Силиций (Silicium) е химичен елемент с атомен номер 14 и символ Si, принадлежащ към групата на полуметалите. Той е един от най-разпространените елементи в земната кора и играе ключова роля в природата, биологията и съвременните технологии.
| Силиций | |
 | |
| Информационна таблица | |
| Параметър | Информация |
|---|---|
| Име на елемента (български) | Силиций |
| Латинско / международно наименование | Silicon |
| Химичен символ | Si |
| Пореден номер (атомно число) | 14 |
| Период и група в таблицата | Период 3, група 14 |
| Блок (s, p, d, f) | p-блок |
| Категория / тип елемент | Полуметал (металоид) |
| Атомна маса | 28.085 u |
| Изотопи | ²⁸Si, ²⁹Si, ³⁰Si |
| Средна атомна маса | 28.085 |
| Плътност | 2.3296 g/cm³ |
| Температура на топене | 1414°C |
| Температура на кипене | 3265°C |
| Кристална структура | Диамантоподобна кубична |
| Цвят / външен вид | Сив, с метален блясък |
| Агрегатно състояние при 20°C | Твърдо |
| Откривател / година на откриване | Йонс Якоб Берцелиус, 1824 г. |
| Място на откриване | Швеция |
| Етимология на името | От лат. silex – кремък |
| Химическа формула | Si |
| Окислителни степени | -4, +2, +4 |
| Електронна конфигурация | [Ne] 3s² 3p² |
| Електроотрицателност (Паулинг) | 1.90 |
| Йонизационна енергия | 8.151 eV |
| Ковалентен радиус | 111 pm |
| Атомен радиус | 117 pm |
| Топлопроводимост | 149 W/(m·K) |
| Електрическа проводимост | Полупроводник |
| Магнитни свойства | Диамагнитен |
| Честота в земната кора | 27.7% |
| Основни минерали и съединения | Кварц, фелдшпат, каолин, силициев диоксид |
| Разпространение в природата | Скали, минерали, почви, пясък |
| Основни производители в света | Китай, Русия, Норвегия, Бразилия |
| Основни приложения | Електроника, стъкло, бетон, сплави, силикони |
| Биологично значение | Важен микроелемент за растения и животни |
| Токсичност и безопасност | Нетоксичен; прахът от SiO₂ може да причини силикоза |
| Използване в индустрията | Полупроводници, оптика, химическа промишленост |
| Използване в медицината / фармацията | Биосъвместими силикони и хранителни добавки |
| Ядрени свойства | Изотоп ²⁸Si – основа за метрологични стандарти |
| Наличие във Вселената | 7.2×10⁴ ppm (осмият по изобилие елемент) |
| Методи за рециклиране / повторна употреба | Технологично пречистване и повторна кристализация |
| Глобално годишно производство | Над 8 милиона тона (2024 г.) |
| Научна дисциплина | Химия, физика, геология, електроника |
| CAS номер | 7440-21-3 |
| PubChem CID | 5461123 |
| Класификация по IUPAC | Полуметал |
| Символика и културно значение | Символ на интелекта, технологиите и устойчивостта |
Силицият е основният градивен елемент на минералите, скалите и почвите, а в същото време е сърцето на информационната ера – полупроводников материал, без който не биха съществували компютри, телефони и соларни панели.
Името му произлиза от латинската дума silex – „кремък“. Той е известен на човечеството от праисторически времена, когато се използвал за изработване на оръдия на труда и оръжия, а днес е в основата на дигиталната цивилизация.
Физични и химични свойства
Силицият е твърдо, сиво-черно вещество с метален блясък, но с химично поведение, по-близко до неметалите. При нормални условия е крехък полупроводник с кристална структура, наподобяваща тази на диаманта.
Основни физични характеристики:
- Атомен номер: 14
- Атомна маса: 28.085 u
- Плътност: 2.3296 g/cm³
- Температура на топене: 1414°C
- Температура на кипене: 3265°C
- Топлопроводимост: 149 W/(m·K)
- Цвят: Сив с метален отблясък
- Електропроводимост: Полупроводник, увеличаваща се при нагряване
Химични свойства:
- Възстановява кислород от оксиди и реагира с халогени и метали.
- При нагряване реагира с азот и въглерод, образувайки силициев нитрид (Si₃N₄) и силициев карбид (SiC).
- Въздухът не го окислява при стайна температура, защото се покрива с тънък защитен слой от силициев диоксид (SiO₂).
Историческо откриване
Силициевите съединения са познати от древността – кварцът и пясъкът са били използвани още от египтяните за стъкло и керамика.
През 1824 г. шведският химик Йонс Якоб Берцелиус за първи път изолира почти чист силиций, като редуцира силициев тетрафлуорид с калий. Той го класифицира като нов химичен елемент и му дава името Silicium. Оттогава силицият се превръща в един от най-важните материали за човешката цивилизация.
Разпространение в природата
Силицият е вторият по разпространение елемент в земната кора (след кислорода), съставлявайки около 27.7% от масата ѝ. Той никога не се среща в свободно състояние, а под формата на съединения, най-често силициев диоксид (SiO₂) и силикати.
Основни минерали и съединения:
- Кварц (SiO₂)
- Фелдшпат (KAlSi₃O₈)
- Мика (KAl₂(AlSi₃O₁₀)(OH)₂)
- Оливин, амфибол, каолин и глина
Силициевият диоксид е основен компонент на пясъка и стъклото. Вулканичните скали и гранитите също съдържат големи количества силиций.
Изотопи
Силицият има три стабилни изотопа:
- ²⁸Si (92.23%)
- ²⁹Si (4.67%)
- ³⁰Si (3.10%)
Радиоактивният изотоп ³²Si (с полуживот около 150 години) се използва в геофизиката и изследванията на ерозионни процеси.
Производство и добив
Промишленият силиций се получава чрез възстановяване на кварцов пясък (SiO₂) с въглерод в електрическа пещ при висока температура (над 1800°C): SiO₂ + 2C → Si + 2CO
Полученият силиций се използва като металургичен, химически или електронен според степента на чистота:
- Металургичен силиций (≈98%) – използва се в стомани и алуминиеви сплави.
- Химически силиций (99.9%) – за силикони и химически продукти.
- Електронен силиций (99.9999999%) – в полупроводници и микрочипове.
Приложения
Силицият е основният материал за изработка на микрочипове, процесори и слънчеви клетки. Той е идеален полупроводник, който позволява създаването на транзистори и интегрални схеми. От него произлиза и името на технологичния център „Силициева долина“ (Silicon Valley) в САЩ.
Кварцът и пясъкът се използват за производство на стъкло, бетон, керамика и силикатни тухли. Добавя се в стомани и алуминиеви сплави за повишаване на здравината и устойчивостта. Използва се за производство на силикони – еластични, топлоустойчиви и водоотблъскващи материали, използвани в медицината, козметиката и промишлеността.
От монокристален силиций се изработват оптични елементи и фотоволтаични панели.
Биологично значение
Макар и в малки количества, силицият е важен микроелемент за живите организми. Той участва в изграждането на съединителната тъкан, костите, кожата и ноктите. В растенията подпомага укрепването на клетъчните стени и повишава устойчивостта им на вредители.
Източници на силиций в храната:
- Пълнозърнести храни, овес, ориз
- Зеленчуци (краставици, зеле, лук)
- Минерална вода и билкови чайове
Екологично значение
Силициевите съединения са стабилни и нетоксични. Те изграждат по-голямата част от минералния свят и участват в глобалния геохимичен цикъл. Силициевият диоксид регулира разпределението на въглерода и кислорода в атмосферата и хидросферата.
В океаните силицият е жизнено необходим за диатомните водорасли, които произвеждат значителна част от кислорода на планетата.
Интересни факти
Над 90% от земната кора се състои от силициеви съединения. При чисто изгаряне на силиций се получава блестящ синкав пламък. Един микрочип от компютър съдържа по-малко от 0.2 грама силиций, но може да извършва милиони операции в секунда.
Във Вселената силицият е осмият по разпространение елемент.