السيليكون

السيليكون ،  ₁₄ سي

السيليكون
النطق	/ ˈ s ɪ l ɪ k ən / ( SIL -ik-ən ) / ˈ s ɪ l ə k ɒ n / ( SIL -ik-on )
مقويات	انظر متآصلات السيليكون
مظهر	بلوري ، عاكس مع وجوه مزرقة
الوزن الذري القياسي A r، std (Si)	[28.084 ، 28.086 ] تقليدي: 28.085 [1]
السيليكون في الجدول الدوري
هيدروجين الهيليوم الليثيوم البريليوم البورون كربون نتروجين الأكسجين الفلور نيون صوديوم المغنيسيوم الألومنيوم السيليكون الفوسفور كبريت الكلور أرجون البوتاسيوم الكالسيوم سكانديوم التيتانيوم الفاناديوم الكروم المنغنيز حديد كوبالت نيكل نحاس الزنك الجاليوم الجرمانيوم الزرنيخ السيلينيوم البروم كريبتون الروبيديوم السترونتيوم الإيتريوم الزركونيوم النيوبيوم الموليبدينوم تكنيتيوم روثينيوم الروديوم البلاديوم فضة الكادميوم إنديوم تين الأنتيمون التيلوريوم اليود زينون السيزيوم الباريوم اللانثانم السيريوم البراسيوديميوم نيوديميوم بروميثيوم السماريوم اليوروبيوم الجادولينيوم تيربيوم الديسبروسيوم هولميوم الإربيوم الثوليوم الإيتربيوم اللوتيتيوم الهافنيوم التنتالوم التنغستن الرينيوم الأوزميوم إيريديوم البلاتين ذهب الزئبق (عنصر) الثاليوم قيادة البزموت بولونيوم أستاتين رادون الفرانسيوم الراديوم الأكتينيوم الثوريوم البروتكتينيوم اليورانيوم النبتونيوم البلوتونيوم أميريسيوم كوريوم بيركيليوم كاليفورنيوم أينشتينيوم فيرميوم مندليفيوم نوبليوم لورنسيم رذرفورديوم دوبنيوم سيبورجيوم بوهريوم الهاسيوم Meitnerium دارمشتاتيوم رونتجينيوم كوبرنسيوم نيهونيوم فليروفيوم موسكوفيوم ليفرموريوم تينسين أوجانيسون C ↑ Si ↓ Ge الألمنيوم ← السيليكون ← الفوسفور
العدد الذري ( ع )	14
مجموعة	المجموعة 14 (مجموعة الكربون)
فترة	الفترة 3
منع	ف بلوك
التوزيع الإلكترون	[ ني ] 3s 2 3p 2
عدد الإلكترونات لكل غلاف	2 ، 8 ، 4
الخصائص الفيزيائية
المرحلة في  STP	صلب
نقطة الانصهار	1687  كلفن (1414 درجة مئوية ، 2577 درجة فهرنهايت)
نقطة الغليان	3538 كلفن (3265 درجة مئوية ، 5909 درجة فهرنهايت)
الكثافة (بالقرب من  RT )	2.3290 جم / سم 3
عندما السائل (عند  النائب )	2.57 جم / سم 3
حرارة الانصهار	50.21  كيلوجول / مول
حرارة التبخير	383 كيلوجول / مول
السعة الحرارية المولية	19.789 جول / (مول · ك)
ضغط البخار ف  (باسكال) 1 10 100 1 ك 10 ك 100 ك في  T  (ك) 1908 2102 2339 2636 3021 3537
الخصائص الذرية
الأكسدة	−4 ، −3، −2، −1، 0، [2] +1، [3] +2، +3، +4 ( أكسيد مذبذب )
كهرسلبية	مقياس بولنج: 1.90
طاقات التأين	الأول: 786.5 كيلوجول / مول الثاني: 1577.1 كيلوجول / مول ثالثًا: 3231.6 كيلوجول / مول ( أكثر )
نصف القطر الذري	التجريبية: ١١١  م
نصف القطر التساهمي	111 م
نصف قطر فان دير فال	210 م
خطوط طيفية من السيليكون
خصائص أخرى
حدوث طبيعي	بدائي
هيكل بلوري	وجه مكعب الماس
سرعة صوت قضيب رفيع	8433 م / ث (عند 20 درجة مئوية)
التمدد الحراري	2.6 µm / (m⋅K) (عند 25 درجة مئوية)
توصيل حراري	149 واط / (متر مكعب)
المقاومة الكهربائية	2.3 × 103  ميكرومتر (عند 20 درجة مئوية) [4]
فجوة الفرقة	1.12  فولت (عند 300 كلفن)
الترتيب المغناطيسي	مغناطيسي [5]
القابلية المغناطيسية المولية	−3.9 × 10 −6  cm 3 / مول (298 كلفن) [6]
معامل يونج	130-188 جيجا باسكال [7]
معامل القص	51-80 جيجا باسكال [7]
معامل الحجم	97.6 جيغا [7]
تركيز السم	0.064 - 0.28 [7]
صلابة موس	6.5
CAS رقم	7440-21-3
تاريخ
تسمية	بعد كلمة "silex" اللاتينية أو "silicis" ، والتي تعني الصوان
تنبؤ	أنطوان لافوازييه (1787)
الاكتشاف والعزلة الأولى	يونس جاكوب برزيليوس [8] [9] (1823)
أطلق عليه الأسم من قبل	توماس طومسون (1817)
الأساسية نظائر السيليكون
النظائر المشعة وفرة نصف العمر ( ر 1/2 ) وضع الاضمحلال المنتج 28 سي 92.2٪ مستقر 29 سي 4.7٪ مستقر 30 سي 3.1٪ مستقر 31 سي أثر 2.62 ساعات β - 31 ص 32 سي أثر 153 ذ β - 32 ص
التصنيف: السيليكون رأي حديث تعديل | المراجع

السيليكون عنصر كيميائي برمز Si والرقم الذري 14. وهو مادة صلبة بلورية صلبة وهشة ذات بريق معدني أزرق رمادي ، وهو رباعي التكافؤ الفلزي وأشباه الموصلات . إنه عضو في المجموعة 14 في الجدول الدوري: الكربون فوقه ؛ والجرمانيوم والقصدير والرصاص والفلروفيوم تحته . _ _ _ إنه غير متفاعل نسبيًا. بسبب تقاربها الكيميائي العالي مع الأكسجين ، لم يكن جون جاكوب برزيليوس حتى عام 1823 كان قادرًا على تحضيره أولاً وتوصيفه في شكل نقي. تشكل أكاسيده عائلة الأنيونات المعروفة باسم السيليكات . نقاط انصهارها وغليانها عند 1414 درجة مئوية و 3265 درجة مئوية ، على التوالي ، هي ثاني أعلى نقطة بين جميع أشباه الفلزات واللافلزات ، ولا يتفوق عليها سوى البورون . السيليكون هو العنصر الثامن الأكثر شيوعًا في الكون من حيث الكتلة ، ولكن نادرًا ما يحدث كعنصر نقي في قشرة الأرض. يتم توزيعه على نطاق واسع في الفضاء في الغبار الكوني والكواكب والكواكب كأشكال مختلفة من ثاني أكسيد السيليكون (السيليكا) أو السيليكات . أكثر من 90٪ من القشرة الأرضية تتكون من معادن السيليكات، مما يجعل السيليكون ثاني أكثر العناصر وفرة في القشرة الأرضية (حوالي 28٪ من الكتلة) ، بعد الأكسجين . يعد السيليكون عنصرًا طبيعيًا ، وعندما لا يكون موجودًا سابقًا ، فإن مدة إقامته تبلغ 400 عام تقريبًا في محيطات العالم. ^[10]

يتم استخدام معظم السيليكون تجاريًا دون فصله ، وغالبًا مع معالجة قليلة جدًا للمعادن الطبيعية. يشمل هذا الاستخدام البناء الصناعي بالطين ورمل السيليكا والحجر . تستخدم السيليكات في الأسمنت البورتلاندي للملاط والجص ، وتخلط مع رمال السيليكا والحصى لصنع الخرسانة للممرات والأساسات والطرق. كما تُستخدم أيضًا في سيراميك الأدوات البيضاء مثل الخزف ، وفي زجاج الصودا والجير التقليدي الذي يعتمد على السيليكات والعديد من الزجاجات المتخصصة الأخرى. تستخدم مركبات السيليكون مثل كربيد السيليكون كمواد كاشطة ومكونات من السيراميك عالي القوة. السيليكون هو أساس البوليمرات الاصطناعية المستخدمة على نطاق واسع والتي تسمى السيليكون .

تم وصف أواخر القرن العشرين إلى أوائل القرن الحادي والعشرين باسم عصر السيليكون (المعروف أيضًا باسم العصر الرقمي أو عصر المعلومات ) بسبب التأثير الكبير الذي يحدثه عنصر السيليكون على اقتصاد العالم الحديث. الجزء الصغير من عنصر السيليكون عالي النقاء المستخدم في إلكترونيات أشباه الموصلات (<10٪ ^{[ بحاجة لمصدر ]} ) ضروري لترانزستورات أكسيد المعادن وأشباه الموصلات ( MOS) وشرائح الدوائر المتكاملة المستخدمة في معظم التقنيات الحديثة مثل الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر الأخرى . جهاز السيليكون الأكثر استخدامًا هو MOSFET(ترانزستور التأثير الميداني لأكسيد المعادن وأشباه الموصلات) ، والذي تم تصنيعه بأعداد أكبر من أي جهاز آخر في التاريخ. يستخدم السيليكون الحر أيضًا في تكرير الصلب ، وتكاثر الألمنيوم ، والصناعات الكيماوية الدقيقة (غالبًا لصنع السيليكا المدخنة ).

السيليكون عنصر أساسي في علم الأحياء. تتطلب معظم الحيوانات آثارًا فقط ، لكن بعض الإسفنج والكائنات الحية الدقيقة البحرية ، مثل الدياتومات والأشعة الشعاعية ، تفرز الهياكل الهيكلية المصنوعة من السيليكا. تترسب السيليكا في العديد من أنسجة النبات. ^[11]

التاريخ

نظرًا لوفرة السيليكون في القشرة الأرضية ، فقد تم استخدام المواد الطبيعية القائمة على السيليكون لآلاف السنين. كانت بلورات السيليكون الصخرية مألوفة للعديد من الحضارات القديمة ، مثل المصريين في فترة ما قبل الأسرات الذين استخدموها للخرز والمزهريات الصغيرة ، وكذلك الصينيون القدماء . تم تصنيع الزجاج المحتوي على السيليكا من قبل المصريين منذ 1500 قبل الميلاد على الأقل ، وكذلك من قبل الفينيقيين القدماء . كما تم استخدام مركبات السيليكات الطبيعية في أنواع مختلفة من الملاطلبناء مساكن بشرية مبكرة . ^[12]

اكتشاف

في عام 1787 ، اشتبه أنطوان لافوازييه في أن السيليكا قد تكون أكسيدًا لعنصر كيميائي أساسي ، ^[13] ولكن التقارب الكيميائي للسيليكون للأكسجين مرتفع بما يكفي لدرجة أنه لم يكن لديه وسيلة لتقليل الأكسيد وعزل العنصر. ^[14] بعد محاولة عزل السيليكون في عام 1808 ، اقترح السير همفري ديفي اسم "silicium" للسيليكون ، من اللاتينية silex ، silicis لـ flint ، وإضافة النهاية "-ium" لأنه يعتقد أنه معدن. ^[15] تستخدم معظم اللغات الأخرى صيغًا مكتوبة بأحرف صوتية لاسم ديفي ، تتكيف أحيانًا مع علم الأصوات المحلي (مثل الألمانية السيليزيوم ، السيليسيوم التركي ، السيليسي الكاتالوني ). يستخدم البعض الآخر بدلاً من ذلك أداة قياس من الجذر اللاتيني (مثل الروسية кремний ، من кремень "flint" ؛ اليونانية πυρίτιο من πυρ "fire" ؛ pii الفنلندية من piikivi "flint" ، křemík التشيكية من křemen "quartz" ، "flint") . ^[16]

يُعتقد أن جاي-لوساك وتينارد قد أعدا سيليكون غير نقي غير متبلور في عام 1811 ، من خلال تسخين معدن البوتاسيوم المعزول حديثًا باستخدام رباعي فلوريد السيليكون ، لكنهما لم ينقيا المنتج ووصفوهما ، ولم يعرفا عليه كعنصر جديد. ^[17] أطلق الكيميائي الاسكتلندي توماس طومسون على السيليكون اسمه الحالي في عام 1817 . احتفظ بجزء من اسم ديفي لكنه أضاف "-on" لأنه يعتقد أن السيليكون هو مادة غير فلزية تشبه البورون والكربون . ^[18] في عام 1824 ، يونس جاكوب برزيليوستحضير السيليكون غير المتبلور باستخدام نفس الطريقة تقريبًا مثل Gay-Lussac (تقليل فلوروسيليكات البوتاسيوم بمعدن البوتاسيوم المنصهر) ، ولكن تنقية المنتج إلى مسحوق بني عن طريق غسله بشكل متكرر. ^[19] نتيجة لذلك ، يُمنح عادةً الفضل في اكتشاف العنصر. ^{[20] [21]} في نفس العام ، أصبح برزيليوس أول من قام بإعداد رباعي كلوريد السيليكون . تم تحضير رباعي فلوريد السيليكون بالفعل قبل فترة طويلة في عام 1771 بواسطة Carl Wilhelm Scheele عن طريق إذابة السيليكا في حمض الهيدروفلوريك . ^[14]

لم يتم تحضير السيليكون في شكله البلوري الأكثر شيوعًا إلا بعد 31 عامًا ، بواسطة Deville . ^{[22] [23]} من خلال التحليل الكهربي لمزيج من كلوريد الصوديوم وكلوريد الألومنيوم يحتوي على ما يقرب من 10٪ من السيليكون ، تمكن من الحصول على تآصل غير نقي قليلاً من السيليكون في عام 1854. ^[24] فيما بعد ، تم تطوير طرق أكثر فعالية من حيث التكلفة من أجل عزل عدة أشكال متآصلة ، كان آخرها السيليسين في عام 2010. ^{[25] [26]} وفي الوقت نفسه ، استمر البحث في كيمياء السيليكون ؛ فريدريش فولراكتشف أول هيدريدات متطايرة من السيليكون ، وصنع ثلاثي كلورو سيلان في عام 1857 وسيلان نفسه في عام 1858 ، ولكن تم إجراء تحقيق مفصل للسيليكون فقط في أوائل القرن العشرين من قبل ألفريد ستوك ، على الرغم من التكهنات المبكرة حول هذه المسألة التي يعود تاريخها إلى بدايات الكيمياء العضوية التركيبية في ثلاثينيات القرن التاسع عشر. ^{[27] [28]} وبالمثل ، تم تصنيع أول مركب للسيليكون العضوي ، وهو رباعي إيثيل سيلان ، بواسطة تشارلز فريدل وجيمس كرافتس في عام 1863 ، ولكن التوصيف التفصيلي لكيمياء السيليكون العضوي لم يتم إلا في أوائل القرن العشرين بواسطة فريدريك كيبينج .^[14]

بدءًا من عشرينيات القرن الماضي ، نجح عمل ويليام لورانس براغ في علم البلورات بالأشعة السينية في توضيح تركيبات السيليكات ، التي كانت معروفة سابقًا من الكيمياء التحليلية ولكن لم يتم فهمها بعد ، جنبًا إلى جنب مع تطوير لينوس بولينج للكيمياء البلورية و تطوير فيكتور جولدشميت للكيمياء الجيولوجية . شهد منتصف القرن العشرين تطور الكيمياء والاستخدام الصناعي للسيلوكسانات والاستخدام المتزايد لبوليمرات السيليكون واللدائن والراتنجات. في أواخر القرن العشرين ، تم تحديد مدى تعقيد الكيمياء البلورية لمبيدات السيليكون ، جنبًا إلى جنب مع فيزياء الحالة الصلبة لأشباه الموصلات المخدرة . ^[14]

أشباه موصلات السيليكون

أول أجهزة أشباه الموصلات لم تستخدم السيليكون ، ولكنها استخدمت galena ، بما في ذلك كاشف الكريستال للفيزيائي الألماني فرديناند براون في عام 1874 والفيزيائي الهندي Jagadish Chandra Bose كاشف الكريستال الراديوي في عام 1901. ^{[29] [30]} كان أول جهاز من أشباه الموصلات السيليكونية هو كاشف بلوري لاسلكي للسيليكون ، طوره المهندس الأمريكي جرينليف ويتير بيكارد في عام 1906. ^[30]

في عام 1940 ، اكتشف راسل أوهل تقاطع p-n والتأثيرات الكهروضوئية في السيليكون. في عام 1941 ، تم تطوير تقنيات لإنتاج بلورات الجرمانيوم والسيليكون عالية النقاء من أجل بلورات كاشف الموجات الدقيقة للرادار خلال الحرب العالمية الثانية . ^[29] في عام 1947 ، وضع الفيزيائي ويليام شوكلي نظرية لمضخم تأثير المجال مصنوع من الجرمانيوم والسيليكون ، لكنه فشل في بناء جهاز يعمل ، قبل أن يعمل في النهاية مع الجرمانيوم بدلاً من ذلك. كان أول ترانزستور يعمل هو ترانزستور بنقطة تلامس بناه جون باردين و والتر براتين في وقت لاحق من ذلك العام بينما كان يعمل تحت إشراف شوكلي. ^[31] في عام 1954 ، صنع الكيميائي الفيزيائي موريس تانينباوم أول ترانزستور موصل من السيليكون في مختبرات بيل . ^[32] في عام 1955 ، اكتشف كارل فروش ولينكولن ديريك في مختبرات بيل بالصدفة أن ثاني أكسيد السيليكون (SiO ₂ ) يمكن أن ينمو على السيليكون ، ^[33] واقترحوا لاحقًا أن هذا يمكن أن يخفي أسطح السيليكون أثناء عمليات الانتشار في عام 1958. ^[34]

في السنوات الأولى من صناعة أشباه الموصلات ، وحتى أواخر الخمسينيات من القرن الماضي ، كان الجرمانيوم هو مادة أشباه الموصلات المهيمنة في الترانزستورات وأجهزة أشباه الموصلات الأخرى ، وليس السيليكون. تم اعتبار الجرمانيوم في البداية مادة أشباه الموصلات الأكثر فاعلية ، حيث كان قادرًا على إظهار أداء أفضل بسبب زيادة تنقل الناقل . ^{[35] [36]} كان النقص النسبي في الأداء في أشباه موصلات السيليكون المبكرة بسبب تقييد التوصيل الكهربائي بحالات السطح الكمومية غير المستقرة ، ^[37] حيث تكون الإلكترونات محاصرة على السطح ، بسبب الروابط المتدليةالتي تحدث بسبب وجود روابط غير مشبعة على السطح. ^[38] منع هذا الكهرباء من اختراق السطح بشكل موثوق للوصول إلى طبقة السيليكون شبه الموصلة. نجح محمد عطا الله في النهاية في التغلب على هذه المشكلة من خلال عملية تخميل سطح السيليكون التي تم تطويرها في Bell Labs في أواخر الخمسينيات من القرن الماضي ، والتي كانت خطوة رئيسية نحو انتشار دوائر السيليكون المتكاملة . ^{[39] [40] [41]} في عام 1959 ، اخترع روبرت نويس دائرة السيليكون المتكاملة في شركة فيرتشايلد لأشباه الموصلات . ^{[42] [43]}

عصر السيليكون

يشير "عصر السيليكون" إلى أواخر القرن العشرين إلى أوائل القرن الحادي والعشرين. ^{[37] [44] [45]} ويرجع ذلك إلى أن السيليكون هو المادة المهيمنة في عصر السيليكون (المعروف أيضًا باسم العصر الرقمي أو عصر المعلومات ) ، على غرار الطريقة التي تم بها تحديد العصر الحجري والعصر البرونزي والعصر الحديدي . المواد السائدة خلال عصور الحضارة الخاصة بهم . ^[37]

المكون الرئيسي أو "العمود الفقري" لثورة السيليكون هو السيليكون MOSFET (ترانزستور التأثير الميداني لأكسيد السيليكون). ^{[37] [44]} كان أول ترانزستور مضغوط حقًا يمكن تصغيره وإنتاجه بكميات كبيرة لمجموعة واسعة من الاستخدامات. ^[46] منذ ذلك الحين ، أدى الإنتاج الضخم لـ MOSFETs السيليكونية ورقائق الدوائر المتكاملة MOS ، جنبًا إلى جنب مع تصغير MOSFET المستمر بوتيرة أسية (كما تنبأ قانون مور ) ، إلى تغييرات ثورية في التكنولوجيا والاقتصاد والثقافة والتفكير . ^[37]منذ ذلك الحين ، أصبح MOSFET أكثر الأجهزة المصنعة على نطاق واسع في التاريخ ، حيث تم تصنيع ما مجموعه 13 sextillion MOSFET بين عامي 1960 و 2018. ^[47] 

نظرًا لأن السيليكون عنصر مهم في أجهزة أشباه الموصلات عالية التقنية ، فإن العديد من الأماكن في العالم تحمل اسمه. على سبيل المثال ، حصل وادي سانتا كلارا في كاليفورنيا على لقب وادي السيليكون ، حيث أن العنصر هو المادة الأساسية في صناعة أشباه الموصلات هناك. منذ ذلك الحين ، أُطلق على العديد من الأماكن الأخرى اسمًا مشابهًا ، بما في ذلك وادي السيليكون في إسرائيل ، وغابة السيليكون في أوريغون ، وتلال السيليكون في أوستن ، وتكساس ، ومنحدرات السيليكون في سولت ليك سيتي ، ويوتا ، وساكسونيا السليكونية في ألمانيا ، ووادي السيليكونفي الهند ، حدود السيليكون في مكسيكالي ، المكسيك ، سيليكون فين في كامبريدج ، إنجلترا ، دوار السيليكون في لندن ، سيليكون غلين في اسكتلندا ، مضيق السيليكون في بريستول ، إنجلترا ، زقاق السيليكون في نيويورك ، نيويورك وسيليكون بيتش في لوس أنجلوس ، كاليفورنيا . ^[48]

الخصائص

المادية والذرية

تحتوي ذرة السيليكون على أربعة عشر إلكترونًا . في الحالة الأرضية ، يتم ترتيبها في تكوين الإلكترون [Ne] 3s ² 3p ² . من بين هؤلاء ، أربعة إلكترونات تكافؤ ، تشغل مدار 3s واثنان من مداري 3p. مثل الأعضاء الآخرين في مجموعته ، الكربون الأخف والجرمانيوم الثقيل ، والقصدير ، والرصاص ، فإنه يحتوي على نفس عدد إلكترونات التكافؤ مثل مدارات التكافؤ: وبالتالي ، يمكنه إكمال ثماني بتاته والحصول على تكوين الغاز النبيل المستقر للأرجون بواسطة تشكيل س ³ مدارات هجينة، وتشكيل مشتقات رباعي السطوح SiX ₄ حيث تشترك ذرة السيليكون المركزية في زوج إلكترون مع كل من الذرات الأربع التي ترتبط بها. ^[50] طاقات التأين الأربع الأولى للسيليكون هي 786.3 و 1576.5 و 3228.3 و 4354.4 كيلوجول / مول على التوالي ؛ هذه الأرقام عالية بما يكفي لاستبعاد إمكانية الكيمياء الكاتيونية البسيطة للعنصر. باتباع الاتجاهات الدورية ، فإن نصف قطرها التساهمي أحادي الرابطة البالغ 117.6 م هو متوسط ​​بين تلك الخاصة بالكربون (77.2 م) والجرمانيوم (122.3 م). يمكن اعتبار نصف القطر الأيوني السداسي للسيليكون 40 م ، على الرغم من أنه يجب اعتبار ذلك رقمًا نظريًا بحتًا نظرًا لعدم وجود كاتيون بسيط Si ^{4+ في الواقع. [51]}

الكهربائية

في درجة الحرارة والضغط القياسيين ، يكون السيليكون أشباه موصلات لامعة مع بريق معدني رمادي مزرق ؛ كما هو الحال في أشباه الموصلات ، تنخفض مقاومتها مع ارتفاع درجة الحرارة. ينشأ هذا لأن السيليكون به فجوة طاقة صغيرة (فجوة نطاق ) بين أعلى مستويات الطاقة المشغولة (نطاق التكافؤ) وأدنى المستويات غير المشغولة (نطاق التوصيل). يقع مستوى فيرمي في منتصف المسافة تقريبًا بين نطاقي التكافؤ والتوصيل وهي الطاقة التي من المحتمل أن يشغلها الإلكترون في حالة ما. ومن ثم فإن السيليكون النقي هو عازل فعّال في درجة حرارة الغرفة. ومع ذلك ، فإن تعاطي المنشطات بالسيليكون مع مادة pnictogen مثل الفوسفور ،يقدم الزرنيخ أو الأنتيمون إلكترونًا إضافيًا لكل مادة شائبة ويمكن بعد ذلك تحفيزها في نطاق التوصيل إما حراريًا أو ضوئيًا ، مما يؤدي إلى إنشاء شبه موصل من النوع n . وبالمثل ، فإن تعاطي المنشطات بالسيليكون بعنصر المجموعة 13 مثل البورون أو الألومنيوم أو الغاليوم يؤدي إلى إدخال مستويات المستقبل التي تحبس الإلكترونات التي قد تكون متحمسًا من نطاق التكافؤ الممتلئ ، مما ينتج عنه أشباه الموصلات من النوع p . ^[٥٢] يؤدي ضم السيليكون من النوع n إلى السيليكون من النوع p إلى إنشاء تقاطع p – nمع مستوى فيرمي مشترك ؛ تتدفق الإلكترونات من n إلى p ، بينما تتدفق الثقوب من p إلى n ، مما يؤدي إلى انخفاض الجهد. وبالتالي ، يعمل هذا الوصل p-n كصمام ثنائي يمكنه تصحيح التيار المتردد الذي يسمح للتيار بالمرور بسهولة بطريقة واحدة أكثر من الأخرى. الترانزستور هو تقاطع n – p – n ، مع طبقة رقيقة من السيليكون من النوع p الضعيف بين منطقتين من النوع n. إن تحيز الباعث من خلال جهد أمامي صغير والمجمع من خلال جهد عكسي كبير يسمح للترانزستور بالعمل كمضخم ثلاثي . ^[52]

التركيب البلوري

يتبلور السيليكون في بنية تساهمية عملاقة في الظروف القياسية ، وتحديداً في شبكة مكعب الماس ( مجموعة الفضاء 227 ). وبالتالي فإن درجة انصهارها عالية تبلغ 1414 درجة مئوية ، حيث أن هناك حاجة إلى الكثير من الطاقة لكسر الروابط التساهمية القوية وإذابة المادة الصلبة. عند ذوبان السليكون يتقلص حيث تتفكك شبكة الروابط الرباعية السطوح طويلة المدى ويتم ملء الفراغات الموجودة في تلك الشبكة ، على غرار جليد الماء عندما تنكسر الروابط الهيدروجينية عند الذوبان. لا يحتوي على أي تآصل ثابت ديناميكيًا عند الضغط القياسي ، ولكن العديد من الهياكل البلورية الأخرى معروفة عند ضغوط أعلى. الاتجاه العام هو زيادة عدد التنسيق مع الضغط ، وبلغت ذروتها في سداسية معبأة قريبةallotrope عند حوالي 40  جيجا باسكال المعروفة باسم Si – VII (التعديل القياسي هو Si – I). يمكن تكوين تآصل يسمى BC8 (أو bc8) ، له شبكة مكعبة مركزية الجسم بها ثماني ذرات لكل وحدة بدائية خلية ( المجموعة الفضائية 206 ) ، يمكن تكوينه عند ضغط مرتفع ويظل ثابتًا عند الضغط المنخفض. تمت دراسة خصائصه بالتفصيل. ^[53]

يغلي السيليكون عند 3265 درجة مئوية: هذا ، على الرغم من ارتفاعه ، إلا أنه لا يزال أقل من درجة الحرارة التي يتسامى فيها الكربون الأخف (3642 درجة مئوية) والسيليكون لديه أيضًا حرارة تبخر أقل من الكربون ، بما يتفق مع حقيقة أن Si- رابطة Si أضعف من رابطة C-C. ^[52]

من الممكن أيضًا بناء طبقات سيليسين مماثلة للجرافين . ^{[25] [26]}

النظائر

يتكون السيليكون الطبيعي من ثلاثة نظائر مستقرة ، ²⁸ Si (92.23٪) ، ²⁹ Si (4.67٪) ، و ³⁰ Si (3.10٪). ^[54] من بين هؤلاء ، ²⁹ Si فقط هي المستخدمة في التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي و EPR ، ^[55] لأنها الوحيدة ذات الدوران النووي ( I =1/2). ^[27] يتم إنتاج الثلاثة في المستعرات الأعظمية من النوع Ia ^{[56] [57]} من خلال عملية احتراق الأكسجين ، حيث يتم تصنيع ²⁸ Si كجزء من عملية ألفا وبالتالي الأكثر وفرة. يُعرف اندماج ²⁸ Si مع جسيمات ألفا عن طريق إعادة ترتيب التفكك الضوئي في النجوم بعملية احتراق السيليكون ؛ إنها المرحلة الأخيرة من التركيب النووي النجمي قبل الانهيار السريع والانفجار العنيف للنجم المعني في مستعر أعظم من النوع الثاني . ^[58]

تم تمييز عشرين نظيرًا مشعًا ، وأكثرها استقرارًا هما 32 Si ^مع عمر نصف يبلغ حوالي 150 عامًا ، و ³¹ Si مع عمر نصف يبلغ 2.62 ساعة. ^[54] جميع النظائر المشعة المتبقية لها نصف عمر أقل من سبع ثوان ، ومعظم هذه النظائر لها نصف عمر أقل من عُشر من الثانية. ^[54] يحتوي السيليكون على أيزومر نووي واحد معروف ، وهو ^{34 متر} سي ، مع نصف عمر أقل من 210 نانوثانية. ^{[54] يخضع 32 Si} لاضمحلال بيتا منخفض الطاقة إلى ³² P ثم مستقر ³²اس . ³¹ قد تنتج Si عن طريق التنشيط النيوتروني للسيليكون الطبيعي وبالتالي فهي مفيدة للتحليل الكمي ؛ يمكن اكتشافه بسهولة من خلال اضمحلال بيتا المميز إلى مستقر ³¹ P ، حيث يحمل الإلكترون المنبعث ما يصل إلى 1.48  MeV من الطاقة. ^[27]

وتتراوح نظائر السيليكون المعروفة في العدد الكتلي من 22 إلى 44. ^[54] وضع الانحلال الأكثر شيوعًا للنظائر ذات الأعداد الكتلية الأقل من النظائر الثلاثة المستقرة هو اضمحلال بيتا العكسي ، والذي يتكون أساسًا من نظائر الألومنيوم (13 بروتونًا) كمنتجات تحلل . ^[54] وضع الاضمحلال الأكثر شيوعًا للنظائر غير المستقرة الثقيلة هو تحلل بيتا ، والذي يتكون أساسًا من نظائر الفوسفور (15 بروتونًا) كمنتجات اضمحلال. ^[54]

يمكن أن يدخل السيليكون المحيطات من خلال المياه الجوفية والنقل النهري. التدفقات الكبيرة لمدخلات المياه الجوفية لها تركيبة نظيرية تختلف عن مدخلات السيليكون النهرية. تساهم الاختلافات النظيرية في عمليات نقل المياه الجوفية والنهرية في الاختلافات في قيم المحيطات ³⁰ Si. حاليًا ، هناك اختلافات جوهرية في القيم النظيرية للمياه العميقة في أحواض المحيطات في العالم. بين المحيطين الأطلسي والهادئ ، يوجد تدرج للمياه العميقة ³⁰ Si أكبر من 0.3 جزء في الألف. ³⁰ Si هو الأكثر شيوعًا للإنتاجية في المحيطات. ^[59]

الكيمياء والمركبات

طاقات الرابطة C – X و Si – X (كيلوجول / مول) ^[27]

س =	ج	سي	ح	F	Cl	ش	أنا	يا	N <
سي - إكس	368	360	435	453	351	293	216	~ 360	~ 305
ستة	360	340	393	565	381	310	234	452	322

السليكون البلوري خامل إلى حد ما ، لكنه يصبح أكثر تفاعلًا في درجات الحرارة العالية. مثل الألومنيوم المجاور له ، يشكل السيليكون طبقة سطحية رفيعة ومستمرة من ثاني أكسيد السيليكون (SiO ₂ ) التي تحمي المعدن من الأكسدة. وبالتالي لا يتفاعل السيليكون بشكل قابل للقياس مع الهواء الذي يقل عن 900 درجة مئوية ، ولكن تكوين ثاني أكسيد الزجاج يزداد بسرعة بين 950 درجة مئوية و 1160 درجة مئوية وعندما يتم الوصول إلى 1400 درجة مئوية ، يتفاعل النيتروجين الجوي أيضًا لإعطاء النيتريد SiN و Si ₃ الهرم ₄ . يتفاعل السيليكون مع الكبريت الغازي عند 600 درجة مئوية والفوسفور الغازي عند 1000 درجة مئوية. ومع ذلك ، فإن طبقة الأكسيد هذه لا تمنع التفاعل معالهالوجينات . يهاجم الفلور السيليكون بقوة في درجة حرارة الغرفة ، والكلور يفعل ذلك عند حوالي 300 درجة مئوية ، والبروم واليود عند حوالي 500 درجة مئوية. لا يتفاعل السيليكون مع معظم الأحماض المائية ، ولكنه يتأكسد ويتعقد بواسطة مخاليط حمض الهيدروفلوريك التي تحتوي إما على الكلور أو حمض النيتريك لتكوين سداسي فلورو سيليكات . يذوب بسهولة في القلويات المائية الساخنة لتشكيل السيليكات . ^[60] في درجات الحرارة العالية ، يتفاعل السيليكون أيضًا مع هاليدات الألكيل ؛ قد يتم تحفيز هذا التفاعل بواسطة النحاس للتخليق المباشركلوريدات السليكون العضوي كسلائف لبوليمرات السيليكون . عند الذوبان ، يصبح السيليكون شديد التفاعل ، حيث يصنع سبائك مع معظم المعادن لتشكيل مبيدات السيليكون ، ويقلل معظم أكاسيد المعادن لأن حرارة تكوين ثاني أكسيد السيليكون كبيرة جدًا. نتيجة لذلك ، يجب أن تكون حاويات السيليكون السائل مصنوعة من مواد مقاومة للحرارة وغير متفاعلة مثل ثاني أكسيد الزركونيوم أو بوريدات المجموعة 4 و 5 و 6. ^{[52] [61]}

التنسيق رباعي السطوح هو حافز بنيوي رئيسي في كيمياء السيليكون تمامًا كما هو الحال في كيمياء الكربون. ومع ذلك ، فإن الطبقة الفرعية 3p أكثر انتشارًا من الطبقة الفرعية 2p ولا يتم تهجينها جيدًا مع الطبقة الفرعية 3s. نتيجة لذلك ، تُظهر كيمياء السيليكون ومشتقاته الأثقل اختلافات كبيرة عن تلك الموجودة في الكربون ، ^[62] وبالتالي فإن التنسيق ثماني السطوح مهم أيضًا. ^[52] على سبيل المثال ، الكهربية للسليكون (1.90) أقل بكثير من تلك للكربون (2.55) ، لأن إلكترونات التكافؤ في السيليكون تكون أبعد عن النواة من تلك الموجودة في الكربون ، وبالتالي تواجه قوى جذب إلكتروستاتيكية أصغر من النواة . يؤدي التداخل الضعيف للمدارات 3p أيضًا إلى ميل أقل بكثير نحوتسلسل (تكوين روابط Si – Si) للسيليكون أكثر من الكربون ، بسبب الضعف المصاحب لرابطة Si – Si مقارنة برابطة C – C: ^[63] متوسط ​​طاقة رابطة Si – Si حوالي 226 كيلو جول / مول ، مقارنة بقيمة 356 كيلو جول / مول للرابطة C-C. ^[64] ينتج عن ذلك أن تكون مركبات السيليكون المترابط المضاعف أقل استقرارًا بشكل عام من نظيراتها الكربونية ، وهو مثال على قاعدة الرابطة المزدوجة . من ناحية أخرى ، يشير وجود العقد الشعاعية في مدارات 3p من السيليكون إلى إمكانية فرط التكافؤ ، كما يظهر في مشتقات السيليكون ذات الخمسة وستة إحداثيات مثل SiX^-
₅و SiF²⁻
₆. ^{[65] [63]} أخيرًا ، نظرًا لزيادة فجوة الطاقة بين مداري التكافؤ و p مع نزول المجموعة ، تزداد أهمية الحالة ثنائية التكافؤ من الكربون إلى الرصاص ، بحيث يُعرف عدد قليل من المركبات ثنائية التكافؤ غير المستقرة بالسيليكون ؛ يؤدي هذا الانخفاض في حالة الأكسدة الرئيسية ، جنبًا إلى جنب مع زيادة نصف القطر الذري ، إلى زيادة الطابع المعدني أسفل المجموعة. يُظهر السيليكون بالفعل بعض السلوك المعدني الأولي ، لا سيما في سلوك مركبات الأكسيد الخاصة به وتفاعله مع الأحماض وكذلك القواعد (على الرغم من أن هذا يتطلب بعض الجهد) ، ومن ثم يشار إليه غالبًا باسم الفلزات بدلاً من اللافلزية. ^[63]ومع ذلك ، لا تصبح الفلزية واضحة في المجموعة 14 حتى الجرمانيوم والسيادة حتى القصدير ، مع الأهمية المتزايدة لحالة الأكسدة المنخفضة +2. ^[14]

يظهر السيليكون اختلافات واضحة من الكربون. على سبيل المثال ، تحتوي الكيمياء العضوية على عدد قليل جدًا من التشبيهات مع كيمياء السيليكون ، في حين أن معادن السيليكات لها تعقيد هيكلي غير مرئي في أوكسوكربونات . ^[14] Greenwood and Earnshaw، pp.328–329 </ref> يميل السيليكون إلى أن يشبه الجرمانيوم أكثر بكثير مما يشبه الكربون ، ويتعزز هذا التشابه من خلال انكماش كتلة d ، مما أدى إلى أن حجم ذرة الجرمانيوم أكبر بكثير أقرب إلى ذرة السيليكون مما قد تتنبأ به الاتجاهات الدورية. ^[66]ومع ذلك ، لا تزال هناك بعض الاختلافات بسبب الأهمية المتزايدة للحالة ثنائية التكافؤ في الجرمانيوم مقارنة بالسيليكون ، مما يؤدي إلى أن يكون الجرمانيوم معدنيًا أكثر بكثير من السيليكون. بالإضافة إلى ذلك ، تؤدي قوة رابطة Ge – O المنخفضة مقارنة بقوة رابطة Si – O إلى عدم وجود بوليمرات "germanone" التي من شأنها أن تكون مماثلة لبوليمرات السيليكون . ^[64]

مبيدات السيليكا

العديد من مبيدات السيليكات المعدنية معروفة ، ومعظمها يحتوي على صيغ لا يمكن تفسيرها من خلال نداءات بسيطة للتكافؤ : يتراوح ترابطها من المعدن إلى الأيوني والتساهمي . بعض القياسات المتكافئة المعروفة هي M ₆ Si ، M ₅ Si ، M ₄ Si ، M ₁₅ Si ₄ ، M ₃ Si ، M ₅ Si ₂ ، M ₂ Si ، M ₅ Si ₃ ، M ₃ Si ₂ ، MSi ، M ₂ Si ₃ ، MSi ₂ ، MSi₃ و MSi ₆ . وهي تشبه من الناحية الهيكلية البوريدات أكثر من الكربيدات ، وذلك تمشيا مع العلاقة القطرية بين البورون والسيليكون ، على الرغم من أن الحجم الأكبر للسيليكون مقارنة بالبورون يعني أن المقارنات الهيكلية الدقيقة قليلة ومتباعدة. عادة ما تكون درجات حرارة تكوين مبيدات السيليكات مماثلة لتلك الخاصة بوريدات وكربيدات نفس العناصر ، ولكنها تذوب عادة في درجات حرارة منخفضة. ^[67] تُعرف مبيدات السيليكون بجميع العناصر المستقرة في المجموعات من 1 إلى 10 ، باستثناء البريليوم : على وجه الخصوص ، اليورانيوموتظهر المعادن الانتقالية للمجموعات 4-10 أوسع نطاق من القياسات المتكافئة. باستثناء النحاس ، فإن المعادن في المجموعات 11-15 لا تشكل مبيدات للسيليدات. بدلاً من ذلك ، تشكل معظم الخلائط سهلة الانصهار ، على الرغم من أن أثقل معادن ما بعد الانتقال مثل الزئبق والثاليوم والرصاص والبزموت لا تمتزج تمامًا بالسيليكون السائل. ^[52]

عادة ، يتم تحضير مبيدات السيليكون عن طريق التفاعل المباشر للعناصر. على سبيل المثال ، تتفاعل الفلزات القلوية ومعادن الأرض القلوية مع السيليكون أو أكسيد السيليكون لإعطاء مبيدات السيليكون. ومع ذلك ، حتى مع هذه العناصر شديدة الحساسية للكهرباء لا يمكن الحصول على أنيون السيليكون الحقيقي ، ومعظم هذه المركبات عبارة عن أشباه موصلات. على سبيل المثال ، فإن مبيدات السيليكات الفلزية القلوية (M⁺
)
₄(سي⁴⁻
₄) تحتوي على السيليكون ثلاثي التنسيق الهرمي في Si⁴⁻
₄أنيون متساوي إلكتروني مع الفوسفور الأبيض ، ص ₄ . ^{[52] [68]} تميل مبيدات السليكون الغنية بالمعادن إلى امتلاك ذرات سيليكون معزولة (مثل النحاس ₅ سي) ؛ مع زيادة محتوى السيليكون ، يزداد التلقيح ، مما يؤدي إلى مجموعات معزولة من ذرتين (على سبيل المثال U ₃ Si ₂ ) أو أربع ذرات سيليكون (على سبيل المثال [K ⁺ ] ₄ [Si ₄ ] ⁴⁻ ) في البداية ، متبوعة بالسلاسل (على سبيل المثال CaSi) ، طبقات (على سبيل المثال CaSi ₂ ) ، أو شبكات ثلاثية الأبعاد من ذرات السيليكون تمتد في الفضاء (على سبيل المثال α-ThSi ₂ ) حيث يرتفع محتوى السيليكون أعلى. ^[52]

عادةً ما تكون مبيدات السيليكات من المجموعة 1 و 2 أكثر تفاعلاً من مبيدات السيليكات الفلزية الانتقالية. عادة لا يتفاعل الأخير مع الكواشف المائية ، باستثناء حمض الهيدروفلوريك ؛ ومع ذلك ، فإنها تتفاعل مع الكواشف الأكثر عدوانية مثل هيدروكسيد البوتاسيوم السائل ، أو الفلور الغازي أو الكلور عندما تكون ساخنة. وبدلاً من ذلك ، تتفاعل مبيدات السيليكون المعدني قبل الانتقال بسهولة مع الماء والأحماض المائية ، وعادة ما تنتج الهيدروجين أو السيلانات: ^[52]

Na ₂ Si + 3 H ₂ O → Na ₂ SiO ₃ + 3 H ₂

ملغ ₂ Si + 2 H ₂ SO ₄ → 2 MgSO ₄ + SiH ₄

غالبًا ما تختلف المنتجات وفقًا لقياسات العناصر المتفاعلة لمفاعل السيليد. على سبيل المثال ، Ca ₂ Si هو قطبي وغير موصل وله هيكل مضاد لـ PbCl ₂ مع ذرات سيليكون معزولة واحدة ، ويتفاعل مع الماء لإنتاج هيدروكسيد الكالسيوم وثاني أكسيد السيليكون المائي وغاز الهيدروجين. يتفاعل CaSi مع سلاسله المتعرجة من ذرات السيليكون بدلاً من ذلك لإعطاء silanes و Polymeric SiH ₂ ، بينما لا يتفاعل CaSi ₂ بطبقاته المجعدة من ذرات السيليكون مع الماء ، ولكنه سيتفاعل مع حمض الهيدروكلوريك المخفف: المنتج عبارة عن مادة صلبة بوليمرية صفراء مع قياس العناصر المتكافئة Si ₂ H ₂ O. ^[52]

سيلانيس

بدأت التكهنات على كيمياء هيدريد السيليكون في ثلاثينيات القرن التاسع عشر ، معاصرة مع تطور الكيمياء العضوية التركيبية . تم تصنيع السيلان نفسه ، بالإضافة إلى ثلاثي كلورو سيلان ، لأول مرة بواسطة فريدريش ووهلر وهاينريش بوف في عام 1857 عن طريق تفاعل سبائك الألومنيوم والسيليكون مع حمض الهيدروكلوريك ، وتم وصفه بـ SiH ₄ و SiHCl ₃ بواسطة Charles Friedel و Albert Ladenburg في عام 1867. Disilane (Si ₂ ح ₆ ) تبعه في عام 1902 ، عندما صنعه لأول مرة هنري مويسان وصموئيل سمايلز عن طريق التحلل البروتوني لمبيدات سيليكات المغنيسيوم . كان على مزيد من التحقيقات الانتظار حتى عام 1916 بسبب التفاعل الكبير وعدم الاستقرار الحراري للسيلانات ؛ في ذلك الوقت ، بدأ ألفريد ستوك دراسة هيدرات السليكون بجدية باستخدام تقنيات فراغية جديدة عديمة الشحوم ، حيث تم العثور عليها كمواد ملوثة لتركيزه ، وهي هيدرات البورون . أسماء silanes و boranes هي له ، بناءً على القياس مع الألكانات . ^{[27] [69] [70]}لا تزال طريقة Moissan and Smiles لتحضير السيلانات ومشتقات السيلان عن طريق تحلل البروتون لمبيدات السيليس المعدنية مستخدمة ، على الرغم من انخفاض العائد عن طريق التحلل المائي للمنتجات التي تحدث في وقت واحد ، لذلك فإن الطريق المفضل اليوم هو معالجة السيلانات المستبدلة مع تقليل الهيدريد عوامل مثل هيدريد الألومنيوم الليثيوم في المحاليل الأثيرية عند درجات حرارة منخفضة. يعتبر التفاعل المباشر لـ HX أو RX مع السيليكون ، ربما مع محفز مثل النحاس ، طريقة قابلة للتطبيق لإنتاج سيلانات مستبدلة. ^[27]

تتكون السيلانات من سلسلة متجانسة من هيدرات السليكون مع صيغة عامة لـ Si _n H _{2 n  + 2} . كلهم عوامل اختزال قوية . تُعرف السلاسل غير المتفرعة والمتفرعة حتى n = 8 ، والدورات Si ₅ H ₁₀ و Si ₆ H ₁₂معروفة أيضًا. الأول والثاني ، silane و disilane ، غازات عديمة اللون. الأعضاء الأثقل في السلسلة عبارة عن سوائل متطايرة. جميع السيلانات شديدة التفاعل وتشتعل فيها النيران أو تنفجر تلقائيًا في الهواء. تصبح أقل استقرارًا حراريًا مع درجة حرارة الغرفة ، بحيث يكون silane فقط ثابتًا إلى أجل غير مسمى في درجة حرارة الغرفة ، على الرغم من أن الديسيلان لا يتحلل بسرعة كبيرة (فقط 2.5 ٪ من العينة تتحلل بعد مرور ثمانية أشهر). ^[27] تتحلل لتشكل هيدريد بوليسيليكون بوليمري وغاز الهيدروجين. ^{[71] [72]}كما هو متوقع من الاختلاف في الوزن الذري ، تكون السيلانات أقل تطايرًا من الألكانات والبورانات المقابلة ، ولكن أكثر من الألمان المقابل لها. إنها أكثر تفاعلًا بكثير من الألكانات المقابلة ، نظرًا لأن نصف قطر السيليكون أكبر مقارنة بالكربون الذي يسهل هجوم محبة النواة على السيليكون ، والقطبية الأكبر لرابطة Si-H مقارنة برابطة C-H ، وقدرة السيليكون على قم بتوسيع الثماني الخاص به وبالتالي شكل التقريب وخفض طاقة تنشيط التفاعل . ^[27]

يعطي الانحلال الحراري السيلاني أنواعًا بوليمرية وأخيراً عنصر السيليكون والهيدروجين ؛ يتم إنتاج السيليكون عالي النقاوة تجارياً عن طريق الانحلال الحراري للسيلان. بينما يبدأ التحلل الحراري للألكانات بتفكيك رابطة C-H أو C-C وتشكيل مواد وسيطة جذرية ، تتحلل polysilanes عن طريق إزالة silylenes : SiH ₂ أو: SiHR ، مثل طاقة التنشيط لهذه العملية (~ 210 كيلو جول / مول) أقل بكثير من طاقات الرابطة Si – Si و Si – H. بينما لا تتفاعل السيلانات النقية مع الماء النقي أو الأحماض المخففة ، فإن آثار القلويات تحفز التحلل المائي الفوري لثاني أكسيد السيليكون المائي. إذا تم إجراء التفاعل في ميثانول ، فإن التحلل المذاب المتحكم فيه ينتج عنه منتجات SiH ₂ (OMe)₂ ، SiH (OMe) ₃ ، و Si (OMe) ₄ . تضيف رابطة Si-H أيضًا إلى الألكينات ، وهو تفاعل يتقدم ببطء ويتسارع مع زيادة استبدال silane المعني. عند درجة حرارة 450 درجة مئوية ، يشارك silane في تفاعل إضافة مع الأسيتون ، بالإضافة إلى تفاعل فتح الحلقة مع أكسيد الإيثيلين . يؤدي التفاعل المباشر للسيلانات مع الكلور أو البروم إلى حدوث انفجارات عند درجة حرارة الغرفة ، ولكن يتم التحكم في تفاعل السيلان مع البروم عند درجة حرارة -80 درجة مئوية وينتج البروموسيلان والديبروموسيلان. يمكن تكوين الهالوسيلانات الأحادية عن طريق تفاعل silane مع هاليد الهيدروجين المناسب مع Al ₂ X₆ محفز ، أو عن طريق تفاعل سيلان مع هاليد الفضة الصلب في مفاعل تدفق ساخن: ^[27]

SiH ₄ + 2 AgCl260 درجة مئوية→ SiH ₃ Cl + HCl + 2 Ag

من بين مشتقات السيلان ، iodosilane ( SiH ₃ I) وسيلانيد البوتاسيوم (KSiH ₃ ) هي مركبات وسيطة اصطناعية مفيدة للغاية في إنتاج مركبات تحتوي على السيليكون الأكثر تعقيدًا: هذا الأخير عبارة عن مادة صلبة أيونية متبلورة عديمة اللون تحتوي على كاتيونات K ⁺ و SiH^-
₃الأنيونات في بنية كلوريد الصوديوم ، ويتم تصنيعها عن طريق اختزال السيلان بمعدن البوتاسيوم . ^[73] بالإضافة إلى ذلك ، فإن الأنواع عالية التكافؤ المتفاعلة SiH^-
₅معروف أيضًا. ^[27] مع البدائل العضوية المناسبة ، من الممكن إنتاج بولي سيلان مستقر: لديهم موصلات كهربائية عالية بشكل مدهش ، ناشئة عن إلغاء تحديد موقع الإلكترونات في السلسلة سيجما . ^[74]

هاليدات

يتفاعل السيليكون وكربيد السيليكون بسهولة مع جميع الهالوجينات الأربعة المستقرة ، مكونًا رباعي الهاليدات السيليكونية عديمة اللون والمتفاعلة والمتطايرة ^[75] ويمكن أيضًا تصنيع رباعي فلوريد السيليكون عن طريق فلورة هاليدات السيليكون الأخرى ، وينتج عن طريق هجوم حمض الهيدروفلوريك على الزجاج. ^[76] كما ينتج عن تسخين نوعين مختلفين من رباعي الهاليدات معًا خليطًا عشوائيًا من الهاليدات المختلطة ، والتي يمكن أيضًا إنتاجها عن طريق تفاعلات تبادل الهالوجين. عادةً ما ترتفع نقاط الانصهار والغليان لهذه الأنواع مع زيادة الوزن الذري ، على الرغم من وجود العديد من الاستثناءات: على سبيل المثال ، تنخفض نقاط الانصهار والغليان عندما يمر المرء من SiFBr ₃ عبر SiFClBr ₂ إلى SiFCl₂ غرف. يتضح التحول من العناصر الهيبوكهربائية في المجموعة 13 وما قبلها إلى المجموعة 14 من خلال التغيير من بنية أيونية لا نهائية في فلوريد الألومنيوم إلى شبكة من جزيئات رباعي فلوريد السيليكون التساهمية البسيطة ، كما تمليها الكهربية المنخفضة للألمنيوم مقارنة بالسيليكون ، قياس العناصر المتكافئة (حالة الأكسدة +4 عالية جدًا بالنسبة للأيونية الحقيقية) ، والحجم الأصغر لذرة السيليكون مقارنة بذرة الألومنيوم. ^[75] يتم تصنيع رابع كلوريد السيليكون على نطاق واسع كمقدمة لإنتاج السيليكون النقي وثاني أكسيد السيليكون وبعض إسترات السيليكون . ^[75]تتحلل رباعي الهاليدات السيليكون بسهولة في الماء ، على عكس رباعي الهاليدات الكربونية ، مرة أخرى بسبب الحجم الأكبر لذرة السيليكون مما يجعلها أكثر انفتاحًا للهجوم النووي وقدرة ذرة السيليكون على توسيع الثماني التي يفتقر إليها الكربون. ^[76] تفاعل فلوريد السيليكون مع حمض الهيدروفلوريك الزائد ينتج أنيون سداسي فلورو سيليكات ثماني السطوح SiF²⁻
₆. ^[76]

على غرار السيلانات ، تُعرف أيضًا هالوبوليسيلان Si _n X _{2 n  + 2} . بينما يتم تعظيم توصيل مركبات الكربون في مركبات الهيدروجين بدلاً من الهاليدات ، فإن العكس هو الصحيح بالنسبة للسيليكون ، بحيث تُعرف الهالوبوليسيلان بما لا يقل عن Si ₁₄ F ₃₀ و Si ₆ Cl ₁₄ و Si ₄ Br ₁₀ . التفسير المقترح لهذه الظاهرة هو التعويض عن فقد الإلكترون للسيليكون إلى ذرات الهالوجين الأكثر كهربيًا عن طريق ربط pi backbonding من _{المدارات p} المملوءة على ذرات الهالوجين إلى d الفارغةالمدارات على السيليكون: هذا مشابه لحالة أول أكسيد الكربون في معقدات الكربونيل المعدنية ويفسر استقرارها. يمكن إنتاج هالوبوليسيلان هذه عن طريق احتساب رباعي الهاليدات السيليكون مع عنصر السيليكون ، أو عن طريق تكثيف هالوبوليسيلان أخف (يعتبر تريميثيل الأمونيوم محفزًا مفيدًا لهذا التفاعل). ^[75]

السيليكا

ثاني أكسيد السيليكون (SiO ₂ ) ، المعروف أيضًا باسم السيليكا ، هو أحد أفضل المركبات التي تمت دراستها ، ويحتل المرتبة الثانية بعد الماء . من المعروف أن هناك اثني عشر تعديلًا بلوريًا مختلفًا للسيليكا ، وأكثرها شيوعًا هي α- الكوارتز ، وهو مكون رئيسي للعديد من الصخور مثل الجرانيت والحجر الرملي . ومن المعروف أيضًا أنه يحدث في شكل نقي مثل البلور الصخري ؛ تُعرف الأشكال غير النقية باسم كوارتز الورد ، والكوارتز المدخن ، والموريون ، والجمشت ، والسترين . تُعرف أيضًا بعض الأشكال البلورية الضعيفة من الكوارتز ، مثل العقيق الأبيض ، الكريسوبراسي ،العقيق ، العقيق ، الجزع ، اليشب ، الهليوتروب ، والصوان . تُعرف التعديلات الأخرى لثاني أكسيد السيليكون في بعض المعادن الأخرى مثل tridymite و cristobalite ، بالإضافة إلى coesite و stishovite الأقل شيوعًا . تُعرف الأشكال المولدة بيولوجيًا أيضًا باسم kieselguhr و diatomaceous earth . يُعرف ثاني أكسيد السيليكون الزجاجي باسم تكتيت ، وسبج ، ونادرًا باسم ليكاتيليريت . تُعرف بعض الأشكال التركيبية باسمكيتيت . تتكون الأوبال من مجاميع بلورية معقدة من ثاني أكسيد السيليكون المائي جزئيًا. ^[77]

• 

  كوارتز

• 

  العقيق

• 

  تريديميت

• 

  كريستوباليت

• 

  Coesite

تتكون معظم أشكال السيليكا البلورية من ترتيبات لا نهائية من {SiO ₄} رباعي السطوح (مع Si في المركز) متصل في أركانها ، مع كل ذرة أكسجين مرتبطة بذرتين من السيليكون. في شكل درجة حرارة الغرفة المستقرة ديناميكيًا ، α-quartz ، ترتبط هذه رباعي السطوح في سلاسل حلزونية متشابكة بمسافة مختلفة Si-O (159.7 و 161.7 مساءً) بزاوية Si – O – Si مقدارها 144 درجة. يمكن أن تكون هذه الحلزونات إما يسرى أو يمينًا ، بحيث تكون بلورات α-quartz الفردية نشطة بصريًا. عند 537 درجة مئوية ، يتحول هذا بسرعة وبشكل عكسي إلى الكوارتز المماثل ، مع تغيير زاوية Si – O – Si إلى 155 درجة ولكن مع الاحتفاظ باليدين. ينتج عن التسخين الإضافي إلى 867 درجة مئوية انتقال طور عكسي آخر إلى β-tridymite ، حيث يتم كسر بعض روابط Si-O للسماح بترتيب {SiO ₄} رباعي السطوح في هيكل سداسي أكثر انفتاحًا وأقل كثافة. يكون هذا الانتقال بطيئًا ومن ثم يحدث التريديميت كمعدن غير مستقر حتى تحت درجة حرارة التحول هذه ؛ عند تبريده إلى حوالي 120 درجة مئوية ، فإنه يتحول بسرعة وبصورة عكسية عن طريق الإزاحة الطفيفة لذرات السيليكون والأكسجين الفردية إلى α-tridymite ، على نحو مشابه للانتقال من α-quartz إلى-quartz. يتحول β-tridymite ببطء إلى-cristobalite مكعب عند حوالي 1470 درجة مئوية ، والذي يتواجد مرة أخرى بشكل نقلي تحت درجة حرارة التحول هذه ويتحول عند 200-280 درجة مئوية إلى α-cristobalite عبر عمليات إزاحة ذرية صغيرة. β-cristobalite يذوب عند 1713 درجة مئوية ؛ يكون تجميد السيليكا من الذوبان بطيئًا جدًا ومن المحتمل أن يحدث التزجيج أو تكوين الزجاج بدلاً من ذلك. في السيليكا الزجاجية ، {SiO₄ } تظل رباعي السطوح متصلة بالزاوية ، لكن تناسق ودورية الأشكال البلورية مفقودة. بسبب التحويلات البطيئة بين هذه الأشكال الثلاثة ، من الممكن عند التسخين السريع إذابة β-quartz (1550 ° C) أو β-tridymite (1703 ° C). يغلي السيليكا عند حوالي 2800 درجة مئوية. تُعرف أشكال أخرى من السيليكا عالية الضغط ، مثل coesite و stishovite: وهي معروفة في الطبيعة ، وتتشكل تحت ضغط صدمة تأثير نيزكي ثم يتم إخمادها بسرعة للحفاظ على التركيب البلوري. يحدث ذوبان وتبريد السيليكا المماثل بعد ضربات الصواعق ، مما يؤدي إلى تكوين ليكاتيليريت زجاجي . W-silica هو شكل غير مستقر منخفض الكثافة يشتمل على {SiO ₄} تتقاسم رباعي السطوح حواف متقابلة بدلاً من الزوايا ، وتشكل سلاسل متوازية مماثلة لثاني كبريتيد السيليكون (SiS ₂ ) وثنائي سيلينيد السيليكون (SiSe ₂ ): تعود بسرعة لتشكيل سيليكا غير متبلورة مع الحرارة أو آثار من الماء ^[78]

السيليكا هي بالأحرى خاملة كيميائيا. لا تهاجمه أي أحماض غير حمض الهيدروفلوريك. ومع ذلك ، فإنه يذوب ببطء في القلويات الساخنة المركزة ، ويفعل ذلك بسرعة في هيدروكسيدات المعادن المنصهرة أو الكربونات ، لإعطاء السيليكات المعدنية. من بين العناصر ، يتم مهاجمته بواسطة الفلور فقط في درجة حرارة الغرفة لتكوين رباعي فلوريد السيليكون: يتفاعل الهيدروجين والكربون أيضًا ، لكنهما يتطلبان درجات حرارة تزيد عن 1000 درجة مئوية للقيام بذلك. ومع ذلك ، تتفاعل السيليكا مع العديد من أكاسيد المعادن والفلزات لتشكيل مجموعة متنوعة من المركبات المهمة في صناعات الزجاج والسيراميك قبل كل شيء ، ولكن لها أيضًا العديد من الاستخدامات الأخرى: على سبيل المثال ، غالبًا ما تستخدم سيليكات الصوديوم في المنظفات بسبب تخزينها المؤقت ، وتصبنها ، والاستحلاب _خصائص ^[78]

أحماض السيليك

تؤدي إضافة الماء إلى السيليكا إلى إسقاط نقطة انصهارها بحوالي 800 درجة مئوية بسبب كسر الهيكل عن طريق استبدال روابط Si – O – Si بإنهاء مجموعات Si – OH. تؤدي زيادة تركيز الماء إلى تكوين مواد هلامية السيليكا الرطبة وتشتت السيليكا الغروية . توجد العديد من الهيدرات وأحماض السيليك في أكثر المحاليل المائية مخففة ، ولكنها غير قابلة للذوبان وسريعة تترسب وتتكثف وتتقاطع مع بعضها لتشكل أحماض متعددة السليكات من توليفات متغيرة تتبع الصيغة [SiO _x (OH) _{4−2 x} ] _n ، مشابه لسلوك البورون والألمنيوم والحديد، من بين عناصر أخرى. ومن ثم ، على الرغم من تحديد بعض أحماض السيليك البسيطة في المحاليل المخففة ، مثل حمض الأورثوسيليك Si (OH) ₄ وحمض metasilicic SiO (OH) ₂ ، لا يحتمل وجود أي من هذه الأحماض في الحالة الصلبة ^[78]

معادن السيليكات

التنسيق النموذجي للكاتيونات المعدنية في السيليكات (نصف القطر الأيوني في مساءً ) ^[79]

CN 4	لي اي (59)	بي اي اي (27)	آل الثالث (39)	سي 4 (26)
CN 6	نا اي (102)	ام جي 2 (72)	ال الثالث ( 54)	تي اي 4 (61)	في II (78)
CN 8	كيه اي (151)	كا 2 (112)
CN 12	كيه اي (164)

يتكون حوالي 95٪ من صخور القشرة الأرضية من السيليكا أو معادن السيليكات والألومينوسيليكات ، كما ينعكس في الأكسجين والسيليكون والألمنيوم كونها العناصر الثلاثة الأكثر شيوعًا في القشرة (بهذا الترتيب) . ^[79] عند قياسه بالكتلة ، يشكل السيليكون 27.7٪ من القشرة الأرضية . ^[80] نادرًا ما توجد بلورات السيليكون النقية في الطبيعة ، ولكن الاستثناءات الملحوظة هي البلورات التي يصل حجمها إلى 0.3 ملم والتي تم العثور عليها أثناء أخذ عينات الغازات من بركان كودريافي في إيتوروب ، إحدى جزر الكوريل . ^{[81] [82]}

تحتوي معادن السيليكات والألومينوسيليكات على العديد من الهياكل المختلفة وقياسات العناصر الكيميائية المختلفة ، ولكن يمكن تصنيفها وفقًا لبعض المبادئ العامة. الوحدات الرباعية السطوح {SiO ₄ } شائعة في جميع هذه المركبات تقريبًا ، إما على شكل هياكل منفصلة ، أو مدمجة في وحدات أكبر من خلال مشاركة ذرات الأكسجين الزاوية. يمكن تقسيمها إلى neso -silicates (وحدات {SiO ₄ } منفصلة) لا تشارك أي ذرات أكسجين ، soro -silicates (وحدات {Si ₂ O ₇ } منفصلة) تشترك في واحدة ، سيكلو -سيليكات (هياكل حلقة مغلقة) وسيليكات ( سلسلة مستمرة أو هياكل شريطية) يتشارك كلاهما اثنان ، فيلو- السيليكات (الصفائح المستمرة) التي تتقاسم ثلاثة ، والسيليكات (أطر ثلاثية الأبعاد مستمرة) تتقاسم أربعة. عادة ما تكون شبكة ذرات الأكسجين الناتجة معبأة بشكل وثيق ، أو قريبة منها ، مع موازنة الشحنة بواسطة كاتيونات أخرى في مواقع مختلفة متعددة السطوح وفقًا للحجم. ^[83]

و orthosilicates M.^الثاني
₂SiO
₄(M = Be و Mg و Mn و Fe و Zn) و ZrSiO 4 _عبارة عن سيليكات أخرى. يكون
₂SiO
₄( فيناسيت ) غير معتاد حيث يشغل كل من Be ^II و Si ^IV مواقع رباعية السطوح منسقة ؛ بدلاً من ذلك ، تحتل الكاتيونات ثنائية التكافؤ الأخرى مواقع ثماني الأوجه منسقة بستة أشكال ، وغالبًا ما تحل محل بعضها البعض بشكل متماثل كما هو الحال في الزبرجد الزيتوني ، (Mg ، Fe ، Mn) ₂ SiO ₄ . يتطلب الزركون ، ZrSiO ₄ ، ثمانية تنسيق من الكاتيونات Zr ^IV بسبب القياس المتكافئ وبسبب نصف قطرها الأيوني الأكبر (84 م). كما أن العقيق مهم أيضًا ، [م^II
₃م^ثالثا
₂(SiO
₄)
₃] ، حيث تكون الكاتيونات ثنائية التكافؤ (على سبيل المثال Ca، Mg، Fe) منسقة بثمانية وتلك ثلاثية التكافؤ ستة منسقة (على سبيل المثال Al، Cr، Fe). التنسيق المنتظم غير موجود دائمًا: على سبيل المثال ، لم يتم العثور عليه في Ca ₂ SiO ₄ ، الذي يخلط بين ستة وثمانية مواقع إحداثيات لـ Ca ^II . تعتبر سيليكات سورو ، التي تشتمل على وحدات ثنائية أو ثلاثية السطوح منفصلة ، نادرة جدًا: من المعروف أيضًا أن المركبات السليكونية التي تشتمل على وحدات "[(SiO ₃ ) _n ] ^{2 n -} " ذات الزاوية المتاخمة للزاوية تشكل حلقة متعددة الأضلاع. ^[79]

سلسلة metasilicates ، {SiO²⁻
₃}
_∞، شكل من خلال مشاركة الزاوية لسلسلة غير محددة من رباعي السطوح {SiO ₄ }. تنشأ العديد من الاختلافات بسبب اختلاف مسافات التكرار للتشكيل عبر خط رباعي السطوح. تعد مسافة التكرار من اثنين هي الأكثر شيوعًا ، كما هو الحال في معظم معادن البيروكسين ، ولكن من المعروف أيضًا تكرار مسافات واحدة وثلاثة وأربعة وخمسة وستة وسبعة وتسعة واثني عشر. يمكن بعد ذلك ربط هذه السلاسل عبر بعضها البعض لتشكيل سلاسل مزدوجة وشرائط ، كما هو الحال في معادن الأسبستوس ، بما في ذلك سلاسل متكررة من حلقات رباعية السطوح الحلقية. ^[79]

تعتبر سيليكات الطبقة ، مثل معادن الطين والميكا ، شائعة جدًا ، وغالبًا ما تتشكل عن طريق الربط الأفقي لسلاسل metasilicate أو التكثيف المستوي للوحدات الأصغر. مثال على ذلك kaolinite [Al ₂ (OH) ₄ Si ₂ O ₅ ]؛ في العديد من هذه المعادن ، يعد استبدال الكاتيون والأنيون أمرًا شائعًا ، لذلك على سبيل المثال ، يمكن استبدال Si ^{IV رباعي السطوح بـ Al III} ، ثماني السطوح Al ^III بواسطة Mg ^II ، و OH ^- بواسطة F ^- . هيكل ثلاثي الأبعاد ألومينوسليكات معقدة للغاية من الناحية الهيكلية ؛ قد يتم تصورهم على أنهم يبدأون من SiO₂ ، ولكن بعد استبدال ما يصل إلى نصف ذرات Si ^{IV بـ Al III} ، فإنها تتطلب المزيد من الكاتيونات ليتم تضمينها في الهيكل لموازنة الشحن. تشمل الأمثلة الفلسبار (أكثر المعادن وفرة على وجه الأرض ) والزيوليت والألترامارين . يمكن اعتبار العديد من الفلدسبار جزءًا من النظام الثلاثي NaAlSi ₃ O ₈ –KAlSi ₃ O ₈ –CaAl ₂ Si ₂ O ₈ . تم تدمير شبكتها عن طريق الضغط العالي مما دفع Al ^IIIللخضوع للتنسيق السداسي بدلاً من التنسيق الرباعي ، وقد يكون هذا التفاعل الذي يدمر الفلسبار سببًا لانقطاع Mohorovičić ، مما يعني أن القشرة والعباءة لها نفس التركيب الكيميائي ، ولكن شبكات مختلفة ، على الرغم من أن هذا ليس عقدًا عالميًا رأي. تحتوي مركبات الزيوليت على العديد من التجاويف متعددة السطوح في أطرها (تكون الأشكال المكعبة المجسمات المقطوعة أكثر شيوعًا ، ولكن تُعرف أيضًا متعددات الوجوه الأخرى باسم تجاويف الزيوليت) ، مما يسمح لها بتضمين جزيئات مرتبطة بشكل غير محكم مثل الماء في بنيتها. تعمل Ultramarines على تبديل ذرات السيليكون والألمنيوم وتشمل مجموعة متنوعة من الأنيونات الأخرى مثل Cl ^- ، SO²⁻
₄، و S.²⁻
₂، لكنها تشبه الفلسبار. ^[79]

مركبات غير عضوية أخرى

يتكون ثاني كبريتيد السيليكون (SiS _{2 ) عن طريق حرق السيليكون في الكبريت الغازي عند 100 درجة مئوية ؛} ينتج عن تسامي المركب الناتج في النيتروجين ألياف طويلة ومرنة بيضاء تذكرنا بالأسبستوس مع هيكل مشابه للسيليكا W. يذوب هذا عند 1090 درجة مئوية ويسامي عند 1250 درجة مئوية ؛ عند درجة حرارة وضغط مرتفعين يتحول هذا إلى بنية بلورية مماثلة للكريستوباليت. ومع ذلك ، فإن SiS ₂ يفتقر إلى مجموعة متنوعة من هياكل SiO ₂ ، ويتحلل بسرعة إلى السيليكا وكبريتيد الهيدروجين . كما أنه يتحلل بسرعة وبشكل كامل بواسطة الأمونيا ^{السائلة} على النحو التالي لتشكيل إيميد :

SiS ₂ + 4 NH ₃ → Si (NH) ₂ + 2 NH ₄ SH

يتفاعل مع كبريتيدات الصوديوم والمغنيسيوم والألمنيوم والحديد لتكوين ثيوسيليكات المعادن: ينتج عن التفاعل مع الإيثانول رباعي إيثيل سيليكات Si (OEt) ₄ وكبريتيد الهيدروجين. يعتبر إيثيل سيليكات مفيدًا لأن التحلل المائي المتحكم فيه ينتج أشكالًا لاصقة أو تشبه الأفلام من السيليكا. يؤدي تفاعل كبريتيد الهيدروجين مع رباعي الهاليدات السليكونية إلى إنتاج ثيو هاليدات السيليكون مثل S (SiCl) ₃ و Cyclic Cl ₂ Si (μ-S) ₂ SiCl ₂ والبلوري (SiSCl ₂ ) ₄ . على الرغم من قاعدة الرابطة المزدوجة، تم صنع مركبات سيلانيثيون عضوية مستقرة RR'Si = S بفضل آلية التثبيت للتنسيق بين الجزيئات عبر مجموعة أمين . ^[84]

يمكن تكوين نيتريد السيليكون ، Si ₃ N ₄ ، عن طريق التفاعل المباشر للسيليكون مع النيتروجين فوق 1300 درجة مئوية ، ولكن وسيلة الإنتاج الأكثر اقتصادا هي تسخين السيليكا وفحم الكوك في تيار من النيتروجين وغاز الهيدروجين عند 1500 درجة مئوية. سوف يصنع سيراميكًا واعدًا لولا صعوبة العمل به وتلبيده: كيميائيًا ، فهو شبه خامل تمامًا ، وحتى أعلى من 1000 درجة مئوية ، فإنه يحافظ على قوته وشكله ويستمر في مقاومة التآكل والتآكل . إنه صعب جدًا (9 على مقياس صلابة موس ) ، وينفصل فقط عند 1900 درجة مئوية عند 1 ضغط جوي ، وهو كثيف جدًا (كثافة 3.185 جم / سم ³ ) ، بسبب هيكله المضغوط المشابه لهيكل الفيناسيت ( Be
₂SiO
₄). مادة مقاومة للصهر مماثلة هي Si ₂ N ₂ O ، تتشكل عن طريق تسخين السيليكون والسيليكا عند 1450 درجة مئوية في تيار أرجون يحتوي على 5 ٪ من غاز النيتروجين ، يتضمن 4 إحداثيات سيليكون و 3 إحداثيات نيتروجين بالتناوب في أسقف سداسية مجعدة مرتبطة ببعضها البعض. روابط Si – O – Si الخطية مع بعضها البعض. ^[84]

تفاعل هاليدات السليل مع الأمونيا أو مشتقات الألكلامونيا في الطور الغازي أو في المحلول الإيثانولي ينتج سيليلاميدات متطايرة متنوعة ، وهي نظائر السيليكون للأمينات : ^[84]

3 SiH ₃ Cl + 4 NH ₃ → N (SiH ₃ ) ₃ + 3 NH ₄ Cl

SiH ₃ Br + 2 Me ₂ NH → SiH ₃ NMe ₂ + Me ₂ NH ₂ Br

4 SiH ₃ I + 5 N ₂ H ₄ → (SiH ₃ ) ₂ NN (SiH ₃ ) ₂ + 4 N ₂ H ₅ I

تم تحضير العديد من هذه المركبات ، والقيود المعروفة الوحيدة هي أن النيتروجين دائمًا ثلاثي ، وأن الأنواع التي تحتوي على مجموعة SiH-NH غير مستقرة في درجة حرارة الغرفة. القياس المتكافئ حول ذرة النيتروجين في مركبات مثل N (SiH _{3 )} 3 _مستوٍ ، والذي يُعزى إلى تفاعل ap d _π بين زوج وحيد على النيتروجين ومدار d فارغ _على السيليكون. وبالمثل ، فإن trisilylamines أضعف من الروابط الكربونية من نظائرها الكربونية ، الأمينات الثلاثية ، على الرغم من أن استبدال بعض مجموعات SiH ₃ بمجموعات CH ₃ يخفف من هذا الضعف. على سبيل المثال ، لا يشكل N (SiH ₃ ) _{3 ملف}التقارب مع BH ₃ على الإطلاق ، بينما MeN (SiH ₃ ) ₂ و Me ₂ NSiH ₃ يقتربان عند درجات حرارة منخفضة تتحلل عند الاحترار. بعض نظائر السيليكون للأيمينات ، مع رابطة Si = N مزدوجة ، معروفة: أول ما تم اكتشافه هو Bu ^t ₂ Si = N – SiBu ^t ₃ ، الذي تم اكتشافه في عام 1986. ^[84]

صُنع كربيد السيليكون (SiC) لأول مرة بواسطة إدوارد جودريتش أتشيسون في عام 1891 ، والذي أطلق عليه اسم الكربورندوم للإشارة إلى صلابته الوسيطة وقوته الكاشطة بين الماس (تآصل الكربون) والأكسيد ( أكسيد الألومنيوم ). سرعان ما أسس شركة لتصنيعها ، واليوم يتم إنتاج حوالي مليون طن كل عام. ^[85] يوجد كربيد السيليكون في حوالي 250 صورة بلورية. ^[86]يتميز تعدد أشكال SiC بعائلة كبيرة من الهياكل البلورية المماثلة تسمى polytypes. إنها أشكال مختلفة من نفس المركب الكيميائي متطابقة في بعدين وتختلف في البعد الثالث. وبالتالي يمكن اعتبارها طبقات مكدسة في تسلسل معين. ^[87] يتم تصنيعه صناعيًا عن طريق اختزال رمل الكوارتز مع فحم الكوك الزائد أو أنثراسايت عند 2000-2500 درجة مئوية في فرن كهربائي: ^[85]

SiO ₂ + 2 C → Si + 2 CO

Si + C → SiC

إنه مركب السيليكون الثنائي الأكثر ثباتًا حراريًا ، ويتحلل فقط من خلال فقدان السيليكون بدءًا من حوالي 2700 درجة مئوية. إنه مقاوم لمعظم الأحماض المائية ، واستثناء حامض الفوسفوريك . يشكل طبقة واقية من ثاني أكسيد السيليكون على السطح وبالتالي يتأكسد فقط بشكل ملحوظ في الهواء فوق 1000 درجة مئوية ؛ تؤدي إزالة هذه الطبقة بواسطة الهيدروكسيدات أو الكربونات المنصهرة إلى أكسدة سريعة. يتم مهاجمة كربيد السيليكون بسرعة بواسطة غاز الكلور ، والذي يتكون من SiCl ₄ والكربون عند 100 درجة مئوية و SiCl ₄ و CCl ₄عند 1000 درجة مئوية. يتم استخدامه في الغالب كمادة كاشطة ومقاومة للصهر ، حيث إنه مستقر كيميائيًا وقوي جدًا ، ويتشقق ليشكل حافة قطع حادة جدًا. كما أنه مفيد كأشباه موصلات جوهرية ، وكذلك أشباه موصلات خارجية عند تناوله مخدرًا. ^[85] في سلوكه الشبيه بالألماس ، فإنه بمثابة توضيح للتشابه الكيميائي بين الكربون والسيليكون. ^[88]

مركبات السيليكون العضوي

نظرًا لأن رابطة Si-C قريبة في القوة من الرابطة C-C ، تميل مركبات السيليكون العضوي إلى الاستقرار بشكل ملحوظ حرارياً وكيميائياً. على سبيل المثال ، يمكن تقطير رباعي فينيل سيلان (SiPh 4 ₎ في الهواء حتى عند درجة غليانه البالغة 428 درجة مئوية ، وكذلك قد يتم تقطير مشتقاته البديلة Ph ₃ SiCl و Ph ₂ SiCl ₂ ، والتي تغلي عند 378 درجة مئوية و 305 درجة مئوية على التوالي. علاوة على ذلك ، نظرًا لأن الكربون والسيليكون متجانسان كيميائيان ، فإن كيمياء السليكون العضوي تظهر بعض أوجه التشابه الكبيرة مع كيمياء الكربون ، على سبيل المثال في ميل هذه المركبات للتسلسل وتشكيل روابط متعددة. ^[88]ومع ذلك ، تظهر اختلافات كبيرة أيضًا: نظرًا لأن السيليكون أكثر حساسية للكهرباء من الكربون ، فإن الروابط إلى المزيد من العناصر الكهربية تكون بشكل عام أقوى مع السيليكون منها مع الكربون ، والعكس صحيح. وبالتالي ، فإن رابطة Si – F أقوى بكثير حتى من الرابطة C – F وهي واحدة من أقوى الروابط الفردية ، في حين أن رابطة Si – H أضعف بكثير من رابطة C – H ويمكن كسرها بسهولة. علاوة على ذلك ، فإن قدرة السيليكون على توسيع الثماني الخاصة به لا يشاركها الكربون ، وبالتالي فإن بعض تفاعلات السيليكون العضوي ليس لها نظائر عضوية. على سبيل المثال ، هجوم محبة النواة على السيليكون لا يستمر بواسطة S _N 2 أو S _N 1، ولكن بدلاً من ذلك يمر عبر وسيط خماسي صحيح سالب الشحنة ويبدو وكأنه استبدال في ذرة ثالثية معوقة. يعمل هذا مع السيليكون ، على عكس الكربون ، لأن روابط Si-C الطويلة تقلل من العائق الفراغي كما أن المدار d للسيليكون غير مقيد هندسيًا للهجوم المحب للنيوكليوفيليك ، على سبيل المثال المدار المضاد للترابط C – O σ *. ومع ذلك ، على الرغم من هذه الاختلافات ، لا تزال الآلية تسمى "S _N 2 في السيليكون" من أجل البساطة. ^[89]

واحدة من أكثر المجموعات المحتوية على السيليكون فائدة هي ثلاثي ميثيل سيليل ، Me ₃ Si–. رابطة Si-C التي تربطها ببقية الجزيء قوية بشكل معقول ، مما يسمح لها بالبقاء بينما يخضع باقي الجزيء لتفاعلات ، ولكنها ليست قوية جدًا بحيث لا يمكن إزالتها على وجه التحديد عند الحاجة ، على سبيل المثال بواسطة أيون الفلوريد ، وهو محب للنواة ضعيف جدًا لمركبات الكربون ولكنه قوي جدًا لمركبات السيليكون العضوي. يمكن مقارنتها بالبروتونات الحمضية؛ بينما تتم إزالة trisilylmethyl بواسطة محبي النواة الصلبة بدلاً من القواعد ، فإن كلا الإزالة عادةً ما تعزز التخلص منه. كقاعدة عامة ، في حين أن الكربون المشبع يتم مهاجمته بشكل أفضل من قبل nucleophiles التي هي مركبات متعادلة ، تلك التي تعتمد على اللافلزات الموجودة في أسفل الجدول الدوري (مثل الكبريت أو السيلينيوم أو اليود ) ، أو حتى كليهما ، يتم مهاجمة السيليكون بشكل أفضل من قبل nucleophiles المشحون ، خاصة تلك التي تحتوي على مواد غير فلزية كهربية عالية مثل الأكسجين أو الفلور أو الكلور. على سبيل المثال ، تتفاعل enolates مع الكربون في haloalkanes ، ولكن عند الأكسجين في silylكلوريدات. وعندما تتم إزالة ثلاثي ميثيل سيليل من جزيء عضوي باستخدام الهيدروكسيد كملف نووي ، فإن ناتج التفاعل ليس السيلانول كما يتوقع المرء من استخدام كيمياء الكربون كمقياس ، لأن السيلوكسيد شديد النوى ويهاجم الجزيء الأصلي لإنتاج silyl ether hexamethyldisiloxane ، (Me ₃ Si) ₂ O. على العكس من ذلك ، بينما لا يتأثر تفاعل S _{N 2 في الغالب بوجود شحنة موجبة جزئية (δ +) عند الكربون ، يكون تفاعل "S N} 2" المماثل عند السيليكون هو تأثرت بذلك. وهكذا ، على سبيل المثال ، فإن صفائح silyl الثلاثية تكون محبة للكهرباء لدرجة أنها تتفاعل 10 ⁸ إلى 10 ⁹مرات أسرع من كلوريدات silyl مع nucleophiles المحتوية على الأكسجين. Trimethylsilyl triflate هو على وجه الخصوص حمض لويس جيد جدًا ويستخدم لتحويل مركبات الكربونيل إلى acetals و silyl enol ethers ، تفاعلها معًا بشكل مشابه لتفاعل ألدول . ^[89]

تتكون روابط Si-C بشكل شائع من ثلاث طرق. في المختبر ، غالبًا ما يتم التحضير بكميات صغيرة عن طريق تفاعل رباعي كلورو سيلان (رباعي كلوريد السيليكون) مع الكواشف العضوية ، أو Grignard ، أو كواشف الألمنيوم العضوي ، أو عن طريق الإضافة الحفزية لـ Si – H عبر الروابط المزدوجة C = C. المسار الثاني له عيب يتمثل في عدم قابليته للتطبيق على أهم السيلانات ، سيلانات الميثيل والفينيل. يتم تصنيع السيلان العضوي صناعياً عن طريق التفاعل المباشر مع هاليدات الألكيل أو الأريل مع السيليكون بنسبة 10٪ بالوزن من النحاس المعدنيكمحفز. تكفي التفاعلات العضوية القياسية لإنتاج العديد من المشتقات ؛ غالبًا ما تكون السيلانات العضوية الناتجة أكثر تفاعلًا بشكل ملحوظ من متجانسات الكربون الخاصة بها ، وتخضع بسهولة للتحلل المائي ، وتحلل الأمونيا ، وتحلل الكحول ، والتكثيف لتشكيل أوليغومرات دورية أو بوليمرات خطية. ^[88]

بوليمرات السيليكون

تم استخدام كلمة "سيليكون" لأول مرة بواسطة فريدريك كيبينج في عام 1901. اخترع الكلمة لتوضيح تشابه الصيغ الكيميائية بين Ph ₂ SiO و benzophenone ، Ph ₂ CO ، على الرغم من أنه أكد أيضًا على عدم وجود تشابه كيميائي بسبب البنية البوليمرية من Ph ₂ SiO ، والتي لا يتم مشاركتها بواسطة Ph ₂ CO. ^[88]

يمكن اعتبار السيليكون مشابهًا للسيليكات المعدنية ، حيث تتوافق مجموعات الميثيل في السيليكون مع isoelectronic O ^- للسيليكات. ^[88] وهي مستقرة تمامًا في درجات الحرارة القصوى والأكسدة والماء ، ولها خصائص مفيدة في العزل الكهربائي ، ومضادة للعرق ، ومضادة للرغوة. علاوة على ذلك ، فهي مقاومة لفترات طويلة من الزمن للأشعة فوق البنفسجية والعوامل الجوية ، وهي خاملة من الناحية الفسيولوجية. إنها غير تفاعلية إلى حد ما ، ولكنها تتفاعل مع المحاليل المركزة التي تحمل أيون الهيدروكسيد وعوامل الفلور ، وفي بعض الأحيان ، يمكن استخدامها ككاشفات خفيفة للتوليفات الانتقائية. على سبيل المثال ، (Me ₃ Si) ₂ O ذو قيمة لتحضير مشتقات الموليبدينوموأوكسي هاليدات التنجستن ، وتحويل معلق سداسي كلوريد التنجستن في محلول ثنائي كلورو الإيثان من الناحية الكمية إلى WOCl ₄ في أقل من ساعة عند درجة حرارة الغرفة ، ثم إلى الأصفر WO ₂ Cl ₂ عند 100 درجة مئوية في البترول الخفيف بمعدل 95٪ بين عشية وضحاها. ^[88]

حدوث

السيليكون هو العنصر الثامن الأكثر وفرة في الكون ، ويأتي بعد الهيدروجين والهيليوم والكربون والنيتروجين والأكسجين والحديد والنيون . لا يتم تكرار هذه الوفرة بشكل جيد على الأرض بسبب الفصل الكبير للعناصر التي تحدث أثناء تكوين النظام الشمسي . يشكل السيليكون 27.2٪ من قشرة الأرض من حيث الوزن ، ويحتل المرتبة الثانية بعد الأكسجين بنسبة 45.5٪ ، والذي يرتبط به دائمًا في الطبيعة. حدث المزيد من التجزئة في تكوين الأرض عن طريق التمايز الكوكبي : لب الأرض، التي تشكل 31.5٪ من كتلة الأرض ، لها تركيب تقريبي Fe ₂₅ Ni ₂ Co _0.1 S ₃ ؛ يشكل الوشاح 68.1٪ من كتلة الأرض ويتكون في الغالب من أكاسيد وسيليكات أكثر كثافة ، ومثال على ذلك الزبرجد الزيتوني (Mg ، Fe) ₂ SiO ₄ ؛ بينما المعادن السليكونية الأخف مثل الألومينوسيليكات ترتفع إلى السطح وتشكل القشرة ، وتشكل 0.4٪ من كتلة الأرض. ^{[90] [91]}

يعتمد تبلور الصخور النارية من الصهارة على عدد من العوامل ؛ من بينها التركيب الكيميائي للصهارة ، ومعدل التبريد ، وبعض خصائص المعادن الفردية التي سيتم تكوينها ، مثل طاقة الشبكة ، ونقطة الانصهار ، وتعقيد هيكلها البلوري. عندما يتم تبريد الصهارة ، يظهر الزبرجد الزيتوني أولاً ، يليه البيروكسين ، الأمفيبول ، البيوتايت الميكا ، الفلسبار الأورثوكلاز ، الميكا المسكوفيت ، الكوارتز ، الزيوليت ، وأخيراً المعادن الحرارية المائية. يوضح هذا التسلسل اتجاهًا نحو وحدات السيليكات المعقدة بشكل متزايد مع التبريد ، وإدخالهيدروكسيد وأنيونات الفلورايد بالإضافة إلى أكاسيد. قد تحل العديد من المعادن محل السيليكون. بعد أن تخضع هذه الصخور النارية للعوامل الجوية والنقل والترسيب ، تتشكل الصخور الرسوبية مثل الطين والصخر الزيتي والحجر الرملي. قد يحدث التحول أيضًا في درجات حرارة وضغوط عالية ، مما ينتج عنه مجموعة متنوعة أكبر من المعادن. ^[90]

هناك أربعة مصادر لتدفقات السيليكون في المحيط تشمل التجوية الكيميائية للصخور القارية ، والنقل النهري ، وتفكك السيليكات الأرضية القارية ، ومن خلال التفاعل بين البازلت البحري والسائل الحراري المائي الذي يطلق السيليكون المذاب. كل هذه التدفقات الأربعة مترابطة في الدورة البيوجيوكيميائية للمحيط حيث تشكلت جميعها في البداية من التجوية في قشرة الأرض. ^[92]

يترسب ما يقرب من 300-900 ميغا طن من الغبار الأيولي في محيطات العالم كل عام. من هذه القيمة ، 80-240 ميغا طن في شكل جزيئات السيليكون. لا يزال المبلغ الإجمالي لترسبات السيليكون الجسيمية في المحيط أقل من كمية تدفق السيليكون إلى المحيط عبر النقل النهري. ^[٩٣] المدخلات الإيولية للسيليكون الصخري في شمال المحيط الأطلسي ومحيطات شمال المحيط الهادئ الغربية هي نتيجة لاستقرار الغبار على المحيطات من الصحراء الكبرى وصحراء جوبي ، على التوالي. ^[92] النقل النهري هو المصدر الرئيسي لتدفق السيليكون إلى المحيط في المناطق الساحلية ، بينما يتأثر ترسب السيليكون في المحيط المفتوح بشكل كبير بترسيب الغبار الإيولياني. ^[93]

إنتاج

يتم تصنيع السيليكون بنقاوة 96-99٪ عن طريق اختزال الكوارتزيت أو الرمل بفحم الكوك عالي النقاء . يتم إجراء الاختزال في فرن القوس الكهربائي ، مع استخدام فائض من SiO ₂ لمنع كربيد السيليكون (SiC) من التراكم: ^[27]

SiO ₂ + 2 C → Si + 2 CO

2 SiC + SiO ₂ → 3 Si + 2 CO

يتم إجراء هذا التفاعل ، المعروف باسم الاختزال الكربوني الحراري لثاني أكسيد السيليكون ، في وجود الحديد الخردة بكميات منخفضة من الفوسفور والكبريت ، مما ينتج عنه السيليكون الحديدي . ^[27] Ferrosilicon ، سبيكة من الحديد والسيليكون تحتوي على نسب متفاوتة من عنصر السيليكون والحديد ، تمثل حوالي 80٪ من الإنتاج العالمي للسيليكون الأولي ، حيث توفر الصين ، المورد الرئيسي للسيليكون الأولي ، 4.6 مليون طن (أو 2) / 3 من الناتج العالمي) من السيليكون معظمه في شكل الفيروسيليكون. تليها روسيا (610.000 طن) والنرويج (330.000 طن) والبرازيل (240.000 طن) والولايات المتحدة (170.000 طن). ^[94]يتم استخدام الفيروزيليكون بشكل أساسي في صناعة الحديد والصلب (انظر أدناه ) مع الاستخدام الأساسي كإضافة سبائك في الحديد أو الفولاذ ولإزالة أكسدة الفولاذ في مصانع الصلب المتكاملة. ^[27]

تفاعل آخر ، يستخدم أحيانًا ، هو الاختزال الحراري للألمنيوم لثاني أكسيد السيليكون ، على النحو التالي: ^[95]

3 SiO ₂ + 4 Al → 3 Si + 2 Al ₂ O ₃

ينتج عن مسحوق الترشيح 96-97٪ من السيليكون النقي مع الماء 98.5٪ من السيليكون النقي ، والذي يستخدم في الصناعة الكيميائية. ومع ذلك ، هناك حاجة إلى قدر أكبر من النقاء لتطبيقات أشباه الموصلات ، وينتج ذلك من تقليل رباعي كلورو سيلان (رباعي كلوريد السيليكون) أو ثلاثي كلورو سيلان . الأول مصنوع عن طريق معالجة خردة السيليكون بالكلور والأخير منتج ثانوي لإنتاج السيليكون . هذه المركبات متطايرة وبالتالي يمكن تنقيتها عن طريق التقطير التجزيئي المتكرر ، متبوعًا بالاختزال إلى عنصر السيليكون باستخدام معدن الزنك النقي جدًا كعامل اختزال. يتم صهر القطع الإسفنجية من السيليكون الناتجة ثم تنميتها لتشكيل بلورات أسطوانية مفردة ، قبل تنقيتها بواسطةتكرير المنطقة . تستخدم الطرق الأخرى التحلل الحراري لسيلان أو رباعي يودوسيلان ( SiI
₄). عملية أخرى مستخدمة هي تقليل سداسي فلورو سيليكات الصوديوم ، وهو منتج نفايات شائع في صناعة الأسمدة الفوسفاتية ، بواسطة الصوديوم المعدني : هذا طارد للحرارة بدرجة عالية وبالتالي لا يحتاج إلى مصدر خارجي للوقود. يمكن إنتاج الهياكل النانوية للسيليكون مباشرة من السيليكا باستخدام العمليات الحرارية المعدنية التقليدية ، أو طرق تصنيع الاحتراق. يمكن استخدام مواد السيليكون ذات البنية النانوية هذه في تطبيقات وظيفية مختلفة بما في ذلك أنود بطاريات أيون الليثيوم ، أو تطبيقات التحفيز الكهربائي.

يتم تصنيع السيليكون عالي الدقة بدرجة نقاء أعلى من أي مادة أخرى تقريبًا: يتطلب إنتاج الترانزستور مستويات شوائب في بلورات السيليكون أقل من جزء واحد لكل 10 ¹⁰ ، وفي حالات خاصة تكون هناك حاجة إلى مستويات شوائب أقل من جزء واحد لكل 10 ^{12 . [27]} يمكن إنتاج الهياكل النانوية للسيليكون مباشرة من رمل السيليكا باستخدام طريقة الاحتراق. يمكن استخدام مواد السيليكون ذات البنية النانوية هذه كأنود لبطاريات الليثيوم أيون (LIBs). ^[96]

التطبيقات

المركبات

يتم استخدام معظم السيليكون صناعيًا دون أن يتم تنقيته ، وفي الواقع ، غالبًا مع معالجة قليلة نسبيًا من شكله الطبيعي. يتكون أكثر من 90٪ من قشرة الأرض من معادن السيليكات ، وهي مركبات من السيليكون والأكسجين ، وغالبًا مع أيونات معدنية عندما تتطلب أنيونات السيليكات سالبة الشحنة الكاتيونات لموازنة الشحنة. العديد منها لها استخدامات تجارية مباشرة ، مثل الطين ورمل السيليكا ومعظم أنواع حجر البناء. وبالتالي ، فإن الغالبية العظمى من استخدامات السيليكون هي مركبات هيكلية ، إما معادن السيليكات أو السيليكا (ثاني أكسيد السيليكون الخام). تستخدم السيليكات في صناعة الأسمنت البورتلاندي (المصنوع في الغالب من سيليكات الكالسيوم) والذي يستخدم في بناء الملاط والجص الحديث.، ولكن الأهم من ذلك ، أن يتم دمجه مع رمال السيليكا والحصى (عادةً ما يحتوي على معادن السيليكات مثل الجرانيت) ، لصنع الخرسانة التي تشكل أساس معظم مشاريع البناء الصناعية الأكبر في العالم الحديث. ^[97]

تستخدم السيليكا في صناعة طوب النار وهو نوع من السيراميك. توجد معادن السيليكات أيضًا في السيراميك الأبيض ، وهي فئة مهمة من المنتجات التي تحتوي عادةً على أنواع مختلفة من معادن الطين المحروق (صفائح الألمنيوم الطبيعية). ومن الأمثلة على ذلك الخزف ، الذي يعتمد على معدن السيليكات الكاولينيت . الزجاج التقليدي (زجاج الصودا والجير القائم على السيليكا ) يعمل أيضًا بالعديد من الطرق نفسها ، ويستخدم أيضًا للنوافذ والحاويات. بالإضافة إلى ذلك ، يتم استخدام الألياف الزجاجية المتخصصة القائمة على السيليكا للألياف الضوئية ، وكذلك لإنتاج الألياف الزجاجية للدعم الهيكلي والصوف الزجاجي للعزل الحراري.

غالبًا ما تستخدم السيليكون في معالجات العزل المائي ، ومركبات التشكيل ، وعوامل تحرير القوالب ، وموانع التسرب الميكانيكية ، وشحوم وشموع درجات الحرارة المرتفعة ، ومركبات السد . يستخدم السيليكون أحيانًا أيضًا في زراعة الثدي والعدسات اللاصقة والمتفجرات والألعاب النارية . ^[98] تم صنع المعجون السخيف في الأصل عن طريق إضافة حمض البوريك إلى زيت السيليكون . ^[99] تعمل مركبات السيليكون الأخرى كمواد كاشطة عالية التقنية وسيراميك جديد عالي القوة يعتمد على كربيد السيليكون . السيليكون هو أحد مكونات بعض السبائك الفائقة .

سبائك

يضاف عنصر السيليكون إلى الحديد الزهر المصهور مثل سبائك الحديدوزيليكون أو سبائك السيليكون كالسيوم لتحسين الأداء في صب المقاطع الرقيقة ومنع تكون السمنتيت عند تعرضها للهواء الخارجي. يعمل وجود عنصر السيليكون في الحديد المنصهر كمغسلة للأكسجين ، بحيث يمكن التحكم بشكل أكبر في محتوى الكربون الصلب ، والذي يجب أن يظل ضمن حدود ضيقة لكل نوع من أنواع الفولاذ. يعد إنتاج واستخدام السيليكون الحديدي مراقبًا لصناعة الصلب ، وعلى الرغم من أن هذا الشكل من عنصر السيليكون غير نقي تمامًا ، إلا أنه يمثل 80٪ من استخدام العالم للسيليكون الحر. يعد السيليكون مكونًا مهمًا من مكونات الفولاذ الكهربائي ، حيث يعدل مقاومته ومغناطيسه المغناطيسيةملكيات.

يمكن استخدام خواص السيليكون لتعديل السبائك بمعادن غير الحديد. السيليكون "المعدني" هو سيليكون بنقاوة 95-99٪. يذهب حوالي 55 ٪ من الاستهلاك العالمي للسيليكون المعدني النقي لإنتاج سبائك الألومنيوم والسيليكون (سبائك السيليكون) لقوالب أجزاء الألومنيوم ، لاستخدامها بشكل أساسي في صناعة السيارات . تكمن أهمية السيليكون في صب الألمنيوم في أن كمية عالية بشكل ملحوظ (12٪) من السيليكون في الألومنيوم تشكل خليط سهل الانصهار يتجمد مع تقلص حراري ضئيل للغاية. هذا يقلل بشكل كبير من التمزق والشقوق المتكونة من الإجهاد حيث أن سبائك الصب تبرد إلى الصلابة. يحسن السيليكون أيضًا صلابة الألمنيوم بشكل كبير وبالتالي مقاومة التآكل. ^[100][101]

إلكترونيات

يبقى معظم عنصر السيليكون المنتج على شكل سبيكة حديدية ، ويتم تكرير 20٪ منه فقط إلى درجة نقاء المعادن (إجمالي 1.3-1.5 مليون طن متري / سنة). ما يقدر بـ 15 ٪ من الإنتاج العالمي من السيليكون المعدني يتم تكريره إلى درجة نقاء أشباه الموصلات. ^[101] هذا عادةً هو "9-9" أو 99.9999999٪ نقاء ، ^[102] مادة بلورية مفردة خالية تقريبًا من العيوب . ^[103]

عادة ما يتم إنتاج السيليكون أحادي البلورية بهذا النقاء بواسطة عملية Czochralski ، ويستخدم لإنتاج رقائق السيليكون المستخدمة في صناعة أشباه الموصلات ، وفي الإلكترونيات ، وفي بعض التطبيقات الكهروضوئية عالية التكلفة وعالية الكفاءة . ^[104] السيليكون النقي هو أحد أشباه الموصلات الجوهرية ، مما يعني أنه على عكس المعادن ، فإنه يقوم بتوصيل الثقوب الإلكترونية والإلكترونات المنبعثة من الذرات عن طريق الحرارة. تزداد الموصلية الكهربائية للسيليكون مع ارتفاع درجات الحرارة. يحتوي السيليكون النقي على موصلية منخفضة جدًا (أي مقاومة عالية جدًا) لاستخدامه كعنصر دائرة في الإلكترونيات. في الممارسة العملية ، يتم تخدير السيليكون النقي بتركيزات صغيرة من بعض العناصر الأخرى ، مما يزيد بشكل كبير من الموصلية ويضبط استجابته الكهربائية من خلال التحكم في عدد وشحنة ( موجبة أو سالبة ) من الموجات الحاملة المنشطة. يعد هذا التحكم ضروريًا للترانزستورات والخلايا الشمسية وأجهزة الكشف عن أشباه الموصلات وغيرها من أجهزة أشباه الموصلات المستخدمة في صناعة الكمبيوتر والتطبيقات التقنية الأخرى. ^[105] في ضوئيات السليكون ، يمكن استخدام السيليكون كوسط ليزر رامان ذو موجة مستمرة لإنتاج ضوء متماسك.^[106]

في الدوائر المتكاملة المشتركة ، تعمل رقاقة من السيليكون أحادي البلورية كدعم ميكانيكي للدوائر ، والتي يتم إنشاؤها عن طريق المنشطات والمعزولة عن بعضها بواسطة طبقات رقيقة من أكسيد السيليكون ، وهو عازل يتم إنتاجه بسهولة على أسطح Si عن طريق عمليات الأكسدة الحرارية أو الأكسدة الموضعية (LOCOS) ، والتي تتضمن تعريض العنصر للأكسجين في ظل الظروف المناسبة التي يمكن التنبؤ بها من خلال نموذج Deal-Grove . أصبح السيليكون المادة الأكثر شيوعًا لكل من أشباه الموصلات عالية الطاقة والدوائر المتكاملة لأنه يمكنه تحمل أعلى درجات الحرارة وأكبر نشاط كهربائي دون التعرض لانهيار الانهيار الجليدي (يتم إنشاء الانهيار الإلكترونى عندما تنتج الحرارة إلكترونات حرة وثقوبًا ، والتي بدورها تمر بمزيد من التيار ، مما ينتج المزيد من الحرارة). بالإضافة إلى ذلك ، فإن أكسيد السيليكون العازل غير قابل للذوبان في الماء ، مما يمنحه ميزة على الجرمانيوم (عنصر له خصائص مماثلة يمكن استخدامه أيضًا في أجهزة أشباه الموصلات) في بعض تقنيات التصنيع. ^[107]

يعد إنتاج السيليكون أحادي البلورية مكلفًا ، وعادة ما يكون له ما يبرره فقط في إنتاج الدوائر المتكاملة ، حيث يمكن أن تتداخل عيوب البلورات الدقيقة مع مسارات الدوائر الصغيرة. للاستخدامات الأخرى ، يمكن استخدام أنواع أخرى من السيليكون النقي. يشمل ذلك السيليكون غير المتبلور المهدرج والسيليكون المعدني المطوّر (UMG-Si) المستخدم في إنتاج إلكترونيات منخفضة التكلفة وذات مساحة كبيرة في تطبيقات مثل شاشات العرض البلورية السائلة والشاشات الشمسية ذات الأغشية الرقيقة منخفضة التكلفة وذات التكلفة المنخفضة الخلايا. درجات أشباه الموصلات من السيليكون إما أقل نقاءًا أو متعددة البلورات بدلاً من أحادية البلورية ، ويتم إنتاجها بكميات مماثلة مثل السيليكون أحادي البلورية: 75.000 إلى 150.000 طن متري سنويًا. ينمو سوق الدرجة الأقل بسرعة أكبر من سوق السيليكون أحادي البلورية. بحلول عام 2013 ، كان من المتوقع أن يصل إنتاج السيليكون متعدد الكريستالات ، المستخدم في الغالب في الخلايا الشمسية ، إلى 200000 طن متري سنويًا ، بينما كان من المتوقع أن يظل السيليكون أحادي البلورية من الدرجة شبه الموصلة أقل من 50000 طن سنويًا. ^[101]

النقاط الكمومية

يتم إنشاء النقاط الكمومية للسيليكون من خلال المعالجة الحرارية لسيلسكويكسان الهيدروجين إلى بلورات نانوية تتراوح من بضعة نانومترات إلى بضعة ميكرونات ، مما يعرض خصائص الإنارة المعتمدة على الحجم. ^{[108] [109]} تعرض البلورات النانوية تحولات كبيرة في ستوكس حيث تقوم بتحويل الفوتونات في نطاق الأشعة فوق البنفسجية إلى فوتونات في المرئية أو الأشعة تحت الحمراء ، اعتمادًا على حجم الجسيمات ، مما يسمح بالتطبيقات في شاشات النقاط الكمومية والمركزات الشمسية المضيئة نظرًا لقصورها الذاتي استيعاب. فائدة استخدام النقاط الكمومية القائمة على السيليكون على الكادميوم أو الإنديومهي طبيعة السيليكون غير السامة والخالية من المعادن. ^{[110] [111]} تطبيق آخر للنقاط الكمومية للسيليكون هو استشعار المواد الخطرة. تستفيد المستشعرات من خصائص الإنارة للنقاط الكمومية من خلال إخماد اللمعان الضوئي في وجود المادة الخطرة. ^[112] هناك العديد من الطرق المستخدمة لاستشعار المواد الكيميائية الخطرة منها نقل الإلكترون ، ونقل طاقة الرنين الفلوري ، وتوليد التيار الضوئي. ^[113] يحدث التبريد بنقل الإلكترون عندما يكون المدار الجزيئي الأدنى غير مشغول(LUMO) أقل قليلاً في الطاقة من نطاق التوصيل لنقطة الكم ، مما يسمح بنقل الإلكترونات بين الاثنين ، مما يمنع إعادة اتحاد الثقوب والإلكترونات داخل البلورات النانوية. يمكن أيضًا تحقيق التأثير بشكل عكسي بجزيء مانح له أعلى مدار جزيئي مشغول (HOMO) أعلى قليلاً من حافة نطاق التكافؤ للنقطة الكمية ، مما يسمح للإلكترونات بالانتقال بينها ، وملء الثقوب ومنع إعادة التركيب. يحدث نقل طاقة الرنين الفلوري عندما يتشكل مركب بين النقطة الكمومية وجزيء التبريد. سيستمر المركب في امتصاص الضوء ولكن عندما يتم تحويل الطاقة إلى الحالة الأرضية ، فإنه لا يطلق فوتونًا ، مما يؤدي إلى إخماد المادة. الطريقة الثالثة تستخدم نهجًا مختلفًا عن طريق قياسالتيار الضوئي المنبعث من النقاط الكمومية بدلاً من مراقبة العرض الضوئي. إذا زاد تركيز المادة الكيميائية المرغوبة ، فإن التيار الضوئي المنبعث من البلورات النانوية سيتغير في الاستجابة. ^[114]

الدور البيولوجي

على الرغم من توفر السيليكون بسهولة في شكل سيليكات ، إلا أن عددًا قليلاً جدًا من الكائنات الحية يستخدمه بشكل مباشر. تستخدم الدياتومات والراديولاريا والإسفنج السليكي السيليكا الحيوي كمواد هيكلية لهياكلها العظمية. في النباتات الأكثر تقدمًا ، تعتبر حصوات السيليكا النباتية (opal phytoliths ) أجسامًا مجهرية صلبة تحدث في الخلية ؛ تحتاج بعض النباتات ، مثل الأرز ، إلى السيليكون لنموها. ^{[115] [116] [117]} لقد ثبت أن السيليكون يحسن قوة جدار الخلية النباتية والسلامة الهيكلية في بعض النباتات. ^{[118] [117]}

من المعروف أن العديد من المحاصيل البستانية تحمي نفسها من مسببات الأمراض الفطرية للنباتات بالسيليكون ، لدرجة أن استخدام مبيدات الفطريات قد يفشل ما لم يرافقها تغذية كافية بالسيليكون. تعمل جزيئات دفاع النبات السيليكاسي على تنشيط بعض الفيتوالكسينات ، مما يعني أن بعضها يشير إلى مواد تنتج مناعة مكتسبة . عند الحرمان ، ستحل بعض النباتات محل زيادة إنتاج المواد الدفاعية الأخرى. ^[117]

التأثيرات الميكروبية البحرية

تستخدم الدياتومات السيليكون في شكل السيليكا الحيوية (BSIO ₂ ) ، ^[119] والذي يتم تناوله بواسطة بروتين نقل السيليكون (SIT) ليتم استخدامه في الغالب في بنية جدار الخلية مثل frustules. ^[120] يدخل السيليكون المحيط في صورة ذائبة مثل حمض السيليك أو السيليكات. ^[121] نظرًا لأن الدياتومات هي أحد المستخدمين الرئيسيين لهذه الأشكال من السيليكون ، فإنها تساهم بشكل كبير في تركيز السيليكون في جميع أنحاء المحيط. يشكل السيليكون مظهرًا شبيهًا بالمغذيات في المحيط بسبب إنتاجية المشطورة في الأعماق الضحلة. ^[١٢٠] لذلك ، تركيز أقل للسيليكون في أعالي المحيط وتركيزات أكثر للسيليكون في أعماق / أسفل المحيط.

تساهم إنتاجية الدياتوم في الجزء العلوي من المحيط في زيادة كمية السيليكون المصدرة إلى قاع المحيط. ^[122] عندما تتحلل خلايا الدياتوم في أعالي المحيط ، يتم نقل مغذياتها مثل الحديد والزنك والسيليكون إلى قاع المحيط من خلال عملية تسمى الثلج البحري. ينطوي الثلج البحري على نقل الجسيمات العضوية إلى الأسفل عن طريق الخلط الرأسي للمواد العضوية الذائبة. ^[123] لقد تم اقتراح أن السليكون مهم لإنتاج الدياتوم وطالما أن هناك حمض السيليك متاح لاستخدام الدياتومات ، يمكن أن تساهم الدياتومات في تركيزات المغذيات الهامة الأخرى في أعماق المحيط أيضًا. ^[124]

في المناطق الساحلية ، تعمل الدياتومات باعتبارها الكائنات الحية العوالق النباتية الرئيسية وتساهم بشكل كبير في إنتاج السيليكا الحيوي. ومع ذلك ، في المحيطات المفتوحة ، تلعب الدياتومات دورًا منخفضًا في إنتاج السيليكا السنوي العالمي. تساهم الدياتومات في الدوامات شبه الاستوائية في شمال المحيط الأطلسي وشمال المحيط الهادئ بحوالي 5-7٪ فقط من إنتاج السيليكا البحري السنوي العالمي. ينتج المحيط الجنوبي حوالي ثلث السيليكا البحرية العالمية. ^[92] يشار إلى المحيط الجنوبي بوجود "انقسام بيوجيوكيميائي" ^[125] حيث يتم نقل كميات ضئيلة فقط من السيليكون خارج هذه المنطقة.

التغذية البشرية

هناك بعض الأدلة على أن السيليكون مهم لصحة الإنسان لأنسجة الأظافر والشعر والعظام والجلد ، ^[126] على سبيل المثال ، في الدراسات التي تثبت أن النساء في فترة ما قبل انقطاع الطمث اللائي يتناولن كميات كبيرة من السيليكون لديهن كثافة عظام أعلى ، وأن مكملات السيليكون يمكن أن يزيد من حجم وكثافة العظام لدى مرضى هشاشة العظام . ^[127] هناك حاجة للسيليكون لتخليق الإيلاستين والكولاجين ، حيث يحتوي الشريان الأورطي على أكبر كمية في جسم الإنسان ، ^[128] وقد تم اعتباره عنصرًا أساسيًا . ^[129]ومع ذلك ، من الصعب إثبات أهميتها ، لأن السيليكون شائع جدًا ، وبالتالي يصعب تكاثر أعراض النقص. ^{[130] [131]}

السيليكون قيد الدراسة حاليًا لرفع مستوى "المادة المفيدة النباتية من قبل رابطة مسؤولي مراقبة الأغذية النباتية الأمريكية (AAPFCO)". ^{[132] [133]}

الأمان

قد يتعرض الناس لعنصر السيليكون في مكان العمل عن طريق استنشاقه أو ابتلاعه أو ملامسته للجلد أو العين. في الحالتين الأخيرتين ، يشكل السيليكون خطرًا طفيفًا كمسبب للتهيج. إنه خطير إذا تم استنشاقه. ^[١٣٤] حددت إدارة السلامة والصحة المهنية (OSHA) الحد القانوني للتعرض للسيليكون في مكان العمل على أنه 15 مجم / م ³ إجمالي التعرض و 5 مجم / م ³ تعرض الجهاز التنفسي على مدار ثماني ساعات يوم عمل. وضع المعهد الوطني للسلامة والصحة المهنية (NIOSH) حدًا موصى به للتعرض (REL) يبلغ 10 مجم / م ³ إجمالي التعرض و 5 مجم / م ³التعرض التنفسي على مدى ثماني ساعات يوم عمل. ^[135] قد يؤدي استنشاق غبار السيليكا البلوري إلى الإصابة بالسحار السيليسي ، وهو مرض رئوي مهني يتميز بالتهاب وتندب على شكل آفات عقيدية في الفصوص العلوية من الرئتين . ^[136]

انظر أيضا

المراجع