کاربرد عنصر سیلیسیم چیست؟ خواص و ویژگی سیلیسیم

عنصر سیلیسیم از عناصر شیمیایی موجود در جدول تناوبی مندلیف است که با نماد شیمیایی Si شناخته می شود. عدد اتمی عنصر سیلیسیم ۱۴ و عدد جرمی آن ۲۸.۰۸۵ است. جایگاه عنصر سیلیسیم در جدول تناوبی، گروه ۱۴ و تناوب سوم است. کاربرد عنصر سیلیسم در صنعت و تولید پودرهای شوینده و بسیاری موارد دیگر صورت می گیرد. عنصر سیلیسیم شبه فلز بوده و در گروه ۱۴ پایین تر از نافلز کربن قرار گرفته است. ظرفیت عنصر سیلیسیم ۴ بوده و در دمای اتاق جامد است. به دلیل ویژگی و خواص عنصر سیلیسیم از این ماده و ترکیبات آن استفاده های فراوانی می شود. عنصر سیلیسیوم با نام سیلیکون (Silicon) نیز شناخته می شود. جالب است بدانید انواع کانی سیلیکاتی بیش از ۹۰% پوسته زمین را تشکیل می دهند. عنصر سیلیسم به عنوان یک نیمه رسانا شناخته شده و ایزوتوپ عنصر سیلیسیم نیز شناسایی شده است.

نشریه علمی جهان شیمی فیزیک به بررسی عناصر جدول تناوبی مندلیف پرداخته است. عناصری مانند: کربن، منیزیم، نیتروژن، بریلیوم و… . در ادامه با بررسی کاربرد و ویژگی عنصر سیلیسیم و آشنایی با خواص فیزیکی و شیمیایی آن با ما همراه باشید.

پیشینه عنصر سیلیسیم

آنتوان لاوازیه در سال ۱۷۸۷ متوجه شد که ممکن است سیلیکا، اکسیدی از یک عنصر خالص باشد. اما او ابزاری برای کاهش و جداسازی این عنصر نداشت. زیرا این عنصر میل زیادی به اکسیژن دارد. تلاش های زیادی برای جداسازی این عنصر انجام شد. سرانجام سر همفری دیوی در سال ۱۸۰۸ نام سیلیسیم را برای این ماده پیشنهاد داد. این نام ریشه ای لاتین دارد و از نام سنگ چخماق گرفته شده است.

در سال ۱۸۱۱ نیز گیلوساک و تنارد نیز سیلیکون ناخالص آمورف را تهیه کردند. آن ها هم توانایی خالص‌سازی و شناسایی آن به عنوان یک عنصر خالص را نداشتند. توماس تامسون شیمیدان اسکاتلندی نام امروزی سیلیکون را برای آن انتخاب نموده است. او اعتقاد داشت عنصر کشف شده، نوعی نافلز همچون بور و کربن است. بنابراین نام انتخابی همفری دیوی را به همراه پسوند (-ون) ترکیب کد. او اعتقاد داشت که عنصر کشف شده، نوعی نافلز مانند بور و کربن است.

امروزه، برسیلیوس را به عنوان کاشف این عنصر می‌شناسند. زیرا در سال ۱۸۲۳ یوهان یاکوب برسیلیوس، سیلیکون آمورف را با روش گیلوساک تولید نمود و آن را به صورت پودر خالص قهوه ‌ای رنگ تبدیل کرد. شکل بلوری سیلیکون ۳۱ سال بعد از طریق الکترولیز مخلوط سدیم کلرید و آلومینیوم کلرید توسط شیمیدان فرانسوی به نام دویل تولید شد. در اوایل ۱۹۲۰ ویلیام لورنس براگ با بلورشناسی اشعه ایکس ترکیبات سیلیکات‌ها را مشخص نمود.

خواص عنصر سیلیسیم

• سیلیسیم: این عنصر با نام های سیلیکون، سیلیسیوم، سیلیکا نیز شناخته می شود.
• عدد اتمی عنصر سیلیسیوم: ۱۴
• جرم اتمی این عنصر: ۲۸.۰۸۶
• حالت استاندارد در شرایط STP: جامد
• ظرفیت: ۴
• آرایش الکترونی: [Ne] 3s^۲۳p^۲
• الکترونگاتیویته: ۱.۹۰
• موقعیت این ماده در جدول تناوبی: گروه ۱۴ و تناوب ۳
• نقطه ذوب: ۱۴۱۴ درجه سانتی گراد
• نقطه جوش: ۳۲۶۵ درجه سانتی گراد
• شعاع اتمی: ۱.۴۶
• انرژی یونیزاسیون: ۷۸۶.۵ کیلوژول بر مول
• شعاع یونی: ۰.۴
• دانسیته: ۲.۳۳
• گرمای تبخیر: ۳۸۴.۲۳ کیلوژول بر مول
• گروه: ۱۴
• دوره: ۳

ویژگی عنصر سیلیسیم عنصر شماره ۱۴ جدول تناوبی

عنصر سیلیسیم عنصر شماره ۱۴ جدول تناوبی بوده و در دمای اتاق جامد است. این ماده نقطه ذوب و جوش بسیار بالایی داشته و نیمه‌رسانا است. جالب است بدانید که چگالی این ماده در حالت مایع بیشتر از حالت جامد آن است. از خواص عنصر سیلیسیم رسانایی گرمایی بالایی آن است. به همین دلیل این ماده در پوشش جسم ‌های داغ کاربردی ندارد. عنصر سیلیسیوم یک شبه‌ فلز است و به آسانی چهار الکترون بیرونی خود را به اشتراک می‌ گذارد. به این طریق است که می‌ تواند در بسیاری از واکنش‌ های شیمیایی راه یابد. مدل اتمی بور برای عنصر سیلیسیم (سیلیکون) تعریف شده است. این ماده با هالوژن‌ و قلیا واکنش داده اما بیشتر اسیدها بر روی آن بی اثرند.

ایزوتوپ‌ عنصر سیلسیم

سه ایزوتوپ عنصر سیلیسیم (سیلیکون) با پایداری در طبیعت یافت می شود. عنصر سیلیسیم-۲۷، سیلیسیم-۲۹ و سیلیسیم-۳۰ از آن جمله اند. ایزوتوپ عنصر سیلیسیم-۲۸ بیشترین فراوانی را با ۹۲% داراست. تنها سیلیسیم-۲۹ است که در فرایندهای تشدید مغناطیسی هسته ‌ای و تشدید پارامغناطیسی الکترون کاربرد دارد.

بیست ایزوتوپ پرتوزا عنصر سیلیسیم نیز شناخته شده است. پایدار ترین این انواع، ایزوتوپ عنصر سیلیسیم-۳۲ با نیمه عمر ۱۷۰ سال است. سیلیسیم-۳۱ با نیمه عمر ۱۵۷٫۳ دقیقه در جایگاه بعدی از لحاظ پایداری قرار دارد. سایر ایزوتوپ‌ های پرتوزا نیمه عمری کمتر از ۷ ثانیه دارند. البته بیشتر این ایزوتوپ ها نیمه عمری حتی کوتاه‌تر از یک-دهم ثانیه دارند.

این ماده هیچ ایزومر هسته ‌ای شناخته شده‌ای ندارد. عدد جرمی ایزوتوپ‌ های سیلیسیم از ۲۲ تا ۴۴ است. بیشترین واپاشی هسته ‌ای دیده شده در میان شش ایزوتوپی که عدد جرمی کمتر از سیلیسیم-۲۸ دارند، β⁺ بوده است. که نخست باعث پدیدار گشتن ایزوتوپ ‌های آلومینیم (۱۳ پروتون) شده ‌است. ^–β بیشترین واپاشی هسته‌ای دیده شده در ۱۶ ایزوتوپ با عدد جرمی بیشتر از سیلیسیم-۲۸ است. که باعث پدیدار شدن ایزوتوپ‌ های فسفر (۱۵ پروتون) شده ‌است.

منابع عنصر سیلیسیم

این ماده اغلب به حالت متبلور در طبیعت و به شکل سیلیس یا همان دی اکسید سیلیسیم یافت می‌شود. سیلیکات‌ هایی مانند میکا و آزبست از ترکیبات عنصر سیلیسیم‌ بشمار می آیند. این ترکیبات در صنایع مختلف کاربرد فراوانی دارند. کوارتز نوعی سیلیس متبلور و شفّاف است. جاسپر و ماسه نیز شکل‌های مختلفی از سیلیس‌ هستند.

اغلب عنصر سیلیسیم (سیلیکون) با حرارت دادن و جدا شدن اکسیژن از دی اکسید سیلیسیم استخراج می‌گردد. سیلسیم بی شکل گردی قهوه ای رنگ است که به واسطه ذوب در ۱۵۰۰ درجه تبدیل به بلور می گردد.

عمده سیلیسیم تولید شده به شکل یک آلیاژ فِروسیلیکنی باقی می‌ماند. تنها حدود ۲۰% از این ماده تا درجه متالورژیکی خالص سازی می‌شود. ۱۵٪ از این مقدار تا رسیدن به درجه نیمه رساناها مجدد خالص سازی می‌شود. این‌گونه ماده ای تک بلورین و بدون هیچ نقص به وجود می آید. درجه خلوص به دست آمده در اصطلاح خلوص ۹ یا ۹۹.۹۹% نامیده می شود.

تولید سیلیکون

تولید عنصر سیلیسیم (سیلیکون) از طریق فرآیند کاهش کوارتزیت یا ماسه به همراه کک با خلوص ۹۶-۹۹ درصد صورت می گیرد. این فرآیند کاهشی بوده و در یک کوره قوس الکتریکی با مقدار اضافی (SiO2) انجام خواهد شد. با این روش از تجمع سیلیکون کاربید جلوگیری به عمل می آید.

شستشوی پودر سیلیکون با خلوص ۹۶-۹۷ درصد به کمک آب نیز‌ سیلیکون با خلوص ۹۸.۵% را به دست می‌دهد. این ماده خالص در صنایع شیمیایی مورد استفاده قرار می‌گیرد. البته برای کاربرد عنصر سیلیسیم به عنوان نیمه ‌هادی،‌ خلوص بالاتری از آن مورد نیاز است. ترکیبات حاصل از این دو واکنش، فرار هستند و در نتیجه به کمک تقطیر جز به جز می‌توان آن‌ها را خالص‌سازی کرد.

سیلیکا، از ترکیبات عنصر سیلیسیم

سیلیکا (SiO_۲) به عنوان سیلیسیم دی ‌اکسید شناخته می شود. این مولکول از ترکیب یک اتم سیلیسیم و ۲ اتم اکسیژن ساخته می ‌شود. بیش‌تر ترکیباتی که ما سیلیسیوم می‌نامیم در واقع سیلیکا هستند. این ترکیبات هم در مواد معدنی و هم در گیاهان یافت می‌شوند. بسیاری از گیاهان هستند که سنگواره‌ های میکروسکوپی منحصر به فردی را ایجاد می کنند. این سنگواره ها فیتولیت نامیده می شوند. جنس آن ها از سیلیکاست و در خاک یافت می‌شوند.

دانشمندان علت شکل‌گیری این سنگواره ‌ها را نمی‌دانند. اما احتمالا در حکم محافظ گیاه در برابر آسیب ‌های میکروسکوپی عمل می کنند. حتی ممکن است که آن ها تنها راهی باشند که یک گیاه به کمک آن بتواند از تمام سیلیکای اضافی استفاده نماید.

جالب است بدانید فیتولیت ‌ها پس از فروپاشی یک گیاه نیز تا مدت طولانی در محیط اطراف آن باقی می‌مانند. به این طریق می‌توانند تاریخ حقیقی یک منطقه که یک جنگل بوده و یا چمنزار را نشان دهند.

کاربرد عنصر سیلیسیم (سیلیکون)

صنعت ساختمان

• این ماده جهت ساخت ملات، اندود گچ، سیمان، بتن و تولید سرامیک با کمترین فراوری بر روی ترکیبات طبیعی آن در بخش صنعت ساختمان کاربرد دارد.
• در ساخت برخی سرامیک های سفید رنگ از قبیل پرسلان، شیشه‌ های سنتی و… به کار می رود.
• از سیلیسیم کاربید به عنوان ساینده و ساخت سرامیک‌ هایی با مقاومت بالا استفاده می شود.
• پایه ساخت پلیمر های مصنوعی پرکاربرد مانند سیلیکون یا پلی ‌سیلوکسان‌ها، همین عنصر است.

صنعت الکترونیک

از عنصر سیلیسیم (سیلیکون) با درجه خلوص بالا در ساخت نیمه رسانا استفاده می‌شود. این عنصر به عنوان پایه مکانیکی مدار های صنعت الکترونیک و ساخت بیشتر رایانه‌ ها کاربرد دارد.

عنصر سیلیسیوم خالص در ساخت‌ پیل ‌های نوری- برقی و ترانزیستور ها نیز به کار می رود.

لازم به ذکر است که عنصر ژرمانیم یا گالیم آرسنید نسبت به این ماده رساناهای بهتری هستند. با این حال باز هم سیلیسیم است که در بین تولیدکنندگان صنعت الکترونیک محبوب‌ترین عنصر است. دلایل محبوبیت این ماده به دلیل خواص و ویژگی عنصر سیلیسیم است. این ماده ارزان است و به وفور یافت می‌شود. این ماده به شدت به اکسید شدن علاقه‌مند است. بنابراین اگر در معرض هوا قرار بگیرد به راحتی می تواند لایه‌ رسانای خود را تشکیل دهد.

کاربرد در ریخته گری فلزات

کاربرد عنصر سیلیسیم (سیلیکون) در ریخته گری آهن و یا سایر فلزات نقش بسیار مهمی داراست.

ریخته گری در تمامی دما ها به دلیل نقطه ی بالای همجوشی سیلیکا به خوبی انجام می شود و آلیاژهای مختلفی می تواند تولید گردد.

خلوص بالا موجب جلوگیری از واکنش با کاتالیزور ها می شود و از خوردگی شیمیایی می کاهد.

پس از پایان عملیات ریخته گری قالب های مورد استفاده می توانند از لحاظ حرارتی و یا مکانیکی بازیافت شوند.

نکته مهم این است که این عنصر می تواند حباب های اکسیژن را از فلز مذاب خارج نماید.

سایر کاربرد ها

بیشتر سیلیسیم آزاد در صنعت‌ های پالایش فولاد، ریخته گری آلومینیم و بسیاری صنعت ‌های حساس شیمی کاربرد دارد.

ظروف سیلیکونی انعطاف‌ پذیر در آشپزخانه، شستشوی راحتی دارند. بوی غذا را به خود جذب نکرده و از این رو برای استفاده مناسبند. این ظروف به راحتی در فر و فریزر و مایکروویو استفاده شده، بدون این‌که طعم غذا در آن‌ها تغییر کند.

کاربرد عنصر سیلیسیم به عنوان عایق در لوازم غواصی و عینک ‌های شنا نیز مشاهده می شود. سیلیکون، روش‌های جدیدی را برای طراحان فراهم نموده است. به کمک این ماده لباس ‌هایی سبک‌ تر با خاصیت آب گریزی و عملکرد بالاتر تولید می شوند. این لباس ها امکان عبور اکسیژن را نیز به راحتی فراهم می کنند.

کاربرد مصرف عنصر سیلیسیم در زیست‌ شناسی هم بسیار پر اهمیت است. به نظر می‌رسد اندازه‌ های بسیار کمی از آن در بدن جانوران مورد نیاز باشد. بسیاری از گونه ‌های اسفنج‌ های دریایی برای ساختار بدنشان نیازمند این ماده اند.

همچنین سیلیسیم و سیلیسیک اسید در سوخت و ساز بدن گیاهان بویژه بسیاری از علف ‌ها نقشی حیاتی دارد.

اثرات سیلیسیم بر سلامتی انسان

• فواید

مطالعات نشان داده‌اند که این ماده برای سلامت ناخن،‌ مو، استخوان‌ و بافت‌های پوستی بسیار مفید است. استفاده از سیلیکون در رژیم غذایی، تراکم و حجم استخوان ‌ها در بیماران با پوکی استخوان را افزایش می دهد.

برای سنتز الاستین (Elastin) و کلاژن وجود این ماده ضروری است. بیشترین مقدار این مواد در آئورت وجود دارند. اما از آن‌جایی که این عنصر همواره در دسترس قرار دارد، علائم ناشی از کمبود این ماده را  به سادگی نمی‌توان تشخیص داد.

• هشدارها

عنصر سیلیسیم ماده ای خنثی است و به نظر می رسد که به بافت های ریوی صدمه می زند. جانورانی که در آزمایشگاه نگهداری می شوند، به دلیل واکنش غبار سیلیسیم دچار ضایعه ریوی می شوند. اگر مقدار غبار سیلیسیم کمتر از حد تعیین شده باشد، بیماری مهمی در شش ها ایجاد نکرده و یا اثر سمی ندارد.

این ماده ممکن است بیماری های تنفسی مزمن ایجاد کند. سیلیسیم بلوری (دی اکسید سیلیسیم) خطر تنفسی زیادی دارد. اما احتمال تولید آن در یک فرآیند معمولی خیلی بعید است. معمولاً میزان سیلیسیم در حدود میلی گرم یا گرم ماده در هر کیلوگرم از وزن جانور می باشد.

بلور عنصر سیلیسیم باعث تحریک پوست و مشکلات چشمی می‌شود.

تنفس سیلیسیم باعث آسیب به شش ها و مخاط دهان می شود.

در صورتی که این ماده وارد چشم شود، سرخی و ترشحات اضافی چشم را سبب می گردد.

سرخی، سوزش و خارش نیز جز التهابات پوستی است که بر اثر خواص عنصر سیلیسیم رخ می دهد.

در صورتی که عنصر سیلیسیم تنفس شود، می تواند بیماری های تنفسی مانند برونشیت، بیماری انسداد تنفسی مزمن (COPD) و آمفیزم در فرد ایجاد کند. جالب است بدانید که بیشتر بیماری های ذکر شده در افراد غیر سیگاری بروز نمی کند.