سیلیسیم

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو
آلومینیمسیلسیمفسفر
C

Si

Ge
ظاهر
بلوری، براق همراه با سایه های آبی رنگ

مهم ترین عنصر در ساخت ابزارهای رایانه ای

خط های طیفی سیلیسیم
ویژگی‌های کلی
نام, نماد, عدد سیلسیم, Si, ۱۴
تلفظ به انگلیسی /ˈsɪlɨkən/ SIL-ə-kən or /ˈsɪlɨkɒn/ SIL-ə-kon
نام گروهی برای عناصر مشابه شبه فلزات
گروه، تناوب، بلوک ۱۴۳, p
جرم اتمی استاندارد ۲۸٫۰۸۵۵ g·mol−۱
آرایش الکترونی Ne 3s۲ 3p۲
الکترون به لایه ۲, ۸, ۴ (تصویر)
ویژگی‌های فیزیکی
حالت جامد
چگالی (نزدیک به r.t.) ۲٫۳۲۹۰ g·cm−۳
چگالی مایع در m.p. ۲٫۵۷ g·cm−۳
نقطه ذوب ۱۶۸۷ K, ۱۴۱۴ °C, ۲۵۷۷ °F
نقطه جوش ۳۵۳۸ K, ۳۲۶۵ °C, ۵۹۰۹ °F
گرمای هم‌جوشی ۵۰٫۲۱ kJ·mol−1
گرمای تبخیر ۳۵۹ kJ·mol−1
ظرفیت گرمایی ۱۹٫۷۸۹ J·mol−۱·K−۱
فشار بخار
فشار (پاسکال) ۱ ۱۰ ۱۰۰ ۱k ۱۰k ۱۰۰k
دما (کلوین) ۱۹۰۸ ۲۱۰۲ ۲۳۳۹ ۲۶۳۶ ۳۰۲۱ ۳۵۳۷
ویژگی‌های اتمی
وضعیت اکسید شدن ۴, ۳ , ۲ , ۱[۱] -۱, -۲, -۳, -۴
(اکسید آمفوتری)
الکترونگاتیوی ۱٫۹۰ (مقیاس پاولینگ)
شعاع اتمی ۱۱۱ pm
شعاع کووالانسی ۱۱۱ pm
شعاع واندروالانسی ۲۱۰ pm
متفرقه
ساختار کریستالی ساختار الماس
مغناطیس دیامغناطیس[۲]
مقاومت الکتریکی (20 °C) ۱۰۳ [۳]Ω·m
رسانایی گرمایی (300 K) ۱۴۹ W·m−1·K−1
انبساط گرمایی (25 °C) ۲٫۶ µm·m−1·K−1
سرعت صوت (سیم نازک) (20 °C) ۸۴۳۳ m/s
مدول یانگ ۱۸۵[۳] GPa
مدول شیر ۵۲[۳] GPa
مدول باک ۱۰۰ GPa
نسبت پواسون ۰٫۲۸[۳]
سختی موس ۷
عدد کاس ۷۴۴۰-۲۱-۳
فاصله باند انرژی در ۳۰۰ کلوین ۱٫۱۲ eV
پایدارترین ایزوتوپ‌ها
مقاله اصلی ایزوتوپ‌های سیلسیم
iso NA نیمه عمر DM DE (MeV) DP
۲۸Si ۹۲٫۲۳% ۲۸Si ایزوتوپ پایدار است که ۱۴ نوترون داردs
۲۹Si ۴٫۶۷% ۲۹Si ایزوتوپ پایدار است که ۱۵ نوترون داردs
۳۰Si ۳٫۱% ۳۰Si ایزوتوپ پایدار است که ۱۶ نوترون داردs
۳۲Si trace 170 y β ۱۳٫۰۲۰ ۳۲P

سیلیسیم (به انگلیسی: Silicon) (با سیلیس که دی‌اکسید سیلیسیم است اشتباه نشود) با نماد Si عنصری شیمیایی از خانوادهٔ شبه فلزها است که در گروه چهارم و دورهٔ سوم جدول تناوبی عنصرها جای دارد. عدد اتمی این عنصر ۱۴ است و چهار الکترون در لایهٔ ظرفیت دارد. جرم اتمی سیلیسیم ۲۸٫۰۸۶ است و دارای سه ایزوتوپ پایدار می‌باشد. واکنش پذیری این عنصر کمتر از کربن نافلز هم گروه و بالاسری خود است ولی واکنش پذیری آن از ژرمانیم شبه فلز پایین دستی اش بیشتر است. ستیز بر سر ویژگی‌های سیلیسیم به روز نخست که آن را پیدا کردند باز می‌گردد. نخستین بار سیلیسیم در سال ۱۸۲۴ به صورت پالوده (خالص) فراوری شد. نام آن از واژهٔ لاتین silicis سیلیس به معنی سنگ چخماق گرفته شده‌است و -ium که در انتهای آن گذاشته شده برای اشاره به ویژگی‌های فلزی آن است، پسوندی که در بسیاری زبان‌های غیر انگلیسی کاربرد دارد. البته نامی که در انگلیسی برای آن بکار می‌رود Silicon است که برای همانندی با دیگر نافلزها مانند کربن برگزیده شده‌است. این تغییر نام در سال ۱۸۳۱ پیشنهاد شد.

سیلیسیم از دید فراوانی برپایهٔ جرم، هشتمین عنصر فراوان در جهان است. البته به سختی می‌توان آن را به صورت خالص و آزاد در طبیعت پیدا کرد. سیلیسیم را بیشتر می‌توان در گرد و غبار، ماسه، سیارک‌ها و سیاره‌ها و در قالب سیلیسیم دی اکسید و یا سیلیکات‌ها پیدا کرد. بیش از ۹۰٪ پوستهٔ زمین از کانی‌های سیلیکات ساخته شده‌است به همین دلیل سیلیس پس از اکسیژن فراوان ترین ماده در پوستهٔ زمین است (نزدیک به ۲۸٪ بر پایهٔ جرم)[۴]

بیشتر سیلیسیمی که به صورت تجاری کاربرد دارد بدون هیچ گونه جداسازی مورد بهره برداری قرار می‌گیرد و خیلی کم بر روی ترکیب طبیعی آن فراوری صورت می‌گیرد. در بخش صنعت ساختمان و تولید سرامیک هم هنگام کاربرد رس، ماسه و سنگ‌های سیلیسی همین رویکرد وجود دارد. سیلیکات‌ها برای ملات و اندود گچ و سیمان به سیمان پورتلند می‌روند و پس از آنکه با شن و ماسه‌های سیلیسی آمیخته شدند از آن‌ها بتُن ساخته می‌شود. کاربرد دیگر ماده در سرامیک برخی ابزارهای خانگی مانند پرسلان، شیشه‌های سنتی آهک سوددار با پایهٔ کوارتز و... است. سیلیسیم کاربید از ترکیب‌های امروزی تر سیلیسیم است که از آن سرامیک‌های پرمقاومت ساخته می‌شود. پلیمرهای با پایهٔ سیلیسیم را سیلیکون می‌نامند.

بیشتر سیلیسیم آزاد در صنعت‌های پالایش فولاد، ریخته گری آلومینیم و بسیاری صنعت‌های حساس شیمی (مانند سیلیس دودی) کاربرد دارد. کمتر از ۱۰ درصد سیلیسیم در ساخت نیمه رساناها به کار می‌رود. این سیلیسیم که بسیار پالوده شده (درجهٔ خلوص بالا دارد) شاید مهم ترین نقش را در اقتصاد دنیا داشته باشد چون صنعت الکترونیک، ساخت تراشه‌های مدار و درنتیجه ساخت بیشتر رایانه‌ها وابسته به آن است.

سیلیسیم در زیست شناسی هم عنصری بسیار مهم است هرچند که به نظر می‌رسد اندازه‌های بسیار کمی از آن در بدن جانوران مورد نیاز باشد.[۵] بسیاری از گونه‌های اسفنج‌های دریایی برای ساختار بدنشان نیازمند سیلیسیم اند همچنین سیلیسیم و سیلیسیک اسید در سوخت و ساز بدن گیاهان بویژه بسیاری از علف‌ها نقشی حیاتی دارند.

ویژگی‌ها[ویرایش]

فیزیکی[ویرایش]

سیلیسیم در دمای اتاق جامد است و نقطهٔ ذوب و جوش بسیار بالایی دارد. این نقطه‌ها به ترتیب عبارتند از ۱٬۴۰۰ و ۲٬۸۰۰ درجهٔ سانتیگراد.[۶] نکتهٔ جالب دربارهٔ سیلیسیم این است که این ماده در حالت مایع چگالی بیشتری نسبت به حالت جامد دارد درنتیجه رفتار این ماده هنگام یخ زدن (جامد شدن) مانند رفتار معمول در دیگر ماده‌ها، با کاهش حجم همراه نیست بلکه حجم آن افزایش می‌یابد مانند آب که پس از یخ زدگی جرم در یکای حجمش کاهش می‌یابد و چگالی اش از آب مایع کمتر می‌شود. سیلیسیم رسانایی گرمایی بالایی دارد و اندازهٔ آن 149 W·m−۱·K−۱ است. برای همین در پوشش جسم‌های داغ کاربردی ندارد.

سیلیسیم پالوده در حالت بلوری به رنگ خاکستری است و جلای فلزی دارد. مانند ژرمانیم سخت و بسیار تُرد است و برای تراشه (ورقه ورقه) شدن مناسب است. سیلیسیم مانند کربن و ژرمانیم هنگام بلوری شدن ساختاربلوری الماس را می‌پذیرد و فاصله‌ها در شبکهٔ بندی آن تقریباً ۰٫۵۴۳۰۷۱۰ nm یا ۵٫۴۳۰۷۱۰ Å است.[۷]

ابر الکترونی بیرونی سیلیسیم مانند کربن چهار الکترون در لایهٔ آخر دارد. لایه‌های 1s،2s،2p و 3s سراسر پر شده‌اند درحالی که لایهٔ 3p تنها دو جا از ۶ جای آن پر شده‌است.

سیلیسیم یک نیمه‌رسانا است. ضریب دمایی مقاومت الکتریکی این ماده منفی است چون شمار جابجایی کننده‌های (حامل‌های) بارهای آزاد آن با افزایش دما افزایش می‌یابد. مقاومت الکتریکی یک تک‌بلور سیلیسیم در اثر دریافت تنش‌های مکانیکی، تغییر بسیار زیادی می‌کند.[۸]

شیمیایی[ویرایش]

گرد سیلیسیم

سیلیسیم یک شبه‌فلز است و به آسانی چهار الکترون بیرونی خود را به دیگری می‌دهد یا به اشتراک می‌گذارد و به این وسیله می‌تواند در بسیاری از واکنش‌های شیمیایی راه یابد. سیلیسیم با هالوژن‌ها و قلیاها واکنش می‌دهد اما بیشتر اسیدها (به جز برخی ترکیب‌های بسیار واکنش دهندهٔ اسید نیتریک و هیدروفلوئوریک اسید) اثری بر روی آن ندارند. با این حال داشتن چهار الکترون در لایهٔ ظرفیت، مانند کربن به سیلیسیم هم این امکان را می‌دهد تا در شرایط مناسب با بسیاری از عنصرها وارد واکنش شود.

ایزوتوپ‌ها[ویرایش]

نوشتار اصلی: ایزوتوپ‌های سیلیسیم

در طبیعت سه ایزوتوپ پایدار برای سیلیسیم پیدا می‌شود: سیلیسیم-۲۸، سیلیسیم-۲۹ و سیلیسیم-۳۰ که سیلیسیم-۲۸ بیشترین فراوانی را دارد (۹۲ درصد).[۹] جدای از این‌ها، تنها سیلیسیم-۲۹ در فرایندهای تشدید مغناطیسی هسته‌ای و تشدید پارامغناطیسی الکترون کاربرد دارد.[۱۰] تاکنون بیست ایزوتوپ پرتوزا شناخته شده‌است که پایدارترین آن‌ها، سیلیسیم-۳۲ با نیمه عمر ۱۷۰ سال است، پس از آن سیلیسیم-۳۱ با نیمه عمر ۱۵۷٫۳ دقیقه پایدارترین است.[۹] دیگر ایزوتوپ‌های پرتوزا نیمه عمری کمتر از ۷ ثانیه و البته بیشتر آن‌ها حتی نیمه عمری کوتاه تر از یک-دهم ثانیه دارند.[۹] سیلیسیم، هیچ ایزومر هسته‌ای شناخته شده‌ای ندارد.[۹] عدد جرمی ایزوتوپ‌های سیلیسیم از ۲۲ تا ۴۴ است.[۹] بیشترین واپاشی هسته‌ای دیده شده در میان شش ایزوتوپی که عدد جرمی کمتر از سیلیسیم-۲۸ دارند، β+ بوده‌است که نخست باعث پدیدار گشتن ایزوتوپ‌های آلومینیم (۱۳ پروتون)، به عنوان محصول واپاشی، شده‌است.[۹] β بیشترین واپاشی هسته‌ای دیده شده در ۱۶ ایزوتوپ با عدد جرمی بیشتر از سیلیسیم-۲۸ است که باعث پدیدار شدن ایزوتوپ‌های فسفر (۱۵ پروتون) شده‌است.[۹]

پیدایش[ویرایش]

بلورهای کوارتز که از تبت جمع آوری شده‌اند. این کانی که در طبیعت ساخته شده‌است شبکه‌ای جامد با ترکیب SiO۲ است.
همچنین ببینید: کانی‌های سیلیکات

از نظر جرم، سیلیسیم سازندهٔ ۲۷٫۷ درصد از پوستهٔ زمین است و پس از اکسیژن دومین عنصر فراوان در پوسته‌است.[۱۱] سیلیسیم بیشتر در قالب پپچیدهٔ کانی‌های سیلیکات دیده می‌شود و کمتر به صورت سیلیسیم دی اکسید (سیلیس، بخش اصلی سازندهٔ ماسه) یافت می‌شود. بلورهای پالودهٔ سیلیسیم در طبیعت بسیار کمیابند. این پدیده از آنجا می‌آید که در دماهای بسیار بالا برای پیدایش جرم‌های درون منظومهٔ خورشیدی، دو عنصر سیلیسیم و اکسیژن بیشترین سازگاری را با یکدیگر دارند و کمتر دچار ناپایداری می‌شوند.

کانی‌های سیلیکات - دربردارندهٔ سیلیسیم، اکسیژن و فلزهای واکنش پذیر - نزدیک به ۹۰ درصد جرم پوستهٔ زمین را از آن خود کرده‌اند.

منابع[ویرایش]

  1. R. S. Ram et al. "Fourier Transform Emission Spectroscopy of the A2D–X2P Transition of SiH and SiD" J. Mol. Spectr. 190, 341–352 (1998)
  2. Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds, in Handbook of Chemistry and Physics 81st edition, CRC press.
  3. ۳٫۰ ۳٫۱ ۳٫۲ ۳٫۳ http://www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/Si
  4. Nave, R. Abundances of the Elements in the Earth's Crust, Georgia State University
  5. Nielsen, Forrest H. (1984). "Ultratrace Elements in Nutrition". Annual Review of Nutrition 4: 21–41. doi:10.1146/annurev.nu.04.070184.000321. PMID 6087860.  More than one of |last1= and |last= specified (help); More than one of |first1= and |first= specified (help)
  6. Gray, Theodore (2009). The ELements: A Visual Exploration of Every Known Atom in the Universe. Black Dog and Leventhal Publishers. p. 43. ISBN 978-1-57912-814-2. 
  7. O'Mara, William C. (1990). Handbook of Semiconductor Silicon Technology. William Andrew Inc. pp. 349–352. ISBN 0-8155-1237-6. Retrieved 2008-02-24. 
  8. Hull, Robert (1999). Properties of crystalline silicon. p. 421. ISBN 978-0-85296-933-5. 
  9. ۹٫۰ ۹٫۱ ۹٫۲ ۹٫۳ ۹٫۴ ۹٫۵ ۹٫۶ NNDC contributors (2008). Alejandro A. Sonzogni (Database Manager), ed. "Chart of Nuclides". Upton (NY): National Nuclear Data Center, آزمایشگاه ملی بروکهیون. Retrieved 2008-09-13. 
  10. Jerschow, Alexej. "Interactive NMR Frequency Map". New York University. Retrieved 2011-10-20. 
  11. Geological Survey (U.S.) (1975). Geological Survey professional paper. 

پیوند به بیرون[ویرایش]