Silicij
je
kemijski element
atomskog
(rednog) broja 14 i
atomske mase
28,0855(3)?. U
periodnom sustavu elemenata
predstavlja ga simbol
Si
.
Silicij
(lat. silex = tvrd kamen) je ?etvervalentni prijelazni metal, znatno manje reaktivan od
ugljika
u istoj skupini. Drugi je najzastupljeniji element na
Zemlji
(25,7 % zemljine mase, iza
kisika
), te se naj?e??e pronalazi u obliku
kremena
, odnosno silicijevog dioksida. Silicij ima va?nu primjenu u industriji: u elementarnom stanju se koristi kao poluvodi? u razli?itim elektroni?kim napravama,
integriranim krugovima
i
mikro?ipovima
. Budu?i da ostaje poluvodi? na znatno vi?oj temperaturi od
germanija
, njegova je uloga u elektronici nezamjenjiva.
Hrvatski naziv za njega je
kremik
.
Silicij se u prirodi ne nalazi u elementarnom stanju, ve? u obliku silicijeva(IV) oksida (kvarc) i mnogobrojnih silikata. Po rasprostranjenosti u Zemljinoj kori odmah je iza kisika, w(Si) = 25,7 %.
Silicija ima u stabljikama i li??u ?itarica, u dlakama, perju i zubima, u lju?turama alga kremenja?ica (diatomeja). Pustinjski pijesak uglavnom se sastoji od kvarca.
Plinoviti spojevi silicija dokazani su u međuzvjezdanim plinovima, a ?vrsti silikati pronađeni su na meteoritima i u zvjezdanoj pra?ini.
Elementarni se silicij mo?e proizvesti na vi?e na?ina, a procesi su dosta slo?eni. Jedna od va?nijih metoda je redukcija silicijeva(IV) oksida (
kvarca
) koksom pri temperaturi oko 2100°C
SiO
2
(s) + 2 C(s) --> Si(I) + 2 CO(g)
Dobiveni silicij sadr?i oko 2 % ne?isto?a.
Silicij visoke ?isto?e proizvodi se iz plinovitog triklorsilana (SiHCl3) koji se dobiva reakcijom ne?istog silicija s klorovodikom pri 600°C
Si(s) + 3 HCl(g) --> SiHCl
3
(g) + H
2
(g)
Plinoviti triklorsilan, pro?i??en frakcijskom destilacijom, reducira se s vodikom, a nastali elementarni silicIj se talo?i na ?i?ke vrlo ?istog i zagrijanog silicija u samom reaktoru.
Ne?isto?e u siliciju su: oko 0,5 % ?eljeza, 0,4 % aluminija i neznatne koli?ine bakra, kalcija, magnezija, mangana, titanija i vanadija.
Dobiveni silicij ima ?isto?u 99,9999999 %.
Udio atoma ne?isto?a u siliciju je svega 30 ppb, ?to zna?i 3 atoma dodatnog elementa na 100 000 000 atoma silicija.
SiHCl
3
(g) + H
2
(g) --> Si(g) + 3 HCl(g)
Kad je izdvojen, naj?i??i silicij sastoji se iz mnogo malih kristala. Da bi se dobili veliki monokristali silicija, kakvi su npr. potrebni za proizvodnju ?ipova, silicij se rastali pri 1440°C. U taljevinu se uroni jedan mali kristal za cijepljenje pri?vr??en na dr?ci. On se dalje uz stalnu vrtnju polagano izvla?i iz silicijeve taljevine, pri ?emu se na njemu kristalizira ostali silicij. Tim postupkom se mo?e dobiti kristal promjera do 20?cm i mase do 70?kg. Iz tog kristala u obliku ?ipke mo?e se izrezati oko tisu?u plo?a debljine 1mm. Iz svake takve plo?e mo?e se na?initi do sto ?ipova.
?isti silicij ima dijamantnu strukturu, tvrd je i krt. Ima visoko tali?te i vreli?te. Poluvodi? je i vodljivost mu se pove?ava s porastom temperature, ali i prisutno??u malih koli?ina drugih atoma u njegovoj strukturi. Tada govorimo o poluvodi?ima s ne?isto?ama (dopirani poluvodi?i). Ako su ne?isto?e atomi elemenata 13. Skupine, radi se o poluvodi?ima p-tipa, a ako su to atomi 15. Skupine, o poluvodi?ima n-tipa. Atomi ne?isto?a zamjenjuju u strukturi atome silicija, a sama se struktura pri tome ne mijenja. Budu?i da atomi ne?isto?a i atomi silicija imaju razli?iti broj valentnih elektrona, vodljivost se znatno pove?ava.
Silicij ne reagira s kiselinama, a s lu?inama tvori silikate oslobađaju?i vodik.
Si + 2 NaOH + H
2
O --> Na
2
SiO
3
+ 2 H
2
U reakciji s halogenim elementima nastaju tetrahalogenidi SiX4, a u reakciji s vodikom silani.
Silicij pri povi?enoj temperaturi reagira s kisikom, ?ega je produkt silicijev(IV) oksid (silicijev dioksid).
Silicijev(IV) oksid
se u prirodi pojavljuje u dvadesetak razli?itih kristalnih i amorfnih modifikacija. Najpoznatiji i najva?niji je kremen ili kvarc, najrasprostranjeniji mineral u prirodi. Uz kremen se pojavljuju tridimit i kristobalit. To su tri osnovna kristalna oblika koji su stabilni u određenim temperaturnim podru?jima i ne prelaze lako jedan u drugi.
Kristali kvarca mogu biti razli?ite veli?ine, od malih u kvarcnom pijesku do pojedina?nih kristala veli?ine i do 50cm.
Kristali kvarca s vi?e od 99,9 % SiO2 su potpuno prozirni. Obojeni prozirni kristali kvarca rabe se kao drago i poludrago kamenje.
Silicijev(IV) oksid, osim u kristalnim modifikacijama, postoji i u ?itavom nizu prirodnih amorfnih modifikacija. Takav je primjerice opal ? koji sadr?i 3 ? 21 % vode i dijatomejska zemlja ? tvar nastala od amorfnog silicijeva dioksida iz lju?tura dijatomeja (alga kremenja?ica).
Kremen je tvrd i krt kristal, visoka tali?ta. Otporan je na djelovanje svih kiselina osim fluorovodi?ne kiseline, a lu?ine ga vrlo slabo i polagano otapaju. Reagira tek s taljevinama alkalijskih hidroksida ili karbonata, pri ?emu nastaju silikati.
Silicijev dioksid u obliku kremena pijeska va?na je sirovina pri proizvodnji obi?nog vodenog i specijalnih vrsta stakala, vatrostalnog materijala, keramike, emajlna i silikatnog kau?uka. U građevinarstvu se upotrebljava kao pijesak za ?buku i beton, te zbog velike tvrdo?e, kao sredstvo za bru?enje i poliranje.
Silicijev karbid
(SiC, karborund/um/) je kovalentni
karbid
, koji je zbog razli?itih ne?isto?a obojen zeleno, ?uto, plavo ili crno, ovisno o vrsti ne?isto?a.
Dobiva se reakcijom kremenog pijeska i koksa u elektrolu?nim pe?ima pri temperaturama 1900-2000°C.
SiO
2
(s) + 3 C(s) --> SiC(s) + 2 CO(g)
Ima inzvaredna kemijska, fizikalna, mehani?ka, toplinska i elektri?na svojstva. Jer se odlikuje velikom tvrdo?om (gotovo kao dijamant), koristi se za izradu bruseva i materijala za bru?enje, poliranje i ?i??enje povr?ina ?vrstih materijala.
Vatrostalan je materijal, velike toplinske vodljivosti i velike otpornosti na temperaturne promjene, pa se upotrebljava za izradu okna visokih pe?i, posuda za taljenje metala, nosa?a u pe?ima za pe?enje kerami?kih posuda i sl. Iz njega se izrađuju sapnice raketa, lopatice turbina, elektri?na grija?a tijela za rad pri visokim temperaturama (1100 ? 1500°C). Materijal je i za legiranje s drugim tvarima.
Najjednostavniji silikati sadr?e izolirani anion SiO
4
4-
i kation metala. Primjer takvog silikata je mineral cirkon (ZrSiO
4
). Javlja se u malim ?tapi?astim kristali?ima. Bezbojan je i slabo obojen, dijamantnoga sjaja, velike tvrdo?e. Koristi se za dobivanje visokovatrostalnog materijala, ali i za izradu nakita.
Predstavnik silikata prstenaste strukture je mineral beril (Al
2
Be
3
(Si
6
O
18
). Zeleno obojeni beril je kamen smaragd, a plavo obojeni akvamarin. Rabi se za dobivanje berilijeva oksida, va?nog vatrostalnog materijala.
Vlaknasti silikatni minerali nazivaju se zajedni?kim imenom azbest. To je materijal koji se danas izbacuje iz uporabe, jer dugotrajno izlaganje azbestu ?tetno djeluje na ljudski organizam i ?esto dovodi do knacerogenih oboljenja.
Liskun (tinjac)
je slojevite strukture, građen od jednostrukih i dvostrukih lanaca. Dvostruki silikatni sloj nalazimo i kod talka (talk = milovka) (Mg3(OH)2Si4O10(. Između slojeva vladaju slabe privla?ne sile, pa su ovi minerali mekani, lako se kalaju i upotrebljavaju se u obliku pra?ka u kozmetici.
U skupinu alumosilikata trodimenzionalne strukture ubrajamo razne glinence:
otroklas
(K(AlSi3O8) i
anortit
(CaAl2Si2O8) te zeolite. U alumosilikatima su neki atomi silicija zamijenjeni atomima aluminija.
Djelovanjem vode i CO2 iz zraka, glinenci se razla?u na alkalijske karbonate topljive u vodi i netopljive sastojke, koje voda nosi i mije?a s drugim mineralima, pa tako nastaju gline, odnosno tlo.
Glinenci
se koriste u kerami?koj industriji, u proizvodnji stakla i dr.
Zeoliti
se odlikuju karakteristi?nom strukturom punom ?upljina i tunela u kojima se nalaze alkalijski i zemnoalkalijski kationi i voda.
Primjena im je raznolika. Koriste se za su?enje nafte i prerađevina, za ?i??enje plinova od ?tetnih plinovitih sastojaka (CO2, H2S, sumporovih oksida i dr.). Primjenjuju se kao ionski izmjenjiva?i, a i za djelomi?nu zamjenu fosfata u deterd?entima, kao dodatak cementu i dr.