Pii: käyttö, kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet

2024 Kirjoittaja: Angel Austin | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2023-12-17 05:25

Yksi luonnon yleisimmistä alkuaineista on pii tai pii. Tällainen laaja levinneisyys kertoo tämän aineen tärkeydestä ja merkityksestä. Tämän ymmärsivät ja omaksuivat nopeasti ihmiset, jotka oppivat käyttämään piitä oikein omiin tarkoituksiinsa. Sen sovellus perustuu erikoisominaisuuksiin, joista puhumme myöhemmin.

Pii on kemiallinen alkuaine

Jos luonnehdimme tiettyä elementtiä jaksollisen järjestelmän sijainnin perusteella, voimme tunnistaa seuraavat tärkeät kohdat:

1. Järjestysluku - 14.
2. Kausi on kolmas pieni.
3. Ryhmä - IV.
4. Alaryhmä - pää.
5. Ulkoelektronikuoren rakenne ilmaistaan kaavalla 3s²3p².
6. Alkuaine pii on merkitty kemiallisella symbolilla Si, joka lausutaan "pii".
7. Sen hapetustilat: -4; +2; +4.
8. Atomin valenssi on IV.
9. Piin atomimassa on 28.086.
10. Tällä alkuaineella on kolme stabiilia isotooppia, joiden massaluvut ovat 28, 29 ja 30.

Joten atomiKemiallisesta näkökulmasta pii on hyvin tutkittu alkuaine, ja monet sen eri ominaisuuksista on kuvattu.

Löytöhistoria

Koska tarkasteltavana olevan alkuaineen erilaiset yhdisteet ovat luonnossa erittäin suosittuja ja sisällöltään massiivisia, muinaisista ajoista lähtien ihmiset käyttivät ja tiesivät vain monien ominaisuuksista. Puhdas pii pysyi pitkään kemian tietämyksen ulkopuolella.

Muinaisten kulttuurien kansojen (egyptiläisten, roomalaisten, kiinalaisten, venäläisten, persialaisten ja muiden) suosituimmat arkielämässä ja teollisuudessa käyttämät yhdisteet olivat piioksidipohjaisia jalo- ja koristekiviä. Näitä ovat:

• opaali;
• terassikivi;
• topaz;
• krysopraasi;
• onyx;
• kalsedoni ja muut.

Kvartsia ja kvartsihiekkaa on myös ollut tapana käyttää rakentamisessa muinaisista ajoista lähtien. Itse alkuainepii jäi kuitenkin löytämättä 1800-luvulle asti, vaikka monet tutkijat yrittivät turhaan eristää sitä erilaisista yhdisteistä käyttämällä katalyyttejä, korkeita lämpötiloja ja jopa sähkövirtaa. Nämä ovat kirkkaita mieliä, kuten:

• Karl Scheele;
• Gay-Lussac;
• Tenar;
• Humphry Davy;
• Antoine Lavoisier.

Jens Jacobs Berzelius onnistui saamaan onnistuneesti puhdasta piitä vuonna 1823. Tätä varten hän suoritti kokeen piifluoridin ja metallisen kaliumin höyryjen fuusiossa. Tämän seurauksena hän sai kyseessä olevasta elementistä amorfisen muunnelman. Sama tiedemies ehdotti löydetylle atomille latinalaista nimeä.

Hieman myöhemmin, vuonna 1855, toinen tiedemies - Saint Clair-Deville - onnistui syntetisoimaan toisen allotrooppisen lajikkeen - kiteisen piin. Siitä lähtien tieto tästä elementistä ja sen ominaisuuksista alkoi kasvaa hyvin nopeasti. Ihmiset ymmärsivät, että siinä on ainutlaatuisia ominaisuuksia, joita voidaan käyttää erittäin älykkäästi omien tarpeidensa täyttämiseen. Siksi nykyään yksi elektroniikan ja tekniikan kysytyimmistä elementeistä on pii. Sen käyttö vain laajentaa sen rajoja joka vuosi.

Tutkija Hess antoi atomille venäläisen nimen vuonna 1831. Se on jäänyt tähän päivään.

Sisältyy luonnossa

Pii on toiseksi runsain luonnossa hapen jälkeen. Sen prosenttiosuus verrattuna muihin atomeihin maankuoren koostumuksessa on 29,5%. Lisäksi hiili ja pii ovat kaksi erikoiselementtiä, jotka voivat muodostaa ketjuja kytkeytymällä toisiinsa. Tästä syystä jälkimmäisestä tunnetaan yli 400 erilaista luonnonmineraalia, joissa sitä on litosfäärissä, hydrosfäärissä ja biomassassa.

Mistä piitä tarkalleen löytyy?

1. Maan syvissä kerroksissa.
2. Kiveissä, kerrostumissa ja massiiveissa.
3. Vesimuodostumien, erityisesti merien ja v altamerien pohjalla.
4. Eläinkunnan kasveissa ja meressä.
5. Ihmisissä ja maaeläimissä.

Voidaan nimetä useita yleisimpiä mineraaleja ja kiviä, jotka sisältävät suuren määränpiitä. Niiden kemia on sellainen, että puhtaan alkuaineen massapitoisuus niissä saavuttaa 75%. Erityinen luku riippuu kuitenkin materiaalityypistä. Joten piitä sisältävät kivet ja mineraalit:

• maasälpää;
• kiille;
• amfibolit;
• opaalit;
• kalsedoni;
• silikaatit;
• hiekkakivet;
• aluminosilikaatit;
• savet ja muut.

Merieläinten kuoriin ja ulompiin luurankoihin kerääntyvä pii muodostaa lopulta voimakkaita piidioksidikertymiä vesistöjen pohjalle. Tämä on yksi tämän alkuaineen luonnollisista lähteistä.

Lisäksi havaittiin, että pii voi esiintyä puhtaassa alkuperäisessä muodossaan - kiteiden muodossa. Mutta tällaiset talletukset ovat hyvin harvinaisia.

Piin fysikaaliset ominaisuudet

Jos luonnehdit tarkasteltavaa elementtiä fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien joukolla, ensinnäkin on ilmoitettava fysikaaliset parametrit. Tässä on muutamia keskeisiä:

1. On olemassa kahden allotrooppisen muunnelman muodossa - amorfisena ja kiteisenä, jotka eroavat kaikilta ominaisuuksiltaan.
2. Kidehila on hyvin samanlainen kuin timantin, koska hiili ja pii ovat tässä suhteessa melkein samat. Atomien välinen etäisyys on kuitenkin erilainen (piitä on enemmän), joten timantti on paljon kovempi ja vahvempi. Hilatyyppi - kuutio kasvokeskeinen.
3. Aine on erittäin hauras, muuttuu muoviseksi korkeissa lämpötiloissa.
4. Sulamispiste on 1415 ˚C.
5. Lämpötilakiehumispiste - 3250˚С.
6. Aineen tiheys - 2,33 g/cm³.
7. Liitännän väri on hopeanharmaa, ja siinä on ominainen metallinen kiilto.
8. Sillä on hyvät puolijohdeominaisuudet, jotka voivat vaihdella tiettyjä aineita lisättäessä.
9. Liukenematon veteen, orgaanisiin liuottimiin ja happoihin.
10. Erittäin liukoinen emäksiin.

Piin määritettyjen fyysisten ominaisuuksien ansiosta ihmiset voivat hallita sitä ja käyttää sitä erilaisten tuotteiden luomiseen. Esimerkiksi puhtaan piin käyttö elektroniikassa perustuu puolijohtavuuden ominaisuuksiin.

Kemialliset ominaisuudet

Piin kemialliset ominaisuudet ovat hyvin riippuvaisia reaktio-olosuhteista. Jos puhumme puhtaasta aineesta vakioparametreilla, meidän on määritettävä erittäin alhainen aktiivisuus. Sekä kiteinen että amorfinen pii ovat erittäin inerttejä. Ei saa olla vuorovaikutuksessa vahvojen hapettimien (paitsi fluorin) tai vahvojen pelkistysaineiden kanssa.

Tämä johtuu siitä, että oksidikalvo SiO₂ muodostuu välittömästi aineen pinnalle, mikä estää vuorovaikutuksen jatkossa. Se voi muodostua veden, ilman, höyryjen vaikutuksesta.

Jos muutat standardiolosuhteita ja kuumennat piitä yli 400˚С lämpötilaan, sen kemiallinen aktiivisuus lisääntyy huomattavasti. Tässä tapauksessa se reagoi seuraavasti:

• happi;
• kaikenlaiset halogeenit;
• vety.

Lämpötilan noustessa edelleen tuotteiden muodostuminen on mahdollistavuorovaikutus boorin, typen ja hiilen kanssa. Erityisen tärkeä on karborundi - SiC, koska se on hyvä hankaava materiaali.

Lisäksi piin kemialliset ominaisuudet näkyvät selvästi reaktioissa metallien kanssa. Niiden suhteen se on hapettava aine, joten tuotteita kutsutaan silisideiksi. Samank altaiset yhdisteet tunnetaan seuraavista:

• emäksinen;
• maa-alkali;
• siirtymämetallit.

Epätavallisilla ominaisuuksilla on yhdiste, joka saadaan sulattamalla rautaa ja piitä. Sitä kutsutaan ferrosilikon keramiikaksi ja sitä on käytetty menestyksekkäästi teollisuudessa.

Pii ei ole vuorovaikutuksessa monimutkaisten aineiden kanssa, joten kaikista niiden lajikkeista se voi liueta vain:

• kuninkaallinen vodka (typpi- ja suolahapon seos);
• emäksiset alkalit.

Tässä tapauksessa liuoksen lämpötilan tulee olla vähintään 60˚С. Kaikki tämä vahvistaa jälleen kerran aineen fyysisen perustan - timanttimaisen vakaan kidehilan, joka antaa sille lujuutta ja inerttiä.

Hankintamenetelmät

Puhtaan piin saaminen on taloudellisesti melko kallis prosessi. Lisäksi mikä tahansa menetelmä antaa ominaisuuksiensa vuoksi vain 90-99% puhdasta tuotetta, kun taas metallien ja hiilen muodossa olevat epäpuhtaudet pysyvät samoina. Pelkkä aineen saaminen ei siis riitä. Se on myös puhdistettava laadullisesti vieraista aineksista.

Yleensä piin tuotanto tapahtuu kahdella päätavalla:

1. Valkoisesta hiekastajoka on puhdasta piioksidia SiO₂. Kun sitä kalsinoidaan aktiivisilla metalleilla (useimmiten magnesiumilla), muodostuu vapaa alkuaine amorfisen modifikaation muodossa. Tämän menetelmän puhtaus on korkea, tuote saadaan 99,9 prosentin saannolla.
2. Teollisessa mittakaavassa yleisempi menetelmä on sulan hiekan sintraus koksin kanssa erikoistuneissa lämpöuuneissa. Tämän menetelmän on kehittänyt venäläinen tiedemies Beketov N. N.

Jatkokäsittely koostuu tuotteiden kohdistamisesta puhdistusmenetelmiin. Tätä varten käytetään happoja tai halogeeneja (kloori, fluori).

Amorfinen pii

Pin karakterisointi on epätäydellinen, jos emme tarkastele erikseen jokaista sen allotrooppista muunnelmaa. Ensimmäinen on amorfinen. Tässä tilassa harkitsemamme aine on ruskeanruskeaa hienojakoista jauhetta. Sillä on korkea hygroskooppisuusaste, sillä on riittävän korkea kemiallinen aktiivisuus kuumennettaessa. Normaaliolosuhteissa se voi olla vuorovaikutuksessa vain vahvimman hapettimen - fluorin - kanssa.

Ei ole täysin oikein kutsua amorfista piitä erilaisiksi kiteisiksi piiksi. Sen hila osoittaa, että tämä aine on vain hienojakoisen piin muoto, joka esiintyy kiteiden muodossa. Siksi nämä modifikaatiot ovat sellaisenaan sama yhdiste.

Niiden ominaisuudet kuitenkin vaihtelevat, joten on tapana puhua allotropiasta. Amorfisella piillä itsessään onkorkea valon absorptiokyky. Lisäksi tietyissä olosuhteissa tämä indikaattori on useita kertoja korkeampi kuin kiteisen muodon indikaattori. Siksi sitä käytetään teknisiin tarkoituksiin. Tarkastetussa muodossa (jauheena) yhdiste levitetään helposti mille tahansa pinnalle, olipa se sitten muovia tai lasia. Siksi juuri amorfinen pii on niin kätevä käyttää. Sovellus perustuu erikokoisten aurinkopaneelien valmistukseen.

Vaikka tämän tyyppisten akkujen kuluminen on melko nopeaa, mikä liittyy ohuen kalvon hankautumiseen, käyttö ja kysyntä vain kasvavat. Todellakin, jopa lyhyellä käyttöiällä amorfiseen piihin perustuvat aurinkokennot pystyvät toimittamaan energiaa kokonaisille yrityksille. Lisäksi tällaisen aineen valmistus on jätteetöntä, mikä tekee siitä erittäin taloudellista.

Saat tämän muunnelman pelkistämällä yhdisteitä aktiivisilla metalleilla, kuten natriumilla tai magnesiumilla.

kristallipii

Hopeanharmaa kiiltävä muunnos kyseisestä elementistä. Juuri tämä muoto on yleisin ja kysytyin. Tämä johtuu tämän aineen laadullisista ominaisuuksista.

Kidehilaisen piin ominaisuus sisältää sen tyyppien luokituksen, koska niitä on useita:

1. Elektroninen laatu - puhtain ja korkealaatuisin. Tätä tyyppiä käytetään elektroniikassa erityisen herkkien laitteiden luomiseen.
2. Aurinkoinen laatu. Itse nimimäärittelee käyttöalueen. Se on myös erittäin puhdasta piitä, jonka käyttö on välttämätöntä korkealaatuisten ja pitkäikäisten aurinkokennojen luomiseksi. Kiderakenteen pohj alta luodut aurinkosähkömuuntimet ovat laadukkaampia ja kestävämpiä kuin ne, jotka on luotu amorfisella modifikaatiolla saostamalla erityyppisille substraateille.
3. Tekninen silikoni. Tämä lajike sisältää ne näytteet aineesta, jotka sisältävät noin 98% puhdasta alkuainetta. Kaikki muu menee erilaisiin epäpuhtauksiin:

• boori;
• alumiini;
• kloori;
• hiili;
• fosfori ja muut.

Kyseisen aineen viimeistä lajiketta käytetään piimonikiteiden valmistamiseen. Tätä varten suoritetaan uudelleenkiteytysprosesseja. Tuloksena saadaan puhtauden kann alta tuotteita, jotka voidaan lukea aurinko- ja elektroniikkalaatujen ryhmiin.

Polypii on luonnostaan välituote amorfisen ja kiteisen muunnelman välillä. Tämän vaihtoehdon kanssa on helpompi työskennellä, se on parempi kierrättää ja puhdistaa fluorilla ja kloorilla.

Tuloksena saadut tuotteet voidaan luokitella seuraavasti:

• multiilicon;
• monokiteinen;
• profiloidut kiteet;
• piiromu;
• tekninen silikoni;
• tuotantojätteet ainesosien ja -jätteiden muodossa.

Jokainen niistä löytää sovelluksen teollisuudessa ja sitä käytetäänhenkilö kokonaan. Siksi piitä käyttäviä tuotantoprosesseja pidetään jätettöminä. Tämä vähentää huomattavasti sen taloudellisia kustannuksia vaikuttamatta laatuun.

puhtaan piin käyttö

Alan piin tuotanto on vakiintunut melko hyvin, ja sen mittakaava on melko suuri. Tämä johtuu siitä, että tämä alkuaine, sekä puhdas että erilaisten yhdisteiden muodossa, on laajalle levinnyt ja kysytty tieteen ja tekniikan eri aloilla.

Missä puhdasta kiteistä ja amorfista piitä käytetään?

1. Metallurgiassa seosaineena, joka pystyy muuttamaan metallien ja niiden seosten ominaisuuksia. Joten sitä käytetään teräksen ja raudan sulattamiseen.
2. Erityyppisiä aineita käytetään puhtaamman version valmistukseen - polypiiin.
3. Piin yhdisteet orgaanisten aineiden kanssa – tämä on koko kemianteollisuus, joka on saavuttanut erityisen suosion nykyään. Silikonimateriaaleja käytetään lääketieteessä, astioiden, työkalujen ja monessa muussa valmistuksessa.
4. Erilaisten aurinkopaneelien valmistus. Tämä menetelmä energian saamiseksi on yksi lupaavimmista tulevaisuudessa. Ympäristöystävällinen, kustannustehokas ja kestävä - tällaisen sähköntuotannon tärkeimmät edut.
5. Piitä on käytetty sytyttimissä hyvin pitkään. Jo muinaisina aikoina ihmiset käyttivät piikiviä luomaan kipinää, kun sytytettiin tulta. Tämä periaate on perusta erilaisten sytyttimien valmistukseen. Nykyään on lajeja, joissapiikivi korvataan tietyn koostumuksen omaavalla lejeeringillä, mikä antaa vieläkin nopeamman tuloksen (kipinöinnin).
6. Elektroniikka ja aurinkoenergia.
7. Kaasulaserlaitteiden peilien valmistus.

Siten puhtaalla piillä on paljon edullisia ja erityisiä ominaisuuksia, joiden avulla sitä voidaan käyttää tärkeiden ja tarpeellisten tuotteiden luomiseen.

Piiyhdisteiden käyttö

Yksinkertaisen aineen lisäksi käytetään myös erilaisia piiyhdisteitä, ja hyvin laajasti. On olemassa kokonainen teollisuudenala nimeltä silikaatti. Hän perustuu erilaisten aineiden käyttöön, jotka sisältävät tämän hämmästyttävän elementin. Mitä nämä yhdisteet ovat ja mitä ne tuottavat?

1. Kvartsi eli jokihiekka - SiO₂. Sitä käytetään rakennus- ja sisustusmateriaalien, kuten sementin ja lasin, valmistukseen. Kaikki tietävät, missä näitä materiaaleja käytetään. Mikään rakenne ei ole täydellinen ilman näitä komponentteja, mikä vahvistaa piiyhdisteiden tärkeyden.
2. Silikaattikeramiikka, joka sisältää materiaaleja, kuten fajanssia, posliinia, tiiliä ja niihin perustuvia tuotteita. Näitä komponentteja käytetään lääketieteessä, astioiden, koriste-koristeiden, taloustavaroiden valmistuksessa, rakentamisessa ja muilla kotitalousalueilla, joissa ihmisen toiminta tapahtuu.
3. Silikoniyhdisteet - silikonit, silikageelit, silikoniöljyt.
4. Silikaattiliima - käytetään paperitavarana, pyrotekniikassa ja rakentamisessa.

Pii, jonka hinta vaihtelee maailmanmarkkinoilla, mutta ei ylitäylhäältä alas, Venäjän federaation 100 ruplaa kilogrammaa kohti (kiteistä kohti), on haluttu ja arvokas aine. Luonnollisesti myös tämän alkuaineen yhdisteet ovat yleisiä ja käyttökelpoisia.

Pin biologinen rooli

Keholle merkityksellisyyden kann alta pii on tärkeä. Sen sisältö ja jakautuminen kudoksiin on seuraava:

• 0, 002% - lihaksikas;
• 0, 000017% - luu;
• veri - 3,9 mg/l.

Joka päivä noin gramman piitä pitäisi päästä sisään, muuten taudit alkavat kehittyä. Niiden joukossa ei ole tappavia, mutta pitkittynyt piinälkä johtaa:

• hiustenlähtö;
• aknen ja näppylöiden esiintyminen;
• luiden hauraus ja hauraus;
• helppo kapillaariläpäisevyys;
• väsymys ja päänsärky;
• lukuisten mustelmien ja mustelmien esiintyminen.

Pii on kasveille tärkeä hivenaine, jota tarvitaan normaalille kasvulle ja kehitykselle. Eläinkokeet ovat osoittaneet, että yksilöt, jotka kuluttavat riittävästi piitä päivittäin, kasvavat parhaiten.