En la década de 1960, con el desarrollo exitoso de los circuitos integrados, la industria electrónica se desarrolló rápidamente y surgieron diversos productos electrónicos sin cesar. Cada vez más productos como radios, televisores y ordenadores han entrado en nuestras vidas. El silicio juega un papel muy importante en el desarrollo de la industria electrónica. El silicio está estrechamente relacionado con nuestras vidas. Además de los productos electrónicos que contienen silicio, el cemento utilizado en la construcción de casas, el vidrio de las ventanas y la vajilla diaria también están hechos de sustancias que contienen silicio. A continuación, presentaremos algunos conocimientos relacionados con el silicio.
Aprendimos algunas propiedades del carbono y sus compuestos en la escuela secundaria. Después de conocer la estructura atómica y la ley periódica de los elementos, sabemos que cada elemento tiene su posición correspondiente en la tabla periódica. Entonces, ¿dónde se ubica el carbono en la tabla periódica? ¿Qué otros elementos están relacionados con él?
1. Elementos de la familia del carbono
La capa electrónica más externa de un átomo de carbono tiene cuatro electrones, que es la misma que la capa electrónica del carbono. Los átomos de silicio (Si), germanio (Ge), estaño (Sn) y plomo (Pb) también tienen cuatro electrones en sus capas electrónicas más externas. Estos cinco elementos se encuentran en el grupo IVa de la tabla periódica de elementos, al que llamamos elementos del grupo del carbono.
Discusión 1 Partiendo del conocimiento de la ley periódica de los elementos, intentamos deducir las leyes del cambio de propiedades de algunos elementos de la familia del carbono.
A medida que aumenta la carga nuclear, algunas propiedades del elemento carbono muestran cambios regulares. Por ejemplo, en la tabla periódica de elementos, de arriba a abajo, el radio atómico de los elementos aumenta gradualmente, la capacidad de perder electrones aumenta gradualmente y la capacidad de obtener electrones se debilita gradualmente, y la tendencia de los no metales hacia la metalicidad es obvio. Entre los elementos de la familia del carbono, el carbono es un no metal; aunque el silicio parece un metal, exhibe propiedades no metálicas en reacciones químicas y generalmente se considera un no metal. El germanio es más metálico que no metálico; el estaño y el plomo son metales.
Las principales valencias del carbono son 4 y 2. Los compuestos tetravalentes de carbono, silicio, germanio y estaño son estables, mientras que los compuestos bivalentes de plomo son estables.
La Tabla 1 enumera algunas propiedades de los elementos del grupo carbono y sus elementos.
Como se puede ver en la Tabla 1, las propiedades físicas de los alótropos de carbono, el diamante y el grafito, son obviamente diferentes. Esto se debe a los diferentes métodos de enlace de los átomos de carbono en el diamante y el grafito. En los últimos años, los científicos han descubierto una serie de nuevas formas de carbono, la más importante de las cuales es el C60, descubierto en 1985. El C60 es una molécula compuesta por 60 átomos de carbono y parece una pelota de fútbol (Figura 7-2), por lo que a menudo se le llama futboleno. Además, también se han descubierto algunas moléculas de carbono de estructura similar al C60, como el C70.
En la actualidad, la investigación sobre el C60 ha logrado grandes avances y la exploración de la aplicación del C60 en superconductores, ciencia de materiales y otros campos continúa profundizándose. China también ha logrado grandes logros en este campo. Por ejemplo, la Universidad de Pekín y el Instituto de Física de la Academia de Ciencias de China han desarrollado con éxito superconductores C60 dopados con metal. Se puede decir que el descubrimiento del C60 es de gran importancia para la investigación de la química del carbono e incluso para todo el campo químico.
En química en la escuela secundaria, aprendí algunas propiedades del carbono y sus compuestos. Aquí me centraré en aprender algo sobre el silicio y sus compuestos.
Ya sabemos que el silicio es un elemento ampliamente distribuido en la naturaleza, y su contenido en la corteza terrestre es superado sólo por el oxígeno. No existe silicio libre en la naturaleza, sólo silicio ligado, como sílice y silicatos. Estas formas combinadas de silicio se encuentran ampliamente en varios minerales y rocas de la corteza terrestre y son los componentes principales de los minerales y rocas.
El silicio tiene dos alótropos: el silicio cristalino y el silicio amorfo. El silicio cristalino es un sólido metálico duro y quebradizo de color gris negruzco (consulte el diagrama de cristal grande del silicio elemental). Su estructura es similar a la del diamante, con altos puntos de fusión y ebullición y elevada dureza. Otra propiedad importante del silicio cristalino es que su conductividad eléctrica se sitúa entre la de un conductor y la de un aislante, lo que lo convierte en un buen material semiconductor.
Sabemos que el carbono es químicamente estable a temperatura ambiente y puede reaccionar con el oxígeno y otras sustancias a altas temperaturas. Como elemento afín del carbono, ¿cuáles son las propiedades químicas del silicio?
Discusión 2 Basándose en el conocimiento del carbono y la ley periódica de los elementos, resuma algunas propiedades químicas del silicio.
El número de electrones en la capa electrónica más externa de los átomos de silicio es el mismo que el número de electrones en la capa electrónica más externa de los átomos de carbono, los cuales son 4 electrones. Por lo tanto, muchas propiedades químicas del silicio. son similares a los del carbono. A temperatura ambiente, el silicio es químicamente inactivo. A excepción del flúor gaseoso, el ácido fluorhídrico y los álcalis fuertes, el silicio no reacciona con otras sustancias, como oxígeno, cloro gaseoso, ácido sulfúrico, ácido nítrico, etc. El silicio puede reaccionar con algunos no metales en condiciones de calentamiento. Por ejemplo, cuando se calienta, el silicio finamente molido puede arder en oxígeno, produciendo sílice y liberando grandes cantidades de calor.
Silicio Oxígeno Sílice
El silicio es un importante elemento no metálico con una amplia gama de usos. Como buen material semiconductor, el silicio se puede utilizar para fabricar dispositivos semiconductores como circuitos integrados, transistores y rectificadores de silicio. Además, las aleaciones de silicio también tienen una amplia gama de usos. Por ejemplo, el acero con un contenido de silicio de 4 (fracción de masa) tiene buena permeabilidad magnética y puede usarse para fabricar núcleos de transformadores. El acero con un contenido de silicio de aproximadamente 15 (fracción de masa) tiene buena resistencia a los ácidos y puede usarse para fabricar equipos resistentes a los ácidos.
Debido a que no existe silicio simple en la naturaleza, el silicio que utilizamos se extrae de sus compuestos. Industrialmente, el silicio bruto que contiene una pequeña cantidad de impurezas se puede obtener reduciendo el sílice con carbono a altas temperaturas.
Sílice 2C Silicio 2CO
Una vez purificado el silicio bruto, se puede obtener silicio de alta pureza utilizado como material semiconductor.
Dos. Sílice
La sílice es un óxido de silicio, que se encuentra ampliamente en la naturaleza y forma rocas junto con otros minerales. La sílice natural, también conocida como sílice, es un sólido duro y refractario.
La sílice es químicamente inactiva y no reacciona con agua ni ácidos (excepto el ácido fluorhídrico), pero puede reaccionar con óxidos alcalinos o bases fuertes para formar sales. Por ejemplo,
Óxido de calcio y sílice
Sílice 2 hidróxido de sodio = silicato de sodio H2O
Discusión 3 ¿Por qué florece en el laboratorio? ¿Utiliza lejía un tapón de goma en lugar de un tapón de vidrio (el vidrio contiene SiO2)?
La sílice es un óxido ácido, y su correspondiente hidrato es el ácido silícico (H2SiO3). El ácido silícico no se puede producir directamente a partir de sílice, sino que sólo se puede producir haciendo reaccionar silicatos solubles con ácidos. El ácido silícico es insoluble en agua y es un ácido débil, más débil que el ácido carbónico.
La sílice tiene muchos usos. En la actualidad, la principal materia prima de la fibra óptica, material de comunicación de alto rendimiento, es la sílice.
El componente principal de la sílice también es sílice, y se puede utilizar sílice relativamente pura para fabricar vidrio de sílice. Algunos de los instrumentos químicos de alta temperatura utilizados en nuestro laboratorio están hechos de vidrio de temporada. Los relojes electrónicos de cuarzo y los relojes de cuarzo fabricados en temporada también son muy populares.
Los cristales estacionales transparentes son lo que solemos llamar cristales (como se muestra a continuación). Los cristales se utilizan a menudo en la fabricación de piezas e instrumentos ópticos importantes en la industria electrónica, así como en artesanías y vidrio de alta gama.
Tres. Silicatos
El silicato es el componente principal de las rocas de la corteza terrestre. Existen varios minerales de silicato naturales en la naturaleza, que representan aproximadamente el 5% de la corteza terrestre. Existen muchos tipos de silicatos con estructuras muy complejas. Normalmente, su composición se puede expresar en términos de sílice y óxidos metálicos. Por ejemplo,
Silicato de sodio (Na2O SiO2)
Caolinita Al _ 2(Si _ 2O _ 5)(OH)_ 4(Al _ 2O _ 3,2 SiO _ 2,2 H2O)
El silicato de sodio es el silicato más común, y su solución acuosa se conoce comúnmente como silicato de sodio. El vidrio soluble es un líquido viscoso e incoloro, un pegamento mineral que se utiliza como adhesivo de construcción. El silicato de sodio no se quema, no se corroe fácilmente y puede usarse como conservante. Cuando la madera y los textiles se empapan en silicato de sodio, pueden ser antisépticos y es menos probable que se incendien.
El principal componente de la arcilla es el silicato. Hay muchos tipos de arcilla, las más comunes son la arcilla caolín y la arcilla común. La arcilla es la principal materia prima para la elaboración de cerámica.
Lea sobre los peligros del polvo de sílice
La sílice juega un papel importante en la vida diaria, la producción y la investigación científica, pero a veces también puede causar daños al cuerpo humano. Si las personas inhalan polvo que contiene sílice durante mucho tiempo, desarrollarán silicosis (porque el silicio se llama sílice y la silicosis se llama silicosis).
La silicosis es una enfermedad profesional cuya aparición y gravedad dependen de la cantidad de polvo en el aire, la cantidad de sílice en el polvo y la duración del contacto humano. Las personas que trabajan en lugares con alto contenido de polvo de sílice durante mucho tiempo, como minería, fundición de arena, limpieza con chorro de arena, fabricación de cerámica, fabricación de materiales refractarios, etc., son propensas a esta enfermedad. Por lo tanto, en estos lugares de trabajo polvorientos, se deben tomar medidas estrictas de protección laboral y se deben utilizar diversas tecnologías y equipos para controlar el contenido de polvo en el lugar de trabajo para garantizar la salud de los trabajadores.
Pequeño experimento familiar
Colocar una capa de arena fina lavada (de aproximadamente 1 cm de espesor) en el fondo de un fregadero o recipiente grande de vidrio, y luego colocar una piedra con forma de rocalla o escoria. Verter el 20% del producto filtrado en el recipiente.
Solución de Na_2SiO_3 (aproximadamente 3/4 del volumen del recipiente), utilizar una varilla de vidrio para esparcir arena en el fondo. Después de que el nivel del líquido deje de temblar, use unas pinzas para separar varios sólidos de sal (del tamaño de frijoles rojos), como CuSO4,
MnCl2, CaCl2, CoCl2 (cloruro de cobalto), etc., y colóquelos en el tanque de sedimentación en sedimentos en diferentes lugares. Se puede ver rápidamente que donde se coloca la sal, los cristales "crecen" lentamente hacia arriba desde la arena fina en el fondo del agua. Después de unas horas, se convertirán en "plantas acuáticas" de varios colores, formando un hermoso "jardín submarino".
(Ver arriba)
Sección 2 Introducción a la industria de los silicatos
En nuestra vida diaria, a menudo entramos en contacto con algunos materiales de silicato. los platos que utilizamos y las casas en las que vivimos. Los materiales de silicato se fabrican calentando materiales que contienen silicio. Esta industria manufacturera se llama industria de los silicatos, como el cemento, el vidrio, la cerámica y otros productos. La industria del silicato ocupa una posición importante en la economía nacional.
1. Cemento
El cemento es un material de construcción muy importante y un material indispensable para edificios de gran altura y diversos proyectos de construcción. El cemento es hidráulico y se endurece fácilmente cuando se mezcla con agua. Debido a esta excelente propiedad, el cemento se utiliza como material de construcción. Debido a que también se endurece en el agua, también es un material esencial para proyectos submarinos.
Utilizando arcilla y piedra caliza como principales materias primas, después de triturarlas y mezclarlas, se calcinan en un horno rotatorio de cemento, luego se agrega una cantidad adecuada de yeso y se muelen hasta obtener un polvo fino para obtener cemento común.
Los principales componentes del cemento ordinario son el silicato tricálcico (3CaO SiO2), el silicato dicálcico (2CaO SiO2) y el aluminato tricálcico (3CaO Al2O3).
Una mezcla de cemento, arena y agua llamada mortero de cemento es un adhesivo de construcción que une ladrillos y piedras.
Se llama hormigón a una mezcla de cemento, arena y grava. El hormigón suele estar hecho de barras de acero, que es lo que solemos llamar estructuras de hormigón armado. El hormigón armado tiene una gran resistencia y se utiliza a menudo en la construcción de edificios de gran altura, como edificios de gran altura y puentes.
Antes de la liberación, China dependía principalmente del cemento importado. Después de la fundación de la Nueva China, la industria del cemento se desarrolló rápidamente. En la actualidad, la producción de cemento de China ha saltado a la vanguardia mundial.
Datos de la etiqueta del cemento
Después de que el cemento se endurece en el aire, tiene resistencia a la compresión y la resistencia a la compresión se calcula en kg/cm2. Se mezclaron cemento y arena en una proporción de 1:2,5 para preparar muestras de mortero. La resistencia a la compresión de la muestra después de 28 días en agua se denomina grado de cemento. Por ejemplo, una muestra de mortero hecha mezclando 1 parte de cemento y 2,5 partes de arena tiene una resistencia a la compresión de 425 kg/cm2 después de endurecerse en agua durante 28 días. El número de cemento es 425. Cuanto mayor sea la calidad del cemento, mejor será el rendimiento. Los cementos Portland de uso común incluyen el No. 325, No. 425, No. 525 y No. 625. Algunos cementos de alta resistencia tienen grados superiores a 1000.
2. Vidrio
El vidrio es un producto de silicato que vemos todos los días.
El vidrio para ventanas es el tipo de vidrio más común y se denomina vidrio común. Las materias primas para la fabricación de vidrio ordinario son la carbonato de sodio, la piedra caliza y la piedra caliza. Durante la producción, las materias primas se trituran, se mezclan en proporciones adecuadas y se colocan en un horno de vidrio para aumentar el calor.
Una vez fundidas las materias primas se producen cambios físicos y químicos complejos. Las principales reacciones son:
Na2CO3 SiO2 Na2SiO3 CO2 ↑
CaCO3 SiO2 CaSiO3 CO2 ↑
In. producción Durante el proceso del vidrio, si se agregan algunos óxidos metálicos, se puede fabricar vidrio coloreado. Por ejemplo, el vidrio que contiene Co2O3 (óxido de cobalto) es azul y el vidrio que contiene Cu2O es rojo. El vidrio común que vemos es generalmente de color verde claro, porque las materias primas están dopadas con hierro ferroso.
Existen muchos tipos de vidrio Además del vidrio ordinario mencionado anteriormente, existen otros tipos de vidrio, como el vidrio de temporada, el vidrio óptico, etc. La Tabla 2 enumera las propiedades y usos de varios tipos de vidrio.
Tabla 2 Características y usos de varios tipos de vidrio
3. Cerámica
La cerámica tiene una larga trayectoria en China. En el Neolítico, nuestros antepasados sabían hacer cerámica, y durante las dinastías Tang y Song, el nivel de fabricación ya era muy alto. Los "Tres Colores" de la Dinastía Tang y la "Porcelana Jun" de la Dinastía Song son mundialmente famosos y se han transmitido hasta el día de hoy. Como ciudad natal de la cerámica, la cerámica de Yixing, la capital de la cerámica de China, y la porcelana de Jingdezhen, la capital de la porcelana, gozan de una gran reputación en el mundo.
La principal materia prima para la elaboración de cerámica es la arcilla. El proceso general de elaboración de la cerámica se muestra en la siguiente figura.
Existen muchos tipos de cerámicas según las diferentes materias primas y temperaturas de cocción, se dividen principalmente en loza, loza, porcelánico y gres. Por ejemplo, los ladrillos y tejas comunes son loza, que se elabora a partir de tierra que contiene impurezas a temperaturas adecuadas; la producción de porcelana requiere requisitos relativamente altos, requiere arcilla pura como materia prima y la temperatura de cocción es relativamente alta, por lo que la porcelana es más blanca que la cerámica. , más denso.
Generalmente los productos cerámicos cocidos presentan superficies rugosas y diversos grados de permeabilidad. Para compensar este defecto, a menudo se aplica una capa de esmalte a la superficie del cuerpo antes de la cocción para que el producto terminado sea suave y hermético.
La cerámica tiene muchas ventajas, como resistencia a la oxidación, resistencia a la corrosión ácida y alcalina, resistencia a altas temperaturas, aislamiento y fácil moldeo. Por lo tanto, la gente siempre ha amado los productos cerámicos. Las cerámicas antiguas excavadas en el suelo aún mantienen su apariencia original después de varios años. No sólo se han convertido en tesoros artísticos para que la gente los aprecie, sino que también son de gran ayuda para las generaciones futuras en el estudio de la historia. Hoy en día, la cerámica sigue siendo muy utilizada en la vida y la producción, como algunas vajillas en la vida diaria, ladrillos y tejas en la construcción, porcelana aislante en electrodomésticos, crisoles y platos de evaporación en laboratorios químicos, etc. , son todos productos cerámicos.
Datos de esmalte de color
Muchos productos cerámicos que vemos en nuestra vida diaria son lisos, impermeables, coloridos y muy bonitos. Esto se debe a que el cuerpo se recubre con un esmalte de color antes de la cocción. Se pueden hacer esmaltes de colores agregando algunos iones de metales pesados a los esmaltes comunes (consulte la tabla a continuación para conocer los colores). A la gente le encantan los productos cerámicos de colores recubiertos con esmaltes de colores.
Leer Esmalte
Solemos utilizar algunos productos esmaltados, como ollas, tazas, ollas, cuencos esmaltados, etc. , y las carcasas de algunos aparatos eléctricos también son esmaltadas. El esmalte es un material compuesto que combina metal y materiales inorgánicos recubriendo una superficie metálica con esmalte similar al vidrio y luego sinterizándolo a alta temperatura. El esmalte suele estar hecho de chapa de acero, hierro, aluminio, cobre y plata, y la capa exterior de esmalte sirve para proteger y decorar el metal.
Nuestro país domina desde muy temprana edad el proceso de cocción del esmalte. El cloisonné es una exquisita artesanía de esmalte de bronce hecha entre Xuande y Jingtai en la dinastía Ming. Sigue siendo un arte favorito y apreciado por la gente. A lo largo de los años, la tecnología del esmalte se ha mejorado y desarrollado continuamente y se ha utilizado en muchos campos como. industria química moderna y ciencia y tecnología modernas. Por ejemplo, las torres de reacción en la industria química; los tubos de escape de automóviles y trenes; y el esmalte se utiliza en piezas resistentes a altas temperaturas de aviones y cohetes. El esmalte también se utiliza en campos de alta tecnología como la electrónica, los infrarrojos, el láser y los isótopos.
Resumen
Los elementos del grupo carbono se encuentran en el grupo IVa de la tabla periódica de elementos A medida que aumenta la carga nuclear, sus propiedades cambian periódicamente.
Principales propiedades y usos del silicio y la sílice;