SEMINARSKI RAD IZ HEMIJE
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
SILICIJUMSilicijum (Si, latinski - silicium)
je metaloid IVA grupe. Stabilni izotopi silicijuma
su:28Si, 29Si i 30Si. 2. SILICIJUMHipotetična
životna forma bazirana na silikonu Silicijum je jedan od najrasprostranjenijih
elemenata na Zemlji , iako ga nema mnogo u medjuzvezdanom prostoru, pretpostavlja
se da ga cela klasa planeta sličnih Zemlji sadrži u značajnim količinama.
Silicijum je po mnogim hemijskim osobinama sličan ugljeniku - ima sličan
elektronski raspored, gradi relativno jake Si-Si veze. Neki organizmi
na zemlji koriste silicijum u izgradnji svojih egzoskeleta i strukturnih
elemenata. Osim ovih osobina, da bi izgradili sliku eventualnog života
baziranog na silicijumu, neophodno je reći da postoje i osobine ovog atoma
koje značajno ograničavaju njegovu "bioprimenljivost". Silicijum
zbog voluminoznog atoma ne može da gradi dvostruke i trostruke veze, a
silicijumska varijanta prostog ugljenovodoničnog niza (a koji možemo naći
u masti, nafti, ćelijskim membranama i sl.) je izrazito reaktivna sa vodom.
Značajno stabilniji su silikoni - polimeri sastavljeni od nizova naizmeničnih
atoma silicijuma i kiseonika. 2.1 Silicijum c-Si FN ćelijeFotonaponske ćelije izrađene od monokristalnog silicijuma imaju tzv. jednoliku strukturu, što znači da se sastoje od istog materijala koji je modifikovan tako da je na jednoj strani ćelije p-sloj, a na drugoj n-sloj Si poluprovodnika. Unutar ćelije, p-n spoj je lociran tako da se maksimum sunčevog zračenja apsorbuje blizu spoja. Površina takvih ćelija zavisi od preseka monokristala od kojeg se proizvode, i iznosi od 5 do 10 cm², debljina im je od 200 do 300 μm. Napon takvih ćelija je od 0,55 do 0,70 V. Teorijska efikasnost im je oko 22 %, dok je stvarna efikasnost oko 15 %. Jedina mana ćelija izrađenih od monokristalnog silicijuma je visoka proizvodna cijena, zbog komplikovanog procesa proizvodnje. 2.2 Silicijum p-Si FN ćelijeIdentično c-Si ćelijama, FN ćelije izrađene od polikristalnog silicijuma imaju tzv. jednolika strukturu. Suprotno monokristalnom silicijumu, polikristalni silicijum sačinjen je od više malih kristala, zbog čega dolazi do pojave granica. Granice se suprostavljaju toku elektrona, te ih potiču na rekombinaciju sa šupljinama, što rezultuje smanjenjem izlazne snage takvih ćelija. Postupak dobijanja polikristalne Si FN ćelije identičan je postupku kod c-Si ćelija. Isto tako, presek p-Si FN ćelije identičan je presjeku c-Si ćelije . Jedina razlika je u obliku p-Si ćelija, koje su četvrtaste stoga se mogu bolje složiti u FN module. Proces proizvodnje ćelija od polikristalnog silicijuma je znatno jeftiniji od procesa proizvodnje monokristalnih ćelija, ali p-Si FN ćelije imaju manju efikasnost od c-Si ćelija. Teorijska efikasnost im je oko 18 %, stvarna efikasnost im je između 10 i 13 %. 2.3 Amorfni silicijum a-Si FN ćelije Atomi unutar amorfnih materijala nisu složeni u neku pravilnu strukturu,
odnosno ne formiraju kristalnu strukturu. Takođe, amorfni materijali sadrže
veliki broj strukturnih defekata te lošu povezanost atoma, što znači da
atomi nemaju susjeda sa kojim bi se mogli povezati. Zbog navedenog razloga
elektroni će se rekombinovati sa šupljinama umesto da formiraju strujni
krug. Budući da defekti limitiraju tok električne struje, ovakve vrste
materijala su inače neprihvatljive u elektronskim uređajima. Defekti se
mogu delimično ukloniti ako se u amorfni silicijum ugradi mala količina
vodonika. Posledica takvog tretiranja amorfnog silicijuma je kombinacija
atoma vodonika sa atomima amorfnog silicijuma koji nemaju suseda (nisu
vezani) tako da elektroni mogu nesmetano putovati kroz materijal
. Amorfni silicijumum upija sunčevo zračenje 40 puta efikasnije u
odnosu na monokristalni silicijum, tako da sloj debljine 1 μm može upiti
oko 90 % energije sunčevog zračenja, naravno kada je obasjan. Upravo to
svojstvo amorfnog silicijuma bi moglo sniziti cenu FN tehnologije. 2.4 Jedinjenja silicijuma sa oksidacionim brojem +4Ovaj oksidacioni broj silicijum ima u sastavu oksida:silicijum(IV)-oksida (SiO2),kiselina silicijuma i njihovih soli(silikata).Silicijum(IV)-oksid se u prirodi javlja u velikim količinama i to najviše u kristalnom obliku.Osnovne kristalne alotropske modifikacije ovog oksida su: kvarc,tridimit i kristobalit.Ovaj oksid je u manjoj količini u prirodi prisutan i u modifikacijama amorfne strukture- opalu i ahatu. Njegova najrasprostranjenija kristalna modifikacija je tzv,α-kvarc koji se najčešće naziva samo kvarc.Potpuno čist oblik α-kvarca (bezbojni,providni kristali) se naziva gorski kristal ili biljur.Pored njega postoje i obojeni oblici kristalnog kvarca:ljubičasti-ametist,žut-citrin,mrk-cadjavac itd.U prirodi je najzastupljeniji nečist kvarc u obliku običnog peska koji nastaje raspadanjem alumosilikata u vodi koja sadrži rastvoreni ugljenik(IV)-oksid.Pesak je jedan od najeftinijih i najšire korišćenih gradjevinskih materijala i koristi se kao sirovina za proizvodnju :cementa,stakla,keramike itd. Osnovna strukturna jedinica ovog oksida su,u različitim modifikacijama različito razmešteni SiO4 tetraedri , u čijem se centru nalaze (sp3) hibridizovani atomi silicijuma koji su jakim kovalentnim vezama povezani sa atomima kiseonika smeštenim na temenima tetraedara.Svaki atom silicijuma je u kristalnoj rešetki ovog oksida smešten izmedju dva atoma kiseonika i formula oksida SiO2 ustvari samo daje odnos brojeva atoma silicijuma i kiseonika.Pojedinačni molekuli ovog sastava zapravo ne postoje.Prava formula ovog oksida je (SiO2)x i u njemu su tetraedri,preko atoma kiseonika,povezani i rasporedjeni različitom gustinom.Najgušći raspored tetraedara i najveću gustinu ima kvarc (ρ=2,655g/cm3) onda tridimit (ρ=2,3g/cm3) pa kristobalit (ρ=2,27g/cm3). Jake kovalentne veze u ovom oksidu uzrok su što je ovaj oksid teško topljiv
(Tt=17130 C) i tvrd (može da ogrebe staklo).Kristal kvarca poseduje jednu
intresantnu osobinu : pod dejstvom pritiska na mestu nasuprot mesta gde
se vrsi pritisak javlja se naelektrisanje (piezoelektricitet).Hladjednem
rastopljenog silicijum(IV)-oksida on postepeno očvršćava u providnu staklastu
masu koja se naziva kvarcno staklo.Kvarcno staklo se sa porastom temperature
malo širi i zato je pogodno za izradu laboratorijskog posudja (podnosi
nagle promene temperature bez pucanja) a ima i sposobnost da (za razliku
od običnog stakla) propušta ultraljubičaste i infracrvene zrake (primenjuje
se u optičkim instrumentima).Na običnoj temperaturi ovaj oksid je inertan
i reaguje samo sa HF-om dajući silicijum(IV)-fluorid (SiF4) a u višku
heksafluorosilicijumovu kiselinu (H2/SiF6/).Sa bazama ovaj oksid reaguje
sporo i to tek na povišenim temperaturama (topljenjem sa njima).Topljenjem
sa alkalijama ili sa karbonatima alkalnih metala (alkalno topljenje) nastaju
u vodi rastvorne soli –silikati koje imaju izgled sličan staklu i rastvorne
su u vodi i nazivaju se rastvorno staklo.Vodeni rastvori ovih soli se
nazivaju vodeno staklo (koristi se kao lepak za staklo,porcelan,papir,impregnaciju
drveta itd.).Reakcija koja se odigrava izmedju ovog oksida i alkalija
,na povišenoj temperaturi,se uprošćeno prikazuje jednačinom: Reakcija ovog oksida sa bazom ustvari pokazuje da je on po svojim kiselo-baznim reakcijama kiseli oksid i anhidrid kiselina silicijuma koje su product različitog stepena njegove hidratacije.Sastav ovih kiselina se može prikazati sledećim opštim formulama: mineral kaolinit koji je aluminijumova (aluminijum katjon Al3+ ) so polisilicijumove
kiseline ( u kojoj su koeficijenti m=2 i n=5).Prosti silikati su nerastvorni
u vodi a dobro rastvorni u vodi su samo prosti silikati alkalnih metala
i amonijuma. 2.5 KVARCKvarc (SiO2) je mineral koji spada u silikate. Pre svega potrebno je naglasiti da su minerali prirodni spojevi nastali prirodnim (geološkim) procesima koji su karakterističnog hemijskog sastava, imaju strogo uređenu atomsku strukturu i različite fizičke karakteristike. Termin "mineral" obuhvaća ne samo hemijski sastav materijala, već i strukturu minerala (kristalna rešetka). Minerali se po sastavu kreću od čistih elemenata (poput samorodnog zlata, samorodnog srebra ...) i jednostavnih soli do veoma složenih silikata s tisućama poznatih oblika.Trenutni broj poznatih minerala u prirodi je preko 4.000. Od njih preko 120 su česti u prirodi. Minerali se nalaze u stijenama u prirodi i izučavanje minerala je bitno za izučavanje stena jer se na osnovu njihovih karakteristika može zaključiti kakva je bila geneza stijena, dakle, u kojim uslovima su nastale. S obzirom na veliki broj minerala oni su podjeljeni u trinaest mineralnih razreda. Jedan od tih razreda su silikati, koji su bitni jer u njih spada kvarc tema seminarskog rada. Silikati su najveći razred minerala (većina stijena na Zemlji građena je od čak 95% silikata), koji čine većinom silicijum i kiseonik, s dodacima io na poput aluminijuma, magnezijuma,gvožđa i kalcijuma. Neki važni minerali iz ove grupe, a koji čine stene jesu feldspati, kvarc, olivin, piroksin, amfiboli, granati i tinjaci. 2.5.1 Naziv, formula, klasifikacijaReč "kvarc" je izvedena iz nemačke reči " quarz",
koja je vezana sa reci "twarc" iz srednjovekovnog nemačkog jezika.
Ova reč vodi poreklo iz slavenskih jezika (Češki tvrdy, Poljski twardy). 3. FIZIČKE OSOBINE SILICIJUMASilicijum postoji u dva oblika koji nisu različite alotropske modifikacije:u obliku mrkog praha i u obliku tamno sivih ,neprozirnih i veoma tvrdih ,sjajnih,igličastih kristala.Međutim kristalna struktura oba oblika silicijuma je identična i jednaka kristalnoj strukturi dijamanta.Otuda sijicijum ima visoku temperaturu topljenja i ključanja (1420 i 3250 0 C) koje su posledica postojanja jakih kovalentnih veza u njihovoj atomskoj kristalnoj rešetki .Ovi oblici se među sobom razlikuju samo po veličini čestica i razvijenosti površine njihovih čestica:čestice su sitnije i površina je razvijenija kod praškastog nego kod kristalnog oblika silicijuma. 4. HEMIJSKE OSOBINE SILICIJUMA metalima najmanje elektronegativnosti),češće kovalentnog a najčešće metalnog karaktera.Najpoznatiji su silicidi kalcijuma čiji sastav zavisi od načina njihovog pripremanja,odnosno količina uzetih reaktanata (Ca2Si2,CaSi2 i Ca2Si).Ne reaguje sa kiselinama na sobnoj temperaturi (izuzetak smeša HF i HNO3).Na povišenoj temperaturi reaguje sa jakim bazama dajući soli-silikate. Jedinjenja silicijuma sa vodonikom se nazivaju silikovodonici i njihova opšta formula je analogna opštoj formuli zasićenih ugljovodonika-alkana (SinH2n+2) .U njima silicijum,kao pozitivniji elemenat od vodonika , nema negativan oksidacioni broj za razliku od atoma C u ugljovodonicima .Ova jedinjena su nestabilna.Najznačajnija su jedinjenja silicijuma sa oksidacionim brojem +4. 5. SILICIJUM DIOKSIDSilicijum dioksid (SiO2) se javlja u tri alotropske modifikacije: kvarc, tridimit i kristobalit. Svaki od ova tri oblika postoji još u dvije modifikacije (α i β) 5.1 HEMIJSKE OSOBINE SILICIJUM DIOKSIDA
Silicijum dioksid je prilično inertan. Ne reaguje sa kiselinama,
osim sa fluorovodoničnom kiselinom (HF). Taljenjem sa alkalnim hidroksidima prelazi
u rastvorljive silikate: 5.2 UPOTREBA SILICIJUM DIOKSIDASilicijum dioksid je jedna od osnovnih komponenata u proizvodnji stakla. Važnu grupu minerala čine silikatni minerali. Zamjenom OH-grupa u silikatnoj kiselini organskim radikalima, moguće je kontrolisati reakciju kondenzacije, pri čemu nastaju polimerni spojevi strukture slične ketonima R2C=O, pa se nazivaju silikoketoni ili silikoni. 6. ILICIJUM I INTELEGENCIJA Posmatrano iz naše ograničene perspektive, izgleda da je ugljenik jedini
element koji je u stanju da oblikuje život. Sve što znamo ili smo u stanju
da zamislimo, rezultat je beskonačne sposobnosti ugljenika da se jedini
sam sa sobom i sa drugim elementima, izgrađujući tako dugačke lance. Oblici
života zahtevaju kako složene strukture, tako i manje molekule; izgleda
da samo ugljenik daje i jedno i drugo. U svojoj klici 'Kosmos' Karl Sagan
razmišlja i o postojanju vanzemaljskih civilizacija, pri čemu u svim alternativnim
biologijama uvek polazi od ugljenika. Osnovni cilj ovog diplomskog (maturskog) rada je da pojasni i definiše
silicijum. Takođe, pokušala sam da prikažem osnovne osobine silicijuma
i njihovu podele. 1. Stojiljković Aleksansdra: Hemija, ZUNS, Beograd, 2003. 2. Horvat Rozalija: Neorganska hemija, ZUNS, Beograd, 2002. 3. Arsenijević Stanimirt.: Neorganska hemija, Beograd,1999. 4. Biščević Smail.: Neorganska hemija,Sarajevo, 2005. 5. Grupa autora: Metalurgija 6. Grupa autora: Analitička hemija 7. Grupa autora: Hemijski praktikum za neorgansku hemiju 8. www.agencijalibro.com preuzmi seminarski rad u wordu » » »
|