silicis

Silicio gamyba ir naudojimas

Silicį galima pagaminti elektrinėse krosnyse redukuojant kvarcą arba smėlį (SiO2) koksu.

SiO2 + 2 C Si + 2 CO(d)

Saulės elementų gamybai reikia ypatingai gryno silicio, kurį galima pagaminti redukuojant natriu fosforinių trąšų gamybos šalutinį produktą – Na2SiF6. Tranzistorių ir kitokių puslaidininkinių prietaisų gamybai irgi reikia labai gryno silicio.
Silicio oksidai

Silicis sudaro tik vieną stabilų oksidą – SiO2. Tai kristalinė medžiaga, kurioje kiekvienas Si atomas yra susijungęs su keturiais O atomais, o kiekvienas O atomas – su dviem silicio atomais. Kovalentinės jungtys silicio diokside veikia ne taarp kelių atomų, bet apima milžinišką skaičių Si ir O atomų. SiO2 savo sandara ir savybėmis primena deimantą. Pavyzdžiui kvarcas (viena iš SiO2 formų) yra labai kietas (kietumas Mohs’o skalėje 7), lydosi maždaug 1700°C temperatūroje.

SiO2 yra stiklo ir keraminių medžiagų gamybos žaliava. Labai svarbi silicio junginių klasė – silikatai. Visų silikatų struktūrinis elementas yra teraedro formos SiO44- jonas. SiO44- tetraedrai įvairiausiais būdais gali būti sujungti tarpusavyje. Mineralą asbestą sudaro ilgos šių tetraedrų grandinėlės. Žėrutį sudaro tie patys silikato tetraedrai, bet jau suujungti į dvimatį tinklą.

SiO2 yra silpnai rūgštinis oksidas, lėtai reaguojantis su stipriomis bazėmis ir sudarantis įvairius silikatus, pavyzdžiui Na2SiO3 (natrio metasilikatas) ir Na4SiO4 (natrio ortosilikatas). Natrio silikatai tirpsta vandenyje. Jų tirpalai vadinami skystu stiklu.

Silikatų anijonai yra bazės, todėl parūgštinus su

udaro nepatvarias silicio rūgštis, kurios skyla į SiO2. Skilimo produktai, priklausomai nuo tirpalo rūgštumo gali susidaryti koloidinę dispersiją, žele pavidalo nuosėdas arba į kietą medžiagą panašų gelį, kuriame “užrakinamas” visas vanduo. Visi išvardinti produktai yra silicio rūgščių polimerai, susidarantys atskylant po vieną vandens molekulę nuo dviejų gretimų silicio rūgšties molekulių. Procesą pradeda reakcija SiO44-(aq) + 4 H+(aq) Si(OH)4 po to prasideda polimerizacija.

Verta žinoti .

Kodėl silicis nesudaro SiO2 molekulių, panašių į CO2 molekules? Anglis ir silicis yra periodinės sistemos 4A grupės elementai, todėl logiška būtų tikėtis panašių savybių oksidų susidarymo. CO2 molekulėje yra palankios sąlygos C ir O atomų 2p orbitalių persiklojimui šonais. Todėl dvigubos jungties tarp C ir O energija yra didesnė (736 kJ/mol), nei dviejų viengubų jungčių energija (kiekviena po 360 kJ/mol).

Silicis, būdamas trečiojo periodo ellementas, galėtų sudaryti dvigubas jungtis, panaudodamas 3p orbitales persiklojimui su deguonies 2p orbitalėmis. Galimybės persikloti šonais 3p orbitalėms su 2p orbitalėmis yra gana ribotos. Tai rodo jungčių energijos. Sudaryti keturias viengubas Si-O jungtis (jungties energija 464 kJ/mol) yra energetiškai naudingiau, nei dvi dvigubas (jungties energija 640 kJ/mol). Savo ruoštu deguonis turi būti sujungtas su dviem Si atomais, todėl susidaro erdvinis Si-O-Si jungčių tinklas, o ne atskiros molekulės.
Keraminės medžiagos

Hidratuotų silikatinių polimerų susidarymas yra labai svarbus keraminių medžiagų gamybos technologijoje. Tirpale susidaranti ko

oloidinė dispersija vadinama zoliu. Pašalinus dalį skysčio zolis paverčiamas geliu. Iš gelio suformuojamas galutinis produktas – keramika. Zolių – gelių metodas taikomas kai kurių lengvų keraminių medžiagų gamybai.

Galima išskirti dvi šiuolaikinių keraminių medžiagų taikymo grupes. Pirmoji – panaudojimas susijęs su elektrinėmis, magnetinėmis ir optinėmis savybėmis (aukšto integracijos laipsnio mikroschemų komponentų gamyba). Kita sritis – panaudojimas susijęs su keraminių medžiagų atsparumu aukštai temperatūrai. Turima omenyje keraminių medžiagų panaudojimas garo turbinų ir automobilių variklių komponentų gamybai. Panašu, kad XXI amžiaus varikliai bus keramikiniai – lengvesni ir ekonomiškesni už metalinius. Keramikinių variklių naudingumo koeficientas pasiekiamas didesnis, nes šie varikliai gali veikti aukštesnėse temperatūrose. Jau dabar kai kuriuose varikliuose panaudojami keramikiniai komponentai. Turint omenyje keraminių medžiagų panaudojimą kartais juokaujama, kad artėja “naujasis akmens amžius”.

Sulydžius natrio karbonato, kalcio karbonato ir smėlio mišinį maždaug 1500°C temperatūroje susidaro skystas natrio ir kalio silikatų mišinys. Aušinamas šis mišinys klampėja, kol galiausiai virsta kieta medžiaga, vadinamą stiklu. Gautoji medžiaga skiriasi nuo kitų iki šiol nagrinėtų kietų medžiagų dalelių išsidėstymo tvarkingumu. Kristalinėse kietose medžiagose egzistuoja taip vadinama tolimoji tvarka. Stiklas yra amorfinė kietoji medžiaga. Tam tikrą dalelių išsidėstymo tvarkingumą galima įžiūrėti tik artimiausioje konkrečios dalelės apsuptyje – tokiais atvejais sakoma, kad egzistuoja tik artimoji tvarka. Stiklo struktūrinės dalelės – silikato anijonai – neturi griežtai apibrėžtos išsidėstymo tv
varkos. Stiklas lydosi kitaip, nei kristalinės medžiagos. Jis minkštėja ir lydosi plačiame temperatūrų intervale, o kristalinės medžiagos lydosi griežtai apibrėžtoje vienoje temperatūroje.
Silicio organiniai junginiai

Silicis, kaip ir anglis, gali sudaryti vienodų atomų grandines. Tačiau jungtis Si-Si nėra labai patvari, todėl daugiau nei 6 silicio atomų grandinių nesusidaro. Silicio hidridai vadinami silanais. Žinomi tokie silanai: monosilanas, disilanas, trisilanas, heksasilanas.

Tam tikrą silicio junginių grupę, vadinamą silicio organiniais junginiais, galime laikyti silanų dariniais, kuriuose vieną ar kelis vandenilio atomus yra pakeitę kiti atomai arba atomų grupės. Vienas iš tokių junginių susidaro Si reaguojant su metilo chloridu, CH3Cl.
2 CH3Cl + Si (CH3)2SiCl2

(CH3)2SiCl2 reaguoja su vandeniu sudarydamas dimetilsilanolį, (CH3)2Si(OH)2. Atskeldamas vandens molekulės dimetilsilanolis gali polimerizuotis į ilgas molekules, kurių pagrindinę grandinę sudaro pakaitomis susijungę silicio ir deguonies atomai. Polimerizuoti silicio organiniai junginiai su Si-O-Si jungtimis vadinami silikonais.
(CH3)2SiCl2 + 2 H2O (CH3)2Si(OH)2 + 2 HCl

Silikonams būdingos labai įdomios ir naudingos savybės. Galima pagaminti alyvos arba gumos pavidalo silikonus. Silikoninės alyvos yra nelakios, kaitinamos neskyla. Atšaldytos jos neklampėja ir nekietėja. Stipriai atšaldžius alyvas angliavandenilių pagrindu, jos klampėja ir sukietėja. Kaip ir alyva, silikoninė guma išlieka elastinga net ir stipriai atšaldyta. Ji yra atspari cheminėms medžiagoms, kaitinimui. Silikoninė guma labai gerai tinka langų sandarinimui prieš žiemą.

Leave a Comment