Pii (alkuaine)

Pii on puolimetalli, joka on maankuoren toiseksi yleisin alkuaine. Piin kemiallinen merkki on Si (lat. silicium). Alkuaineen atomimassa IUPACin standardin mukaisesti on [28,084; 28,086] amu^[2].

Alumiini ← Pii → Fosfori C ↑ Si ↓ Ge       Koko taulukko
Yleistä
Nimi	Pii
Tunnus	Si
Järjestysluku	14
Luokka	puolimetalli
Lohko	p-lohko
Ryhmä	14, hiiliryhmä[1]
Jakso	3[1]
Tiheys	2,33[1] · 103 kg/m3
Kovuus	6,5[1] (Mohsin asteikko)
Väri	tummanharmaa, sinertävä
Löytövuosi, löytäjä	1787, Antoine Lavoisier
Atomiominaisuudet
Atomipaino (Ar)	28,0855
Atomisäde, mitattu (laskennallinen)	111 pm
Kovalenttisäde	111[1] pm
Van der Waalsin säde	210[1] pm
Orbitaalirakenne	[Ne] 3s2 3p2
Elektroneja elektronikuorilla	2, 8, 4
Hapetusluvut	IV, -IV
Kiderakenne	kuutiollinen, timanttirakenne
Fysikaaliset ominaisuudet
Olomuoto	kiinteä
Sulamispiste	1 687 K (1 414[1] °C)
Kiehumispiste	2 628 K (2 355 °C)
Höyrystymislämpö	359[1] kJ/mol
Sulamislämpö	50,21 kJ/mol
Äänen nopeus	2 200[1] m/s (20 °C) K:ssa
Muuta
Elektronegatiivisuus	1,90 (Paulingin asteikko)
Ominaislämpökapasiteetti	0,712 kJ/(kg K)
Lämmönjohtavuus	(300 K) 149 W/(m·K)
CAS-numero	7440-21-3
Tiedot normaalilämpötilassa ja -paineessa

Yksikiteinen (koko palkki on yhtä ja samaa kidettä) piipalkki ja pienempiä paloja piikiteistä.

Esiintyminen luonnossa

Puhtaalla piillä on metallimainen kiilto.

Pii on maankuoren toiseksi yleisin alkuaine. Sen osuus on 25,7 % maankuoren massasta; yleisin alkuaine on happi, jota on 49,5 %. Piin tavallisimpia luonnossa esiintyviä yhdisteitä ovat piidioksidi SiO₂ ja silikaatit, jotka koostuvat piistä, hapesta ja metalleista. Hiekassa ja kvartsissa on pääosin SiO₂:a, savessa, asbestissa, kiilteessä, sarvivälkkeessä, maasälvässä ja graniitissa puolestaan silikaatteja. Pii on pääkomponenttina eräissä meteoroidityypeissä sekä tektiiteissä, jotka ovat luonnossa muodostunutta lasia.

Monet arvostetut puolijalokivet ovat silikaattimineraaleja, kuten muun muassa ametisti, jaspis ja vuorikristalli. Puhdas pii on erittäin harvinaista luonnossa: sitä on tavattu vain satunnaisesti pieniä määriä tulivuorista purkautuneissa aineissa sekä sulkeumina kultahipuissa.

Ominaisuuksia

Kiteisellä (puhtaalla, kiinteällä) piillä on metallinen kiilto ja sinertävä värisävy. Sen kiderakenne on timanttimainen.^[3] Pii kuuluu samaan jaksollisen järjestelmän ryhmään kuin hiili ja muistuttaa sitä joiltakin kemiallisilta ominaisuuksiltaan. Pii on kuitenkin hiiltä passiivisempi. Tosin se reagoi halogeenien ja monien emästen kanssa. Useimmat hapot eivät vaikuta siihen, lukuun ottamatta typpihapon (HNO₃) ja fluorivetyhapon (HF) seosta.

Piin yhdisteet

Yhdisteissään pii esiintyy tavallisesti hapetusasteella +IV, harvoin +II tai (silaanissa) -IV. Pii sitoutuu muihin alku­aineisiin ko­valent­ti­sesti, joskin piitetrafluoridilla on jonkin verran ioniyhdisteenkin luonnetta.^[4]

Piin pysyvin yhdiste on piidioksidi. Se on kiteinen aine, jota on luonnossa runsaasti kvartsina monine muunnoksineen. Piidioksidi on kemialli­sesti erittäin kestävää, mutta vetyfluoridin kanssa se reagoi muodostaen piitetrafluoridia:

SiO₂ + 4HF → SiF₄ + 2 H₂O^[5]

Hapen kanssa pii muodostaa myös useita anioneja, sili­kaatteja, joista tavallisimpia ovat ortosilikaatti- (SiO₄^4-), metasilikaatti- (SiO₃^2-) ja disilikaatti-ionit (Si₂O₅^2-). Nämä muodostavat eri metallien kanssa ioniyhdisteitä, joita voidaan pitää piihappojen suoloina. Natriumsilikaattia voidaan valmistaa liuottamalla piidioksidia sulatettuun natriumhydroksidiin:

4 NaOH + SiO₂ → Na₄SiO₄^4-[5]

Natriumsilikaatti on vesiliukoista, ja sen liuos tunnetaan vesilasina. Jos sen väkevään liuokseen lisätään suolahappoa, saadaan silikageelia, joka on hydra­toitu­nutta orto­pii­hapon (H₄SiO₄) ja pii­di­oksidin seosta.^[6]

Jaksollisessa järjestelmässä samaan ryhmään kuuluvan hiilen tavoin myös pii voi katenoitua, toisin sanoen useampi piiatomi voi sitoutua toisiinsa pitkäksi ketjuksi. Tällä tavoin muodostuu yhdisteitä, jotka molekyyli­rakenteeltaan vastaavat hiilen muodostamia orgaanisia yhdisteitä. Yksin­kertaisimpia sellaisia ovat alkaanisarjan hiilivetyjä vastaavat silaanit, joiden molekyyli­rakenne voidaan esittää muodossa Si_nH_2n+2. Nämä ovat kuitenkin selvästi vähemmän vakaita yhdisteitä kuin hiilivedyt.^[4]

Silikonit ovat suuri­molekyylisiä, polymeerisia yhdisteitä, jotka sisältävät sekä piitä että hiiltä.^[7]

Löytöhistoria

Antoine Lavoisier kuvasi ensimmäisenä piin vuonna 1787. Humphry Davy erehtyi myöhemmin pitämään sitä yhdisteenä. Vuonna 1811 Gay-Lussac ja Thénard onnistuivat todennäköisesti valmistamaan epäpuhdasta amorfista piitä kuumentamalla kaliumia (K) piitetrafluoridin SiF₄ kanssa. Berzelius valmisti amorfista piitä vuonna 1824 käyttäen jokseenkin samanlaista menetelmää kuin Gay Lussac ja Thénard. Berzelius myös puhdisti tuotteensa.

Käyttö

Puolijohteisiin tarvitaan puhdasta piitä, joka sitten seostetaan pienillä määrillä muita sopivia alkuaineita. Piikarbidi (SiC) on puhtaan piin ohella käytössä puolijohdetekniikassa.

Piidioksidi on pääkomponenttina lasissa, sementissä ja keramiikassa. Silikonit ovat piin tärkeitä polymeerejä, joita käytetään muun muassa voiteluaineissa, liimoissa, saumaus- ja tiivistemateriaaleissa, rintaimplanteissa ja leluissa.

Isotoopit

Piillä on 23 isotooppia, joiden massaluvut ovat välillä 22–44. Pysyviä isotooppeja ovat ²⁸Si, ²⁹Si ja ³⁰Si. Luonnossa esiintyvästä piistä 92,22 % on isotooppia ²⁸Si, 4,69 % isotooppia ²⁹Si ja 3,09 % isotooppia ³⁰Si. Radioaktiivisia isotooppeja on 20. Niistä pitkäikäisimmät isotoopit ovat ³²Si, jonka puoliintumisaika on 153 vuotta, ja ³¹Si, jonka puoliintumisaika on 157,3 minuuttia. Muiden isotooppien puoliintumisajat ovat alle 7 sekuntia.^[8]

Ihmisen ruokavaliossa

Pii on välttämätön luiden, nivelten ja mukopolysakkaridien (esimerkiksi kollageeni) muodostukselle ja puutos johtaa pitkien luiden epämuodostumiin. Piin parhaat lähteet ovat kokojyvävilja ja juurekset. Saannin tarpeen arvioidaan olevan välillä 21–46 mg/vrk.^[9]

Brittiläiset saavat piitä eniten viljatuotteista. Banaanista tulee kokonaiset 10 prosenttia saannista, mutta tällä ei ole juurikaan merkitystä, koska pii imeytyy banaanista huonosti. Vihreät pavut sekä muut pavut ja linssit sekä porkkana, mineraalivesi ja kahvi sisältävät paljon piitä.^[10]

Katso myös

• Piikiekko
• Polypii
• Piitahna