სილიციუმი

სილიციუმი ყველაზე გავრცელებული მეტალოიდია. ეს არის ქიმიური ელემენტი, რომლის სიმბოლოა Si და ატომური ნომერი 14. სილიციუმი ოთხვალენტიანი მეტალოიდია და ნაკლები რეაქციისუნარიანი, ვიდრე ნახშირბადი მისი ქიმიური ანალოგი.

სილიციუმი მთელ სამყაროში გავრცელებით მერვე ელემენტია წონის მიხედვით, მაგრამ იგი ბუნებაში უძველესი დროიდან გვხვდება როგორც თავისუფალი ელემენტი. იგი ფართოდაა წარმოდგენილი ქვიშაში, მტვერში, პლანეტოიდებში და პლანეტებში სილიციუმის დიოქსიდის სხვადასხვა ფორმით (კაჟმიწა) ან სილიკატების სახით. სილიციუმი დედამიწის ქერქში გავრცელებით მეორეა ჟანგბადის შემდეგ, რაც ქერქის 25,7%–ზე მეტს შეადგენს მასის მიხედვით.

სილიციუმს აქვს მრავალმხრივი სამრეწველო გამოყენება. იგი ძირითადი შემადგენელია ნახევარგამტარი საშუალებებისა, მისი ბუნებრივი ოქსიდი ადვილად წარმოქმნის უკეთეს ნახევარგამტარ– დიელექტრიკულ ზედაპირს, ვიდრე რომელიმე სხვა ნაერთი.

სილიციუმის ოქსიდის ან სილიკატების ფორმით სილიციუმი გამოიყენება მიწების, ცემენტის და კერამიკის წარმოებაში. სილიციუმი ბიოგენური ელემენტია, აუცილებელია ცხოველების, მცენარეების და მიკროორგანიზმების ნორმალური ზრდა – განვითარებისათვის. იგი წარმოადგენს შემაერთებელი ქსოვილის სტრუქტურულ ელემენტს და ხელს უშლის ათეროსკლეროზის ჩამოყალიბებას. სილიციუმი მრავალი მცენარის მეტაბოლიზმში არსებით როლს ასრულებს.

დახასიათება

სილიციუმს ნახშირბადის მსგავსად გარე ელექტრონულ ორბიტალზე ოთხი ელექტრონი აქვს. სილიციუმის კრისტალური სტრუქტურა, ალმასის მსგავსად ატომურია. მასში სილიციუმის ყოველი ატომი ოთხ სხვა ატომთანაა შეერთებული კოვალენტური ბმით, მაგრამ ეს ბმები გაცილებით სუსტია ვიდრე ნახშირბადატომებს შორის ალმასში. სილიციუმის კრისტალში ჩვეულებრივ პირობებშიც კი კოვალენტური ბმების ნაწილი დარღვეულია, ჩნდება თავისუფალი ელექტრონები, რომლებიც განაპირობებენ მის მცირე ელექტროგამტარობას. გაცხელების ან დასხივებისას დარღვეული ბმების რიცხვი და შესაბამისად, ელექტროგამტარობაც იზრდება. ამით აიხსნება სილიციუმის ნახევარგამტარული ბუნება, რითაც იგი ემსგავსება ლითონებს.

ბუნებრივი სილიციუმი ძლიერ ჰიგროსკოპული და მურა ფერის ფხვნილია.

სილიციუმი შედარებით ინერტული ელემენტია. იგი ურთიერთქმედებს ჰალოგენებთან და განზავებულ ტუტეებთან, მაგრამ მჟავათა უმეტესობა (გამონაკლისია აზოტმჟავა და ფტორწყალბადმჟავა) არ ურთიერთქმედებს მასთან. სუფთა კრისტალურ სილიციუმს აქვს რუხი ფერი და მეტალური ბზინვარება, იგი მინის მსგავსია, მაგრამ გაცილებით მაგარია და აქვს უნარი წარმოქმნას თხელი, ნათელი ფენა. სილიციუმი ძნელადლღობადია. მისი ლღობის ტემპერატურა ≈1412˚C–ია.

სილიციუმი ერთადერთია იმ მცირერიცხოვან ნივთიერებებს შორის (მსგავსად წყლისა და გალიუმისა), რომელთა სიმკვრივე თხევად მდგომარეობაში მეტია, ვიდრე მყარ მდგომარეობში, რადგან იგი ფართოვდება გაყინვისას.

ისტორია

სილიციუმი, პირველად იდენტიფიცირებული იყო 1787 წელს ლავუაზიეს მიერ როგორც კაჟის შემადგენელი კომპონენტი, რომელიც შემდგომ ჰ.დევის მიერ 1800 წელს შეცდომით მიჩნეული იქნა ნაერთად. 1811 წელს გეილუსაკმა და ტენარდმა მიიღეს არასუფთა ამორფული სილიციუმი Silex-დან (Silex- კაჟს ნიშნავს) სილიციუმტეტრაფლორიდთან კალიუმის გაცხელებით, ხოლო 1824 წელს ბერცელიუსმა მიიღო ამორფული სილიციუმი თითქმის ამავე მეთოდით.

გავრცელება

დედამიწაზე სილიციუმი მეორე ელემენტია გავრცელების მიხედვით ჟანგბადის შემდეგ. იგი დედამიწის ქერქის 25,4% მეტს შეადგენს მასის მიხედვით. სილიციუმის სუფთა კრისტალები ბუნებაში ძალიან იშვითია. იგი გვხვდება ოქროსთან ერთად ვულკანურ ამონაფრქვევში. ნახშირბადისგან განსხვავებით სილიციუმი ბუნებაში გვხვდება მხოლოდ ჟანგბადნერთების სახით – კაჟმიწა (SiO₂) და სილიციუმ მჟავას მარილების სახით. სილიციუმის ორჟანგი– კაჟმიწა ცნობილია კვარცისა და მთის ბროლის სახით. სხვადასხვა ოქსიდებით შეფერილი SiO₂–ის კრისტალები ბუნებაში ძვირფასი ქვების სახით გვხვდება,როგორებიცაა- ამეთვისტო, აგატი, კვარცი, ქალკოდინი, იასპი, ოპალი და სხვ. სილიკატების შემადგენლობაში სილიციუმისა და ჟანგბადის გარდა ხშირად გვხვდება მესამე ელემენტი – ალუმინი. ასეთ ნაერთებს ალუმოსილიკატები ეწოდებათ. ეს უკანასკნელნი შეადგენენ დედამიწის ქერქის ძირითად მასას. მათ მიეკუთვნებათ ფართოდ გავრცელებული მინერალი მინდვრის შპატი (სილიციუმისა და ალუმინის ოქსიდების გარდა შეიცავს კალიუმის, ნატრიუმის ან კალციუმის ოქსიდებს), ჩვეულებრივი მინდვრის შპატი ანუ ორთოკლაზი (K₂O, Al₂O₃×6SiO₂) და სხვა. ეს მინერალები გვხვდება თიხაში, ქვიშაში და სხვადასხვა ტიპის ქანებში, როგორიცაა გრანიტი და ქვიშაქვა. ჰაერისა და წყლის მოქმედებით ალუმოსილიკატები (სალბიტი, ორთოკლაზი და სხვ.) იშლება (იფიტება) და წარმოიქმნება პროდუქტები, რომელთა შემადგენლობაში ტუტე ლითონების ნაცვლად შედის წყალბადი. მაგ., მინდვრის შპატიდან მიიღება თეთრი თიხა კაოლინი (Al₂O₃×2SiO₂×2H₂O) ჩვეულებრივი თიხა წარმოადგენს რკინის ოქსიდებითა და სხვა მინარევებით შეფერილ კაოლინს. ბუნებაში გავრცელებული ალუმოსილიკატებისგან ასევე მნიშვნელოვანია აზბესტი, თალკი, თეთრი ქარსი.

ალუმოსილიკატებისგან დიდი მნიშვნელობა აქვთ ცეოლითებს. მათი შედგენილობა გამოისახება ზოგადი ფორმულით MxEyO₂₇×nH₂O , სადაც M არის კალციუმი ან ნატრიუმი (იშვიათად Ba, Sr, K ), E კი Si, Al. ცვლადი თანაფარდობით ცეოლითებს აქვთ სხვადასხვა ნაერთთა მოლეკულების ადსორბაციის უნარი, რის გამოც მას იყენებენ როგორც ე.წ. "მიცელური საცრები".

სილიციუმი წარმოადგენს ბევრი მეტეორიტის შემადგენელს და ასევე შედის ტექთითების და ობსითინის (ვულკანური მიწები) შემადგენლობაში, რომლებიც მიწის ბუნებრივ ფორმას წარმოადგენენ.

იზოტოპები

სილიციუმის ბევრი იზოტოპია ცნობილი, რომელთაგან ყველაზე გავრცელებული – ²⁸Si (92.23%), ²⁹Si (4.67%) და ³⁰Si (3.1%) სტაბილურებია. რადიოაქტიური იზოტოპი ³²Si წარმოიქმნება არგონზე კოსმიური სხივების ზემოქმედების შედეგად. ნახევარდაშლის პერიოდია ≈170 წელი. იგი გარდაიქმნება β–დაშლით ³²P –მდე ( ნახევარდაშლის პერიოდია 14,28 დღე) და შემდგომ ³²S– მდე.

წარმოება

კომერციული სილიციუმი მზადდება ძალიან სუფთა სილიციუმის დიოქსიდის კოქსთან ურთიერთქმედებით. ელექტროღუმელში გაცხელებით 1900˚C-ზე ზემოთ ნახშირბადი აღადგენს სილიციუმს კრისტალურ სილიციუმამდე შემდეგი განტოლების მიხედვით:

SiO₂ + C → Si + CO₂

SiO₂ + 2 C → Si + 2 CO

თხევადი სილიციუმი გროვდება ღუმელის ფსკერზე, შემდეგ მას აშრობენ და აცივებენ. ამ პროცესით მიღებულ სილიციუმს უწოდებენ მეტალურგიული ხარისხის სილიციუმს. ამ მეთოდის გამოყენებისას შეიძლება წარმოიქმნას კარბიდი (SiC) ანუ კარბორუნდი. მისი კრისტალური სტრუქტურა ალმასის და სილიციუმის აღნაგობის ანალოგიურია, მასში სილიციუმისა და ნახშირბადის ატომები მონაცვლეობენ. სილიციუმის თითოეული ატომი ბმულია ნახშირბადის ოთხ ატომთან და პირიქით. კარბორუნდი ძლიერ მტკიცე ნივთიერებაა. იგი სიმტკიცით ალმასს უახლოვდება. მისგან ამზადებენ სალეს ქვებს და სახეხ რგოლებს. კარბორუნდს თუ გავაცხელებთ SiO₂-თან, ძალიან მაღალ ტემპერატურაზე, გამოიყოფა სილიციუმი.

2 SiC + SiO₂ → 3 Si + 2 CO

2005 წელს მეტალურგიული ხარისხის სილიციუმის ფასი იყო $ 1.70/კგ, ხოლო 2008 წელს $ 3.20/კგ.

სუფთა სილიციუმი (> 99.9%) შეიძლება მივიღოთ მყარი სილიციუმიდან პირდაპირი ექსტრაქციით ან სხვა სილიციუმის შენაერთებიდან გალღობილი მარილების ელექტროლიზით. ეს მეთოდი, რომელიც 1854 წლიდანაა ცნობილი, საშუალებას იძლევა ვაწარმოოთ მაღალი ხარისხის სილიციუმი CO₂-ის მინარევების გარეშე და დაბალი ენერგიის გამოყენების პირობებში.

ქიმიური მეთოდები

მაღალი სისუფთავის სილიციუმი მიიღება 950°C-ზე, სილიციუმტეტრაქლორიდის ზესუფთა თუთიის ორთქლით აღდგენით.

SiCl₄ + 2 Zn → Si + 2 ZnCl₂

სუფთა სილიციუმი შეიძლება მიღებულ იქნას ტრიქლოსილანიდან სიმენსის პროცესით.

2 HSiCl₃ → Si + 2 HCl + SiCl₄

ამ და სხვა მსგავსი პროცესებით მიღებულ სილიციუმს უწოდებენ პოლიკრისტალურ სილიციუმს.

სილიციუმშემცველი ნაერთები

სილიციუმი მეტალებთან (Mg, Ca, Cu და სხვ.) წარმოქმნის ბინალურ ნაერთებს - სილიციდებს, ხოლო ზოგიერთ მეტალთან (Zn, Al, Ag და სხვ.) არ ურთიერთქმედებს, მაგალითად:

2 Mg + Si → Mg₂Si (მაღალ ტემპერატურაზე)

ასევე წარმოქმნის მაღალლღობად MoSi₂. სილიციუმი ნახშირბადთან იძლევა კარბიდს (კარბორუნდს), ასევე სილანს - SiH₄, რომლის სტრუქტურა მეთანის მსგავსია. სილანები ნაკლებად მდგრადია. სილანები არ მიიღება სილიციუმის წყალბადთან უშუალო შეერთებით. იგი მიიღება სილიციდებზე მარილმჟავას მოქმედებით. სილანი მომწამლავი, უფერო აირია არასასიამოვნო სუნით. ჰაერზე თვითაალებადია:

SiH₄ + 2 O₂ → SiO₂ + 2 H₂O

სილანები წარმოქმნიან ჰომოლოგიურ რიგს ზოგადი ფორმულით SinH₂n₊₂, სადაც n = 2-8 (ალკანების ანალოგიურად). ისინი თერმულად არამდგრადი ნაერთებია მაღალი წევრების ჩათვლით. სილანები განიცდიან ჰიდროლიზს, ამ დროს გამოიყოფა SiO₂ და აირადი წყალბადი. დისილანები შეიცავენ სილიციუმ-სილიციუმ ორმაგ ბმას (ალკენების ანალოგიურად) და ძალიან რეაქციისუნარიანია. დისილინი სილიციუმ-სილიციუმ სამმაგი ბმით პირველად 2004 წელს გამოჰყვეს. ტეტრაჰალოგენიდები SiX₄, მიიღება ყველა ჰალოგენიდან. სილიციუმტეტრაქლორიდი მოქმედებს წყალთან, მისი ნახშირბადანალოგის - CCl₄-ისაგან განსხვავებით. სილიციუმის დიჰალოგენიდი წარმოიქმნება მაღალ ტემპერატურაზე სილიციუმის ტეტრაჰალოგენიდის ურთიერთქმედებით. სილიციუმფტორიდს SiF₂ შეუძლია წარმოქმნას პოლიმერული ნაერთი (SiF₂)n. სილიციუმის დიოქსიდი მაღალლღობადი მყარი ნაერთია. იგი ყველაზე გავრცელებულია მინერალ კვარცის სახით. კვარცში სილიციუმის ყოველი ატომი შემორტყმულია ოთხი ჟანგბადის ატომით და როგორც ხიდი წარმოქმნის სამგანზომილებიან მესერს. კვარცი ლღვება 1710°C. გალღობილი მასის სწრაფი გაცივებით მიიღება კვარცის მინა. მას ძალიან დაბალი გაფართოების კოეფიციენტი აქვს (გავარვარებული კვარცის ჭურჭელი ცივ წყალშიც არ იბზარება). მისგან ამზადებენ ქიმიურ ჭურჭელს, კვარცის ნათურებს, პრიზმებს ოპტიკური ხელსაწყოებისათვის, ლინზებს და სხვ. ჟანგბადშემცველი სილიციუმნაერთებიდან მნიშვნელოვანია მონისილიციუმმჟავა - Si(OH)₄, იგი გარკვეულ პირობებში განიცდის პოლიმერიზაციას და წარმოქმნის ბევრ კომპლექსურ მჟავას, რომელთაგან უმარტივესია დისილიცილმჟავა (H₆Si₂O₇) ხაზოვანი, განშტოებული და შერეული სტრუქტურებით. ისინი წარმოადგენენ სხვადასხვა სილიკატური მინერალების მისაღებ ბაზას. სილიკატები წარმოადგენენ აგრეთვე ბეტონის შემადგენელ მნიშვნელოვან ნაწილს. მაღალ ტემპერატურაზე სხვა ელემენტთა ოქსიდებთან შერევით სილიციუმის დიოქსიდი იძლევა სხვადასხვა თვისების მინას. მაგალითად ნატრიუმ- და კალციუმშემცველი მინა, ბორის სილიკატ მინა (გამოირჩევა დიდი სიმტკიცით) და ტყვიის მინა. ასეთ მინას აქვს შუქტეხის დიდი უნარი და დამუშავების შემდეგ იძენს ბზინვარებას. მისგან ამზადებენ ოპტიკურ მინას და მხატვრულ ჭურჭელს. სილიციუმის სულფიდი SiS₂ მყარია (განსხვავებით მისი ნახშირბადის ანალოგისა - CS₂). სილიციუმი აზოტთან იძლევა ნიტრინს Si₃N₄, რომელიც წარმოადგენს კერამიკას. სილატრანები წარმოადგენენ ტრიციკლური ნაერთების ჯგუფს, რომლებიც შეიცავენ სილიციუმს კოორდინაციული რიცხვით 5. მათ გააჩნიათ ფიზიოლოგიური თვისებები. ბევრი გარდამავალ მეტალთა კომპლექსები შეიცავს მეტალ-სილიციუმ ბმას. მაგ., SiHnX₃−n, SiX₃ და Si(OR)₃ ლიგანდები. სილიკონი წარმოადგენს პოლიმერულ ნაერთთა დიდ ჯგუფს Si-O-Si ბმებით. მაგ., PDMS (პოლიდიმეთილსილოქსანი). ამ პოლიმერს შეუძლია დაამყაროს კავშირი ჯაჭვებს შორის ფისების და ელასტომერების წარმოქმნით. ბევრი ორგანოსილიციუმის ნაერთია ცნობილი სილიციუმ-ნახშირბადის ერთმაგი ბმით. ბევრი მათგანი ეფუძვნება ცენტრალურ ტეტრაედრული სილიციუმის ატომს და ზოგი მათგანი არის ოპტიკურად აქტიური, როდესაც ნაერთში არის ხირალური ატომი. ცნობილია გრძელჯაჭვიანი პოლიმერები, რომლებიც შეიცავენ სილიციუმის ჩონჩხს, ასეთია პოლიდიმეთილსილენი (SiMe₂)n. პოლიკარბოსილანი [(SiMe₂)2CH₂]n ჩონჩხში იმეორებს Si-Si-C კავშირს, რომელიც წარმოადგენს სილიციუმკარბიდის ბოჭკოების პრეკურსორს.

გამოყენება

სილიციუმი ერთ-ერთი ძირითადი ნახევარგამტარული მასალაა. გამოიყენება ელექტრონიკაში სხვადასხვა მოწყობილობის დასამზადებლად. სილიციუმიანი ფოტოელემენტებისაგან არის აგებული მზის ბატარეები, რომლებიც მზის გამოსხივების ენერგიას გარდაქმნის ელექტროენერგიად და გამოიყენება ენერგიის წყაროდ ხელოვნურ თანამგზავრებსა და კოსმოსურ რაკეტებში.

სილიციუმს იყენებენ მეტალურგიაში კოროზიისადმი მედეგი სილიციუმიანი ფოლადის წარმოებაში. 15-18% სილიციუმის შემცველი ფოლადები ცეცხლგამძლე და მჟავების მიმართ მედეგია, რის გამოც გამოიყენება ქიმიური აპარატურის დასამზადებლად. სილიციუმის შენადნობი რკინასთან ე.წ. ფეროსილიციუმი, რომელიც მიიღება კოქსით კაჭმიწისა და რკინის ერთდროული აღდგენით, გამოიყენება ფოლადის წარმოებაში განმჟანგავად (გალღობილ ლითონში გახსნილი ჟანგბადის ან ლითონის ჟანგბადნაერთიდან ჟანგბადის მოსაცილებლად) და მჟავამედეგ ნაკეთობათა დასამზადებლად. მცირე რაოდენობით წყალთან თიხის შერევით მიღებული პლასტიკური მასისაგან ამზადებენ სხვადასხვა ფორმის ნაკეთობას, რომელიც მიღებულ ფორმას ინარჩუნებს გაშრობის შემდეგ და მაგრდება გამოწვისას. გამომწვარ თიხის ნაკეთობებს კერამიკული ეწოდება. გამოყენების მიხედვით განასხვავებენ სამშენებლო, ცეცხლგამძლე, ქიმიურად მედეგ, საყოფაცხოვრებო და ტექნიკურ კერამიკას. სამშენებლო კერამიკას მიეკუთვნება აგური, კრამიტი და სხვა. ქიმიურად მედეგი კერამიკა იხმარება ქიმიურ მრეწველობაში. საყოფაცხოვრებო კერამიკას მიეკუთვნება ფაიფურის ნაკეთობები, ხოლო ტექნიკური კერამიკა გამოიყენება იზოლატორების, კონდენსატორების, მაღალტემპერატურული ტიგელების და სხვათა დასამზადებლად.

ცემენტი მნიშვნელოვანი სამშენებლო მასალაა, რომელიც მიიღება კირქვისა და თიხის ნარევის გამოწვით შეცხობის დაწყებამდე. ბუნებაში გვხვდება ქანები, რომლებიც თიხასა და კირქვას შეიცავენ ცემენტისათვის საჭირო თანაფარდობით. მათ მურგელები ეწოდებათ. ცემენტის, წყლის და შემავსებლების (ქვიშა, ქვაღორღი) ნარევის გამყარებისას მიიღება ბეტონი. ფოლადის ცხაურებიან ბეტონს რკინაბეტონი ეწოდება. მშენებლობაში ბეტონი და რკინაბეტონი გამოიყენება ჰიდროელექტროსადგურების, ხიდებისა და სხვ. ნაგებობათა ასაგებად.

მასალა მომზადებულია www.wikipedia.com -ის მიხედვით