Silicij

izotop	zast.	v.p.r.	n.r.	e.r. MeV	p.r.
²⁸Si	92,23%	stabilni izotor sa 14 neutrona
²⁹Si	4,67%	stabilni izotor sa 15 neutrona
³⁰Si	3,1%	stabilni izotor sa 16 neutrona
³²Si	(veš.)	276 godina	β^-	0,224	³²P

Tamo gde drugačije nije naznačeno,
upotrebljene su SI jedinice i normalni uslovi.

Objašnjenja skraćenica:

zast.=zastupljenost u prirodi,
v.p.r.=vreme polu raspada,
n.r.=način raspada,
e.r.=energija raspada,
p.r.=proizvod raspada,

Silicijum/silicij (Si, na latinskom “silicium” a eng “silicon”) je hemijski element, tetravalentan metaliod sa atomskim brojem 14 i atomskom masom 28. Najvažnija jedinjenja silicijuma su: oksid silicijuma, koji je glavni sastojak peska i stakla; kiseline silicijuma H_2nSi_mO_2m+n, njihove soli, hlorosilikati i alkosilikati. Manje je reaktivan od ugljenika ali više reaktivan od germanijuma (koji je odmah ispod njega u periodnom sistemu).

Rasprostranjenost silicijuma na Zemlji je dosta velika - oko 27% i on je drugi element po rasprostranjenosti (odmah posle kiseonika). Najvažnija jedinjenja silicijuma su: oksid silicijuma (koji je glavni sastojak peska i stakla), kiseline silicijuma H2nSimO2m+n, kao i njihove soli, hloroplasti i alkosilikati. Kao što ugljenik ima najvažniju ulogu u organskom svetu takvu ulogu silicijum ima u neorganskom, jer SiO₂ u raznim oblicima (kvarc, pesak, kristobalit) kao i minerali silikati i alumosilikati čine većinu stena (preko 90%) koje grade zemljinu koru. Silicijum je osmi element u svemiru po ukupnoj masi ali vrlo retko se pojavljuje kao prečišćen i slobodan element u prirodi. Na mnogim planetama se pojavljuje u obliku silicijum-dioksida. Čist silicijum ima sivo-crnu boju a primećuje se i tipični metalni često plavičasti sjaj. Najveći deo silicijuma se koristi komercijalno često bez da se izdvaja iz jedinjenja iz prirode, ovo uključuje direktno korišćenje gline, silikatnog peska i kamena u građevinskoj industriji. Silikatni materijali su i jedan od sastojaka za cement i malter a kad se pomešaju sa silikatnim peskom i šljunkom dobija se beton. Silikati su takođe i u finoj keramici kao što je porcelan a ima ih i u staklu. Savremenija jedinjenja silicijuma kao što je silicijum-karbid formiraju abrazitive i čvršću keramiku. Silicijum u svom elementarnom stanju je imao veliki uticaj na svetsku ekonomiju. Iako se najveći deo čistog silicijuma koristi pri obrađivanju čelika i izlivanju aluminijuma, onaj relativno mali deo koji se koristi za poluprovodnike u elektronici (manje od 10%) je najbitniji. Zato što se koristi u integrisanim kolima, osnovi računara, veliki deo savremene tehnologije zavisi od njega.

Istorija:

Ime je dobio 1808. godine od latinske reči „silex“ što znači „jak kamen“ ili "kremen" ali ga je tek 1823. iz SiO₂ (koji je dotad bio smatran za hemijski element) izdvojio Jöns Berzelius pretvarajući ga flurovodoničnom kiselinom (NF) u SiF₄ (silicijum tetrafluorid) i redukujući ga kalijumom. Silicijum u uobičajenom kristalnom obliku nije napravljen sve do 1854. kada je Henri Etien Devilj elektrolizom nečistog natrijum-aluminijum hlorida (koji sadrži 10% silicijuma) uspeo da dobije malo nečist alotrop (*znači kad jedan element može da se nađe u 2 ili više oblika) silicijuma. Kasnije su izmišljeni lakši načini za izdvajanje silicijuma u nekoliko alotropnih oblika. Pošto je silicijum važan element u poluprovodnicima i visoko-tehnološkim uređajima, mnoga mesta u svetu su dobila po njemu ime. Na primer: Silicijumska Dolina (Silicon Valley) u Kaliforniji ima takvo ime zato zato što su tu sedišta kompjuterski orijentisane industrije. Takođe postoje i Silicijumska Šuma u Oregonu, Silicijumska Brda u Austinu (SAD), Silicijumska Saksonija u Nemačkoj, Silicijumska Dolina u Indiji, Silicijumska Granica u Meksiku, kao i nekoliko sličnih u Britaniji.

Silicijum je pri sobnoj temperaturi u čvrstom agregatnom stanju, ima relativno visoku temperaturu topljenja od 1414 °C i ključanja od 3265 °C. Kao i voda on ima veću gustinu dok je u tečnom stanju nego kad je u čvrstom tako da se, za razliku od mnogih drugih supstanci, on pri zamrzavanju širi umesto da se skuplja. Ima i relativno visoku toplotnu provodljivost od 149 W/(m•K) to jest dobro provodi toplotu. Kao i germanijum, silicijum je veoma tvrd ali krt i sklon cepkanju. Silicijum se, kao ugljenik i germanijum, kristališe u dijamantsku kubičnu kristalnu strukturu, sa razmakom između rešetki od 0,543 nm. Spoljna elektronska orbita silicijuma ima 4 valentna elektrona (isto kao ugljenik). Budući da je silicijum poluprovodnik, koeficijent njegove električne otpornosti se smanjuje (provodnost raste) sa povećanjem temperature.

Hemijske osobine:

Silicijum je metaliod koji može da donira ili deli sa drugim elementima svoja četiri valentna elektrona, time dozvoljava veliki broj hemijskih veza. Slično kao i ugljenik on obično ostvaruje 4 veze, za razliku od ugljenika on može da prihvati dodatne elektrone i time obrazuje 5 ili 6 veza u nekad labilnim silikatnim oblicima. Tetra-valentan silicijum je relativno inertan ali ipak može da reaguje sa halogenima i alkalima, ali većina kiselina (sem nekih hiper-reaktivnih kombinacija) nema nikakav efekat na njega. To što ima četiri vezivajuća elektrona mu pruža mnoge prilike da se kombinuje sa drugim elementima ili jedinjenjima pod određenim uslovima. Kristal kvarca sa Tibeta, prirodni mineral čvrste rešetke sa formulom SiO₂

Zastupljenost:

Silicijum se najčešče nalazi u obliku jedinjenja silikatnih minerala ili ređe u vidu silicijum dioksida (bitan sastav peska). Silikatni minerali - razni minerali koji sadrže silicijum, kiseonik i reaktivne metale poput gvožđa – podrazumevaju 90% mase Zemljine kore. To je zbog toga što su pri izuzetno visokim temperaturama koje su karakterisale stvaranje unutrašnjeg Sunčevog sistema, silicijum i kiseonik u imali veliki afinitet jedan prema drugom, gradeći mreže silicijuma i kiseonika u hemijskim spojevima visoke stabilnosti. Pošto su kiseonik i silicijum bili najčešći nemetalni elementi koji nisu bili u gasovitom stanju u ostacima prašine Supernove koja je formirala protoplanetarni disk prilikom stvaranja i evolucije Solarnog sistema, formirali su mnoge kompleksne silikate od kojih su nastale velike stenovite planetezimale i planete slične Zemlji. Tada, redukovana matrica silikatnih minerala je zarobila metalje dovoljno reaktivne da budu oksidisani (aluminijum, kalcijum, natrijum, kalijum i magnezijum). Nakon gubitka isparljivih gasova, kao i ugljenika i sumpora preko reakcije sa vodonikom, ova silikatna mešavina elemenata formirala je većinski deo Zemljine kore. Ovi silikati su bili relativno male gustine u odnosu na gvožđe, nikl i ostale metale koji ne reaguju sa kiseonikom i tako je ostatak nevezanih metala gvožđa i nikla potonuo u Zemljino jezgro, ostavljajući debeli omotač izgrađen uglavnom iz silikata magnezijuma i gvožđa. Primeri silikatnih minerala u kori uključuju one u sklopu piroksena, amfibola, tinjaca, i grupa feldspara. Ovi minerali se javljaju u glini i raznim vrstama stena poput granita i peščara. Silika (SiO₂) sadržana u mineralima se sastoji od veoma čistog silicijum dioksida u različitim kristalnim oblicima kao što su kvarc, amethist, stenovitih kristala, kalcedona, kremena, jaspisa i opala. Kristali imaju empirijsku formulu silicijum dioksida ali se ne sastoje iz zasebnih molekula silicijum dioksida na način kao stvrdnutog ugljenikovog dioksida. Za razliku od njega, silika se strukturalno sastoji od čvrste mreže silicijuma i kiseonika u trodimenzionalnim kristalima, slično dijamantu. Manje čisti oblici silike formiraju prirodno staklo – opsidijan. Biogena silika se javlja u strukturi diatoma, radiolaria i silikatnih sunđera. Silicijum je jedan od osnovnih sastojaka mnogih meteorita i sastojak je tektita, silikatnog minerala mogućeg porekla sa Meseca ili (ako je Zemaljskog porekla) koji je možda nastao delovanjem neuobičajene temperature i pritiska, moguće pri udaru meteorita.

Proizvodnja:

Legure: Ferosilicijum, legura gvožđa i silicijuma koja sadrži varirajuće odnose elementalnog silicijuma i gvožđa, zauzima oko 80% svetske proizvodnje elementnog silicijuma, u kojoj prednjači Kina, dajući oko 4,6 miliona tona (dve trećine svetske proizvodnje) silicijuma, kojeg je većina u obliku ferosilicijuma. Posle Kine, najveći eksploator silicijuma je Rusija (610 000 t), Norveška (330 000 t), Brazil (240 000 tona) pa SAD (170 000 tona). Ferosilicijum se uglavnom koristi u industriji čelika. Polisilicijum: Savremeni procesi prečišćavanja uključuju konverziju silicijuma u nestabilne tečnosti, kao što su trihlorosilan (HSiCl₃) i silicijum-tetrahlorid (SiCl₄) ili u gasoviti monosilan (SiH₄). Zatim se ova jedinjenja izdvoje destilacijom i pretvaraju u visoko-prečišćeni silicijum, redoks reakcijom ili hemijskim raspadom na visokim temperaturama. Krajem 50-ih godina prošlog veka, Američka kompanija DuPont je patentirala metod za prozvodnju 99,99% čistog silicijuma, koristeći cink kao reduktant da pretvori redestilovani silicijum-tetrahlorid u visoko očišćeni silicijum reakcijom isparavanja na 900 ⁰C. Ova tehnika je međutim patila od praktičnih problema, time što se biprodukt cink hlorid (ZnCl₂) stvrdnjavao i začepljavao linije, tako da je ova tehnika blagovremeno napuštena u korist više sofisticiranih procesa proizvodnje.

Prah silicijum-karbida

Nivo Elektronike:

Korišćenje silicijuma u uređajima koji sadrže poluprovodnike zahteva mnogo veću čistoću od onog koji se koristi u metalurgiji. Veoma čist silicijum (>99,9%) može biti ekstraktovan, direktno iz čvrste silike ili drugog silicijumskog jedinjenja, korišćenjem elektrolize topljenom soli. Ovaj metod, poznat još iz 1854. ima potencijal da odmah proizvede silicijum polisilicijumskog (solar-grade) nivoa bez emisije ugljen-dioksida i to pri maloj potrošnji energije. Silicijum solarnog nivoa ne može biti korišćen za mikroelektroniku. Da bi se pravilno kontrolisala kvantno mehanička svojstva, čistoća silicijuma mora biti vrlo visoka. Debeli silicijumski vaferi koji se koriste na početku procesa pravljenja integrisanog kola moraju najpre biti prečišćena na 99,9999999% što se često zove i „9N“ da označi devet devetki, to je proces koji zahteva ponavljanje primenjenih tehnologija refiniranja. Većina silicijumskih kristala koji se stvaraju za rad u uređajima su dobijeni primenom Czochralskijevim procesom (Cz-Si), to je bila najjeftinijija dostupna metoda. Međutim, pojedinačni kristali dobijeni ovim procesom sadrže nečistoće zato što kontenjer (tigl) koji sadrži istopljenu smesu se često i sam istopi/razgradi. Kroz istoriju su korišćeni razni metodi dobijanja ultra-čistog silicijuma.

Primena:

U elektronici: Najveći deo silicijuma koji se proizvede ostaje u obliku ferosilicijumskih legura, samo relativno mala količina (20%) silicijuma se refinira na metalurški nivo čistoće (1,3-1,5 miliona tona godišnje). A onda se od te petine ponovo samo 15% dalje refinira na nivo čistoće poluprovodnika. Međutim, ekonomska važnost ove male količine visoko-prečišćenog silicijuma (pogotovo ~5% koje se procesira u monokristalni silicijum za korišćenje u integrisanim kolima) je neproporcionalno ogromna. Čist monokristalni silicijum se koristi u izradi silicijumskih vafera koji se koriste u poluprovodničkoj industriji, u elektronici i u nekim skupim i visoko-efektivnim fotonaponskim primenama (pretvaranje sunčeve energije u jednosmernu električnu). U smislu provodljivosti, čist silicijum je nedopiran (poluprovodnik i-tipa) što znači da za razliku od metala on provodi elektronske šupljine i elektrone koji bi mogli biti oslobođeni iz atoma u kristalu dejstvom toplote, i tako povećali elektronsku provodnost silicijuma na višim temperaturama. Čist silicijum ima malu provodnost, zato da bi se koristio kao element u elektroničnim kolima, zato se on dopira malim koncentracijama određenih drugih elemenata, to je proces koji znatno povećava njegovu provodnost i podešava njegov električni odaziv kontrolišući broj i znak (pozitivno ili negativno) njegovih aktivnih nosilaca naelektrisanja. Takva kontrola je neophodna za tranzistore, solarne ćelije, poluprovodničke detektore (npr radijacije) i druge poluprovodničke uređaje koji se koriste u kompjuterskoj industriji ili za druge tehničke primene. Na primer, u silicijumskoj fotonici, silicijum može da se koristi kao medijum, Ramanov laser kontinualnog talasa, da bi se proizvela koherentna svetlost mada to nije korisno kao svakodnevni izvor svetlosti. U uobičajenim integrisanim kolima, vafer monokristalnog silicijuma služi kao mehanička podrška za kola koja su napravljena dopiranjem i izolovana su jedna od drugih tankim slojevima silicijum dioksida. Silicijum je postao najpopularniji materijal zapravljenje poluprovodnika visoke snage i za integrisana kola. Razlog toga je to što je silicijum poluprovodnik koji može da izdrži najveće temperature i električne snage bez da prestane da radi zbog lavinskog proboja (proces u kojem dođe do elektronske lavine zbog lančane reakcije procesa u kojima toplota stvara slobodne elektrone i šupljine, što onda daje jaču struju koja onda stvara veću toplotu). Takođe, izolovajući oksid silicijuma nije rastvoriv u vodi, što mu daje prednost u odnosu na germanijum u određenim tehnikama proizvodnje. Monokristalni silicijum je skup za proizvodnju i obično se samo koristi za proizvodnju integrisanih kola, gde i sićušne kristalne nesavršenosti mogu da smetaju malim putanjama kola. Za ostale svrhe se koriste drugi tipovi čistog silicijuma koji ne postoje kao zasebni kristali. Ovi uključuju vodonični amorfni silicijum i poboljšan metalurški silicijum (UMG-Si) koji se koriste u izradi jeftinije elektronike sa velikim površinama kao što su displeji od tečnog kristala (LCD ekrani) ili za jeftinije tanke solarne ćelije/panele velikih površina. Oni poluprovodnici od silicijuma koji su ili malo manje čisti od onih za integrisana kola ili su pravljeni u obliku polikristala umesto monokristala, čine približno istu količinu silicijuma kao i oni proizvedeni za monokristalnu silicijumsku industriju, tjst od 75 000 do 150000 tona godišnje. Međutim proizvodnja tih materijala raste većom brzinom od proizvodnje silicijuma za integrisana kola. Misli se da je 2013-e proizvodnja polikristalnog silicijuma koji se koristi najviše za solarne ćelije, dostigla 200 000 metričnih tona po godini, dok proizvodnja monokristalnih silicijumskih poluprovodnika (koji se koriste u kompjuterskim čipovima) ostaje ispod 50 000 t godišnje. Veštačka jedinjenja silicijuma: Veoma retko se nalazi elementalni silicijum u prirodi a prirodno nastala jedinjenja silicijuma i ugljenika ili azota (silicijum nitrid) su nađena u uzorcima svemirske prašine ili presolarnim grumenima, ali oksidisajući uslovi unutrašnjih planeta Sunčevog sistema čine da planetarna silicijumska jedinjenja budu većinom silikati ili silika. Slobodni silicijum ili jedinjenja silicijuma u kojima je element kovalentno vezan za hodonik, bor ili druge elemente koji nisu kiseonik, su većinom dobijena veštačkom obradom. Silicijumska jedinjenja savremenog porekla služe kao visoko-tehnološki abrazitivi ili nova jaka keramika zasnovana na silicijum karbidu. Silicijum je i komponenta nekih superlegura (* legure koje imaju visoku otpornost na toplotne deformacije i visoku otpornost na koroziju i oksidaciju). Menjanje silicijum-oksid veze sa vodonikom vezanim za preostale silicijumske veznike formira sveprisutni polimerni materijal, zasnovan na silicijumu, poznat kao silikon. Ova jedinjenja koja sadrže veze silicijum-oksid i ponekad silicijum-ugljenik imaju sposobnost da služe kao vezujući intermedijum između stakla i organskih jedinjenja i tako stvaraju polimere sa korisnim svojstvima kao što su vodootpornost, fleksibilnost ili otpornost na hemijski napad. Silikon se često koristi kao sredstvo za sprečavanje rasta buđi, za grudne implante, zamazke, sočiva, explozive i pirotehniku.

Biološka uloga:

Silicijum je potreban za sintezu elastina i kolagena; aorta sadrži najveću količinu elastina i silicijuma. Trenutno se istražuje kako silicijum može da bude benefitan za život biljaka. Pokazalo se da silicijum može da jača ćelijski zid i strukturni integritet biljke, poboljšava otpornost na sušu i hladnoću i ojača sistem biljke za odbranu od bolesti, kao i da ojačava koren biljke i povećava joj masu samim tim i količinu žetve (gmo?). Hipotetički život na bazi silicijuma su predmet silicijumske biohemije, po analogiji sa oblicima života koji su „carbon-based“. Za silicijum, budući da je odmah ispod ugljenika u Mendeljejevom periodnom sistemu elemenata, se smatra da ima dovoljno slične osobine da bi mogao da podrži život zasnovan na njemu, ali bi taj život (ta stvorenja) bio mnogo drugačiji od života koji mi poznajemo.

Povezano

silikati