- Các phương pháp sớm nhất để làm tinh khiết silicon, lần đầu tiên được miêu tả năm 1919 và sử dụng trong một số hữu hạn nền tảng để sản xuất các thành phần của radar trong Đại chiến t[r]
(1)BẢNG TÓM TẮT CHUNG[1]
Tên – Kí hiệu – Số Silicon – Si – 14 Nhóm – Chu kì – Khối – – p
Phân loại Á kim loại
Khối lượng riêng 2330kg/m3
Độ cứng Mohs
Số đăng kí CAS 7440 – 21 –
Khối lượng nguyên tử 28,0855 đvC
Bán kính nguyên tử 110 pm
Bán kính cộng hóa trị 111 pm
Bán kính Van der Waals 200 pm Cấu hình điện tử [Ne] 3s23p2 Điện tử mức lượng – –
Trạng thái oxy hóa (Lưỡng tính) Cấu trúc tinh thể Lập phương
Độ âm điện 1,9 – Thang Pauling Năng lượng ion hóa thứ 786,5 kJ/mol
Nhiệt dung riêng 700J/(kg-K)
Độ dẫn nhiệt 148W/(m-K)
Đồng vị 28Si: 92,23% – 29Si: 4,67% 30Si: 3,1%
32Si: phóng xạ aragone (chu kì bán rã 276 năm)
ĐƠN CHẤT SILIC 1 LỊCH SỬ KHÁM PHÁ[2]
(2)- Silicon (tiếng Latin: silex, silicis nghĩa đá lửa) phát Antoine Lavoisier năm 1787 bị Humphry Davy cho hợp chất năm 1800
- Năm 1811, Gay Lussac Thenardo chế silicon vô định hình khơng ngun chất cách đun silicon tetrafluoride với potassium – K
- Năm 1824, Berzelius điều chế silicon vơ định hình phương pháp Lussac tinh chế cách rửa nhiều lần
- Silicon dạng gel Gottingen điều chế năm 1914
- Năm 1930 người ta điều chế silicon có tính chất đặc biệt: màu trắng, nhẹ, xốp Loại silicon gọi pyrogenic silicon dùng làm chất tăng cường lực cho cao su với tên gọi thương mại “carbon trắng.”
- Vì silicon nguyên tố quan trọng nguyên liệu tạo thiết bị bán dẫn công nghệ cao nên khu vực công nghệ cao
California đặt tên “Thung lũng silicon.” 2 TÍNH CHẤT VẬT LÍ
- Silicon nguyên tố nhiều thứ nhì trái đất sau O (chiếm 25,7%)[3] Tuy nhiên silicon lại khó tìm thấy tự nhiên nhiều nguyên tố khác
Silicon tinh thể
- Có cấu trúc tinh thể tứ diện giống kim cương (trạng thái lai hóa sp3), màu xám, ánh kim xanh, độ cứng gần kim cương
- Có khả dẫn điện, dẫn nhiệt
- Nhiệt độ nóng chảy: 14280C Nhiệt độ sơi: 32800C - Có tính bán dẫn Ở nhiệt độ thường dẫn điện tăng nhiệt
độ tăng khả dẫn điện
Silicon vơ định hình
- Chất bột màu nâu gồm vi tinh thể
- Không tan dung môi, tan số kim loại trạng thái nóng chảy Al, Zn, Pb, Sn, Ag, khơng có tương tác hóa học Khi đun nóng, silicon kết tinh tách trạng thái tinh thể[4]
3 TÍNH CHẤT HĨA HỌC
- Silicon có số oxy hóa -4, 0, +2, +4 Số oxy hóa +2 đặc trưng silicon
Tính khử
(3)* Si + 2F2 SiF4 (silicon tetrafluoride) * Si + O2 SiO2 (silicon dioxide)
- Tác dụng với hợp chất: Tác dụng tương đối mạnh với dung dịch kiềm, giải phóng khí H2: * Si + 2NaOH + H2O Na2SiO3 + 2H2
Tính oxy hóa
- Ở nhiệt độ cao, silicon tác dụng với kim loại Ca, Mg, Fe tạo thành silicide kim loại: * Si + 2Mg Mg2Si
4 TRẠNG THÁI TỰ NHIÊN
- Cát – Thạch anh – Đá lửa (SiO2), cao lanh lọc (Al2O3.2SiO2.2H2O), serpentine
(3MgO.2SiO2.2H2O), tràng thạch (Na2O.Al2O3.6SiO2), hoạt thạch (3MgO.4SiO2.H2O), nepheline syenite (K2O.3Na2O.4Al2O3.8SiO2), amian
(CaO.3MgO.4SiO2)…[5]
- Có thể sinh vật với hàm lượng nhỏ có vai trị đáng kể hoạt động sống giới hữu sinh
[6]
5 ỨNG DỤNG VÀ ĐIỀU CHẾ
Ứng dụng[7]
- Silicon tinh khiết pha thêm P, Ga, As, Ge…, silicon vơ định hình ngậm nước,… chất bán dẫn dùng kĩ thuật vô tuyến điện tử cơng nghệ cao transitor, hình tinh thể lỏng
- Chế tạo pin mặt trời cung cấp lượng tàu vũ trụ
- Sử dụng laser để sản xuất ánh sáng đơn sắc có bước sóng 456 nm
- Trong y tế, silicon chất dẻo dùng công nghệ thẩm mĩ lăng kính tiếp giáp, kính sát trịng,…
- Sản xuất hợp chất chịu lửa gốm, sứ, sứ cách điện, thủy tinh
- Silicon carbide SiC dùng sản xuất vật liệu mài mòn giấy nhám - Hợp kim ferrosilicon dùng chế tạo thép chịu acid
Điều chế
- Trong phòng thí nghiệm, đốt cháy hỗn hợp magnesium cát nghiền mịn: * SiO2 + 2Mg Si + 2MgO
- Trong công nghiệp, dùng than cốc khử silicon dioxide siêu lò điện nhiệt độ 19000C với điện cực carbon Silicon lỏng thu hồi đáy lò làm nguội
* SiO2 + 2C Si + 2CO
(4)Tinh chế[8]
- Việc sử dụng silicon thiết bị bán dẫn địi hỏi phải có độ tinh khiết cao so với sản xuất phương pháp Có số phương pháp làm tinh khiết silicon sử dụng để sản xuất silicon có độ tinh khiết cao:
Phương pháp vật lý
- Các kỹ thuật làm tinh khiết silicon dựa sở thực tế silicon nóng chảy sau đơng đặc lại phần cuối đông đặc chứa nhiều tạp chất
- Các phương pháp sớm để làm tinh khiết silicon, lần miêu tả năm 1919 sử dụng số hữu hạn tảng để sản xuất thành phần radar Đại chiến giới lần thứ hai, bao gồm việc đập vỡ silicon phẩm chất cơng nghiệp hịa tan phần bột silicon axít
- Khi bị đập vỡ, silicon bị làm vỡ để khu vực có nhiều tạp chất yếu nằm phía ngồi hạt silicon tạo ra, chúng bị acid hòa tan, để lại sản phẩm tinh khiết
- Trong khu vực nung chảy, phương pháp làm tinh khiết silicon sử dụng rộng rãi công nghiệp, thỏi silicon phẩm cấp công nghiệp nung nóng đầu Sau đó, nguồn nhiệt chuyển động chậm dọc theo chiều dài thỏi, giữ cho đoạn ngắn thỏi nóng chảy silicon làm nguội tái đơng đặc phía sau
- Vì phần lớn tạp chất có xu hướng nằm phần nóng chảy phần tái đơng đặc, nên q trình kết thúc, phần lớn tạp chất thỏi chuyển đầu nóng chảy sau Đầu sau bị cắt bỏ, quy trình lặp lại muốn có silicon với phẩm cấp cao
Phương pháp hóa học
- Ngày nay, silicon làm cách chuyển thành hợp chất silicon để dễ dàng làm tinh khiết làm tinh khiết trực tiếp silicon, sau chuyển hợp chất trở lại thành silicon nguyên chất
- Trichlorosilane hợp chất silicon sử dụng rộng rãi chất trung gian, tetrachloride silicon silane sử dụng Khi khí thổi qua silicon nhiệt độ cao, chúng phân hủy để tạo silicon có độ tinh khiết cao
- Trong công nghệ Siemens, thỏi silicon có độ tinh khiết cao đưa vào trichlorosilane nhiệt độ 1150 °C Khí trichlorosilane phân hủy lắng đọng silicon bổ sung thỏi, làm to theo phản ứng sau: * 2HSiCl3 → Si + 2HCl + SiCl4
- Silicon sản xuất từ phương pháp công nghệ tương tự gọi silicon đa tinh thể Silicon đa tinh thể thơng thường có tạp chất mức phần tỷ thấp
- Cùng thời gian đó, DuPont sản xuất silic siêu cách cho tetrachloride silicon phản ứng với kẽm nguyên chất nhiệt độ 950°C, theo phản ứng:
(5)- Tuy nhiên, kỹ thuật vấp phải vấn đề thực tế (chẳng hạn sản phẩm phụ chlorur kẽm đông đặc lại dính vào sản phẩm) cuối bị bỏ để sử dụng công nghệ Siemens
Tinh thể hóa
- Cơng nghệ Czochralski thông thường sử dụng để sản xuất tinh thể silic đơn có độ tinh khiết cao để sử dụng thiết bị bán dẫn silic trạng thái rắn
HỢP CHẤT CỦA SILICON 1. SILICON DIOXIDE
Tính chất vật lí
- Dạng tinh thể lớn, suốt, không màu Tồn chủ yếu khoáng vật thạch anh
- Khơng tan nước - Nhiệt độ nóng chảy 17130C
Tính chất hóa học
- Là acid oxide
- Tan dễ dung dịch kiềm đặc
nóng, tan dễ kiềm nóng chảy hay carbonate kim loại nóng chảy, tạo thành silicate:
* SiO2 + 2NaOH Na2SiO3 + H2O * SiO2 + Na2CO3 Na2SiO3 + CO2 - Tan fluorhydric acid:
Ứng dụng
- Khắc chữ hình thủy tinh
- Dạng cát đất sét dùng chế tạo cement Portland.[9] 2. SILISIC ACID VÀ MUỐI SILICATE
Silicic acid
- Dạng keo không tan nước, đun nóng dễ nước: * H2SiO3 SiO2 + H2O
- Công thức chung nSiO2.mH2O Người ta tách trạng thái tự octosilicic acid (H4SiO4), metasilicic acid (H2SiO3) Polysilisic acid chưa tìm thấy tồn tìm thấy muối chúng đa dạng.[10]
- Dễ tan dung dịch kiềm tạo thành muối silicate
- Khi nước, silicic tạo thành vật liệu xốp silicagen, dùng hút ẩm hấp phụ nhiều chất - Là acid yếu, yếu carbonic acid nên dễ bị khí CO2 đẩy khỏi muối:
* Na2SiO3 + CO2 + H2O H2SiO3 + Na2CO3
Muối silicate
(6)- Trong dung dịch, silicate kim loại kiềm bị thủy phân mạnh tạo môi trường kiềm: * Na2SiO3 + 2H2O 2NaOH + H2SiO3
- Dung dịch đậm đặc Na2SiO3 K2SiO3 gọi thủy tinh lỏng Vải gỗ tẩm thủy tinh lỏng khó bốc cháy Được dùng chế tạo keo dán thủy tinh sứ
TƯ LIỆU THAM KHẢO
* Dựa sách giáo khoa Hóa học 11 Nâng cao – Chương Carbon – Silicon * [1]: http://vi.wikipedia.org/wiki/Silic Bách khoa toàn thư mở Việt Nam – Silicon
* [2], [9]: Seminar “Silicon Germani” – Cao đẳng Kĩ thuật Cao Thắng – Lớp CĐĐT07A – Trang
* [3]: “Silicon: the essentials” WebElements Ltd – Ngày 30/9/2009
* [4]: “Bài giảng hóa học vơ cơ” – Chương 7: “Kim loại nhóm IVA” – Thạc sĩ Bùi Văn Thắng – Khoa Hóa học trường Đại học Đồng Tháp
* [5], [7], [8], [10]: “Giáo trình cơng nghệ sản xuất gốm sứ” – Tiến sĩ Nguyễn Văn Dũng – Khoa Hóa kĩ thuật trường Đại học Bách khoa – Năm 2005
http://vi.wikipedia.org/wiki/Silic