سیلیسیم

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
(تغییرمسیر از سیلسیم)
پرش به ناوبری پرش به جستجو

با سیلیس که دی‌اکسید سیلیسیم است اشتباه نشود.


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 ‎/ˈsɪlkən/‎ SIL-ə-kən or ‎/ˈsɪlkɒn/‎ SIL-ə-kon
نام گروهی برای عناصر مشابه شبه فلزات
گروه، دوره، بلوک ۱۴، ۳، p
جرم اتمی استاندارد ۲۸٫۰۸۵۵ گرم بر مول
آرایش الکترونی Ne 3s۲ 3p۲
الکترون به لایه ۲, ۸, ۴
ویژگی‌های فیزیکی
حالت جامد
چگالی (نزدیک به دمای اتاق) ۲٫۳۲۹۰ g·cm−۳
چگالی مایع در نقطه ذوب 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 کیلوژول بر مول
گرمای تبخیر ۳۵۹ کیلوژول بر مول
ظرفیت گرمایی ۱۹٫۷۸۹ کیلوژول بر مول
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 ویژه الکتریکی (20 °C) 2.3‎×۱۰۳ [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 برشی ۵۲[۳] GPa
مدول حجمی 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
ایزوتوپ NA نیمه‌عمر DM DE (MeV) DP
۲۸Si ۹۲٫۲۳% ۲۸Si ایزوتوپ پایدار است که ۱۴ نوترون دارد
۲۹Si ۴٫۶۷% ۲۹Si ایزوتوپ پایدار است که ۱۵ نوترون دارد
۳۰Si ۳٫۱% ۳۰Si ایزوتوپ پایدار است که ۱۶ نوترون دارد
۳۲Si ایزوتوپ پرتوزای ناچیز 170 y β ۱۳٫۰۲۰ ۳۲P

سیلیکون یا سیلیسیم (به انگلیسی: Silicon) با نماد Si عنصری شیمیایی از خانوادهٔ شبه فلزها است که در گروه چهاردهم و دورهٔ سوم جدول تناوبی (استاندارد) 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.

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 دی‌اکسید یا سیلیکات‌ها پیدا کرد. بیش از ۹۰٪ پوستهٔ زمین از کانی‌های سیلیکات ساخته شده‌است به همین دلیل سیلیس پس از اکسیژن فراوان‌ترین 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 بهره‌برداری 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 در سیمان پورتلند برای ساخت ملات و اندود گچ و سیمان به کار می‌روند و با مخلوط کردن با شن و ماسه‌های سیلیسی، برای ساخت بتُن از آنها استفاده می‌شود. کاربرد دیگر سیلیکون در ساخت بعضی سرامیکهای سفیدرنگ از قبیل پرسلان، شیشه‌های سنتی آهک سوددار با پایهٔ کوارتز و… است. سیلیسیم کاربید از ترکیب‌های امروزی‌تر سیلیکون یا همان سیلیسیم است که به عنوان ساینده و در ساخت سرامیک‌های مقاومت-بالا کاربرد دارد. عنصر سیلیکون یا سیلیسیم (با فرم نوشتاری Silicon) پایه ساخت پلیمرهای مصنوعی پرکاربردی به نام سیلیکون (با فرم نوشتاری Silicone)یا پلی‌سیلوکسان‌ها می‌باشد.[۵][۶]

بیشتر سیلیسیم آزاد در صنعت‌های پالایش فولاد، ریخته‌گری 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 مهم‌ترین نقش را در اقتصاد دنیا داشته باشد چون صنعت الکترونیک، ساخت تراشه‌های مدار و در نتیجه ساخت بیشتر رایانه‌ها وابسته به آن است.

سیلیسیم در زیست‌شناسی هم عنصری بسیار مهم است هرچند که به نظر می‌رسد اندازه‌های بسیار کمی از آن در بدن جانوران مورد نیاز باشد.[۷] بسیاری از گونه‌های اسفنج‌های دریایی برای ساختار بدنشان نیازمند سیلیسیم اند همچنین سیلیسیم و سیلیسیک اسید در سوخت و ساز بدن گیاهان به ویژه بسیاری از علف‌ها نقشی حیاتی دارند.

تاریخچه[ویرایش]

در ۱۸۷۸ آنتوان لاووازیه به این نکته مشکوک شد که احتمالاً سیلیکا اکسیدی از یک عنصر پایه ای باشد. اما آفنیته شیمیایی سیلیکون به اکسیژن به قدری زیاد است که او راهی برای کاهش اکسیژن از این ماده و جدا کردن آن به صورت خالص پیدا نکرد. پس از تلاش‌های سِر همفری دیوی برای ایزوله کردن این ماده در ۱۸۰۸، او نام «سیلیسیم» را برای این ماده پیشنهاد کرد که برگرفته از silex یا silicis به معنای «سنگ چخماخ» بود و به آن پسوند «ایم» داد چرا که فکر می‌کرد این عنصر یک "فلز" است.[۸] در بسیاری از زبان‌های غیرانگلیسی از نام پیشنهادی همفری دیوی استفاده می‌شود.

تصور می‌شود که گیلوساک و تنارد در ۱۸۱۱ از روش گرم کردن فلز پتانسیم تازه ایزوله شده با سیلیکون تترافلوراید موفق به ساخت سیلیکون آمورف شدند، اما قادر به خالص سازی و تشخیص این ماده و تعیین آن به عنوان یک عنصر جدید نگردیند.[۹] نام امروزین این عنصر یعنی "سیلیکون (به انگلیسی: Silicon)" در سال ۱۸۱۷ توسط شیمی‌دان اسکاتلندی توماس تامسون برگزیده شد. او قسمتی از نام دیوی را حفظ کرد اما در انتهای آن از پسوند "on-" به جای "ium-" استفاده کرد چرا که او باور داشت این ماده یک "نافلز" مانند بورون (به انگلیسی: Boron) و کربُن (به انگلیسی: Carbon) است.[۱۰]

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.[۱۱] نکتهٔ جالب دربارهٔ سیلیسیم این است که این ماده در حالت مایع چگالی بیشتری نسبت به حالت جامد دارد در نتیجه 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.[۱۲]

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 جابجایی‌کننده‌های (حامل‌های) بارهای آزاد آن با افزایش دما افزایش می‌یابد. مقاومت الکتریکی یک تک‌بلور سیلیسیم در اثر دریافت تنش‌های مکانیکی، تغییر بسیار زیادی می‌کند.[۱۳]

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]

در طبیعت سه ایزوتوپ پایدار برای سیلیسیم پیدا می‌شود: سیلیسیم-۲۷، سیلیسیم-۲۹ و سیلیسیم-۳۰ که سیلیسیم-۲۸ بیشترین فراوانی را دارد (۹۲ درصد).[۱۴] جدای از این‌ها، تنها سیلیسیم-۲۹ در فرایندهای تشدید مغناطیسی هسته‌ای و تشدید پارامغناطیسی الکترون کاربرد دارد.[۱۵] 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.[۱۴] دیگر ایزوتوپ‌های پرتوزا نیمه عمری کمتر از ۷ ثانیه و البته بیشتر آن‌ها حتی نیمه عمری کوتاه‌تر از یک-دهم ثانیه دارند.[۱۴] سیلیسیم، هیچ ایزومر هسته‌ای شناخته شده‌ای ندارد.[۱۴] عدد جرمی ایزوتوپ‌های سیلیسیم از ۲۲ تا ۴۴ است.[۱۴] 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.[۱۴] 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.[۱۴]

پیدایش[ویرایش]

بلورهای کوارتز که از تبت جمع‌آوری 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.[۱۶] سیلیسیم بیشتر در قالب پیچیدهٔ کانی‌های سیلیکات دیده می‌شود و کمتر به صورت سیلیسیم دی‌اکسید (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. M.C.HackerA.G.Mikos. «35 - Synthetic Polymers».
  6. "Silicon". Wikipedia. 2019-05-19.
  7. Nielsen, Forrest H. (1984). "Ultratrace Elements in Nutrition". Annual Review of Nutrition. ۴: ۲۱–۴۱. 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)
  8. «Philosophical Transactions of the Royal Society of London». https://books.google.com/books?id=Kg9GAAAAMAAJ&pg=PA333#v=onepage&q&f=false: ۳۵۳. پیوند خارجی در |وبگاه= وجود دارد (کمک)
  9. Joseph-Louis Gay-Lussac, Louis Jacques Thénard. Recherches physico-chimiques. صص. ۳۱۳–۳۱۴.
  10. Thomas Thomson, A System of Chemistry in Four Volumes, 5th ed. (London: Baldwin, Cradock, and Joy, 1817), vol. 1. From p. 252: "The base of silica has been usually considered as a metal, and called silicium. But as there is not the smallest evidence for its metallic nature, and as it bears a close resemblance to boron and carbon, it is better to class it along with these bodies, and to give it the name of silicon."
  11. Gray, Theodore (2009). The ELements: A Visual Exploration of Every Known Atom in the Universe. Black Dog and Leventhal Publishers. p. ۴۳. ISBN 978-1-57912-814-2.
  12. O'Mara, William C. (1990). Handbook of Semiconductor Silicon Technology. William Andrew Inc. pp. ۳۴۹–۳۵۲. ISBN 0-8155-1237-6. Retrieved ۲۰۰۸-۰۲-۲۴.
  13. Hull, Robert (1999). "Properties of crystalline silicon": ۴۲۱. ISBN 978-0-85296-933-5.
  14. ۱۴٫۰ ۱۴٫۱ ۱۴٫۲ ۱۴٫۳ ۱۴٫۴ ۱۴٫۵ ۱۴٫۶ NNDC contributors (2008). Alejandro A. Sonzogni (Database Manager), ed. "Chart of Nuclides". Upton (NY): National Nuclear Data Center, Brookhaven National Laboratory. Retrieved ۲۰۰۸-۰۹-۱۳.
  15. Jerschow, Alexej. "Interactive NMR Frequency Map". New York University. Retrieved ۲۰۱۱-۱۰-۲۰.
  16. Geological Survey (U.S.) (1975). Geological Survey professional paper.

پیوند به بیرون[ویرایش]