون عزل ، غالبًا مع الحد الأدنى من المعالجة المعدنية الطبيعية. تشمل الاستخدامات البناء الصناعي باستخدام الطين ورمل السيليكا والحجر. وتستخدم الأسلوب في أسمنت بورتلاند لمدافع الهاون والجص ، ومختلط مع رمل السيليكا والحصى لصنع خرسانة للأرصفة ، والمؤسسات ، والطرق. يتم استخدامها أيضًا في السيراميك الأبيض مثل الخزف ، بالإضافة إلى زجاج الصودا الصودا التقليدي القائم على السيليكات والعديد من النظارات المتخصصة الأخرى. مركبات silicon مثل كربيد السيليكون تستخدم كخطوط ومكونات عالية -راميك سيراميك.

تُعرف نهاية القرن العشرين حتى بداية القرن الحادي والعشرين بعصر السيليكون (المعروف أيضًا باسم العصر الرقمي أو عصر المعلومات) بسبب التأثير الهائل للسيليكون على الاقتصاد العالمي الحديث. إن السيليكون الأولي العالي النقاء (أقل من 10 ٪ [اقتباس ضروري]) المستخدم في إلكترونيات أشباه الموصلات أمر بالغ الأهمية للترانزستورات وشرائح الدوائر المتكاملة المستخدمة في معظم التقنيات الحديثة مثل الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر الأخرى. في 2019 ، تم استخدام 32.4 ٪ من سوق أشباه الموصلات في معدات التواصل والاتصالات ، ومن المتوقع أن تصل صناعة أشباه الموصلات إلى 726.73 مليار دولار بحلول عام 2027.يعد السيليكون عنصرًا أساسيًا في علم الأحياء. معظم الحيوانات تحتاج فقط إلى آثار ، ولكن بعض الإسفنج والميكروبات البحرية ، مثل الدياتومات والرصاصين ، تفرز الهياكل الهيكلية المصنوعة من السيليكا. يتم ترسيب السيليكا في العديد من الأنسجة النباتية.

صفات

المادي والذري:

الذرة السيليكون لديها أربعة عشر إلكترون. في الحالة الأرضية ، يتم ترتيبها في التكوين الإلكتروني [NE] 3S23P2. من هذه ، أربعة هي إلكترونات تكافؤ ، تشغل المدار 3S واثنين من المدارات 3p. مثل الأعضاء الآخرين من مجموعتها ، والكربون الأخف والكربان الأثقل ، والقصدير والرصاص ، لديه نفس عدد إلكترونات التكافؤ مثل مدارات التكافؤ: وبالتالي ، يمكنه إكمال الثماني وتحقيق الخمول المستقر من خلال تكوين الأرجون الغاز أشكال المدارات الهجينة SP3 ، وتشكيل رباعي السطوح ستة.4 المشتقات التي تشترك فيها ذرة السيليكون المركزية في زوج إلكترون مع كل من الذرات الأربع التي ترتبط بها. أول أربع طاقات التأين من السيليكون هي 786.3 و 1576.5 و 3228.3 و 4354.4 كيلو جول/مول ؛ هذه الأرقام مرتفعة بما يكفي لاستبعاد إمكانية كيمياء كاتيونية بسيطة للعنصر. تتبع الاتجاه الدوري ، فإن نصف قطره التساهمي المفرد هو 117.6 مساءً ، وهو ما بين الكربون (77.2 مساءً) والجرمانيوم (122.3 مساءً).

الكهرباء

في درجة الحرارة القياسية والضغط ، يعد السيليكون أشباه موصلات لامعة مع بريق معدني أزرق رمادي ؛ بصفتها أشباه الموصلات النموذجية ، تتناقص مقاومته مع زيادة درجة الحرارة. يحدث هذا لأن السيليكون لديه فجوة طاقة صغيرة (فجوة النطاق) بين أعلى مستوى الطاقة المحتلة (نطاق التكافؤ) وأدنى مستوى طاقة غير مشغولة (نطاق توصيل). بين النطاقات والتكافؤ والتوصيل والطاقة التي من المحتمل أن تحتلها الدولة من قبل الإلكترونات. إلكترون إضافي لكل Dopant ، والذي قد يكون متحمسًا حراريًا أو ضوئيًا في نطاق التوصيل ، ويشكل أشباه الموصلات من النوع N. وبالمثل ، يؤدي تعاطي المنشطات مع عناصر المجموعة 13 مثل البورون أو الألومنيوم أو الغاليوم إلى إدخال مستويات مستقبلة تُخف إلكترونات قد تكون متحمسة من نطاق التكافؤ المملوء ، مما يشكل من نوع p-type. -سيليكون من النوع يخلق تقاطع P-N مع مستوى فيرمي المشترك ؛ تتدفق الإلكترونات من N إلى P ، بينما تتدفق الثقوب من P إلى N ، مما يخلق انخفاضًا في الجهد. لذلك يعمل تقاطع P-N هذا مثل الصمام الثنائي ويصفر التيار المتناوب ، مما يجعل من السهل على التيار أن يتدفق في اتجاه واحد بدلاً من الآخر. الترانزستور هو تقاطع N-P-N مع طبقة رقيقة من السيليكون الضعيف من النوع P بين نوعين من النوع N المناطق. يتيح التمييز بين الجهد الأمامي الصغير والمجمع بواسطة جهد عكسي كبير للترانزستور بمثابة مكبر للصوت الثلاثي.

بنية البلورة

في ظل الظروف القياسية ، يتبلور السيليكون في الهياكل التساهمية العملاقة ، وخاصة في الشبكة المكعبة الماس (Group 227). لذلك ، يحتوي على نقطة انصهار عالية من 1414 درجة مئوية لأن الكثير من الطاقة مطلوبة لكسر الروابط التساهمية القوية وذوبان السيليكون الصلب. يتم ملؤها ، على غرار الجليد المائي عندما يتم كسر روابط الهيدروجين أثناء الذوبان. لا يحتوي على أي allotrope مستقر حراريًا عند الضغط القياسي ، ولكن هناك العديد من الهياكل البلورية الأخرى معروفة في الضغوط العليا. الاتجاه العام هو أن عدد التنسيق يزيد مع الضغط ، في نهاية المطاف ، تشكل allotrope سداسي معبأ بحوالي 40 GPa ، يسمى SI-VII (المتغير المعياري هو SI-I). (مجموعة الفضاء 206) ، يمكن إنتاجها عند الضغط العالي وتبقى قابلة للانفصال عند الضغط المنخفض. تمت دراسة خصائصها بالتفصيل.

يغلي السيليكون عند 3265 درجة مئوية: على الرغم من ارتفاع نسبة السندات Si - Si إلى C.The C Bond ضعيفة.يمكن أيضًا بناء طبقات تشبه الجرافين من السيليسين.

النظائر

يتكون السيليكون الذي يحدث بشكل طبيعي من ثلاثة نظائر مستقرة ، 28SI (92.23 ٪) ، 29SI (4.67 ٪) و 30SI (3.10 ٪). من هذه ، يمكن استخدام 29SI فقط في التحليل الطيفي تدور (i = 1/2). يتم إنتاج كل ثلاثة من خلال عملية احتراق الأكسجين في النوع ia supernovae [49] [50] ، حيث يتم إنتاج 28SI كجزء من عملية ألفا وبالتالي فهي أكثر وفرة. الجسيمات في النجوم عن طريق إعادة ترتيب PhotoDecay ، وهي عملية تعرف باسم حرق السيليكون ؛ هذه هي المرحلة الأخيرة من التخليق النووي قبل أن ينهار النجم بسرعة وينفجر بعنف في Supernova من النوع الثاني.

تم تمييز عشرين مشعة مشعة ، والأكثر ثباتًا هما 32SI مع عمر نصف يبلغ حوالي 150 عامًا و 31 عامًا مع عمر نصف ساعة. حياة أقل من عُشر ثانية. لدى Silicon أيزومر نووي معروف ، 34 مللي ثانية ، مع عمر نصف أقل من 210 NS.32SI يخضع للتسوس التجريبي منخفض الطاقة إلى 32p ثم يستقر على 32 ثانية. يمكن إنتاج 31SI عن طريق التنشيط النيوتروني للسيليكون الطبيعي وبالتالي يمكن استخدامه للتحليل الكمي ؛ يمكن اكتشافه بسهولة من خلال تسوس بيتا المميز الثابت 31p ، حيث تحمل الإلكترونات المنبعثة طاقات تصل إلى 1.48 ميجا فولت.

النظائر المعروفة من السيليكون لها كتل تتراوح بين 22 إلى 44. وضع التحلل الأكثر شيوعًا للنظائر ذات الكتل المنخفضة من النظائر الثلاثة المستقرة هي تسوس بيتا عكسي ، مع التكوين السائد لنظير الألومنيوم (13 بروتونًا) كمنتج تسوس. الأكثر شيوعًا للانحطاط لنظائر الأثقل غير المستقرة هو تسوس بيتا ، مع التكوين السائد لنظير الفوسفور (15 بروتونًا) كمنتج للتحلل.يمكن أن يدخل السيليكون إلى المحيط عبر المياه الجوفية ونقل النهر. مدخلات المياه الجوفية السائبة لها تكوين نظيري مختلف عن إدخال السيليكون الفلوي. في قيم نظائر المياه العميقة في مختلف أحواض المحيطات في العالم. بين المحيط الأطلسي والمحيط الهادئ ، هناك تدرج 30SI في المياه العميقة أكبر من 0.3 ‰ .30SI يرتبط في أغلب الأحيان بالإنتاجية.