Silicon và hợp chất silicate

BẢNG TÓM TẮT CHUNG[1]
Tên – Kí hiệu – Số 
Silicon – Si – 14 
Nhóm – Chu kì – Khối 
4 – 3 – p 
Phân loại 
Á kim loại 
Khối lượng riêng
2330kg/m3 
Độ cứng Mohs
7
Số đăng kí CAS 
7440 – 21 – 3
Khối lượng nguyên tử 
28,0855 đvC 
Bán kính nguyên tử 
110 pm 
Bán kính cộng hóa trị 
111 pm
Bán kính Van der Waals 
200 pm
Cấu hình điện tử
[Ne] 3s23p2
Điện tử trên mức năng lượng 
2 – 8 – 4
Trạng thái oxy hóa 
4 (Lưỡng tính) 
Cấu trúc tinh thể 
Lập phương 
Độ âm điện
1,9 – Thang Pauling 
Năng lượng ion hóa thứ 1 
786,5 kJ/mol 
Nhiệt dung riêng 
700J/(kg-K) 
Độ dẫn nhiệt 
148W/(m-K) 
Đồng vị 
28Si: 92,23% – 29Si: 4,67% 
30Si: 3,1% 
32Si: phóng xạ aragone 
(chu kì bán rã 276 năm) 
ĐƠN CHẤT SILIC
LỊCH SỬ KHÁM PHÁ[2]
- Thời Trung cổ, người ta tạo ra tia lửa bằng cánh đánh silicon và sắt. Chất liệu dễ cháy này gọi là “dây cháy.”
- Silicon (tiếng Latin: silex, silicis nghĩa là đá lửa) được phát hiện bởi Antoine Lavoisier năm 1787 nhưng bị Humphry Davy cho là hợp chất năm 1800. 
- Năm 1811, Gay Lussac và Thenardo chế ra silicon vô định hình không nguyên chất bằng cách đun silicon tetrafluoride với potassium – K. 
- Năm 1824, Berzelius điều chế silicon vô định hình bằng phương pháp của Lussac nhưng đã tinh chế được bằng cách rửa nhiều lần. 
- Silicon dạng gel được Gottingen điều chế năm 1914. 
- Năm 1930 người ta đã điều chế ra silicon có tính chất rất đặc biệt: màu trắng, nhẹ, xốp. Loại silicon này được gọi là pyrogenic silicon và được dùng làm chất tăng cường lực cho cao su với tên gọi thương mại là “carbon trắng.”
- Vì silicon là nguyên tố quan trọng trong nguyên liệu tạo thiết bị bán dẫn và công nghệ cao nên khu vực công nghệ cao ở California được đặt tên là “Thung lũng silicon.” 
TÍNH CHẤT VẬT LÍ 
- Silicon là nguyên tố nhiều thứ nhì trên trái đất sau O (chiếm 25,7%)[3]. Tuy nhiên silicon lại khó được tìm thấy trong tự nhiên như nhiều nguyên tố khác. 
Silicon tinh thể
- Có cấu trúc tinh thể tứ diện giống kim cương (trạng thái lai hóa sp3), màu xám, ánh kim xanh, độ cứng gần bằng kim cương. 
- Có khả năng dẫn điện, dẫn nhiệt. 
- Nhiệt độ nóng chảy: 14280C. Nhiệt độ sôi: 32800C. 
- Có tính bán dẫn. Ở nhiệt độ thường thì dẫn điện kém nhưng khi tăng nhiệt độ thì tăng khả năng dẫn điện. 
Silicon vô định hình 
- Chất bột màu nâu gồm các vi tinh thể. 
- Không tan trong dung môi, chỉ tan trong một số kim loại ở trạng thái nóng chảy như Al, Zn, Pb, Sn, Ag, nhưng không có các tương tác hóa học. Khi đun nóng, silicon sẽ kết tinh và tách ra ở trạng thái tinh thể[4]. 
TÍNH CHẤT HÓA HỌC 
- Silicon có các số oxy hóa -4, 0, +2, +4. Số oxy hóa +2 ít đặc trưng đối với silicon. 
Tính khử 
- Tác dụng với phi kim: Tác dụng với fluor ở nhiệt độ thường. Tác dụng với các phim kim khác khi đun nóng: 
	* Si + 2F2 à SiF4 (silicon tetrafluoride). 
	* Si + O2 à SiO2 (silicon dioxide).
- Tác dụng với hợp chất: Tác dụng tương đối mạnh với dung dịch kiềm, giải phóng khí H2: 
	* Si + 2NaOH + H2O à Na2SiO3 + 2H2. 
Tính oxy hóa
- Ở nhiệt độ cao, silicon tác dụng với các kim loại như Ca, Mg, Fe tạo thành silicide kim loại: 
	* Si + 2Mg à Mg2Si
TRẠNG THÁI TỰ NHIÊN 
- Cát – Thạch anh – Đá lửa (SiO2), cao lanh lọc (Al2O3.2SiO2.2H2O), serpentine (3MgO.2SiO2.2H2O), tràng thạch (Na2O.Al2O3.6SiO2), hoạt thạch (3MgO.4SiO2.H2O), nepheline syenite (K2O.3Na2O.4Al2O3.8SiO2), amian (CaO.3MgO.4SiO2)[5]
- Có trong cơ thể sinh vật với hàm lượng nhỏ nhưng có vai trò đáng kể trong hoạt động sống của giới hữu sinh.[6] 
ỨNG DỤNG VÀ ĐIỀU CHẾ 
Ứng dụng[7] 
- Silicon tinh khiết pha thêm P, Ga, As, Ge, silicon vô định hình ngậm nước, là chất bán dẫn dùng trong kĩ thuật vô tuyến và điện tử công nghệ cao như transitor, màn hình tinh thể lỏng. 
- Chế tạo pin mặt trời cung cấp năng lượng trên các con tàu vũ trụ. 
- Sử dụng trong laser để sản xuất ánh sáng đơn sắc có bước sóng 456 nm. 
- Trong y tế, silicon là chất dẻo dùng trong công nghệ thẩm mĩ và lăng kính tiếp giáp, kính sát tròng, 
- Sản xuất các hợp chất chịu lửa như gốm, sứ, sứ cách điện, thủy tinh. 
- Silicon carbide SiC dùng trong sản xuất vật liệu mài mòn là giấy nhám. 
- Hợp kim ferrosilicon dùng chế tạo thép chịu acid. 
Điều chế 
- Trong phòng thí nghiệm, đốt cháy hỗn hợp magnesium và cát nghiền mịn:
	* SiO2 + 2Mg à Si + 2MgO 
- Trong công nghiệp, dùng than cốc khử silicon dioxide siêu sạch trong lò điện ở nhiệt độ trên 19000C với các điện cực carbon. Silicon lỏng được thu hồi ở đáy lò và làm nguội. 
	* SiO2 + 2C à Si + 2CO 
- Phương pháp trên gọi là công nghệ silic loại luyện kim. Sản phẩm đạt 99% độ tinh khiết.[a] 
Tinh chế[8] 
- Việc sử dụng silicon trong các thiết bị bán dẫn đòi hỏi phải có độ tinh khiết cao hơn so với sản xuất bằng phương pháp trên. Có một số phương pháp làm tinh khiết silicon được sử dụng để sản xuất silicon có độ tinh khiết cao: 
Phương pháp vật lý
- Các kỹ thuật làm tinh khiết silicon đầu tiên dựa trên cơ sở thực tế là nếu silicon nóng chảy và sau đó đông đặc lại thì những phần cuối khi đông đặc bao giờ cũng chứa nhiều tạp chất. 
- Các phương pháp sớm nhất để làm tinh khiết silicon, lần đầu tiên được miêu tả năm 1919 và sử dụng trong một số hữu hạn nền tảng để sản xuất các thành phần của radar trong Đại chiến thế giới lần thứ hai, bao gồm việc đập vỡ silicon phẩm chất công nghiệp và hòa tan từng phần bột silicon trong axít. 
- Khi bị đập vỡ, silicon bị làm vỡ để những khu vực có nhiều tạp chất yếu hơn sẽ nằm ra phía ngoài của các hạt silicon được tạo ra, chúng sẽ bị acid hòa tan, để lại sản phẩm tinh khiết hơn.
- Trong khu vực nung chảy, phương pháp đầu tiên làm tinh khiết silicon được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, các thỏi silicon phẩm cấp công nghiệp được nung nóng tại một đầu. Sau đó, nguồn nhiệt chuyển động rất chậm dọc theo chiều dài của thỏi, giữ cho chỉ một đoạn ngắn của thỏi nóng chảy và silicon được làm nguội và tái đông đặc ở phía sau nó. 
- Vì phần lớn các tạp chất có xu hướng nằm trong phần nóng chảy hơn là trong phần tái đông đặc, nên khi quá trình này kết thúc, phần lớn tạp chất của thỏi sẽ chuyển về đầu nóng chảy sau cùng. Đầu này sau đó bị cắt bỏ, và quy trình này được lặp lại nếu muốn có silicon với phẩm cấp cao hơn.
Phương pháp hóa học
- Ngày nay, silicon được làm sạch bằng cách chuyển nó thành các hợp chất silicon để dễ dàng làm tinh khiết hơn là làm tinh khiết trực tiếp silicon, và sau đó chuyển hợp chất của nó trở lại thành silicon nguyên chất. 
- Trichlorosilane là hợp chất của silicon được sử dụng rộng rãi nhất như chất trung gian, mặc dầu tetrachloride silicon và silane cũng được sử dụng. Khi các khí này được thổi qua silicon ở nhiệt độ cao, chúng phân hủy để tạo ra silicon có độ tinh khiết cao. 
- Trong công nghệ Siemens, các thỏi silicon có độ tinh khiết cao được đưa vào trichlorosilane ở nhiệt độ 1150 °C. Khí trichlorosilane phân hủy và lắng đọng silicon bổ sung trên thỏi, làm to nó theo phản ứng sau: 
* 2HSiCl3 → Si + 2HCl + SiCl4
- Silicon sản xuất từ phương pháp này và các công nghệ tương tự gọi là silicon đa tinh thể. Silicon đa tinh thể thông thường có tạp chất ở mức 1 phần tỷ hoặc thấp hơn.
- Cùng thời gian đó, DuPont đã sản xuất silic siêu sạch bằng cách cho tetrachloride silicon phản ứng với hơi kẽm nguyên chất ở nhiệt độ 950°C, theo phản ứng: 
* SiCl4 + 2Zn → Si + 2ZnCl2
- Tuy nhiên, kỹ thuật này đã vấp phải những vấn đề thực tế (chẳng hạn như sản phẩm phụ chlorur kẽm đông đặc lại và dính vào sản phẩm) và cuối cùng nó đã bị bỏ đi để sử dụng chỉ mỗi công nghệ Siemens.
Tinh thể hóa 
- Công nghệ Czochralski thông thường được sử dụng để sản xuất các tinh thể silic đơn có độ tinh khiết cao để sử dụng trong các thiết bị bán dẫn bằng silic ở trạng thái rắn.
HỢP CHẤT CỦA SILICON
SILICON DIOXIDE 
 Tính chất vật lí 
- Dạng tinh thể lớn, trong suốt, không màu. Tồn tại chủ yếu là khoáng vật thạch anh. 
- Không tan trong nước. 
- Nhiệt độ nóng chảy 17130C. 
Tính chất hóa học 
- Là acid oxide. 
- Tan dễ trong dung dịch kiềm đặc nóng, tan dễ trong kiềm nóng chảy hay carbonate kim loại nóng chảy, tạo thành silicate: 
	* SiO2 + 2NaOH à Na2SiO3 + H2O. 
	* SiO2 + Na2CO3 à Na2SiO3 + CO2 
- Tan trong fluorhydric acid: 
Ứng dụng 
- Khắc chữ và hình trên thủy tinh. 
- Dạng cát và đất sét dùng chế tạo cement Portland.[9] 
SILISIC ACID VÀ MUỐI SILICATE 
Silicic acid 
- Dạng keo không tan trong nước, khi đun nóng dễ mất nước: 
	* H2SiO3 à SiO2 + H2O
- Công thức chung nSiO2.mH2O. Người ta chỉ tách ra được ở trạng thái tự do octosilicic acid (H4SiO4), metasilicic acid (H2SiO3). Polysilisic acid chưa tìm thấy sự tồn tại nhưng đã tìm thấy muối của chúng rất đa dạng.[10]
- Dễ tan trong dung dịch kiềm tạo thành muối silicate. 
- Khi mất nước, silicic tạo thành vật liệu xốp là silicagen, dùng hút ẩm và hấp phụ nhiều chất.
- Là acid rất yếu, yếu hơn cả carbonic acid nên dễ bị khí CO2 đẩy ra khỏi muối: 
	* Na2SiO3 + CO2 + H2O à H2SiO3 + Na2CO3 
Muối silicate 
- Chỉ có muối silicate kim loại tan được trong nước. 
- Trong dung dịch, silicate kim loại kiềm bị thủy phân mạnh tạo ra môi trường kiềm: 
	* Na2SiO3 + 2H2O à 2NaOH + H2SiO3 
- Dung dịch đậm đặc của Na2SiO3 và K2SiO3 được gọi là thủy tinh lỏng. Vải hoặc gỗ tẩm thủy tinh lỏng sẽ khó bốc cháy. Được dùng trong chế tạo keo dán thủy tinh và sứ. 
TƯ LIỆU THAM KHẢO
* Dựa trên sách giáo khoa Hóa học 11 Nâng cao – Chương Carbon – Silicon.
* [1]:  Bách khoa toàn thư mở Việt Nam – Silicon. 
* [2], [9]: Seminar “Silicon và Germani” – Cao đẳng Kĩ thuật Cao Thắng – Lớp CĐĐT07A – Trang 3. 
* [3]: “Silicon: the essentials”. WebElements Ltd – Ngày 30/9/2009. 
* [4]: “Bài giảng hóa học vô cơ” – Chương 7: “Kim loại nhóm IVA” – Thạc sĩ Bùi Văn Thắng – Khoa Hóa học trường Đại học Đồng Tháp. 
* [5], [7], [8], [10]: “Giáo trình công nghệ sản xuất gốm sứ” – Tiến sĩ Nguyễn Văn Dũng – Khoa Hóa kĩ thuật trường Đại học Bách khoa – Năm 2005. 
* [6]: “Ultratrace Elements in Nutrition” – Báo cáo thường niên về vấn đề dinh dưỡng – Nielsen, FH – Năm 1984.