Елементът на камъка — и на всяка съвременна изчислителна техника. Пясъкът се превръща в основата на цивилизацията.
Силиций (Si) — химичен елемент №14
Пясъкът под краката ти и процесорът в джоба ти са направени от едно и също нещо. Силицият е може би единственият елемент, чието второ рождение — от камък до чип — е изградил цяла цивилизация. А всичко е започнало с шведски химик, малко калиев флуорид и много упоритост.
| Свойство | Стойност |
|---|---|
| Атомен номер | 14 |
| Атомна маса | 28.085 u |
| Категория | Металоид |
| Период / Група | 3 / 14 |
| Електронна конфигурация | [Ne] 3s² 3p² |
| Електроотрицателност (Полинг) | 1.9 |
| Плътност | 2.3296 g/cm³ |
| Точка на топене | 1414°C (1687 K) |
| Точка на кипене | 3265°C (3538 K) |
| Откривател | Йонс Якоб Берцелиус |
| Година на откриване | 1824 г. |
История на откриването
Историята на силиция е по-дълга, отколкото изглежда. Хората са го използвали хиляди години — кремъкът, от който са правели оръжия в каменната епоха, е всъщност силициев диоксид. Но самият елемент е останал невидим зад кислорода, с който е свързан почти навсякъде в природата. Първият сериозен опит за изолирането му е направен от Хъмфри Дейви около 1808 г., но британецът е получил само нечиста смес и не е успял да докаже откритието си. Французите Луи-Жозеф Гей-Люсак и Луи Жак Тенар са се доближили още повече — те са загрявали силициев тетрафлуорид с метален калий и са получили тъмнокафяв прах, без обаче да разберат точно какво е.
Честта на официалното откриване принадлежи на шведеца Йонс Якоб Берцелиус. През 1824 г. той нагрява калиев хексафлуоросиликат с метален калий — реакция, която и днес би предизвикала уважение в лаборатория. Получените кристали са почистени многократно с вода и киселина, докато не останал сравнително чист силиций. Берцелиус е изключително педантичен и преди да обяви откритието, препотвърждава резултатите си. Той дава на елемента латинското название silicium — от silex, което означава кремък. Самият Берцелиус е открил и бора, и церия, и торий, така че силицият е само един от блясъка в неговата изключителна кариера.
Интересното е, че Берцелиус получава аморфен (безструктурен) силиций — тъмен прах без блясък. Кристалният силиций, какъвто познаваме в процесорите, е изолиран чак в средата на XX век, когато технологиите го изискват с точност до 99.9999999% чистота — девет деветки, известни в индустрията като „nine-nines".
Физични свойства
Чистият кристален силиций изглежда като нещо извадено от научнофантастичен филм: тъмносив метален блясък, почти металически, но крехък като стъкло. Удариш ли го с чук, се чупи — не се огъва. Плътността му е 2.3296 g/cm³, което го прави по-лек от алуминия и значително по-лек от стоманата. Топи се при 1414°C, което е достатъчно висока температура, за да изисква специализирани пещи при производството.
Онова, което го прави наистина уникален, е електропроводимостта. Силицият е полупроводник: при стайна температура провежда ток много по-слабо от металите, но много по-добре от изолаторите. Тази проводимост може да се управлява прецизно — добавиш ли микроскопично количество бор или фосфор (процес, наречен „легиране" или „допинг"), поведението му се променя радикално. Именно това свойство е в основата на всеки транзистор, чип и соларен панел.
Силицият е прозрачен за инфрачервена светлина, макар да поглъща видимата. Затова силициевите лещи се използват в инфрачервени камери и термооптика — инструменти, които виждат топлинното излъчване там, където човешкото oko вижда само тъмнина.
Химични свойства
Силицият е химичен елемент с характерна за металоидите двойственост — проявява и метални, и неметални черти в зависимост от партньора в реакцията. Основната му окислителна степен е +4, въпреки че в силицидите (съединения с метали) заема степен −4. Тази гъвкавост го прави химически интересен, но трудно предвидим.
При стайна температура силицият е сравнително мързелив реактант — повърхностният му слой бързо се покрива с тънък оксиден слой (SiO₂), който го предпазва от по-нататъшно окисляване. Загреян до червено обаче, реагира охотно с кислород, халогени и дори азот. Флуорът е изключение — атакува силиция дори при стайна температура, образувайки силициев тетрафлуорид (SiF₄).
Силициевият диоксид (SiO₂) е може би най-известното съединение: кварц, пясък, опал — всичко това е SiO₂ в различни кристални форми. Силикатите са огромно семейство минерали, изградени около тетраедричната SiO₄ единица — около 90% от земната кора е съставена от тях. Силиконите (не бъркай с „силиций") са полимерни вериги с редуващи се силициеви и кислородни атоми — гъвкави, термостабилни и биологично инертни, затова ги срещаме навсякъде от кухненски форми до медицински импланти. Можеш да разгледаш как силицият се вписва сред съседните си елементи в периодичната таблица на елементите.
Къде го срещаме
Процесорите в компютрите и смартфоните са направени от монокристален силиций с чистота над 99.9999999%. Суровината е кварцов пясък, топен в огромни пещи при над 1600°C, след което пречистван многократно. Крайният продукт са цилиндрични слитъци (бул), от които се нарязват тънки кръгли пластини — уефъри, — върху които се отпечатват милиарди транзистори с литографски методи. Чипът в телефона ти съдържа около 15 милиарда транзистора върху площ, по-малка от нокътя ти.
Соларните панели работят на същия принцип. Фотоните от слънцето изблъскват електрони в силициевите кристали и така светлината директно се превръща в ток. Повечето соларни ферми по света разчитат на поликристален силиций — по-евтин от монокристалния, но с малко по-ниска ефективност.
Строителната индустрия е пълна с него в друга форма. Цимент, бетон, тухли, стъкло — всичко това са силикатни материали. Обикновеното прозоречно стъкло е натриево-калциев силикат. Оптичните влакна, по които минава интернет, са изключително чист кварцов силициев диоксид.
Силиконовите уплътнители около банята, силиконовите форми за печене и медицинските тубички също носят „силикон" в името си — и всички са органосилициеви полимери, чийто гръбнак е, разбира се, силицият.
Биологична роля
Силицият не е класически есенциален елемент за хората, но и не е биологично безразличен. В растенията — особено при оризта, пшеницата и бамбука — силицият укрепва клетъчните стени и увеличава устойчивостта към болести и суша. Оризените растения активно натрупват силициев диоксид в листата, което ги прави по-твърди и по-малко привлекателни за насекоми.
При хората следи от силиций се намират в костната тъкан и съединителната тъкан, а някои изследвания показват, че той участва в синтеза на колаген. Дали това е истинска есенциална функция или просто присъствие поради повсеместността на елемента — все още се обсъжда. По-ясно е, че вдишването на кристален силициев прах (например при работа в кариера или стъкларска фабрика) причинява силикоза — тежко белодробно заболяване с необратими белези.
Диатомеите — микроскопични водорасли, съществували от преди 250 милиона години — буквално строят черупките си от SiO₂. Тези скелети се отлагат на морското дъно и образуват диатомит — лека скала, използвана и днес за естествена изолация и филтриране.
Любопитни факти
Вторият най-разпространен елемент в земната кора. Кислородът е на първо място с около 46%, а силицият — на второ с около 28%. Всеки трети атом в скалите около нас е силиций. И все пак чистият елемент е изолиран чак в XIX век — толкова здраво е свързан с кислорода.
„Силиконовата долина" всъщност е кръстена на силиция, не на силикона. Името идва от силициевите чипове, произвеждани там от 60-те години на XX век. Объркването между „силиций" и „силикон" е толкова старо, колкото и самото название — и двете думи произхождат от един корен, но означават различни неща.
Процесорите се правят от пясък — буквално. Пътят от кварцов пясък до 3-нанометров чип минава през стотици производствени стъпки, продължава месеци и изисква едни от най-сложните машини, правени от човечеството. EUV литографските машини на ASML, с които се гравират транзисторите, струват около 380 милиона долара на брой и са толкова сложни, че за пренасянето им по света се наема специален самолет.
Силицият се разширява при замръзване. Като водата. Почти всички вещества при охлаждане се свиват, но силицият (и водата) са изключения — стават по-малко плътни в твърдо състояние. Затова кристалите на силиция не могат да се отлеят просто в калъп: при втвърдяване биха се напукали.
Соларните панели може да изхранят мечтата за безкрайна енергия — но производството им не е екологично безплатно. За да се пречисти силицият до нужната чистота, се изразходва огромно количество електроенергия. Счита се, че соларен панел трябва да работи около 1.5–4 години, за да „изплати" енергията, вложена в направата му. След това — и за останалите 25 години — е вече на плюс.
Силицият химичен елемент №14 е един от тези редки случаи, в които историята на науката
5 въпроса — по 20 точки всеки. Максимален резултат: 100.
Формат A3 за принт • Работни листа за 7–12 клас
Изпращаме на имейла ти веднага.
Мнения