سیلیسیم چیست و چه کاربردهایی دارد؟

سیلیسیم که با نماد Si در جدول تناوبی شناخته می ‎شود، دارای عدد اتمی ۱۴ بوده و به عنوان یک عنصر نیمه هادی (نیمه رسانا) در دسته شبه فلزات قرار می‎ گیرد. عنصر سیلیسیم شبه فلزی با ۴ ظرفیت است و معمولاْ به رنگ آبی یا خاکستری براق یافت می‎ شود. این عنصر برای اولین بار در آمریکای جنوبی یافت شده و روند ساخت آن کمی پیچیده به نظر می‎ رسد.

فرآیند پیچیده ساخت سیلیسیم با استخراج این عنصر از سیلیس و انتقال آن به واسطه هیدروکربن‏ ها می‎ باشد. در نهایت عنصر سیلیسیم استخراج شده با سایر مواد شیمیایی ترکیب شده و می‏ تواند به اشکال مختلفی به دست آید. اگر می ‏خواهید بیشتر با سیلیکون و تاریخچه پیدایش آن آشنا شوید و همچنین روند تولید آن را بشناسید، به شما پیشنهاد می‏ کنیم که تا انتهای این مطلب همراه ما باشید.

عنصر سیلیسیم چیست؟

به گزارش Britannica.com، عنصر سیلیسیم (Si) یک عنصر شیمیایی غیر فلزی در خانواده کربن یا همان گروه ۱۴ جدول تناوبی است. این عنصر تقریباً ۲۷.۷ درصد از پوسته زمین را تشکیل داده و به عنوان دومین عنصر فراوان در پوسته زمین، بعد از اکسیژن شناخته می‎ شود.

سیلیسیم مفیدترین عنصر برای بشریت است که برای ساخت آلیاژهایی از جمله آلومینیم، سیلیکون و فرو سیلیسیم (آهن _ سیلیسیم) مورد استفاده قرار می‎ گیرد. این آلیاژها برای تولید انواع قطعات زیر به کار برده می‏ شوند:

• سرسیلندر
• صفحه دینام
• بلوک موتور
• ترانسفورماتور
• ابزار اکسیدزدایی فولاد

آیا سیلیسیم به پلاستیک شباهت دارد؟

از نظر فنی، سیلیسیم را می ‏توان بخشی از خانواده لاستیک‏ ها در نظر گرفت. در واقع این عنصر چیزی شبیه به ترکیبی بینابین یک لاستیک و یک پلیمر پلاستیک مصنوعی بوده و بافتی مشابه با الیاف پلیمری دارد. به همین جهت است که از سیلیسیم در ساخت انواع لاستیک ‏های شکل پذیر و رزین‏ های سخت استفاده می ‎شود.

تاریخچه سیلیسیم

عنصر سیلیسیم با وجود اینکه در سال ۱۸۱۱ برای اولین بار به صورت ناخالص یافت شد، اما در نهایت به صورت خالص، برای اولین بار در سال ۱۸۲۴ میلادی توسط یونس یاکوب برزلیوس، شیمیدان سوئدی، کشف شد. نام این عنصر از کلمه لاتین Silex یا Silicis به معنای “سنگ سخت” برگرفته شده است.

کشف عنصر کریستالی سیلیسیم برمی‏ گردد به زمانی که شیمی دانان توانستند آن را به صورت یک محصول الکترولیز بدست بیاورند.

مشخصات عنصر سیلیسیم

در جدول زیر، به برخی از مهم‏ترین مشخصات شیمیایی و فیزیکی عنصر سیلیسیم اشاره شده است:

نکته جالبی که شاید برایتان هیجان انگیز به نظر برسد این است که عنصر سیلیسیم در حالت مایع چگالی بیشتری نسبت به حالت جامد دارد؛ در نتیجه رفتار این ماده حین یخ زدن بر خلاف سایر مایعات است. یعنی هنگامی که یخ می‎ زند به جای کاهش حجم، همانند آب، دچار افزایش حجم می‎ شود.

نحوه تولید سیلیسیم

نحوه تولید سیلیسیم شامل استخراج از سنگ معدن تا تصفیه و پالایش می‏ باشد و هر یک از مراحل به شرح زیر است:

1. استخراج: این عنصر به طور طبیعی در سنگ معدن کوارتز یافت شده و با خرد شدن این سنگ بدست می ‏آید. به طوری که بعد از خرد شدن، سنگ کوارتز با مواد شیمیایی مانند اسید هیدروفلوئوریک تصفیه می‎ شود. در نهایت به صورت سیلیسیم دی اکسید خالص یا SiO2 استخراج می‏ گردد.
2. تصفیه: سیلیسیم دی اکسید با کربن در کوره‎ های قوسی الکتریکی حرارت داده شده و طی این فرآیند، کربن با اکسیژن موجود در سیلیسیم دی اکسید ترکیب می‎ شود و مونوکسید کربن را تولید می‎ کند. در نهایت سیلیسیم خالصی که در کوره به صورت مذاب قرار می ‎گیرد، از ته کوره جمع آوری خواهد شد.
3. پالایش و بلورسازی: در این مرحله، سیلیسیم مذاب جمع آوری شده با مواد شیمیایی مانند بور و فسفر تصفیه می ‎گردد. این مواد باعث می‎ شوند تا هر گونه ناخالصی باقیمانده در این عنصر از آن خارج شود و کیفیت عنصر را بالا ببرد. در نهایت برای بلورسازی، سیلیسیم پالایش شده داخل قالب‏ های مخصوص ریخته شده و به آرامی خشک می ‎شود. این فرآیند موجب تولید سیلیکون‏ های کریستالی خواهد شد.
4. برش و صیقل دادن کریستال سیلیسیم: برای آنکه کریستال سیلیسیم بدست آمده شکل ظاهری خوبی داشته باشد، به صورت ورقه‏ های نازک برش داده شده و به آن صیقل می دهند تا سطحی صاف و یکنواخت داشته باشد.

پلیمرهای سیلیکون

از عنصر سیلیکون می‎ توان برای ساخت انواع پلیمر در صنعت استفاده کرد. پلیمرهای این عنصر یا پلیمرهای حاوی اتصالات سیلیکونی، گروهی از مواد پلیمری هستند که شامل اتصالات سیلیسیم-کربن می‌شوند. این پلیمرها به دلیل ویژگی‌های خاص خود از جمله مقاومت در برابر دما، خواص الکتریکی و حرارتی مناسب و همچنین مقاومت شیمیایی، در بسیاری از صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرند. برخی از این پلیمرها معروف عبارتند از:

• پلی‌سیلوکسان
• پلی‌فنی‌سیلوکسان
• پلی‌آمیدوسیلوکسان
• پلی‌فنی‌سیلوکسان
• پلی‌استرهای سیلیکونی
• پلی‌اترهای سیلیکونی
• پلی‌فسفازهای سیلیکونی

این تنها چند مثال از پلیمرهای سیلیکونی هستند و در واقع تعداد آنها بسیار زیاد است و می‌توانند با تغییر در ساختار مولکولی و شرایط سنتز، خواص مختلفی داشته باشند.

خواص سیلیکون

پلیمر مصنوعی سیلیکون ترکیبی از سیلیسیم و اکسیژن بوده و در دماهای بالا یا پایین، می‏ تواند خاصیت مکانیکی خود را حفظ کند. این پلیمرها خاصیت انعطاف پذیری بالایی دارند و تحت تاثیر حرارت، می‏ توانند حالت یکپارچه‏ای داشته باشند. سیلیکون‏ ها خواص چسبندگی بسیار خوبی دارند و برخی از آن‏ها به طور طبیعی، دارای خاصیت چسبندگی هستند.

عنصر سیلیسیم در شرایط جوی مختلف مانند نور و رطوبت، مقاومت بالایی دارد و در دمای ۲۶۰ تا ۳۱۵ درجه سانتیگراد، می‏تواند خاصیت لاستیکی خود را حفظ کند. به همین دلیل است که از این عنصر فراوان، می ‏توان در صنایع تولید لاستیک و یا تولید رنگ استفاده کرد.

این عنصر نه تنها برای صنایع مختلف می‏ تواند خاصیت داشته باشد، بلکه برای بدن انسان هم خواص مختلفی از جمله موارد زیر را داراست:

• نگهداری و مراقبت از ظاهر پوست
• جلوگیری از تغییر شکل استخوان‏ها
• تقویت کردن سلامت استخوان‎ها
• جلوگیری از شکستن ناخن‏ها

ساختار شیمیایی و مقاومت سیلیکون

در ادامه، به طور جداگانه به ساختار شیمیایی و مقاومت سیلیکون پرداختیم تا بتوانید بهتر با هر یک از این ویژگی‏ ها آشنا شوید:

ساختار شیمیایی سیلیکون

سیلیکون‎ ها که به طور دقیق ‏تر سیلیکزان یا پلی سیلوکسان پلیمریزه نام دارند، از یک زنجیره‎ به شکل ستون فقرات که حاوی سیلیسیم و اکسیژن غیر آلی است، تشکیل شدند. این زنجیره اکسیژن غیر آلی و سیلیسیم به گروه‏ های جانبی آلی که حاوی سیلیسیم است، متصل می ‏باشد. ساختار شیمیایی اتم سیلیکون دارای ۴ الکترون ظرفیت بوده که می‎ تواند با ۴ اتم هیدروژن پیوند کووالانسی برقرار کند و موجب تشکیل گاز سیلان (SiH4) شود.

سیلیسیم می‏تواند با دیگر اتم ‏های این عنصر هم پیوند کووالانسی داشته باشد و یک شبکه بلوری را تشکیل دهد که این شبکه بلوری بسیار قوی است و خواص منحصر به فردی دارد.

مقاومت سیلیکون

سیلیسیم دارای شبکه بلوری مقاومی است و ماده ‏ای سخت و شکننده به شمار می‏ رود. مقاومت بالای آن در نقطه ذوب و جوش هم قابل مشاهده است؛ به طوری که نقطه ذوب آن 1414 و نقطه جوش این عنصر 3265 درجه سانتیگراد می‏ باشد.

علت مقاومت بالای عنصر سیلیسیم چیست؟

پیوندهای کووالانسی و اندازه کوچک اتم ‏های سیلیسیوم، یکی از مهم‏ترین علت‏ ها برای مقاومت بالای این عنصر است. چرا که پیوند کووالانسی در شبکه بلوری سیلیسیم بسیار قوی بوده و شکستن آن کار دشواری خواهد بود. همچنین اندازه کوچک اتم‏ های سیلیسیم باعث شده تا فاصله بین اتم ‏ها در شبکه بلوری کم باشد و پیوند کووالانسی را قوی ‏تر کند.

کاربردهای سیلیسیم

محصولات متنوعی هستند که با استفاده از سیلیسیوم ساخته می شوند و این عنصر نقش مختلفی در صنایع مختلف دارد که در ادامه کاربردهای گسترده آن را بررسی خواهیم کرد.

• صنعت الکترونیک

مهم‏ترین کاربرد سیلیسیم در صنعت الکترونیک، ساخت تراشه ‏های کامپیوتری، دیود، ترانزیستور و انواع سلول‏ های خورشیدی می ‏باشد. سیلیسیم به دلیل خاصیت نیمه رسانایی خود، به عنوان ماده ‎ای ایده ‏آل برای ساخت قطعات الکترونیک به شمار می‎ رود. اغلب تراشه‏ های کامپیوتری از بلورهای سیلیسیمی ساخته شده و با مواد ناخالصی مانند بور و فسفر، به اصطلاح دوپینگ می‎ شوند.

• صنعت ساخت و ساز

سیلیسیم می‎ تواند در صنعت ساخت و ساز برای تولید شیشه، سرامیک، سیمان و بتن مورد استفاده قرار بگیرد. سیلیس یا SiO2 یک فرم اکسید شده از سیلیسیم است و به عنوان ماده اصلی تشکیل دهنده شیشه شناخته می‎ شود. از طرفی سیلیس در خاک رس، یکی از اجزای اصلی تولید کننده سیمان می‎ باشد. همچنین در سرامیک نیز به عنوان یکی از مواد معدنی مفید، به کار می‎ رود.

• صنعت پزشکی

از عنصر سیلیسیم برای تولید انواع تجهیزات پزشکی مانند پروتزها، ایمپلنت و داروها استفاده می‎ شود. پروتزهای سیلیکونی به دلیل انعطاف پذیری بالا و سازگاری خوبی که با بدن دارند، به عنوان یک جایگزین مناسب برای اندام‏ های از دست رفته و یا آسیب دیده به کار می‎ روند.

یکی دیگر از کاربردهای سیلیسیم در صنعت پزشکی علاوه بر پروتز و ایمپلنت‏ ها، داروهای سیلیکونی است که برای درمان بیماری‏ های مختلفی مانند پوکی استخوان و آرتروز مناسب می‎ باشند.

• صنعت نساجی

یکی دیگر از صنایعی که عنصر سیلیسیم در آن به طور گسترده مورد استفاده قرار می ‎گیرد، صنعت نساجی است. علت استفاده از سیلیسیم در صنعت نساجی این است که الیاف سیلیکونی، مقاومت بسیار بالایی در برابر حرارت و مواد شیمیایی دارد. بنابراین برای تولید انواع لباس ‏های ضد حریق، لباس ‎های ورزشی و یا عایق ‎های حرارتی برای آتش‌نشان‏ ها مناسب می‏ باشد. الیاف سیلیکونی نه تنها عایق حرارت هستند، بلکه لطافت و نرمی خوبی دارند و برای تولید لباس ‏های زیر و انواع ملحفه ‏ها نیز به کار خواهند رفت.

• صنعت لوازم خانگی

سیلیسیم عایق حرارت و منعطف بوده و برای تولید انواع ظروف پخت و پز سیلیکونی مناسب است. علاوه بر ظروف پخت و پز، می توان ‏از سیلیسیوم برای تولید انواع قالب شیرینی پزی و شکلات سازی هم استفاده می شود که این محصولات عایق حرارت هستند و به راحتی تمیز می ‎شوند.

از دیگر کاربردهای مهم عنصر سیلیسیم، می توان این موارد را نام برد:

• تولید انواع کابل‏ ها و نیمه رساناها در صنعت برق
• ساخت قطعات موتور هواپیما و فضاپیما در صنعت هوافضا
• تولید انواع لاستیک، واشرها و قطعات موتور در صنعت خودروسازی

نکات ایمنی هنگام کار با سیلیسیم

سیلیسیم و مشتقات آن عنصری کاملاً بی خطر و بی ضرر است که از نظر شیمیایی واکنش پذیر نیست! بنابراین محصولات سیلیکونی خطری برای سلامتی شما نخواهند داشت ولی برای استفاده از هر ماه شیمیایی نکاتی وجود دارد که باید رعایت شوند.

دقت داشته باشید که اگر می‏ خواهید از عنصر سیلیسیوم برای تولید محصولات شیمیایی استفاده کنید، بهتر است تا نکات مراقبتی زیر را به دقت رعایت کنید:

• از آنجایی که ممکن است عنصر سیلیسیم گازهای سمی آزاد کند، بهتر است تا تهویه مناسب حین کار فراهم کنید؛ چرا که گرد و غبارات حاوی سیلیسیم و همچنین گازهای سمی آن، ریه‏ ها را تحریک کرده و می ‏تواند برای سلامتی خطرساز باشد.
• بهتر است تا هنگام استفاه از سیلیسیم، از دستکش، عینک‏ های ایمنی، ماسک و روپوش ایمنی استفاده شود. این تجهیزات می‏ تواند برای محافظت از بدن و سلامتی در برابر بخارات سمی و یا تشعشات سیلیسیم مناسب باشد.
• هنگام کار با سیلیسیم، از لباس‌های آستین بلند و شلوار بلند استفاده کنید.
• به محض تمام شدن کارتان با سیلیسیم، دست و صورت خود را بشویید تا با پوست تماس نداشته باشد. حواستان باشد که سیلیسیم با پوست و صورت شما تماس پیدا نکند تا موجب تحریک پوستتان نشود.
• از خوردن و آشامیدن در محل کار با سیلیسیم خودداری کنید.
• سیلیسیم می تواند برای سلامت حیوانات خانگی و کودکان مضر باشد، به همین سبب توصیه می ‏شود تا حین کار، آن را از دسترس حیوانات و یا کودکان خود در خانه دور نگه دارید.
• در صورت بارداری یا شیردهی، قبل از کار با سیلیسیم با پزشک خود مشورت کنید.

سوالات متداول در خصوص سیلیسیم