Szilícium

A szilícium a 14-es rendszámú kémiai elem, vegyjele Si, nyelvújításkori neve kovany.^[3] Szürke színű, fémesen csillogó, nagyon kemény anyag. 1823-ban fedezte fel Jöns Jakob Berzelius. A periódusos rendszer 4. főcsoportjában található félfémes elem. Az oxigén után a földkéreg második leggyakoribb eleme. A természetben csak egy módosulata fordul elő. Rácsa a gyémántéhoz hasonló. Neve a kovakő latin nevéből (silex) származik.

A „Si” szócikk ide irányít át. Hasonló címmel lásd még: Si (egyértelműsítő lap).

14 alumínium ← szilícium → foszfor C ↑ Si ↓ Ge 14 Si Periódusos rendszer
Általános
Név, vegyjel, rendszám	szilícium, Si, 14
Latin megnevezés	silicium
Elemi sorozat	félfémek
Csoport, periódus, mező	14, 3, p
Megjelenés	sötétszürke, kékes árnyalat
Atomtömeg	28,0854–28,086 g/mol[1]
Elektronszerkezet	[Ne] 3s² 3p²
Elektronok héjanként	2, 8, 4
Fizikai tulajdonságok
Halmazállapot	szilárd
Sűrűség (szobahőm.)	2,33 g/cm³
Sűrűség (folyadék) az o.p.-on	2,57 g/cm³
Olvadáspont	1687 K (1414 °C, 2577 °F)
Forráspont	3538 K (3265 °C, 5909 °F)
Olvadáshő${\displaystyle \Delta _{fus}{H}^{\ominus }}$	50,21 kJ/mol
Párolgáshő ${\displaystyle \Delta _{vap}{H}^{\ominus }}$	359 kJ/mol
Moláris hőkapacitás	(25 °C) 19,789 J/(mol·K)
Gőznyomás P/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k T/K 1908 2102 2339 2636 3021 3537
Atomi tulajdonságok
Kristályszerkezet	köbös lapközéppontos
Oxidációs szám	4 (amfoter oxid)
Elektronegativitás	1,90 (Pauling-skála)
Ionizációs energia	1.: 786,5 kJ/mol
	2.: 1577,1 kJ/mol
	3.: 3231,6 kJ/mol
Atomsugár	110 pm
Atomsugár (számított)	111 pm
Kovalens sugár	111 pm
Van der Waals-sugár	210 pm
Egyebek
Mágnesség	diamágneses[2]
Hővezetési tényező	(300 K) 149 W/(m·K)
Hőtágulási együttható	(25 °C) 2,6 µm/(m·K)
Hangsebesség (vékony rúd)	(20 °C) 2200 m/s
Young-modulus	47 GPa
Kompressziós modulus	100 GPa
Mohs-keménység	6,5
CAS-szám	7440-21-3
Fontosabb izotópok
Fő cikk: A szilícium izotópjai izotóp természetes előfordulás felezési idő bomlás mód energia (MeV) termék 28Si 92,23% Si stabil 14 neutronnal 29Si 4,67% Si stabil 15 neutronnal 30Si 3,1% Si stabil 16 neutronnal 32Si mest. 132 év β− 0,221 32P
Hivatkozások

Főbb kémiai reakciói

A kristályos szilícium tömör formában csak magas hőmérsékleten reakcióképes. Oxigénnel reagálva 600 °C felett szilícium-dioxid, nitrogénnel 1400 °C felett nitrid, szénnel 2000 °C felett karbid keletkezik. Kéngőzökkel 600 °C-on, foszforgőzökkel 1000 °C-on reagál. Fluorral már szobahőmérsékleten is hevesen reagál, a nagyobb rendszámú halogénekkel viszont már csak magasabb hőmérsékleten (300 °C, illetve 500 °C-on) lép reakcióba. E reakciók eredménye színtelen, illékony tetrahalogenid (SiX₄). Fémekkel szilicideket alkot. Vízzel és savval nem reagál, de a lúgokban jól oldódik:

${\displaystyle \mathrm {Si+4\ OH^{-}\rightarrow SiO_{4}^{4-}+2\ H_{2}} }$

Berzelius szilícium-dioxid és magnézium segítségével állította elő az elemi szilíciumot:

${\displaystyle \mathrm {SiO_{2}+2\ Mg\rightarrow 2\ MgO+Si} }$

Hidrogénnel alkotott vegyületei a gáz halmazállapotú szilán (SiH₄) és diszilán (Si₂H₆) kivételével folyékony halmazállapotúak (például: Si₆H₁₄ hexaszilán). A szilánok a szén-analóg alkánokhoz képest kevésbé stabil, öngyulladásra képes vegyületek.

A szilícium-dioxid az igen gyenge kovasav (H₂SiO₃) savanhidridje, melynek savmaradékionja a kétszeresen negatív töltésű szilikátion (SiO2−3), és sói a szilikátok. A szilícium-dioxid azonban nem vízoldékony, NaOH oldatban viszont feloldódik, így a kovasav előállítása sójából történhet. Mivel nagyon gyenge sav, ezért sóinak kémhatása többnyire lúgos.

Fizikai tulajdonságai

A szilícium sötétszürke, fémesen csillogó elem. Alacsony hőmérsékleten szigetelő, magasabb hőmérsékleten azonban vezeti az áramot, elektromos vezetés szempontjából ezért a félvezetők közé tartozik. Három stabil izotópja létezik. Csak egyetlen módosulata van, amely gyémántrácsú. Olvadáspontja nem olyan magas, mint a széné (1410 °C). Sűrűsége 2,32 g/cm³.^[4]

Hármaspontjának hőmérséklete 1000–1300 kelvin között van 10,5 GPa nyomáson.^[5]

Szilárd fázisának kristályállapota I (gyémántrács), II (β) és klatrát. Az I és a II módosulat közötti határ 500 K hőmérsékleten 15,5 GPa nyomáson mérhető.

Előfordulása

Előfordul a Napban és a csillagokban, a meteoritokban. A földkéreg második leggyakoribb eleme (részaránya több mint 25%), azonban sohasem fordul elő szabadon, és gyakorlatilag mindig oxigénnel együtt található. Leggyakoribb ásványa a kvarc (SiO₂). A szépen színezett, átlátszó kvarckristályok drágakövek vagy féldrágakövek. Hatalmas tömegben fordulnak elő a földpátok, például ortoklász. Fontos egyéb ásványai az olivin ((Mg,Fe)₂SiO₄), amely ortoszilikát; a piroxének, például a diopszid (CaMgSi₂O₆), valamint az amfibolok, csillámok és agyagásványok. A kvarc és a szilikátok alkotják a vulkáni kőzetek 98%-át, az üledékes kőzeteket is túlnyomóan ezek képezik.

Felhasználása, előállítása

Főbb felhasználásai

A szilícium korunk technikájának nagyon fontos anyagává vált. Az elemi szilíciumot a fémkohászatban és a félvezető-technikában különböző tisztasági fokozatokban hasznosítják. A természetben a földkéreg tömegének egynegyedét adó szilícium a kavics, homok, agyag, kova, kvarc alkotóeleme. Az élővilágban a kovaszivacsok, kovamoszatok, zsurlók, sások testfelépítésében játszik fontos szerepet.

Az informatikai iparban a számítógépek processzorait (CPU) és egyéb chipjeit szilícium lapkák alkotják. A kohászatban is fontos szerepet tölt be: korrózióálló acélok előállításához használják ötvözőanyagként. A tranzisztoros rádió, az elektronikus vezérlésű televízió is mindennapjaink része. Az elektronikai ipar talán legfőbb alapeleme a szilícium. Fényre érzékeny félvezetőként a szilícium a fő komponens a napelemek előállításában.

Előállítása

Vegyületeiből redukcióval például kálium-hexafluoro-szilikátból alumíniummal:

${\displaystyle \mathrm {3\ K_{2}[SiF_{6}]+4\ Al\rightarrow 3\ Si+3\ K[AlF_{4}]+K_{3}[AlF_{6}]} }$

Szilícium-dioxidból magnéziummal is redukálható. Az amorf szilícium barna por formájában keletkezik, amely könnyen megolvasztható, vagy elpárologtatható. Speciális eljárással egykristályokat készítenek belőle a félvezetőipar számára.

Néhány reakció

1.) ${\displaystyle \mathrm {SiO_{2}+2\ Mg\longrightarrow Si+2\ MgO} }$

2.) ${\displaystyle \mathrm {3\ SiO_{2}+4\ Al\longrightarrow 3\ Si+2\ Al_{2}O_{3}} }$

3.) ${\displaystyle \mathrm {3\ SiF_{4}+4\ Al\longrightarrow 3\ Si+4\ AlF_{3}} }$

4.) ${\displaystyle \ \mathrm {SiCl_{4}+4\ Na\longrightarrow Si+4\ NaCl} }$

5.) ${\displaystyle \ \mathrm {3\ CaSi_{2}+6\ HCl\longrightarrow 6\ Si+3\ CaCl_{2}+3\ H_{2}} }$

A szilícium élettani hatása

Egy átlagos ember testében 1,4 g szilícium található. Leginkább a kötőszövetben, de előfordul a csontokban, a porcokban, a bőrben, a visszerekben, a verőerekben, az inakban és a szem szaru- és ínhártyájában. A kötőszövet felépítésében játszik fontos szerepet. Megfelelő mennyiségű jelenléte a bőr, a haj és a köröm egészségéhez szükséges.^[6][7]

Jegyzetek

1. Current Table of Standard Atomic Weights in Order of Atomic Number. Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights – Commission II.I of the International Union of Pure and Applied Chemistry, 2013. [2015. szeptember 23-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2013. október 13.)
2. Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds, Handbook of Chemistry and Physics 81st edition, CRC press.
3. Szőkefalvi-Nagy Zoltán; Szabadváry Ferenc: A magyar kémiai szaknyelv kialakulása. A kémia története Magyarországon. Akadémiai Kiadó, 1972. [2009. december 21-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2010. december 3.)
4. Szilícium chipek és integrált áramkörök. chemgeneration.com. [2016. május 15-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2013. április 2.)
5. Hernández, Bedoya-Martínez, Kaczmarski: Phase diagram of silicon from atomic simulations. [2017. augusztus 8-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2018. április 12.)
6. Szilícium (Si). builder.hu. [2013. február 24-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2013. április 2.)
7. Dr. Tihanyi László: Szilícium. drtihanyi.hu. [2013. május 9-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2013. április 2.)

Források

• Silicon (angol nyelven). webelements.com. (Hozzáférés: 2013. április 2.)
• dr. Erdey-Grúz Tibor: A szilícium és a szilikátok (magyar nyelven). A kémia és vívmányai, I. rész, Kir. Magy. Természettudományi Társulat, Budapest, 1940.. (Hozzáférés: 2013. április 2.)
• Physical Properties of Silicon (angol nyelven). ioffe.ru. (Hozzáférés: 2013. április 2.)
• M. Kaczmarski, N. Bedoya-Martínez, E. R. Hernández: Phase diagram of silicon from atomistic simulations. Consejo Superior de Investigaciones Científicas., 2008. (Hozzáférés: 2018. március 22.)

További információk

• a magyar Wikipédia szilíciumot tartalmazó vegyületeinek listája külső keresővel

A Wikimédia Commons tartalmaz Szilícium témájú médiaállományokat.

• The Periodic Table of Videos (angol nyelven). University of Nottingham. (Hozzáférés: 2013. április 2.)
• Silicon (angol nyelven). Mineral.Galleries.com. [2013. március 13-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2013. április 2.)

Kapcsolódó szócikkek

• Szilícium-dioxid
• Szilícium-karbid
• Szilícium-egyenirányítós mozdony

• Kémiaportál • összefoglaló, színes tartalomajánló lap