دانشچی پورتال جامع تحقیق و مقاله، مطالب علمی و هنری ، وبگردی و…
همه چیز درباره سیلسیم (Si)
سیلسیم، (به انگلیسی : Silicon) با علامت اختصاری Si و عدد اتمی ۱۴، عنصری از جدول تناوبی در دسته شبه فلزها است که در ادامه بیشتر با آن آشنا می شوید. با دانشچی همراه باشید.
واکنش پذیری این عنصر کمتر از کربن نافلز هم گروه و بالاسری خود است ولی واکنش پذیری آن از ژرمانیم شبه فلز پایین دستی اش بیشتر است. ستیز بر سر ویژگی‌های سیلیسیم به روزهای نخست که آن را پیدا کردند بازمی‌گردد. نخستین بار سیلیسیم در سال ۱۸۲۴ به صورت پالوده (خالص) فراوری شد.
نام آن از واژهٔ لاتین silicis سیلیس به معنی سنگ چخماق گرفته شده‌است و -ium که در انتهای آن گذاشته شده برای اشاره به ویژگی‌های فلزی آن است، پسوندی که در بسیاری زبان‌های غیر انگلیسی کاربرد دارد. البته نامی که در انگلیسی برای آن بکار می‌رود Silicon است که برای همانندی با دیگر نافلزها مانند کربن برگزیده شده‌است. این تغییر نام در سال ۱۸۳۵ پیشنهاد شد.
سیلیسیم از دید فراوانی برپایهٔ جرم، هشتمین عنصر فراوان در جهان است. البته به سختی می‌توان آن را به صورت خالص و آزاد در طبیعت پیدا کرد. سیلیسیم را بیشتر می‌توان در گرد و غبار، ماسه، سیارک‌ها و سیاره‌ها و در قالب سیلیسیم دی اکسید یا سیلیکات‌ها پیدا کرد. بیش از ۹۰٪ پوستهٔ زمین از کانی‌های سیلیکات ساخته شده‌است به همین دلیل سیلیس پس از اکسیژن فراوان‌ترین ماده در پوستهٔ زمین است (نزدیک به ۲۸٪ بر پایهٔ جرم)
شناسنامه سیلسیم
عدد اتمی: ۱۴
جرم اتمی: ۲۸.۰۸۶
نقطه ذوب : C°۱۴۱۴
نقطه جوش : C°۳۲۶۵
شعاع اتمی : Å ۱.۴۶
ظرفیت: ۴+
رنگ: خاکستری تیره
حالت استاندارد: جامد در ۲۹۸ k
نام گروه: ۱۴
انرژی یونیزاسیون : Kj/mol 786.5
شکل الکترونی: ۱s2 2s2p6 3s2p2 1
شعاع یونی : Å ۰.۴
الکترونگاتیوی: ۱.۹۰
حالت اکسیداسیون: ۲, ۴, -۴
دانسیته: ۲.۳۳
گرمای فروپاشی : Kj/mol 50.55
گرمای تبخیر : Kj/mol 384.22
گرمای ویژه: J/g Ko 0.71
دوره تناوبی: ۳
ویژگی های سیلسیم
سیلیسیم در دمای اتاق جامد است و نقطهٔ ذوب و جوش بسیار بالایی دارد. این نقطه‌ها به ترتیب عبارتند از ۱٬۴۰۰ و ۲٬۸۰۰ درجهٔ سانتیگراد. نکتهٔ جالب دربارهٔ سیلیسیم این است که این ماده در حالت مایع چگالی بیشتری نسبت به حالت جامد دارد درنتیجه رفتار این ماده هنگام یخ زدن (جامد شدن) مانند رفتار معمول در دیگر ماده‌ها، با کاهش حجم همراه نیست بلکه حجم آن افزایش می‌یابد مانند آب که پس از یخ زدگی جرم در یکای حجمش کاهش می‌یابد و چگالی اش از آب مایع کمتر میشود. سیلیسیم رسانایی گرمایی بالایی دارد و اندازهٔ آن ۱۴۹ W·m−۱·K−۱ است. برای همین در پوشش جسم‌های داغ کاربردی ندارد.
سیلیسیم پالوده (خالص) در حالت بلوری به رنگ خاکستری است و جلای فلزی دارد. مانند ژرمانیم سخت و بسیار تُرد است و برای تراشه (ورقه ورقه) شدن مناسب است. سیلیسیم مانند کربن و ژرمانیم هنگام بلوری شدن ساختاربلوری الماس را می‌پذیرد و فاصله‌ها در شبکهٔ بندی آن تقریباً ۰٫۵۴۳۰۷۱۰ nm یا ۵٫۴۳۰۷۱۰ Å است.
ابر الکترونی بیرونی سیلیسیم مانند کربن چهار الکترون در لایهٔ آخر دارد. لایه‌های ۱s،۲s،۲p و ۳s سراسر پر شده‌اند درحالی که لایهٔ ۳p تنها دو جا از ۶ جای آن پر شده‌است.
سیلیسیم یک نیمه‌رسانا است. ضریب دمایی مقاومت الکتریکی این ماده منفی است چون شمار جابجایی‌کننده‌های (حامل‌های) بارهای آزاد آن با افزایش دما افزایش می‌یابد. مقاومت الکتریکی یک تک‌بلور سیلیسیم در اثر دریافت تنش‌های مکانیکی، تغییر بسیار زیادی میکند.
سیلیسیم یک شبه‌فلز است (نه فلز است نه نافلز، بلکه خواصی شبیه خواص فلزها دارد) و به آسانی چهار الکترون بیرونی خود را به دیگری میدهد یا به اشتراک می‌گذارد و به این وسیله می‌تواند در بسیاری از واکنش‌های شیمیایی راه یابد. سیلیسیم با هالوژن‌ها و قلیاها واکنش میدهد اما بیشتر اسیدها (به جز برخی ترکیب‌های بسیار واکنش دهندهٔ اسید نیتریک و هیدروفلوئوریک اسید) اثری بر روی آن ندارند. با این حال داشتن چهار الکترون در لایهٔ ظرفیت، مانند کربن به سیلیسیم هم این امکان را میدهد تا در شرایط مناسب با بسیاری از عنصرها وارد واکنش شود.
سیلیسیم یکی از عمده ترین دی اکسید کننده ها برای فولاد به شمار می رود. این عنصر حباب های اکسیژن را از فلز مذاب خارج می کند. سیلیسیم عنصری است که در اغلب موارد در تولید فولادهای کشته و نیمه آرام (semi killed) به کار می رود و در شرایط عادی، مقدار آن در ترکیب فولاد کمتر از ۰/۴۰ درصد است. چنانچه به منظور اکسید زدایی افزوده شود، معمولا مقدار این عنصر در فولادهای نورد شده بسیار کم و در حدود ۰/۲۰ درصد خواهد بود. اما برای فولاد ریخته گری ۰/۳۵ تا ۱/۰۰ درصد متداول است.
سیلیسیم در آهن حل می شود و به آن استحکام می بخشد. ممکن است مقدار این عنصر در برخی فلزات پرکننده (الکترودها) برای کاستن از آلودگی و اکسید زدایی سطوح آلوده در جوشکاری تا ۱ درصد برسد. در صورت استفاده از این الکترودها در عملیات جوشکاری بر روی سطوح تمیز، استحکام فلز جوش بطور قابل ملاحظه ای بالا می رود.
سیلیسیم استحکام و سختی را نیز افزایش می دهد، اما در حدی پایین تر از منگنز. همچنین به دلیل کاهش چقرمگی فولاد ممکن است موجب ایجاد ترک شود.
وجود بیش از ۰/۰۴ درصد سیلیسیم در فولاد بر ضخامت لایه پوششی و شکل ظاهری لایه بسیار تاثیر می گذارد. بطوریکه ممکن است لایه ای ضخیم از آلیاژ روی و آهن ایجاد شود که سطحی تیره رنگ و ناخوشایند داشته باشد. شایان ذکر است این پوشش نیز مانند پوشش گالوانیزه صیقلی که لایه بیرونی آن روی خالص است، حفاظت بسیار خوبی را در برابر خوردگی و زنگ زدگی تامین می نماید.
کاربردهای سیلسیم
بیشتر سیلیسیمی که به صورت تجاری کاربرد دارد بدون هیچ گونه جداسازی مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرد و خیلی کم بر روی ترکیب طبیعی آن فراوری صورت می‌گیرد. در بخش صنعت ساختمان و تولید سرامیک هم هنگام کاربرد رس، ماسه و سنگ‌های سیلیسی همین رویکرد وجود دارد.
سیلیکات‌ها برای ملات و اندود گچ و سیمان به سیمان پورتلند می‌روند و پس از آنکه با شن و ماسه‌های سیلیسی آمیخته شدند از آن‌ها بتُنساخته میشود. کاربرد دیگر ماده در سرامیک برخی ابزارهای خانگی مانند پرسلان، شیشه‌های سنتی آهک سوددار با پایهٔ کوارتز و… است.سیلیسیم کاربید از ترکیب‌های امروزی تر سیلیسیم است که از آن سرامیک‌های پرمقاومت ساخته میشود. پلیمرهای با پایهٔ سیلیسیم راسیلیکون می‌نامند.
بیشتر سیلیسیم آزاد در صنعت های پالایش فولاد، ریخته گری آلومینیم و بسیاری صنعت‌های حساس شیمی (مانند سیلیس دودی) کاربرد دارد. کمتر از ۱۰ درصد سیلیسیم در ساخت نیمه رساناها به کار می‌رود. این سیلیسیم که بسیار پالوده شده (درجهٔ خلوص بالا دارد) شاید مهم‌ترین نقش را در اقتصاد دنیا داشته باشد چون صنعت الکترونیک، ساخت تراشه‌های مدار و درنتیجه ساخت بیشتر رایانه‌ها وابسته به آن است.
سیلیسیم در زیست‌شناسی هم عنصری بسیار مهم است هرچند که به نظر میرسد اندازه‌های بسیار کمی از آن در بدن جانوران مورد نیاز باشد. بسیاری از گونه‌های اسفنج های دریایی برای ساختار بدنشان نیازمند سیلیسیم اند همچنین سیلیسیم و سیلیسیک اسید در سوخت و ساز بدن گیاهان بویژه بسیاری از علف‌ها نقشی حیاتی دارند.
ایزوتوپ‌های سیلسیم
در طبیعت سه ایزوتوپ پایدار برای سیلیسیم پیدا میشود: سیلیسیم-۲۷، سیلیسیم-۲۹ و سیلیسیم-۳۰ که سیلیسیم-۲۸ بیشترین فراوانی را دارد (۹۲ درصد). جدای از این‌ها، تنها سیلیسیم-۲۹ در فرایندهای تشدید مغناطیسی هسته‌ای و تشدید پارامغناطیسی الکترون کاربرد دارد.
تاکنون بیست ایزوتوپ پرتوزا شناخته شده‌است که پایدارترین آن‌ها، سیلیسیم-۳۲ با نیمه عمر ۱۷۰ سال است، پس از آن سیلیسیم-۳۱ با نیمه عمر ۱۵۷٫۳ دقیقه پایدارترین است. دیگر ایزوتوپ‌های پرتوزا نیمه عمری کمتر از ۷ ثانیه و البته بیشتر آن‌ها حتی نیمه عمری کوتاه‌تر از یک-دهم ثانیه دارند.
سیلیسیم، هیچ ایزومر هسته‌ای شناخته شده‌ای ندارد. عدد جرمی ایزوتوپ‌های سیلیسیم از ۲۲ تا ۴۴ است. بیشترین واپاشی هسته‌ای دیده شده در میان شش ایزوتوپی که عدد جرمی کمتر از سیلیسیم-۲۸ دارند، β+ بوده‌است که نخست باعث پدیدار گشتن ایزوتوپ‌های آلومینیم (۱۳ پروتون)، به عنوان محصول واپاشی، شده‌است. β− بیشترین واپاشی هسته‌ای دیده شده در ۱۶ ایزوتوپ با عدد جرمی بیشتر از سیلیسیم-۲۸ است که باعث پدیدار شدن ایزوتوپ‌های فسفر (۱۵ پروتون) شده‌است.
اثرات سیلیسیم بر سلامتی انسان
عنصر سیلیسیم ماده ای خنثی است که به نظر میرسد که باعث صدمه به بافت های ریوی می شود. همچنین در جانورانی که در آزمایشگاه نگهداری می شوند، به دلیل واکنش غبار سیلیسیم دچار ضایعه ریوی میشود. اگر مقدار غبار سیلیسیم کمتر از حد تعیین شده باشد، اثر معکوس بر شش ها دارد و به نظر نمیرسد که بیماری مهمی در ششها ایجاد کند یا اثر سمی داشته باشد.
سیلیسیم ممکن است باعث بیماریهای تنفسی مزمن شود. سیسلیسیم بلوری (دی اکسید سیلیسیم) خطر تنفسی زیادی دارد. اما، احتمال تولید سیلیسیم بلوری در یک فرآیند معمولی خیلی بعید به نظر میرسد. مقدار ۳۱۶۰ میلی گرم بر کیلوگرم LD50 اگر خورده شود، در مقایسه با زمانی که از طریق تنفس وارد بدن انسان می شود باعث مرگ ۵۰ درصد جمعیت جانوری می شود. معمولاً میزان سیلیسیم در حدود میلی گرم یا گرم ماده در هر کیلوگرم از وزن جانور می باشد.
بلورهای سیلیسیم باعث تحریک پوست و مشکلات چشمی می شود. تنفس سیلیسیم باعث آسیب به ششها و مخاط دهان میشود. اگر سیلیسیم وارد چشم شود، سبب سرخی و ترشحات اضافی چشم میگردد. سرخی، سوزش و خارش نیز جز التهابهای پوستی است که بر اثرعملکرد سیلیسیم اتفاق می افتد.
سرطان ریه معمولاً در شغلهایی که با ساختاربلوری کوارتز و کریستوبالیت سروکار دارند، اتفاق می افتد. سرطان ریه در شغلهایی مانند مطالعات معدنی، کارگرانی که در زمینهای سیلیسی کار میکنند، یا با گرانیت، سفال و آجر سرو کار دارند، مشاهده می شود.
مطالعات اپیدمی در کارگرانی که با سیلیسیم کار می کنند، انجام شده و از نظر آماری این مطالعات آمار بالایی مرگ و ناهنجاری های ایمنی بدن را در کارگران نشان می دهد. این بیماریها عبارت هستند از بیماری های پوستی مانند زگیل، رماتیسم و التهاب سیستم لنف بدن.
مطالعات اپیدمی اخیر نشان میدهد که در شغلهایی که با سیلیسیم بلوری کار میکنند، بیماریهای کلیوی بروز میکند و بر اثر بیماری کلیوی، سیستم ایمنی بدن دچار مشکل می شود. با به خطر افتادن سیستم ایمنی بدن، احتمال دچار شدن فرد به عفونتهای میکروبی (بیماری مانند سل) و قارچی افزایش می یابد .
در صورتیکه سیلیسیم تنفس شود، بیماریهای تنفسی مانند برونشیت، بیماری انسداد تنفسی مزمن (COPD) و آمفیزم در فرد بروز میکند. مطالعات اپیدمی مشخص میکند که اکثر بیماریهای ذکر شده در افراد غیر سیگاری مشاهده نمی شود.
پیشنهادی: درباره بیماری سل بیشتر بخوانیدعنصر سیلیسیم _ دانشچی
