Szilícium (Si) – definíció, tulajdonságok és felhasználás

A szilícium a periódusos rendszer 14. eleme. Jelképe Si. Nevét a latin "silex, silicis" (kő, kovaszerű anyag) szóból kapta.

Mit jelent, hogy metalloid?

A szilícium úgy néz ki, mint egy fém, de nem viselkedik teljesen úgy, mint a hagyományos fémek: például nem vezeti olyan jól az elektromosságot, mint a réz vagy az ezüst. Ezért sorolják a metalloid elemek közé — olyan elemek, amelyek tulajdonságai a fémek és nemfémek közötti átmenetet mutatják. A szilícium fontos félvezető, ezért alapvető szerepe van a modern elektronikában.

Fizikai és kémiai tulajdonságok

• Atomszám: 14
• Relatív atomtömeg: kb. 28,085 u
• Sűrűség: ~2,33 g/cm³
• Olvadáspont: 1414 °C, forráspont: 3265 °C
• Elektronkonfiguráció: [Ne] 3s2 3p2
• Kristályszerkezet: gyémántkocka (diamond cubic) — szilárd, szürke, fémes fényű kristály
• Félvezető tulajdonság: indirekt sávszélességű (band gap) ~1,12 eV (300 K)
• Kémia: leggyakrabban +4, ritkábban +2 oxidációs állapotban fordul elő; könnyen képez SiO2-t (szilícium-dioxid), valamint szilikátokat és szilicideket.
• Izotópok: stabil izotópok: 28Si (~92,2%), 29Si (~4,7%), 30Si (~3,1%).

Előfordulás a természetben és kinyerése

A Földön a szilícium az oxigén után a leggyakoribb elem a földkéregben (tömegarányban mintegy 25–28%). A partok homokja homok formájában, azaz főként szilícium-dioxid (SiO2) formában található meg. A kvarc és sok más ásvány szilikátokból áll, ezeket szilikátoknak nevezzük.

A fémes vagy ipari felhasználásra kerülő szilíciumot általában kvarcból állítják elő. A gyakori eljárás a karbotermikus redukció: elektromos ívkemencében a SiO2-t széntartalmú redukálóanyaggal csökkentik, így jön létre a metallurgiai minőségű szilícium (98–99%). Az elektronikai és napelem-ipar igényeihez további tisztítást végeznek (pl. triklór-szilán közvetítésével vagy más kémiai módszerekkel), majd egymás után nőtt egysíkú kristályrudakat (Czochralski- vagy float-zone eljárás) állítanak elő a félvezető-szilíciumhoz.

Fő felhasználási területek

• Elektronika és mikroelektronika: a tiszta, monokristályos szilícium a modern számítógépek és más elektronikus eszközök alapja — a tranzisztorok és integrált áramkörök hordozója.
• Napelemek: a fotovoltaikus cellák nagy része szilícium alapú, legyen szó monokristályos, polikristályos vagy vékonyfilmszerkezetekről.
• Üveg és kerámiák: az homok-ból (SiO2) készült üveg alapanyaga; az üveg színezhető különböző vegyületek hozzáadásával.
• Szilikátok és cement: számos kőzet és ásvány, valamint építőanyag (pl. cement, tégla) alkotója.
• Ötvözetek: alumínium–szilícium ötvözeteket használnak autóiparban és gépgyártásban jó önthetőségük és korrózióállóságuk miatt.
• Szilikonok: szerves szilícium-polimerek (szilikonok) tömítőkben, orvosi eszközökben, kozmetikumokban és számos ipari alkalmazásban előfordulnak.
• Kemény anyagok: a szilícium-karbid (SiC) rendkívül kemény, kopásálló anyag, csiszoló- és vágóanyagként, valamint magas hőmérsékletű alkalmazásokban használatos.

Egészség, biztonság és környezet

A fémes szilícium általában nem mérgező, de a finom szemcsés homok vagy kristályos szilícium-dioxid belélegzése hosszú távon súlyos tüdőbetegséget (szilikózis) okozhat. Ezért ipari környezetben fontos a porvédő intézkedések alkalmazása. A szilícium vegyületei — pl. szilikonok — általában stabilok és széles körben használhatók, de alkalmazástól függően vizsgálni kell élettani és környezeti hatásaikat.

További érdekességek

• A szilícium szerepe a növények számára hasznos lehet: sok növény felvesz és használ fel szilíciumot a sejtfal erősítésére.
• A germánium (Ge) is használatos félvezetőként, de a szilícium bőségesebb és gazdaságosabban tisztítható, ezért vált dominánssá a mikroelektronikában.
• Természetes kristályos SiC (moissanit) ritka; a legtöbb SiC ipari úton készül.

Összefoglalva: a szilícium egy sokoldalú, természetben bőségesen előforduló metalloid, amely alapvető szerepet játszik a modern technológiában, az építőiparban és az ipari anyagok sokaságában.

Keresés betűvel