Silicijum: karakteristike, karakteristike i primena. O amorfnom silicijum dioksidu Prehrambeni aditiv amorfni silicijum dioksid

Pronalazak se odnosi na tehnologiju hemijske obrade mineralnih sirovina, posebno na metode za proizvodnju visoko dispergovanog silicijum dioksida - analoga bele čađi, koji se koristi kao mineralno punilo u industrijama koje koriste visoko dispergovana punila. Metoda obuhvata faze mlevenja početne sirovine koja sadrži silicijum, koja se koristi kao prirodna stena - dijatomit sa visokim, do 70-75%, sadržajem vezanog amorfnog silicijum dioksida, pripremanje punjenja sa L:S odnosom. od 4-6:1, obrada potonjeg da se dobije rastvor tečnog stakla, odvajanje nastalog taloga, taloženje silicijum dioksida iz nastale tečne faze mineralnom kiselinom korak po korak pod kontrolom pH medijuma, izolovanje rezultirajuće mete proizvod filtriranjem, nakon čega slijedi ponovljeno pranje vodom i sušenje, dok se dijatomejska zemlja drobi da se dobije frakcija finoće mljevenja ne veća od 0,01 mm i prethodno peče na temperaturi od 600-900°C za 1-1,5 sati, a punjenje se obrađuje u kavitirajućoj sredini stvorenoj električnim impulsom ili hidrodinamičkom metodom. Tehnički rezultat pronalaska je pojednostavljenje procesa stvaranjem neautoklavnog, energetski efikasnog procesa i dobijanjem proizvoda sa visokom reaktivnošću i širokim spektrom industrijskih svojstava. 6 plata datoteke, 3 tabele, 4 ilustracije, 13 pr.

Crteži za RF patent 2474535

Amorfni silicijum je višenamenski materijal i koristi se u raznim industrijama. Najviše se koristi za proizvodnju posebne vrste silikonske gume, kao adsorbent, ili kao komponenta suvih građevinskih mješavina i u industriji boja i lakova, štoviše, trajna je komponenta mnogih proizvoda i proizvoda. industrija parfema. Za neke vrste gume za gume koje se koriste za proizvodnju visokokvalitetnih guma, amorfni silicijum sa prilično strogim tehničkim karakteristikama može se koristiti kao punilo.

Silicijum je opšta oznaka za jedinjenja hemijske formule SiO 2 . Amorfni silicijum (visoko dispergovani silicijum - VDS) je visoko dispergovano hemijsko jedinjenje, koje je rastresiti beli prah koji sadrži najmanje 95-99,8% silicijum dioksida. Njegove karakteristike su visoka specifična površina, labavo pakiranje primarnih čestica i agregata, što određuje veliki volumen pora i, shodno tome, visok kapacitet zadržavanja vlage i ulja, dobra svojstva zgušnjavanja i strukturiranja.

Cijeli VDC je konvencionalno podijeljen u dvije klase - pirogene i precipitirane.

Pirogeni VDC nastaje sagorevanjem silicijum tetrahlorida u struji kiseonika i vodonika, što rezultira visoko dispergovanim amorfnim silicijum dioksidom i klorovodikom u gasovitom stanju. Ova proizvodnja zahtijeva veliku potrošnju energije i ozbiljne mjere zaštite od eksplozije. Za razliku od pirogenih, istaloženi VDC se dobijaju, na primjer, iz prirodnih mineralnih sirovina - stijena kao što su perlit, opsidijan, dijatomit, nefelin, tripoli, od silikatnih sirovina, kvarcnog pijeska [patent RU br. 2085488, klas. C01B 33/18, publ. 07/27/97] i od “poluproizvoda” - otpad ferosilicijuma visokog silicijuma [RU patent br. 2036836, kl. C01B 33/12, publ. 06/09/95], proizvodnja bora ili borosilikatnih materijala [RU patent br. 2170211, cl. C01B 33/12, 07/10/2001], od otpada proizvodnje apatita [ur. datum SU br. 856981 01/30/93] i proizvodnja ferolegura [RF patent br. 2237015, kl. C01B 33/18, publ. 27.09.2004], od dimne prašine iz procesa prečišćavanja gasa u proizvodnji elektrotermalnog silicijuma u preduzećima aluminijumske industrije [RU patent br. 2031838, 27.03.95], itd.

Poznata je metoda za izolaciju silicijum dioksida iz staklaste vulkanske stijene, koja koristi perlit, opsidijan, plovućac sa sadržajem silicijum dioksida od 69-75% [Patent RU br. 1791383, C01B 33/12, 01/30/93].

Metoda uključuje mljevenje sirovina koje sadrže silicijum dioksid da bi se dobila frakcija od oko 0,1 mm, tretman alkalnom otopinom u koncentraciji Na 2 O od 100-200 g/l i omjeru L:S od 2-4 za 1-5 sati, nakon čega slijedi uklanjanje sedimenta iz tečnih faza. Potonji se podvrgava magnetnoj obradi pri jačini elektromagnetnog polja od 500-1100 kA/m i brzini prolaska tečne faze od 2-4 m/s, tako obrađeni rastvor se zagreva do ključanja, kalcijum oksid i aluminijum nitrat dodaju se i prokuvaju. Masa se filtrira, a nastalo tečno staklo se tretira mineralnom kiselinom. Precipitirani silicijum dioksid se odfiltrira, ispere i osuši.

Trajanje cijelog procesa je 8-10 sati, prinos ciljnog proizvoda je (po težini početne sirovine) 30-60%, sadržaj SiO 2 u finalnom proizvodu je do 98%.

Nedostatak ove poznate metode je radni intenzitet procesa, reguliran korištenom sirovinom, nizak stupanj ekstrakcije silicijum dioksida iz mineralnih sirovina i nedovoljno visoka specifična površina dobivenog proizvoda.

Poznata je metoda za proizvodnju amorfnog silicijum dioksida, uključujući mlevenje sirovina koje sadrže silicijum, tretiranje potonjeg alkalnim reagensom na 150-170°C, odvajanje formiranog taloga i taloženje silicijum dioksida iz nastale tečne faze mineralnom kiselinom. , odvajanje nastalog silicijum dioksida filtracijom, njegovo naknadno pranje i sušenje [Patent br. 2261840, klas. C01B 33/12, C01B 33/18, publ. 2005.10.10].

Prirodna stijena - maršalit - koristi se kao početna sirovina koja sadrži silicijum dioksid; mljevenje se vrši u centrifugalnom aparatu brzinom od najmanje 10.000 o/min i centrifugalnim faktorom od najmanje 20 g. dok se ne dobije frakcija s finoćom mljevenja od 10-15 mikrona, potonji se podvrgava alkalnim tretmanima pod pritiskom od 4,5-5,5 atm. 8-10% rastvor natrijum hidroksida, uzet u odnosu L:S = 4,5-5,5:1, taloženje silicijum dioksida vrši se sa 45-50% azotne kiseline u odnosu L:S = 3-3,5 :1 doziranim punjenjem azotne kiseline u trajanju od 0,5-1 sat do postizanja neutralne pH vrijednosti, prvo se ciljni proizvod ispere sa 10-12% azotne kiseline, a zatim sa najmanje petostrukom količinom tople vode i osuši.

Nedostatak ove poznate metode je ograničena sirovinska baza za proizvodnju silicijum dioksida.

Osim toga, poznata metoda ne dozvoljava dobijanje konačnog proizvoda sa unaprijed određenim svojstvima, na primjer, sa određenom specifičnom površinom silicijum dioksida, i tvrdnjom da je moguće dobiti proizvod sa širokim rasponom specifične površine. područje nije eksperimentalno potvrđeno.

Najbliže tehničko rješenje je metoda za proizvodnju amorfnog silicijum dioksida, u kojoj se kao početna sirovina koja sadrži silicijum koriste prirodne stijene sa visokim sadržajem vezanog amorfnog silicijum dioksida do 70-75%, na primjer perlit, opsidijan, plovućac, vitroklastični tuf, dijatomit, kizelgur, vulkanski pepeo sa minimalnim sadržajem kristalne faze, ne više od 10-15% itd. [Pat. RF br. 2261840, C01B 33/12, 33/18, 18.06.2004.].

Metoda uključuje faze mljevenja sirovina koje sadrže silicijum, koje se izvode u vibracionom mlinu sa keramičkim ili ahatnim kuglicama kako bi se dobila frakcija finoće mlevenja ne više od 10 mikrona, tretirajući potonju alkalnim sredstvom u autoklavu na povišenog pritiska i temperature (180-200°C i 6,5 atm) da bi se dobio rastvor tečnog stakla, a da bi se dobio amorfni dioksid sa datom specifičnom površinom, tretman alkalnim sredstvom se vrši sa njegovom koncentracijom odabranom prema nomogram, odvajanje nastalog precipitata, taloženje silicijum dioksida iz nastale tečne faze mineralnom kiselinom, i taloženje silicijum dioksida iz nastale tečne faze se vrši mineralnom kiselinom inicijalnim punjenjem u količini koja obezbeđuje pH smeše je 12, držanje smjese uz stalno miješanje 10-15 minuta, a zatim punjenje kiseline u količini koja osigurava pH od 10 smjese, zatim držanje smjese uz stalno miješanje 10-15 minuta.15 minuta i konačno punjenje kiseline dok se ne dobije pH 7 smjese, dok se prije svakog unošenja kiseline u tečnu fazu dodatno unosi voda u količini od 8-10%.

Dobijeni ciljni proizvod se odvoji filtracijom, nakon čega se više puta ispire toplom vodom i suši.

Za određivanje koncentracije alkalnog agensa predlaže se korištenje nomograma koji se sastoji od dvije ordinatne osi, od kojih jedna označava specifičnu površinu amorfnog dioksida, a druga vrijednost alkalne koncentracije, zajedničku apscisu. osa koja pokazuje modul nastalog tekućeg stakla i dvije eksperimentalno ucrtane krivulje, od kojih prva prikazuje ovisnost specifične površine od standardnog modula stakla, a druga ovisnost modula stakla o korištenoj koncentraciji alkalija.

Tretman alkalnim sredstvom vrši se u odnosu L:T 6-6,5:1 u trajanju od 1-2,5 sata na temperaturi od 170-200°C, pritisku od 6,5-7 atm.

Ova metoda omogućava dobijanje proizvoda sa unapred određenim fizičkim i tehničkim karakteristikama, međutim, generalno gledano, metoda je prilično komplikovana za implementaciju i zahteva veoma precizno izvršavanje tehnoloških propisa, stvaranje visoke temperature i pritiska.

Cilj izuma je pojednostaviti proces stvaranjem neautoklavnog, energetski povoljnijeg postupka za proizvodnju amorfnog silicijum dioksida

Cilj pronalaska je takođe da se dobije proizvod sa visokom reaktivnošću i širokim spektrom industrijskih svojstava.

Ciljevi su riješeni činjenicom da u metodi za proizvodnju amorfnog silicijum dioksida, koja uključuje faze mljevenja sirovina koje sadrže silicijum da bi se dobila frakcija finoće mlevenja ne veća od 0,01 mm, priprema punjenja na L: S omjerom 4-6:1, obradom potonjeg dobivanjem otopine tekućeg stakla, odvajanjem nastalog taloga, taloženjem silicijum dioksida iz nastale tečne faze mineralnom kiselinom korak po korak uz kontrolu pH medija, izolovanjem dobijenog ciljanog produkta filtracijom, zatim ponovljenim ispiranjem vodom i sušenjem, zdrobljene sirovine koje sadrže silicijum se prethodno peče na temperaturi od 600-900°C, a prerada punjenja se vrši u režimu kavitirajuća okolina stvorena električnim impulsom ili hidrodinamičkom metodom.

Kao početnu sirovinu koja sadrži silicijum, poželjno je koristiti prirodne stijene s visokim sadržajem vezanog amorfnog silicijum dioksida, pretežno dijatomita, do 70-75%.

Preporučljivo je pržiti zdrobljene sirovine koje sadrže silicijum 1-1,5 sati.

Poželjno je obraditi punjenje na temperaturi od 80-90°C u električnom impulsnom reaktoru na naponu i snazi od 5-10 kV i 1,2-1,5 kW, respektivno, i frekvenciji ponavljanja impulsa od 2-7 Hz ili u kavitacionom disperzantu 2,5 -3,5 sata na 1500-3000 o/min i temperaturi 80-90°C.

Preporučljivo je izvršiti obradu u električnom pulsnom reaktoru u trajanju od 1,0-2,0 sata uz periodično miješanje punjenja svakih 0,5 sati, a kao mineralnu kiselinu koristiti dušičnu, sumpornu ili hlorovodoničnu kiselinu, najbolje 40-50% azotne kiseline, i dodatno ispiranje tretirati ciljni proizvod sa slabom 2-5% otopinom dušične kiseline.

Slika 1 prikazuje IR spektre silicijum dioksida deponovanog iz tečnog stakla sintetizovanog autoklavnom metodom.

Slika 2 - IR spektri silicijum dioksida deponovanog iz tečnog stakla sintetizovanog metodom električnih impulsa.

Slika 3 je elektronski mikroskopska slika silicijum dioksida sintetizovanog metodom električnih impulsa.

a) elektronski mikroskopski snimak silicijum dioksida sintetizovan metodom električnih impulsa,

b) elektronski mikroskopski snimak silicijum dioksida dobijen u autoklavu.

Varničko pražnjenje koje se koristi u ovom procesu ne samo da ima ogromnu destruktivnu moć, već utiče i na prirodu hemijskih reakcija koje se dešavaju i njihove konačne rezultate.

Hajde da ukratko navedemo faktore koji deluju tokom električnog impulsnog pražnjenja:

(a) Pojavljuju se visoki i ultra visoki impulsni hidraulički pritisci, koji su povezani s udarnim valovima koji se kreću zvučnim i nadzvučnim brzinama reda stotine metara u sekundi.

(b) Pored toga, počinju da deluju snažni pulsni procesi kavitacije, sposobni da pokriju relativno velike količine tečnosti. Formiranje kavitacijskih šupljina odvija se na sljedeći način. Na mjestima gdje ultrazvučni valovi prodiru, periodično dolazi do kompresije ili istezanja. Ultrazvučni talasi na mestima vakuuma izazivaju rupturu tečnosti sa stvaranjem mikroskopske šupljine. Pare i plinovi otopljeni u njemu prodiru iz okolne tekućine u ovu šupljinu. Nastale šupljine se brzo zatvaraju pod utjecajem naknadne kompresije. Ova pojava se naziva kavitacija. Životni vek kavitacionog mjehurića je gotovo uporediv s periodom zvučne vibracije. U visokom ultrazvučnom frekvencijskom opsegu to je milioniti dio sekunde. Pretpostavlja se da u kavitacionoj šupljini nastaju visoki električni naponi i visoke temperature. U ovim uslovima, molekuli i atomi gasa prisutni u kavitacionoj šupljini prolaze kroz procese jonizacije i disocijacije. U šupljini kavitacije, na primjer, molekuli H 2 O i OH disociraju. Zbog činjenice da se u šupljini kavitacije pojavljuju tvari bogate energijom (jonizirane i aktivirane molekule i slobodni radikali), otkriven je niz pojava koje ukazuju na pojavu fundamentalno novih reakcija. Do danas, ovaj dio efekta električnog impulsa nije u potpunosti proučavan.

(d) Električni impuls može uzrokovati raslojavanje čvrste tvari na molekularnom nivou, na primjer, povezano s detaljima strukture mineralne kristalne rešetke, uključujući polimerizaciju, razbijanje sorpcijskih i kemijskih veza i promjene u drugim detaljima kristalne rešetke. sinteza.

Ovi procesi doprinose finijoj dezintegraciji izvorne supstance tokom prelaska dijatomita u tečno staklo i daju dodatne energetske impulse tekućem staklu. Proučavanje elektrohemijskih procesa povezanih sa sintezom silicijum dioksida sugeriše da efekat električnog impulsa utiče na hemijska svojstva strukturnih grupa SiO 4 koje su deo tekućeg stakla sintetizovanog pod njegovim uticajem, možda se to manifestuje u jačanju silonolnih veza. . Istovremeno se čuva posebna "kristalno-hemijska memorija" koja utiče na strukturu istaloženog silicijum dioksida. Efekt električnog impulsa stvara dodatne Si-O-Si veze u tekućem staklu, koje se zatim pojavljuju u silicijum dioksidu. Osim toga, silicij sintetiziran iz visoko reaktivnog tekućeg stakla ima veći negativni naboj na površini čestica.

Proces sinteze silicijum dioksida iz dijatomita uključuje sljedeće faze:

1 - mljevenje dijatomita do frakcije od 0-0,01 mm,

2 - pečenje mljevenog dijatomita u električnoj peći,

3 - priprema smjese,

4 - obrada punjenja u EI reaktoru,

5 - hlađenje i filtriranje suspenzije;

6 - taloženje silicijum dioksida,

7 - filtriranje suspenzije: silicijum + Na sulfat,

8 - pranje od silicijum dioksida,

Za izvođenje elektrohemijskih procesa koji su povezani sa sintezom silicijum dioksida, pri odabiru stijene potrebno je imati na umu dvije karakteristike: reaktivnost stijene i njen kemijski sastav. Reaktivnost se odnosi na sposobnost kamena da reaguje sa alkalnim rastvorima.

Druga karakteristika stijene, koja je pogodna za proizvodnju tečnog stakla, je da je sadržaj SiO 2 silicijum dioksida u stijeni najmanje 70-80%. Dijatomit takođe zadovoljava ova dva uslova.

Makroskopski, dijatomit je slabo cementirana stijena svijetlosive boje nejasne slojevite teksture.

U tabeli 1 prikazan je hemijski sastav prirodnih uzoraka dijatomita iz ležišta Akhmatovsky (tež.%), pri čemu je 1, 2 - prirodni dijatomit iz ležišta Ahmetovsky, a - u prirodnom obliku, b - u odnosu na suvu materiju.

Tabela 1
Oksidi	1	2
A	b	A	b
SiO2	78,16	85,8	79,58	87,80
TiO2	0,52	0,58	0,37	0,4
Al2O3	5,6	6,16	5,6	6,1
Fe2O3	3,07	3,38	3,11	3,43
CaO	0,42	0,47	0,27	0,29
MgO	0,80	0,89	0,79	0,87
Na2O	0,00	0,00	0,00	0,00
K2O	1,61	1,78	1,16	1,28
SO 3	0,84	0,93	0,12	0,13
P.P.P.	8,9	-	9,44	-
Suma	100	100	100	100

Nepečena silika stena sadrži prilično značajnu količinu OHn grupa u obliku hidroksila, molekularne vode i organske materije u obliku CHn grupa. Organska supstanca, koja reaguje sa alkalnim rastvorom tokom eksperimenta, daje tečnom staklu crnu boju i otežava čišćenje sintetizovanog SiO 2, značajno povećavajući proces pranja. Na temperaturama od 600° i više, organska tvar sagorijeva i time osigurava visoku čistoću sintetiziranog amorfnog silicijum dioksida. To rezultira ciljanim proizvodom svijetlo krem boje sa minimalnim sadržajem organskih nečistoća.

Ako postoji potreba za smanjenjem željeznih oksida u dijatomitu, može se preporučiti pečenje praha dijatomita na temperaturi od oko 900°C. U ovom slučaju, oksidi željeza prisutni u dijatomitu pretvaraju se u mineralni oblik hematita i lako se ekstrahiraju elektromagnetskom separacijom bez kontaminacije ciljanog proizvoda.

Dakle, gornji podaci jasno pokazuju potrebu za predpečenjem na 600-900°C.

Metoda se provodi na sljedeći način.

1. Sirovi dijatomit u grudastom stanju se suši na temperaturi od 100-105°C, zatim usitnjava u mlinu do frakcije od 0,2 mm.

2. Pečenje mljevenog dijatomita vrši se u električnoj peći u posebnim metalnim vagonima sa niskim stranicama, na temperaturi od najmanje 600°C u trajanju od 1 sata.

4. Priprema punjenja.

Punjenje se može pripremiti direktno u reaktoru. U zavisnosti od parametara tečnog stakla koje zahteva receptura (uglavnom modul), početne komponente se unose u reaktor u sledećim količinama:

- vodu	- 4000 cm 3.
- dijatomit	- 1000 g,
- čvrsti NaOH	- 500 g.
Ratio	F:T=8:3

Redoslijed miješanja komponenti je sljedeći: voda čvrsta NaOH dijatomejska zemlja. Zatim se smjesa miješa na bilo koji mogući način na sobnoj temperaturi 10-15 minuta. Gotova suspenzija je zatvorena u električni impulsni aparat za sintezu tekućeg stakla.

4. Obrada punjenja u EI reaktoru.

Za stvaranje elektrohidrauličnih šokova potreban je izvor energije u obliku kondenzatora, koji je uređaj za pohranu električne energije. Napon na kondenzatoru raste do vrijednosti pri kojoj dolazi do spontanog propadanja vazdušnog zazora, a sva energija pohranjena u kondenzatoru se momentalno dovodi do radnog zazora u tekućini, gdje se oslobađa u obliku kratkog električnog puls velike snage. Zatim se proces pri datom kapacitetu i naponu ponavlja sa frekvencijom koja ovisi o snazi izvora impulsa. Tekućina, koja je dobila ubrzanje od kanala za pražnjenje koji se širi velikom brzinom, udaljava se od njega u svim smjerovima, formirajući na mjestu gdje je pražnjenje bila značajna šupljina koja se naziva kavitacija, i izazivajući aktivni (glavni) hidraulički udar. Tada se šupljina također zatvara velikom brzinom, stvarajući drugi hidraulični šok kavitacije. Ovim se završava jedan ciklus elektrohidrauličkog efekta i može se ponoviti neograničen broj puta prema navedenoj frekvenciji pražnjenja.

Kao izvor elektromagnetnih impulsa korišćena je instalacija ZEVS-25, koja je kapacitivni uređaj za skladištenje električne energije sa uskladištenom energijom u jednom impulsu do 600 J. Napon na kondenzatorima za skladištenje ukupnog električnog kapaciteta 8 μF može biti podešen od 5 do 12 kV.

Frekvencija ponavljanja impulsa - 2-7 Hz. Kada instalacija radi, potrošnja energije iz mreže od 220 V nije veća od 1,5 kW.

Temperatura u reaktoru ne prelazi 80-90°C.

Vrijeme sinteze tekućeg stakla je 1-2,0 sata.Da bi se smanjilo vrijeme sinteze i smanjila količina neizreagiranog početnog dijatomita, proces se provodi uz periodično zaustavljanje (svakih 0,5 sati) nakon početka procesa radi miješanja suspenzije 15-20 minuta.

1. mod.

napon - 10 kV,

Udaljenost između elektroda je 10 mm.

Frekvencija impulsa 7 Hz.

Snaga - 1,5 kW.

Vrijeme sinteze - 1 sat.

2. mod.

Napon - 5 kV.

Udaljenost između elektroda je 5 mm.

Frekvencija impulsa 4 Hz.

Snaga - 1,2 kW.

Vrijeme sinteze - 1,5 sati.

Kao rezultat eksperimenata u bilo kojem od gore navedenih načina, nastaje suspenzija: tekuće staklo + nereagirana dijatomejska zemlja u obliku čvrstih čestica.

U prvom načinu rada intenziviraju se svi procesi koji se odvijaju u reaktoru, što omogućava smanjenje vremena eksperimenta i smanjenje količine neizreagiranog dijatomita.

Za sigurno otvaranje reaktora potrebno je hlađenje od 15-20 minuta.

Odvajanje tekućeg stakla od čvrste faze vrši se pomoću vakuum pumpe i keramičkog filtera ili polaganim dekantiranjem tečnosti nakon držanja 10-12 sati.

Kao rezultat filtracije ili dekantacije dobija se talog, koji je mješavina kvarca, zeolita tipa analcim i željeznih hidroksida, te relativno homogeno tekuće staklo žućkasto-krem boje.

6. Precipitacija silicijum dioksida.

Sumporna kiselina se polako dodaje u posudu sa tečnim staklom u fazama na dva moguća načina: taloženje: brzo i sporo. Kao rezultat, talog silicijum dioksida ispada iz tečnog stakla. Za brze padavine koristi se 35% sumporne kiseline, za spore - 14% sumporne kiseline. Od režima taloženja zavisi ne samo agregatno stanje silicijum dioksida, već i svojstva kao što su specifična površina i prisustvo stranih mineralnih nečistoća. Kriterijum za potpunost režima padavina je pH vrednost.

Prilikom dvostepene neutralizacije, taloženje silicijum-dioksida je vršeno u sledećem redosledu.

Faza 1. U otopinu tekućeg stakla dodaje se značajna količina visoko razrijeđene sumporne kiseline. Količina kiseline regulirana je pH vrijednosti otopine i ovisi o zapremini tekućeg stakla. pH rastvora treba da bude oko 8-9. Nakon toga slijedi držanje 20-30 minuta, a zatim se polako dodaje preostala količina sumporne kiseline uz stalno miješanje i česta mjerenja pH. Proces se zaustavlja na pH=7-7,5.

Tokom višestepene neutralizacije, 14% sumporne kiseline postepeno se dodaje u rezultujuću zapreminu tečnog stakla, jednaku 3-3,5 litara.

Faza 1: dodati 200 cm 3 razrijeđene sumporne kiseline, zatim pričekati 20 minuta.

Faza 2: dodaje se 50 cm 3 sumporne kiseline, drži se 20 minuta, primećuje se retka precipitacija silicijum dioksida. Proces neutralizacije je završen pri pH od 7.

Opći princip neutralizacije tekućeg stakla i taloženja silicijum dioksida je sljedeći. Prije masovnog taloženja silicijum dioksida potrebno je stvoriti uslove za ravnomjerno i brzo taloženje. Stoga je neophodan određeni stepenasti proces. Konvencionalno se mogu razlikovati dvije glavne faze taloženja. U prvoj fazi, alkalnost otopine tekućeg stakla opada sa 12-13 na približno 9-10 pH. Dakle, približavamo se ravnoteži između sedimenta i otopine.

Tokom ove faze dolazi do masivnog formiranja jezgri silicijum dioksida. Da bi se nukleacija dogodila najpotpunije, potrebno je vrijeme zadržavanja od približno 3-0-40 minuta. Druga faza uključuje dodavanje kiseline i velike taloženje.

Razvijeno je nekoliko opcija za neutralizaciju pulpe: na sobnoj temperaturi i na temperaturi od 60-80°C. Ako je modul stakla visok, iznad 2,3, preporučuje se taloženje silicijum-dioksida na sobnoj temperaturi, na relativno niskom modulu (<2,3). Кремнезем более интенсивно осаждается при 60-80°C.

7. Filtracija se vrši pod sniženim pritiskom (vakuum je 0,01 atm). Filtracija se vrši u 2 faze.

Prva faza je filtriranje kroz keramički filter. Nakon odvajanja filtrata od relativno velikih čestica, filtrirano tečno staklo se filtrira kroz filter od krpenog papira.

8. Pranje.

Pranje se vrši destilovanom vodom u 3 faze.

9. Sušenje se vrši na 600°C 1 sat.

Starenje silicijum dioksida.

Eksperimentalno je utvrđeno da se svojstva silicijum dioksida mogu promeniti ako se želatinozni talog silicijum dioksida drži neko vreme (1-2 dana) u stacionarnim uslovima pre sušenja.

Studije su također pokazale da su sljedeći načini izvođenja procesa sinteze tekućeg stakla vrlo stabilni za proizvodnju tekućeg stakla:

Za dobijanje silicijum dioksida sa specifičnom površinom od 150-200 m 2 /g

Dijatomit 1000 g

Voda 4000 cm 3

Napon V=5 kV

Vrijeme 1,5 sata.

Režim rada: 0,5 sata (zaustavljanje, miješanje) 0,5 sata (zaustavljanje, miješanje) 0,5 sata (završetak eksperimenta, otvaranje reaktora) ispuštanje pulpe u drugu posudu

Frekvencija impulsa 5 Hz

Snaga - 1,5 W.

Vrijeme sinteze - 1,5 sati.

Padavine u 2 faze. Sa povećanjem vremena značajno se povećao prinos tečnog stakla potrebnog modula.

Kako se koncentracija alkalija u tekućem staklu povećava, povećava se specifična površina istaloženog silicijum dioksida. Minimalna specifična površina istaloženog silicijum dioksida dobijena je pri koncentraciji alkalija od 6%.

Najveća specifična površina - 700 m 2 /g - dobijena je sa sadržajem NaOH od 600-700 g na 1000 g dijatomita, ostali parametri su isti.

Sirovi dijatomit iz ležišta Ahmatovsky (sastav: SiO 2 - 78,16, TiO 2 - 0,52, Al 2 O 3 - 5,6, Fe 2 O 3 - 3,07, CaO - 0,42, MgO - 0,80, Na 2 O - 0,00, K - 1,61, SO 3 - 0,84, P.p.p. - 8,9) u grudastom stanju, sušen na temperaturi od 100°C, samljeven u mlinu na frakciju - 0,2 mm, mljeveni dijatomit se peče u električnoj peći na temperaturi od 600°C 1 sat.

Voda - 4000 cm 3,

dijatomit - 1000 g,

Čvrsti NaOH - 500 g,

Odnos F:T=8:3.

Mešajte na sobnoj temperaturi 10 minuta. Gotova suspenzija je zatvorena u električni impulsni aparat za sintezu tekućeg stakla.

Kao izvor elektromagnetnih impulsa koristi se instalacija ZEVS-25 sa pohranjenom energijom u jednom impulsu do 600 J. Napon na kondenzatorima za skladištenje ukupne električne kapacitivnosti 8 μF, razmak između elektroda je 5 mm, napon je 5 kV.

Frekvencija ponavljanja impulsa - 4 Hz. Kada instalacija radi, potrošnja energije iz mreže od 220 V nije veća od 1,2 kW.

Temperatura u reaktoru je 85°C.

Vrijeme za sintezu tekućeg stakla je 1,5 sat, s periodičnim (svakih 0,5 sati) zaustavljanjima nakon početka procesa da se suspenzija miješa 15 minuta.

Odvajanje tekućeg stakla od čvrste faze vrši se polaganim dekantiranjem tečnosti nakon 10 sati držanja.

14% sumporna kiselina se postepeno dodaje u posudu od 3 litre sa tečnim staklom na temperaturi od 75°C. Prvo dodajte 200 cm 3 razrijeđene sumporne kiseline, zatim pričekajte 20 minuta, zatim dodajte 50 cm 3 sumporne kiseline, držite 20 minuta. Proces neutralizacije je završen pri pH od 7.

Filtracija se vrši pod sniženim pritiskom (vakuum je 0,01 atm). Filtracija se prvo vrši kroz keramički filter, a zatim kroz krpa-papirni filter. Zatim isperite destilovanom vodom u 3 faze.

Želatinozni precipitat silicijum dioksida se drži 24 sata u stacionarnim uslovima i suši na 600°C 1 sat.

Rezultat je bio silicijum sa sljedećim svojstvima:

snježnobijeli prah, nasipna gustina 250 kg/m 3, sadržaj SiO 2 - 99,93%; sadržaj nečistoća (Al, Fe) ne prelazi 0,07%. Specifična površina, prema BET-u - 670 m 2 /g, čestice imaju sferni oblik, veličina - 8-10 nm u prečniku, 40% pora ima prečnik<2 нм, остальные 60% >2 nm.

U tabeli 2 prikazani su rezultati 11 eksperimenata sa električnom impulsnom instalacijom (primjeri 2-12). Prva 2 su bila kratkotrajna u trajanju od 5 i 10 minuta na 5 i 10 kV i imala su za cilj da dokažu da se ova metoda u principu može koristiti za sintezu SiO 2. Kao rezultat, dobiven je natrijum trisilikat sa vrlo malom gustoćom i, shodno tome, niskim reološkim svojstvima. Kada se neutralizira sumpornom kiselinom, rijetke pahuljice i igličasti kristali silicijum dioksida ispadaju iz otopine.

Dobijeni su IR spektri silicijum dioksida deponovanog iz tečnog stakla sintetizovanog metodom električnih impulsa (slika 2), iz kojih se može videti da je veza Si-O-Si ghb 1161-1211, koja karakteriše hemijsku aktivnost silicijum dioksida, veoma jasno.

Poređenja radi, dobijeni su IR spektri silicijum dioksida deponovanog iz tekućeg stakla sintetizovanog autoklavnom metodom (slika 1). Veza Si-O-Si najjasnije se manifestuje na 1084 cm -1, druga veza na 1161 cm -1 tek se pojavljuje.

Osim toga, obavljene su i studije elektronske mikroskopije. Slika 3 prikazuje sliku silicijum dioksida sintetizovanog metodom električnih impulsa. Sferne čestice su homogene. Prosječna veličina je 6-8 nm. Vidljive su mikropore, što doprinosi povećanju specifične površine. Ova veličina pora je najpovoljnija za reakcije katalize. Sadržaj SiO 2 je preko 99,2%.

Dodatno, slika 4 prikazuje: a) - elektronsko mikroskopsku sliku silicijum dioksida sintetizovanog metodom električnih impulsa, b) elektronsko mikroskopsku sliku silicijum dioksida dobijenu u autoklavu. Na slici 4a) je jasno da dobijene sferne čestice ne prelaze 6-8 nm u prečniku, dok je na slici 4b) jasno da veličina čestica nije konstantna reda veličine 100-200 nm.

Efekt kavitacije u tekućini može nastati ne samo pod utjecajem iskrističnog pražnjenja, već i uz lokalno smanjenje tlaka uzrokovano prolaskom tekućine iz područja visokog energetskog potencijala u područje s niskim energetskim potencijalom. U formiranju tekućeg stakla, kavitacija se koristi za homogenizaciju suspenzije i transformaciju suspendiranih čestica u koloidno tekuće stanje. Punjenje se obrađuje u kavitacionom disperzantu koji radi u uslovima zatvorenog ciklusa.

Iz radne komore disperzanta, alkalna otopina se dovodi u blok sa kalupima. Matrice su uske cilindrične rupe u metalnoj pločici koja se okreće oko ose. Iz bloka sa matricama tečnost ulazi u komoru u kojoj se zbog svoje veličine i oblika ejektora može obezbediti znatno niži pritisak nego u komori visokog pritiska. Između radne komore i bloka sa matricama nalazi se prigušivač koji se samostalno rotira. Kontroliše prečnik ulaza. Ova karakteristika mehanizma vam omogućava da regulišete radni proces u različitim okruženjima.

Kada se radna komora napuni, pumpa se uključuje, a klapna se trenutno zatvara. Čim se otvori, rastvor juri u komoru niskog pritiska. Brzina prolaska fluida kroz kalupe je vrlo velika, uz održavanje visokog pritiska.

U radnu komoru se prvo stavlja mlevena dijatomejska zemlja sa malo vode. Zbog razlike u pritisku u komori visokog pritiska i u radnoj komori nastaju kavitacione šupljine koje izazivaju mlevenje materijala. U ovom slučaju, baš kao u električnom impulsu, plinovi ulaze u šupljine. Šupljine se zatvaraju i obavljaju rad u djeliću sekunde zbog hidrauličkog vala. Operacija se ponavlja onoliko puta koliko je propisano propisima.

Za eksperiment je uzet grudasti dijatomit iz ležišta Ahmatovski (sastav: SiO 2 - 79,58, TiO 2 - 0,37, Al 2 O 3 - 5,6, Fe 2 O 3 - 3,11, CaO - 0,27, MgO - 0,79, Na 2 O - 0,00, K 2 O - 1,16, SO 3 - 0,12, P.p. - 9,44).

U grudastom stanju, dijatomit se suši na temperaturi od 200°C i melje u mlinu do frakcije<0,2 мм.

Punjenje se priprema u reaktoru u sledećim količinama:

Voda - 180 l,

dijatomit - 50 kg,

Čvrsti NaOH - 20 kg,

Odnos F:T=3:1.

Smjesa se prethodno miješa 15 minuta na sobnoj temperaturi i stavlja u rotacioni kavitacioni disperzer (moguća zapremina punjenja 300 l, snaga - 100 kW, napajanje - 3 faze 380 V).

Mešana smeša se obrađuje cikličkim pumpanjem u zatvorenom krugu u kavitacionom režimu na temperaturi od 90°C u trajanju od 3 sata i 40 minuta uz rotaciju rotora od 3000 o/min.

Dobija se 100 litara jarko crvenog tečnog stakla.

Precipitacija silicijum dioksida se vrši na sledeći način.

Sistem se hladi 1 sat do temperature od 35°C.

Tečno staklo se odvaja od čvrste faze u porcijama (5 litara po porciji) pomoću vakuum pumpe i keramičkog filtera.

Precipitacija silicijum dioksida iz tečnog stakla se takođe vrši u porcijama dobijenim nakon filtracije. Ukupno je obrađeno 20 porcija.

Svaka porcija je dala 1,5 kg silicijum dioksida. Ovo faziranje je uzrokovano isključivo poteškoćama koje nastaju prilikom pranja velikih količina silicijum dioksida.

Usvojena je sljedeća shema neutralizacije. U prvoj fazi dodaje se 3000 cm 3 razrijeđene sumporne kiseline, nakon čega se drži 20 minuta, zatim se dodaje 1000 cm 3 sumporne kiseline, držeći 20 minuta. Proces neutralizacije je završen pri pH od 7.

Filtracija se vrši pod sniženim pritiskom (vakuum je 0,01 atm).

Želatinozni precipitat silicijum dioksida se drži 24 sata u stacionarnim uslovima i suši na 500°C jedan sat.

Kao rezultat, dobijeno je 30 kg silicijum dioksida sa sljedećim svojstvima:

nasipna gustina silicijum dioksida 250 kg/m 3, sadržaj SiO 2 - 97,92%; sadržaj nečistoća (Al i uglavnom Fe) ne prelazi 2,17%, specifična površina prema BET-u je 512 m 2 /g, same čestice silicijum-dioksida imaju sferni oblik.

Silicijum je, kao i staklo, obojen crvenom bojom sa smeđkastom nijansom.

Istraživanje provedeno pomoću elektronskog mikroskopa visoke rezolucije pokazalo je da je glavni pigment odgovoran za crvenu boju produkata sinteze mješavina novoformiranog željeznog minerala kao što je getit. Getit, koji prodire u kristale silicijum dioksida, ima oblik iglica dužine do 2-3 nm i debljine do desetinki nm. Sadržaj iglica je 15-20% ukupne količine dobijenog silicijum dioksida.

U tabeli 3 prikazani su primjeri 14-16 metode korištenjem rotacionog kavitacionog disperzatora.

Dakle, razvijene električne impulsne i hidrodinamičke metode za proizvodnju tekućeg stakla omogućavaju eliminaciju skupog procesa dobivanja „silikatnog bloka“ od kojeg se proizvodi tekuće staklo.

Razvijena metoda je mnogo jeftinija i progresivnija, a upotreba visoko-silicijumske stijene - dijatomita - omogućava proširenje spektra korištenih sirovina, čije su rezerve praktički neograničene u regiji.

Upotreba električnih impulsnih i hidrodinamičkih metoda za proizvodnju tekućeg stakla energetski je povoljniji proces u odnosu na proces autoklava zbog uštede vremena, a omogućava da se konačnom proizvodu, posebno poveća reaktivnost koja se očituje u specifične industrije i visoku specifičnu površinu (vidi sliku 3-4).

Izbor sorti diktiran je primarnim potrebama proizvodnje: za industriju guma, za industriju boja i lakova, proizvodnju raznih građevinskih kompozita i proizvoda visoke čistoće koji se koriste u farmakologiji i medicini.

Prema predloženoj metodi moguće je dobiti silicijum dioksida 3 stepena, koji se razlikuje po specifičnoj površini i sadržaju SiO 2:

Prva vrsta proizvoda namijenjena je za upotrebu u kozmetici i parfemima, posebno u proizvodnji silikonskih pasta.

Razred At-2 je najefikasniji u proizvodnji posebnih vrsta lakova i boja.

At-3 razreda može se uspješno koristiti u proizvodnji silikonske gume, ljepila i zaptivača, silikonskih elastomera i u preradi gume za različite namjene.

Razvijena metoda omogućava da se konačna svojstva silicijum dioksida utvrde u fazi dobijanja tečnog stakla i naknadnim načinima taloženja i pranja, a određena su specifičnim zahtevima proizvodnje.

TVRDITI

1. Metoda za proizvodnju amorfnog silicijum dioksida, uključujući faze mlevenja početne sirovine koja sadrži silicijum, koja se koristi kao prirodna stena sa visokim, do 70-75%, sadržajem vezanog amorfnog silicijum dioksida, priprema punjenja u omjeru L:S od 4-6:1, preradom ovog posljednjeg da se dobije otopina tekućeg stakla, odvajanjem nastalog taloga, taloženjem silicijum dioksida iz nastale tekuće faze mineralnom kiselinom korak po korak pod kontrolom pH vrijednosti okoliša, izolacijom dobivenog ciljanog produkta filtriranjem, nakon čega slijedi ponovljeno pranje vodom i sušenje, naznačeno time da se kao navedene planinske stijene koristi dijatomit, koji se drobi da se dobije frakcija finoće mljevenja ne veća od 0,01 mm, zdrobljeni dijatomit se prethodno peče na temperaturi od 600-900°C, a punjenje se obrađuje u kavitirajućoj sredini stvorenoj električnim impulsom ili hidrodinamičkom metodom.

2. Postupak prema zahtjevu 1, naznačen time što se dijatomit peče 1-1,5 sati.

3. Postupak prema patentnom zahtjevu 1, naznačen time što se punjenje obrađuje u električnom pulsnom reaktoru na 80-90°C, pri naponu i snazi od 5-10 kV i 1,2-1,5 kW, respektivno, uz ponavljanje impulsa. brzina - 2-7 Hz.

4. Postupak prema bilo kojem od zahtjeva 1 i 3, naznačen time što se obrada u električnom pulsnom reaktoru izvodi 1,0-2,0 sata uz periodično miješanje punjenja svakih 0,5 sati.

5. Postupak prema zahtjevu 1, naznačen time, što se punjenje obrađuje u kavitacionom disperzantu 2,5-3,5 sata na 1500-3000 o/min i temperaturi od 80-90°C.

6. Postupak prema zahtjevu 1, naznačen time što se kao mineralna kiselina koristi dušična, sumporna ili hlorovodonična kiselina, poželjno 40-50% azotne kiseline.

7. Postupak prema zahtjevu 1, naznačen time, što se ciljni proizvod dodatno ispere sa slabim 2-5% rastvorom azotne kiseline.

Jedan od najčešćih elemenata u prirodi je silicijum ili silicijum. Ovako široka rasprostranjenost ukazuje na važnost i značaj ove supstance. To su brzo shvatili i naučili ljudi koji su naučili kako pravilno koristiti silicij u svoje svrhe. Njegova upotreba se zasniva na posebnim svojstvima, o kojima ćemo dalje govoriti.

Silicijum - hemijski element

Ako okarakteriziramo dati element položajem u periodnom sistemu, možemo identificirati sljedeće važne tačke:

Serijski broj - 14.
Period je treći mali.
Grupa - IV.
Podgrupa je glavna.
Struktura vanjske elektronske ljuske izražena je formulom 3s 2 3p 2.
Element silicijum je predstavljen hemijskim simbolom Si, koji se izgovara kao "silicijum".
Stanja oksidacije koje pokazuje su: -4; +2; +4.
Valencija atoma je IV.
Atomska masa silicijuma je 28,086.
U prirodi postoje tri stabilna izotopa ovog elementa sa masenim brojevima 28, 29 i 30.

Dakle, sa hemijske tačke gledišta, atom silicija je prilično proučavan element; opisana su mnoga njegova različita svojstva.

Istorija otkrića

Budući da su različiti spojevi dotičnog elementa vrlo popularni i rasprostranjeni u prirodi, ljudi su od davnina koristili i znali za svojstva mnogih od njih. Čisti silicijum je dugo ostao izvan ljudskog znanja u hemiji.

Najpopularniji spojevi koje su narodi drevnih kultura (Egipćani, Rimljani, Kinezi, Rusi, Perzijanci i drugi) koristili u svakodnevnom životu i industriji bili su drago i ukrasno kamenje na bazi silicijum-oksida. To uključuje:

opal;
rhinestone;
topaz;
krizopraza;
oniks;
kalcedon i drugi.

Također je od davnina uobičajeno koristiti kvarc u građevinarstvu. Međutim, sam elementarni silicijum ostao je neotkriven sve do 19. veka, iako su mnogi naučnici uzalud pokušavali da ga izoluju od raznih jedinjenja, koristeći katalizatore, visoke temperature, pa čak i električnu struju. Ovo su tako bistri umovi kao što su:

Karl Scheele;
Gay-Lussac;
Thenar;
Humphry Davy;
Antoine Lavoisier.

Jens Jacobs Berzelius je uspio da dobije silicijum u čistom obliku 1823. Da bi to učinio, proveo je eksperiment spajanja para silicijum fluorida i metalnog kalijuma. Kao rezultat, dobio sam amorfnu modifikaciju dotičnog elementa. Isti naučnici su predložili latinski naziv za otkriveni atom.

Nešto kasnije, 1855. godine, drugi naučnik - Sainte-Clair-Deville - uspio je sintetizirati još jednu alotropsku sortu - kristalni silicijum. Od tada se znanje o ovom elementu i njegovim svojstvima počelo vrlo brzo širiti. Ljudi su shvatili da ima jedinstvene karakteristike koje se mogu vrlo inteligentno koristiti za zadovoljavanje vlastitih potreba. Stoga je danas jedan od najpopularnijih elemenata u elektronici i tehnologiji silicij. Njegova upotreba svake godine samo proširuje svoje granice.

Rusko ime za atom dao je naučnik Hes 1831. godine. To je ono što se zadržalo do danas.

Po obilju u prirodi, silicijum je na drugom mestu posle kiseonika. Njegov procenat u poređenju sa drugim atomima u zemljinoj kori iznosi 29,5%. Dodatno, ugljik i silicijum su dva posebna elementa koji mogu formirati lance povezivanjem jedan s drugim. Zbog toga je za potonje poznato više od 400 različitih prirodnih minerala u kojima se nalazi u litosferi, hidrosferi i biomasi.

Gde se tačno nalazi silicijum?

U dubokim slojevima tla.
U stijenama, naslagama i masivima.
Na dnu vodenih tijela, posebno mora i okeana.
U biljkama i morskom životu životinjskog carstva.
U ljudskom tijelu i kopnenim životinjama.

Možemo identificirati nekoliko najčešćih minerala i stijena koje sadrže velike količine silicija. Njihova hemija je takva da maseni sadržaj čistog elementa u njima dostiže 75%. Međutim, konkretna brojka ovisi o vrsti materijala. Dakle, stene i minerali koji sadrže silicijum:

feldspars;
liskun;
amfiboli;
opali;
kalcedon;
silikati;
pješčenjak;
aluminosilikati;
gline i dr.

Akumulirajući se u školjkama i egzoskeletima morskih životinja, silicijum na kraju stvara snažne naslage silicijuma na dnu vodenih tijela. Ovo je jedan od prirodnih izvora ovog elementa.

Osim toga, otkriveno je da silicij može postojati u svom čistom prirodnom obliku - u obliku kristala. Ali takvi depoziti su vrlo rijetki.

Fizička svojstva silicijuma

Ako element koji se razmatra karakteriziramo prema skupu fizičkih i kemijskih svojstava, tada je prije svega potrebno označiti fizičke parametre. Evo nekoliko glavnih:

Postoji u obliku dvije alotropske modifikacije - amorfne i kristalne, koje se razlikuju po svim svojstvima.
Kristalna rešetka je vrlo slična onoj kod dijamanta, jer su ugljik i silicijum u tom pogledu praktički isti. Međutim, razmak između atoma je drugačiji (silicijum je veći), pa je dijamant mnogo tvrđi i jači. Vrsta rešetke - kubična lice-centrirana.
Supstanca je vrlo krhka i postaje plastična na visokim temperaturama.
Tačka topljenja je 1415˚C.
Tačka ključanja - 3250˚S.
Gustina supstance je 2,33 g/cm3.
Boja smjese je srebrno-siva, sa karakterističnim metalnim sjajem.
Ima dobra poluprovodnička svojstva, koja mogu varirati s dodatkom određenih agenasa.
Nerastvorljiv u vodi, organskim rastvaračima i kiselinama.
Posebno rastvorljiv u alkalijama.

Identificirana fizička svojstva silicija omogućavaju ljudima da njime manipuliraju i koriste ga za stvaranje različitih proizvoda. Na primjer, upotreba čistog silicijuma u elektronici zasniva se na svojstvima poluprovodljivosti.

Hemijska svojstva

Hemijska svojstva silicijuma veoma zavise od uslova reakcije. Ako govorimo o standardnim parametrima, onda moramo naznačiti vrlo nisku aktivnost. I kristalni i amorfni silicijum su veoma inertni. Ne stupaju u interakciju sa jakim oksidantima (osim fluora) ili sa jakim redukcionim agensima.

To je zbog činjenice da se na površini tvari trenutno formira oksidni film SiO 2, koji sprječava daljnje interakcije. Može nastati pod uticajem vode, vazduha i pare.

Ako promenite standardne uslove i zagrejete silicijum na temperaturu iznad 400˚C, tada će se njegova hemijska aktivnost znatno povećati. U ovom slučaju će reagovati sa:

kiseonik;
sve vrste halogena;
vodonik.

Daljnjim povećanjem temperature moguće je stvaranje proizvoda interakcijom s borom, dušikom i ugljikom. Karborund - SiC - je od posebne važnosti, jer je dobar abrazivni materijal.

Takođe, hemijska svojstva silicijuma su jasno vidljiva u reakcijama sa metalima. U odnosu na njih, on je oksidant, pa se proizvodi nazivaju silicidi. Slična jedinjenja su poznata po:

alkalne;
alkalna zemlja;
prelazni metali.

Jedinjenje dobiveno spajanjem željeza i silicija ima neobična svojstva. Zove se ferosilicij keramika i uspješno se koristi u industriji.

Silicij ne stupa u interakciju sa složenim tvarima, pa se od svih njihovih varijanti može otopiti samo u:

aqua regia (mješavina dušične i klorovodične kiseline);
kaustične alkalije.

U tom slučaju, temperatura rastvora mora biti najmanje 60˚C. Sve ovo još jednom potvrđuje fizičku osnovu supstance - stabilnu kristalnu rešetku nalik dijamantu, koja joj daje snagu i inertnost.

Metode dobijanja

Dobijanje silicijuma u njegovom čistom obliku je ekonomski prilično skup proces. Osim toga, zbog svojih svojstava, svaka metoda daje samo 90-99% čist proizvod, dok nečistoće u obliku metala i ugljika ostaju iste. Stoga jednostavno nabavka supstance nije dovoljna. Takođe ga treba dobro očistiti od stranih elemenata.

Generalno, proizvodnja silicijuma se odvija na dva glavna načina:

Od bijelog pijeska, koji je čisti silicijum oksid SiO 2. Kada se kalcinira aktivnim metalima (najčešće magnezijem), nastaje slobodni element u obliku amorfne modifikacije. Čistoća ove metode je visoka, proizvod se dobija sa prinosom od 99,9 posto.
Raširenija metoda u industrijskim razmjerima je sinteriranje rastopljenog pijeska s koksom u specijaliziranim termalnim pećima. Ovu metodu je razvio ruski naučnik N. N. Beketov.

Dalja prerada uključuje podvrgavanje proizvoda metodama prečišćavanja. U tu svrhu koriste se kiseline ili halogeni (hlor, fluor).

Amorfni silicijum

Karakterizacija silicija će biti nepotpuna ako se svaka njegova alotropska modifikacija ne razmatra zasebno. Prvi od njih je amorfan. U ovom stanju, supstanca koju razmatramo je braonkasto-smeđi prah, fino dispergovan. Ima visok stepen higroskopnosti i pokazuje prilično visoku hemijsku aktivnost kada se zagreva. U standardnim uslovima, on je u stanju da reaguje samo sa najjačim oksidacionim agensom - fluorom.

Nije sasvim ispravno nazvati amorfni silicijum vrstom kristalnog silicijuma. Njegova rešetka pokazuje da je ova supstanca samo oblik fino raspršenog silicija, koji postoji u obliku kristala. Stoga, kao takve, ove modifikacije su jedno te isto jedinjenje.

Međutim, njihova svojstva se razlikuju, zbog čega je uobičajeno govoriti o alotropiji. Sam amorfni silicijum ima visok kapacitet apsorpcije svetlosti. Osim toga, pod određenim uvjetima, ovaj pokazatelj je nekoliko puta veći od kristalnog oblika. Stoga se koristi u tehničke svrhe. U ovom obliku (prah), smjesa se lako nanosi na bilo koju površinu, bilo da je plastična ili staklena. Zbog toga je amorfni silicijum tako zgodan za upotrebu. Aplikacija bazirana na različitim veličinama.

Iako se baterije ovog tipa prilično brzo troše, što je povezano s habanjem tankog filma tvari, njihova upotreba i potražnja samo rastu. Uostalom, čak i tokom kratkog veka trajanja, solarne baterije na bazi amorfnog silicijuma mogu da obezbede energiju čitavim preduzećima. Osim toga, proizvodnja takve tvari je bez otpada, što je čini vrlo ekonomičnom.

Ova modifikacija se postiže redukcijom spojeva aktivnim metalima, na primjer, natrijum ili magnezijum.

Kristalni silicijum

Srebrno-siva sjajna modifikacija predmetnog elementa. Ovaj oblik je najčešći i najtraženiji. To se objašnjava skupom kvalitativnih svojstava koje ova supstanca posjeduje.

Karakteristike silicija s kristalnom rešetkom uključuju klasifikaciju njegovih tipova, jer ih ima nekoliko:

Elektronski kvalitet - najčistiji i najkvalitetniji. Ovaj tip se koristi u elektronici za stvaranje posebno osjetljivih uređaja.
Sunčana kvaliteta. Sam naziv određuje područje upotrebe. To je također silicij prilično visoke čistoće, čija je upotreba neophodna za stvaranje visokokvalitetnih i dugotrajnih solarnih ćelija. Fotoelektrični pretvarači stvoreni na bazi kristalne strukture su kvalitetniji i otporniji na habanje od onih napravljenih amorfnom modifikacijom raspršivanjem na različite vrste podloga.
Tehnički silicij. Ova sorta uključuje one uzorke tvari koji sadrže oko 98% čistog elementa. Sve ostalo ide na razne vrste nečistoća:

aluminijum;
klor;
ugljenik;
fosfora i drugih.

Posljednja vrsta dotične tvari koristi se za dobivanje polikristala silicija. U tu svrhu provode se procesi rekristalizacije. Kao rezultat, u pogledu čistoće, dobijaju se proizvodi koji se mogu klasifikovati kao solarni i elektronski kvalitet.

Po svojoj prirodi, polisilicij je međuproizvod između amorfne i kristalne modifikacije. Ova opcija je lakša za rad, bolje se obrađuje i čisti fluorom i hlorom.

Dobijeni proizvodi se mogu klasificirati na sljedeći način:

multisilicij;
monokristalni;
profilirani kristali;
silikonski otpad;
tehnički silicij;
proizvodni otpad u obliku fragmenata i ostataka materije.

Svaki od njih nalazi primenu u industriji i u potpunosti se koristi od strane ljudi. Stoga se oni koji dodiruju silicijum smatraju neotpadnim. Ovo značajno smanjuje njegovu ekonomsku cijenu bez utjecaja na kvalitetu.

Korišćenje čistog silicijuma

Industrijska proizvodnja silicijuma je prilično dobro uspostavljena, a njen obim je prilično velik. To je zbog činjenice da je ovaj element, kako čist tako i u obliku različitih spojeva, široko rasprostranjen i tražen u različitim granama nauke i tehnologije.

Gdje se koristi kristalni i amorfni silicijum u svom čistom obliku?

U metalurgiji, kao legirajući aditiv koji može promijeniti svojstva metala i njihovih legura. Tako se koristi u topljenju čelika i livenog gvožđa.
Za izradu čistije verzije - polisilicijuma, koriste se različite vrste tvari.
Jedinjenja silikona su čitava hemijska industrija koja je danas stekla posebnu popularnost. Organosilicijumski materijali se koriste u medicini, u proizvodnji posuđa, alata i još mnogo toga.
Proizvodnja raznih solarnih panela. Ovaj način dobijanja energije jedan je od najperspektivnijih u budućnosti. Ekološki prihvatljiv, ekonomski isplativ i otporan na habanje glavne su prednosti ove vrste proizvodnje električne energije.
Silicijum se već dugo koristi za upaljače. Čak iu drevnim vremenima, ljudi su koristili kremen za stvaranje iskre prilikom paljenja vatre. Ovaj princip je osnova za proizvodnju raznih vrsta upaljača. Danas postoje vrste u kojima se kremen zamjenjuje legurom određenog sastava, što daje još brži rezultat (iskri).
Elektronika i solarna energija.
Izrada ogledala u plinskim laserskim uređajima.

Dakle, čisti silicij ima puno korisnih i posebnih svojstava koja mu omogućavaju da se koristi za stvaranje važnih i potrebnih proizvoda.

Primena silicijumskih jedinjenja

Osim jednostavne tvari, koriste se i različiti spojevi silicija, i to vrlo široko. Postoji čitava industrija koja se zove silikat. Zasniva se na upotrebi različitih supstanci koje sadrže ovaj nevjerovatni element. Šta su to jedinjenja i šta se od njih proizvodi?

Kvarc, ili riječni pijesak - SiO 2. Koristi se za izradu građevinskih i dekorativnih materijala kao što su cement i staklo. Svi znaju gdje se ti materijali koriste. Nijedna konstrukcija ne može biti završena bez ovih komponenti, što potvrđuje važnost silicijumskih jedinjenja.
Silikatna keramika, koja uključuje materijale kao što su zemljano posuđe, porculan, cigla i proizvodi na njihovoj osnovi. Ove komponente se koriste u medicini, u proizvodnji posuđa, ukrasnog nakita, predmeta za domaćinstvo, u građevinarstvu i drugim svakodnevnim područjima ljudske djelatnosti.
- silikoni, silika gelovi, silikonska ulja.
Silikatno ljepilo - koristi se kao kancelarijski materijal, u pirotehnici i građevinarstvu.

Silicijum, čija cijena varira na svjetskom tržištu, ali ne prelazi od vrha do dna oznaku od 100 ruskih rubalja po kilogramu (po kristalu), je tražena i vrijedna tvar. Naravno, spojevi ovog elementa su također široko rasprostranjeni i primjenjivi.

Biološka uloga silicijuma

Sa stanovišta njegovog značaja za organizam, silicijum je važan. Njegov sadržaj i distribucija u tkivima je sljedeći:

0,002% - mišići;
0,000017% - kost;
krv - 3,9 mg/l.

Svaki dan se mora unijeti oko jedan gram silicijuma, inače će se početi razvijati bolesti. Nijedan od njih nije smrtno opasan, ali dugotrajno gladovanje silikonom dovodi do:

gubitak kose;
pojava akni i bubuljica;
krhkost i lomljivost kostiju;
laka propusnost kapilara;
umor i glavobolje;
pojava brojnih modrica i modrica.

Za biljke, silicijum je važan mikroelement neophodan za normalan rast i razvoj. Eksperimenti na životinjama su pokazali da one osobe koje svakodnevno konzumiraju dovoljne količine silicija bolje rastu.

Silicijum, na latinskom Silicondioxide, silicijum je silicijum dioksid. Šta je takva veza? To su čvrsti kristali, bezbojni, bez mirisa, prilično su tvrdi, izdržljivi, duktilni i vatrostalni. U prirodi je to najčešći kvarc, sićušna prozirna zrna pijeska koja nastaju tokom oksidacije silicijuma (Si).

SiO₂ je molekularna (hemijska) formula silicijum dioksida.

Svojstva silicijum dioksida

Ovo jedinjenje je viši, četverovalentni kiseli silicijum oksid. Ima idealnu otpornost na kiseonik i razne kiseline (na tački topljenja od 1.600 ºC, rastvara se sa fluorovodoničnom kiselinom i alkalijama). Silicijum dioksid je nerastvorljiv i dielektrik je (ne provodi struju).

Silicijum dioksid je idealan alkalni neutralizator.

Proizvodnja silicijum dioksida za prehrambenu industriju

U prehrambenoj industriji SiO₂ se koristi kao aditiv za hranu, koji ima svoj indeks u evropskom kodnom sistemu - E551.

Silicijum dioksid u svom čistom obliku se ne koristi u prehrambenoj industriji. Koristi silicijum dioksid u prahu, drugim rečima, „bijelu čađ“, amorfni silicijum dioksid. Proizvodnja E551 se odvija u specijalizovanim fabrikama dvema metodama veštačke sinteze: zagrevanjem Si u okruženju kiseonika na temperaturi od petsto stepeni Celzijusa, dolazi do reakcije oksidacije koja rezultira belom čađom i u specijalnim sterilizatorima na temperaturi od 1.000 ºC, reakcija para silicijum tetrahlorida se dešava u plamenu vodonika (druga metoda).

Sintetizovani silikondioksid pripada grupi emulgatora koji obezbeđuju homogenost mešavinama materija koje se ne mešaju u prirodi, kao što su ulje (biljnog i životinjskog porekla) i masti sa vodom.

Upotreba emulgatora E551 u proizvodnji hrane dozvoljena je u svim zemljama bez izuzetka (uključujući Rusku Federaciju, Bjelorusiju, Ukrajinu, evropske zemlje) pod uslovom da njegov sadržaj u gotovom proizvodu ne prelazi granicu, tj. 30 g/kg. Ne šteti zdravlju i siguran je za upotrebu.

Posebni zahtjevi postavljaju se na ambalažu i uslove skladištenja aditiva za hranu.

Za pakovanje se koriste vrećice od izdržljivog polietilena ili specijalnog papira za umotavanje (kraft), kao i polipropilen (obavezno je prisustvo polietilenskog umetka).

Dodatak hrani E551 treba čuvati u suvoj, zatvorenoj prostoriji sa utvrđenim uslovima vlažnosti i određenom ventilacijom.

Upotreba silicijum dioksida

Dok se nisu proučavala jedinstvena svojstva tvari, uglavnom se koristila za izradu građevinskih materijala kao što su beton i cement.

Ali kako su naučnici, doktori, fiziolozi i hemičari proučavali silicijum dioksid, postale su poznate njegove druge karakteristike. Supstanca se počela koristiti u radiotehnici, u proizvodnji vatrostalnih materijala i gume.

Zbog svojih svojstava, tvar je našla široku primjenu u raznim industrijama, uključujući prehrambenu, farmaceutsku i kozmetičku.

Kristalni silicijum dioksid	Amorfni (u prahu) silicijum dioksid	Koloidni silicijum dioksid
Supstanca je široko rasprostranjena u prirodi. Nalazi se u stenama - mineralima, ahatu, jaspisu, kalcedonu, ametistu, gorskom kristalu. Široko se koristi u građevinarstvu, kao iu proizvodnji staklenih, keramičkih i betonskih proizvoda. U ovim industrijama njegova čistoća nije bitna.	Ova supstanca se u prirodi vrlo rijetko nalazi u čistom obliku. Ovo je tripoli (dijatomejska zemlja), koja se formira na morskom dnu tokom dužeg vremenskog perioda. Danas se u fabričkim uslovima dobija sintetički. Koristi se uglavnom u industrijske svrhe.	Supstanca se široko koristi u medicini kao apsorbent (koloidni silicijev dioksid uklanja otrovne tvari iz tijela) i zgušnjivač (u proizvodnji masti, gelova, vazelina, suspenzija). U kozmetologiji (u pastama za zube, kao sredstvo za izbjeljivanje; u pilingima, puderima, losionima). Proizvodi se u industrijskim uslovima od visoko dispergovanog silicijum dioksida.

U prehrambenoj industriji emulgator se koristi kao antikoagulant (stabilizator) i neutralizator, kao i kao zgušnjivač. Pomaže proizvodima da održe tečnost, sprečava stvaranje grudica i zgrušavanja:

silicijum dioksid se dodaje u gotove rasute proizvode, kao što su brašno, začini, kao i jaja u prahu, razni začini i začini i drugi;
U mliječnim proizvodima, u proizvodnji sireva (da bi se očuvala njihova struktura), koristi se i silicijum;
Neizostavna je komponenta u proizvodnji kakaa;
E551 je također uključen u sastav kao apsorbent, pomaže u bistrenju pića, povećava njegovo starenje;
Široko se koristi u proizvodnji krekera, svih vrsta grickalica i pojačava aromu proizvoda široke potrošnje;
u proizvodnji alkoholnih pića, silicijum se takođe koristi za stabilizaciju kiselosti i neutralizaciju viška alkalija;
proizvodnja konditorskih i kulinarskih proizvoda nije potpuna bez upotrebe emulgatora E551, koji se koristi za obradu slatkih površina, osim onih premazanih. Utiče na vrijeme prodaje proizvoda, produžava ga (osigurava svježinu, sprječava lijepljenje proizvoda), poboljšava okus i aromu.

Utjecaj na ljudski organizam, koristi i štete

Naučnici nisu u potpunosti proučili učinak silicijum dioksida na organizam, ali iz njihovih dosadašnjih istraživanja možemo zaključiti da supstanca ne šteti zdravlju kada se pravilno koristi.

Silicijum dioksid se potpuno eliminiše iz organizma i ne apsorbuje se u gastrointestinalni trakt.

Osim toga, silikondioksid je prisutan u tijelu, u krvi i plazmi.

Na osnovu svoje prakse, nemački fiziolog je dokazao da je silicijum koristan za ljude, sprečava i sprečava aterosklerozu, jača i čisti krvne sudove. Silicijumska voda ne samo da ima upijajuća svojstva, uklanja otpadne i toksične materije iz ljudskog organizma, već ima i antibakterijska svojstva.

Postoji teorija da supstanca ima pozitivan učinak na ljudski organizam i smanjuje rizik od daljnjeg razvoja bolesti poput Alchajmerove bolesti. Međutim, ovo je samo hipoteza koju naučnici treba da dokažu.

Jedno je jasno da prašina silicijum dioksida može prouzrokovati značajnu štetu zdravlju kada se udiše (samo u industrijskoj proizvodnji). Može doprinijeti razvoju bolesti kao što je plućna silikoza. Umjerena upotreba aditiva za hranu E551 je sigurna za zdravlje.

Kao samostalan hemijski element, silicijum je postao poznat čovečanstvu tek 1825. godine. Što, naravno, nije spriječilo upotrebu silikonskih spojeva u toliko područja da je lakše navesti ona gdje se element ne koristi. Ovaj članak će rasvijetliti fizička, mehanička i korisna kemijska svojstva silicija i njegovih spojeva, primjene, a govorit ćemo i o tome kako silicij utječe na svojstva čelika i drugih metala.

Prvo, pogledajmo opće karakteristike silicija. Od 27,6 do 29,5% mase zemljine kore čini silicijum. U morskoj vodi koncentracija elementa je također značajna - do 3 mg/l.

U pogledu zastupljenosti u litosferi, silicijum je na drugom mestu posle kiseonika. Međutim, njegov najpoznatiji oblik, silicijum dioksid, je dioksid, a njegova svojstva su postala osnova za tako široku upotrebu.

Ovaj video će vam reći šta je silicij:

Koncept i karakteristike

Silicijum je nemetal, ali pod različitim uslovima može pokazati i kisela i bazična svojstva. To je tipičan poluvodič i izuzetno se koristi u elektrotehnici. Njegova fizička i hemijska svojstva su u velikoj mjeri određena njegovim alotropnim stanjem. Najčešće se radi o kristalnom obliku, jer su njegove kvalitete traženije u nacionalnoj ekonomiji.

Silicijum je jedan od osnovnih makroelemenata u ljudskom tijelu. Njegov nedostatak štetno utiče na stanje koštanog tkiva, kose, kože i noktiju. Osim toga, silicijum utiče na performanse imunog sistema.
U medicini su element, odnosno njegovi spojevi, svoju prvu primjenu našli upravo u tom svojstvu. Voda iz bunara obloženih silicijumom bila je ne samo čista, već je imala i pozitivan učinak na otpornost na zarazne bolesti. Danas jedinjenja sa silicijumom služe kao osnova za lekove protiv tuberkuloze, ateroskleroze i artritisa.
Općenito, nemetal je malo aktivan, ali ga je teško pronaći u čistom obliku. To je zbog činjenice da se na zraku brzo pasivizira slojem dioksida i prestaje reagirati. Kada se zagrije, hemijska aktivnost se povećava. Kao rezultat toga, čovječanstvo je mnogo bolje upoznato sa spojevima materije, a ne sa samim sobom.

Dakle, silicijum formira legure sa gotovo svim metalima - silicidima. Svi se odlikuju vatrostalnošću i tvrdoćom i koriste se u odgovarajućim područjima: plinske turbine, peći za grijanje.

Nemetal je u tabeli D. I. Mendeljejeva stavljen u grupu 6 zajedno sa ugljenikom i germanijumom, što ukazuje na izvesnu sličnost sa ovim supstancama. Dakle, ono što ima zajedničko sa ugljenikom je njegova sposobnost da formira jedinjenja organskog tipa. Istovremeno, silicijum, kao i germanijum, može pokazati svojstva metala u nekim hemijskim reakcijama, koji se koristi u sintezi.

Prednosti i nedostaci

Kao i svaka druga tvar sa stanovišta upotrebe u nacionalnoj ekonomiji, silicij ima određene korisne ili ne baš korisne kvalitete. Važni su upravo za određivanje područja upotrebe.

Značajna prednost supstance je njena dostupnost. Istina je da se u prirodi ne nalazi u slobodnom obliku, ali ipak, tehnologija proizvodnje silicija nije toliko komplicirana, iako je energetski zahtjevna.
Druga najvažnija prednost je formiranje mnogih jedinjenja sa neobično korisnim svojstvima. To uključuje silane, silicide, dioksid i, naravno, široku paletu silikata. Sposobnost silicija i njegovih spojeva da formiraju složene čvrste otopine je gotovo beskonačna, što omogućava beskonačno dobivanje širokog spektra varijacija stakla, kamena i keramike.
Poluprovodnička svojstva nemetal mu daje mjesto kao osnovni materijal u elektrotehnici i radiotehnici.
Nemetalni je netoksičan, koji omogućava upotrebu u bilo kojoj industriji, a pritom ne pretvara tehnološki proces u potencijalno opasan.

Nedostaci materijala uključuju samo relativnu krhkost s dobrom tvrdoćom. Silicijum se ne koristi za nosive konstrukcije, ali ova kombinacija omogućava da se površina kristala pravilno obradi, što je važno za izradu instrumenata.

Razgovarajmo sada o osnovnim svojstvima silicijuma.

Svojstva i karakteristike

Budući da se kristalni silicijum najčešće koristi u industriji, važnija su njegova svojstva, koja su navedena u tehničkim specifikacijama. Fizička svojstva supstance su sljedeća:

tačka topljenja – 1417 C;
tačka ključanja – 2600 C;
gustina je 2,33 g/cu. cm, što ukazuje na krhkost;
toplotni kapacitet, kao ni toplotna provodljivost, nisu konstantni ni na najčistijim uzorcima: 800 J/(kg K), ili 0,191 cal/(g deg) i 84-126 W/(m K), ili 0,20-0, 30 cal/(cm·sec·deg) respektivno;
transparentno do dugovalnog infracrvenog zračenja, koje se koristi u infracrvenoj optici;
dielektrična konstanta – 1,17;
tvrdoća po Mohsovoj skali – 7.

Električna svojstva nemetala u velikoj mjeri zavise od nečistoća. U industriji, ova karakteristika se koristi modulacijom željenog tipa poluprovodnika. Na normalnim temperaturama silicijum je krhak, ali kada se zagrije iznad 800 C, moguća je plastična deformacija.

Svojstva amorfnog silicijuma su upadljivo različita: vrlo je higroskopan i mnogo aktivnije reagira čak i na normalnim temperaturama.

Struktura i hemijski sastav, kao i svojstva silicijuma razmatraju se u videu ispod:

Sastav i struktura

Silicijum postoji u dva alotropna oblika, koji su podjednako stabilni na normalnim temperaturama.

Crystal ima izgled tamno sivog praha. Supstanca, iako ima kristalnu rešetku nalik dijamantu, je krhka zbog pretjerano dugih veza između atoma. Zanimljiva su njegova poluprovodnička svojstva.
Pri vrlo visokim pritiscima možete dobiti hexagonal modifikacija sa gustinom od 2,55 g/cu. cm.. Međutim, ova faza još nije dobila praktični značaj.
Amorfna– smeđe-smeđi prah. Za razliku od kristalnog oblika, on reagira mnogo aktivnije. To nije toliko zbog inertnosti prvog oblika, koliko zbog činjenice da je u zraku tvar prekrivena slojem dioksida.

Osim toga, potrebno je uzeti u obzir još jednu vrstu klasifikacije koja se odnosi na veličinu kristala silicija, koji zajedno čine supstancu. Kristalna rešetka, kao što je poznato, pretpostavlja poredak ne samo atoma, već i struktura koje ovi atomi formiraju - takozvani poredak dugog dometa. Što je veća, to će supstanca biti homogenija po svojstvima.

Monokristalna– uzorak je jedan kristal. Njegova struktura je maksimalno uređena, svojstva su homogena i dobro predvidljiva. Ovo je materijal koji je najtraženiji u elektrotehnici. Međutim, to je i jedna od najskupljih vrsta, jer je proces dobijanja složen, a stopa rasta niska.
Multikristalna– uzorak se sastoji od većeg broja krupnih kristalnih zrna. Granice između njih formiraju dodatne nivoe defekata, što smanjuje performanse uzorka kao poluprovodnika i dovodi do bržeg trošenja. Tehnologija uzgoja multikristala je jednostavnija, a samim tim i jeftiniji materijal.
Polycrystalline– sastoji se od velikog broja zrna raspoređenih nasumično jedno u odnosu na drugo. Ovo je najčistiji tip industrijskog silicijuma koji se koristi u mikroelektronici i solarnoj energiji. Često se koristi kao sirovina za uzgoj multi- i monokristala.
Amorfni silicijum takođe zauzima posebno mesto u ovoj klasifikaciji. Ovdje se red atoma održava samo na najkraćim udaljenostima. Međutim, u elektrotehnici se još uvijek koristi u obliku tankih filmova.

Proizvodnja bez metala

Dobivanje čistog silicijuma nije tako lako, s obzirom na inertnost njegovih spojeva i visoku tačku topljenja većine njih. U industriji najčešće pribjegavaju redukciji ugljičnim dioksidom. Reakcija se odvija u lučnim pećima na temperaturi od 1800 C. Na taj način se dobija nemetal čistoće 99,9%, što nije dovoljno za njegovu upotrebu.

Dobiveni materijal se hlorira kako bi se dobili kloridi i hidrokloridi. Zatim se spojevi pročišćavaju svim mogućim metodama od nečistoća i redukuju vodonikom.

Supstanca se takođe može pročistiti dobijanjem magnezijum silicida. Silicid je izložen hlorovodoničnom ili sirćetnom kiselinom. Dobija se silan, a potonji se pročišćava raznim metodama - sorpcijom, rektifikacijom i tako dalje. Zatim se silan razlaže na vodonik i silicijum na temperaturi od 1000 C. U ovom slučaju se dobija supstanca sa udjelom nečistoća od 10 -8 -10 -6%.

Primjena supstance

Za industriju, elektrofizičke karakteristike nemetala su od najvećeg interesa. Njegov monokristalni oblik je poluprovodnik sa indirektnim procepom. Njegova svojstva određuju nečistoće, što omogućava dobijanje kristala silicija sa određenim svojstvima. Dakle, dodavanje bora i indija omogućava uzgoj kristala s provodljivošću rupa, a uvođenje fosfora ili arsena omogućava uzgoj kristala elektronske vodljivosti.

Silicijum doslovno služi kao osnova moderne elektrotehnike. Od njega se prave tranzistori, fotoćelije, integrirana kola, diode i tako dalje. Štaviše, funkcionalnost uređaja gotovo uvijek je određena samo prizemnim slojem kristala, što određuje vrlo specifične zahtjeve za površinsku obradu.
U metalurgiji se tehnički silicijum koristi i kao modifikator legure - daje veću čvrstoću, i kao komponenta - u, na primer, i kao deoksidaciono sredstvo - u proizvodnji livenog gvožđa.
Ultračisti i pročišćeni metalurški materijali čine osnovu solarne energije.
Nemetalni dioksid se u prirodi pojavljuje u mnogo različitih oblika. Njegove kristalne sorte - opal, ahat, karneol, ametist, gorski kristal - našle su svoje mjesto u nakitu. U metalurgiji, građevinarstvu i radioelektronici koriste se modifikacije koje nisu toliko atraktivne - kremen, kvarc.
Jedinjenje nemetala sa ugljenikom, karbida, koristi se u metalurgiji, izradi instrumenata i hemijskoj industriji. To je širokopojasni poluprovodnik, karakteriziran visokom tvrdoćom - 7 po Mohsovoj skali, i čvrstoćom, što mu omogućava da se koristi kao abrazivni materijal.
Silikati - odnosno soli silicijumske kiseline. Nestabilan, lako se raspada pod uticajem temperature. Njihova izuzetna karakteristika je da formiraju brojne i raznovrsne soli. Ali potonji su osnova za proizvodnju stakla, keramike, zemljanog posuđa, kristala itd. Možemo sa sigurnošću reći da se moderna konstrukcija zasniva na raznim silikatima.
Staklo ovdje predstavlja najzanimljiviji slučaj. Njegova osnova su aluminosilikati, ali beznačajne primjese drugih tvari - obično oksida - daju materijalu puno različitih svojstava, uključujući boju. -, zemljano posuđe, porcelan, zapravo, ima istu formulu, ali sa drugačijim omjerom komponenti, a i njegova raznolikost je zadivljujuća.
Nemetal ima još jednu sposobnost: formira spojeve poput ugljičnih, u obliku dugog lanca atoma silicija. Takva jedinjenja se nazivaju organosilicijumska jedinjenja. Opseg njihove primjene nije ništa manje poznat - to su silikoni, brtvila, maziva i tako dalje.

Silicijum je veoma čest element i ima neobično veliki značaj u mnogim oblastima nacionalne ekonomije. Štoviše, aktivno se koristi ne samo sama tvar, već i svi njeni različiti i brojni spojevi.

Ovaj video će vam reći o svojstvima i upotrebi silicija:

Amorfni silicijum se može klasifikovati u tri tipa:

1. Kvarcno staklo, proizvedeno topljenjem kvarca (kao i visokotemperaturnom hidrolizom silicijum tetrahlorida ili njegovom oksidacijom u niskotemperaturnoj plazmi).

2. Silicijum M - amorfni silicijum dobijen zračenjem amorfnih ili kristalnih varijanti silicijum dioksida brzim neutronima. U tom slučaju se povećava gustina početnog amorfnog silicijum dioksida, a smanjuje se gustina kristalnog silicijum dioksida. Silicijum M je termički nestabilan i pretvara se u kvarc na 930C u roku od 16 sati. Gustina mu je 2260 kg/m3 (za kvarcno staklo je 2200).

3. Miroamorfni silicijum, uključujući solove, gelove, prahove i porozna stakla, koji se uglavnom sastoje od primarnih čestica manjih od jednog mikrometra ili sa specifičnom površinom većom od 3 m 2 /g.

Mikroamorfni silicijum, sintetizovan u laboratorijskim uslovima, može se podeliti u tri klase:

I Mikroskopske sorte dobivene posebnim procesima u obliku listova, traka i vlakana.

II Konvencionalni amorfni oblici, koji se sastoje od elementarnih sfernih čestica SiO 2, manjih od 100 nm, čija je površina formirana ili od bezvodnog SiO 2 ili od SiOH grupa. Takve čestice mogu biti pojedinačne ili povezane u trodimenzionalnu mrežu: a) diskretne ili izolovane (čestice, kao što je slučaj u solovima; b) trodimenzionalni agregati povezani u lance siloksanskom vezom na tačkama kontakta, kao u gelovima ; c) rasuti trodimenzionalni agregati čestica, kao što je uočeno u aerogelovima, trogenom silicijum dioksidu i nekim dispergovanim prahovima silicijum dioksida (vidi sliku 1.13).

III Hidrirani amorfni silicijum dioksid, u čijoj strukturi svi ili skoro svi atomi silicijuma drže jedna ili više hidroksilnih grupa.

Rice. 1.13. Elementarne čestice uobičajenih oblika koloidnog silicijum-dioksida. Slika je predstavljena plosnato, ali u stvari je agregacija čestica trodimenzionalna: a – sol, b – gel, c – prah silicijevog dioksida

Dobija se mikroamorfni silicijum slojevite, trakaste i vlaknaste mikroforme:

1. Formiranje čestica na granici gas-tečnost kao rezultat hidrolize SiF 4 u gasovitom stanju na 100 ili hidrolize pare SiCl 4 na 100 C. Pahuljice su tanki slojevi silika gela formirani na površini kontakta izuzetno reaktivne pare SiF 4 sa kapljicama vode. „Pahuljasta” priroda praha pripremljenog od SiF 4 ogleda se u njegovoj vrlo maloj prividnoj gustini od 25 kg/m 3 , kao iu „fluidnosti” praha, sličnoj onoj vode. Pahuljice silika gela nepravilnog oblika prečnika oko 1 µm i debljine 1/10 µm sadrže 92,86% SiO 2 i 7,14% H 2 O.

2. Formiranje silicijum sola smrzavanjem. Kada se otopina isparenog silicijum dioksida ili polisilicijumske kiseline zamrzne, rastući kristali leda će istisnuti silicijum dioksid dok se ovaj ne akumulira između kristala leda kao koncentrirani sol. Ovaj silicijum se zatim polimerizuje i formira gusti gel. Kada se led otopi, silicijum se dobija u obliku ljuskica nepravilnog oblika formiranih između glatkih površina kristala leda. Prašak silicijum dioksida osušen u vakuumu sadrži približno 10% H2O.

Najčešći silicijum u amorfnom obliku uključuje silika gel i kvarcno staklo. Silika gel se dobija zagrevanjem silika gela na temperaturu koja ne prelazi 1000C. Gotovi tehnički silika gel su čvrste prozirne granule bijele ili žućkaste boje. Široko se koristi kao apsorber vlage.

Talina silicijum dioksida se lako superohlađuje da bi se formiralo kvarcno staklo. Kvarc staklo koje se koristi u tehnologiji je jednokomponentno silikatno staklo. Dobiva se topljenjem prirodnih ili vještačkih sorti silicijum dioksida visoke čistoće.

Sa povećanjem pritiska, modifikacione transformacije su uspostavljene i za nekristalni silicijum – kvarcno staklo. Kada se staklo komprimuje, Si-O-Si veze u njemu se savijaju. S povećanjem tlaka na 3100-3300 MPa, uočava se prijelaz, praćen oštrom promjenom gustoće (transformacija drugog reda). Staklo dobijeno pri ovom pritisku naziva se suprapiezo staklo(skraćeno S-P-staklo).

Kada se pritisak poveća iznad 9000 MPa, gustina staklastog silicijum dioksida ponovo počinje da raste i na 20000 MPa postaje jednaka 2,61. 10 3 kg/m 3, što je blisko gustoći kvarca, ali materijal ostaje amorfan. Takvo staklo, kada se ukloni pritisak, ne vraća se elastično u prvobitni volumen, a tanki diskovi ultra-gustog (kondenziranog) kvarcnog stakla mogu se sačuvati. Ovo zadebljano kvarcno staklo se zove kondenzovano.

Karakteristike SiO 2 polimorfa su date u tabeli 1.1.

Silicijum: karakteristike, karakteristike i primena. O amorfnom silicijum dioksidu Prehrambeni aditiv amorfni silicijum dioksid - primena u hrani