سیلیسیم

[SɪʟᴠᴇʀMɪɴᴅ]

سیلیسیم[۶][۷][۸] (به فرانسوی: Silicium) یا سیلیکن[۹] (به انگلیسی: Silicon) با نشان شیمیایی Si یک عنصر شیمیایی از خانوادهٔ شبه فلزات است که در گروه چهاردهم و دورهٔ سوم جدول تناوبی عنصرها جای دارد. این عنصر یک جامد بلورین ترد و سخت است که رنگی آبی-خاکستری درخشان دارد. عدد اتمی این عنصر ۱۴ است و چهار الکترون در لایهٔ ظرفیت دارد. جرم اتمی سیلیسیم ۲۸٫۰۸۶ است و دارای سه ایزوتوپ پایدار می‌باشد. واکنش پذیری این عنصر کمتر از کربن نافلز هم گروه و بالاسری خود است ولی واکنش پذیری آن از ژرمانیم شبه فلز پایین دستی اش بیشتر است.

سیلیسیم از دید فراوانی بر پایهٔ جرم، هشتمین عنصر فراوان در جهان است. البته به سختی می‌توان آن را به صورت خالص و آزاد در طبیعت یافت. سیلیسیم را بیشتر می‌توان در گرد و غبار، ماسه، سیارک‌ها و سیاره‌ها و در قالب سیلیسیم دی‌اکسید یا سیلیکات‌ها پیدا کرد. بیش از ۹۰٪ پوستهٔ زمین از کانی‌های سیلیکات ساخته شده‌است به همین دلیل سیلیسیم پس از اکسیژن فراوان‌ترین ماده در پوستهٔ زمین است (نزدیک به ۲۸٪ بر پایهٔ جرم).[۱۰]

اکثر سیلیسیمی که به صورت تجاری کاربرد دارد بدون هیچ گونه جداسازی مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرد و خیلی کم بر روی ترکیب طبیعی آن فراوری صورت می‌گیرد. در بخش صنعت ساختمان و تولید سرامیک هم هنگام کاربرد رس، ماسه و سنگ‌های سیلیسی همین رویکرد وجود دارد. سیلیکات‌ها در سیمان پورتلند برای ساخت ملات و اندود گچ و سیمان به کار می‌روند و با مخلوط کردن با شن و ماسه‌های سیلیسی، برای ساخت بتُن از آن استفاده می‌شود. کاربرد دیگر سیلیکون در ساخت بعضی سرامیکهای سفیدرنگ از قبیل پرسلان، شیشه‌های سنتی آهک سوددار با پایهٔ کوارتز و… است. سیلیسیم کاربید از ترکیب‌های امروزی‌تر سیلیکون یا همان سیلیسیم است که به عنوان ساینده و در ساخت سرامیک‌های مقاومت-بالا کاربرد دارد. عنصر سیلیکون یا سیلیسیم (با فرم نوشتاری Silicon) پایه ساخت پلیمرهای مصنوعی پرکاربردی به نام سیلیکون (با فرم نوشتاری Silicone)یا پلی‌سیلوکسان‌ها می‌باشد.[۱۱][۱۲]

بیشتر سیلیسیم آزاد در صنعت‌های پالایش فولاد، ریخته‌گری آلومینیم و بسیاری صنعت‌های حساس شیمی (مانند سیلیس دودی) کاربرد دارد. کمتر از ۱۰ درصد سیلیسیم در ساخت نیمه رساناها به کار می‌رود. این سیلیسیم که بسیار پالوده شده (درجهٔ خلوص بالا دارد) شاید مهم‌ترین نقش را در اقتصاد دنیا داشته باشد چون صنعت الکترونیک، ساخت تراشه‌های مدار و در نتیجه ساخت بیشتر رایانه‌ها وابسته به آن است.

سیلیسیم در زیست‌شناسی هم عنصری بسیار مهم است هرچند که به نظر می‌رسد مقدار بسیار کمی از آن در بدن جانوران مورد نیاز باشد.[۱۳] بسیاری از گونه‌های اسفنج‌های دریایی برای ساختار بدنشان نیازمند سیلیسیم اند. همچنین سیلیسیم و سیلیسیک اسید در سوخت و ساز بدن گیاهان به ویژه بسیاری از علف‌ها نقشی حیاتی دارند.
نام سیلیسیم از واژهٔ لاتین سیلیکا (silica) گرفته شده که به معنای سنگ آتشزنه است.[۱۴] در زبان انگلیسی از سال ۱۸۱۷ میلادی از واژهٔ «سیلیکون» (silicon) برای نام این عنصر استفاده شده‌است.[۱۵] در زبان فارسی نیز در برخی منابع (از جمله مقاله‌ها و وبگاه‌های مرتبط با علوم فیزیک، الکترونیک و رایانه) گاهی از لفظ سیلیکون یا سیلیکن یا سیلیکان برای اشاره به این عنصر استفاده شده‌است.[نیازمند منبع] با این حال در ترجمهٔ فارسی کتاب‌های مرجع علمی نظیر کتاب شیمی عمومی اثر چارلز ای مورتیمر یا کتاب مکانیک کوانتومی اثر کلود کوهن-تانوجی نام این عنصر فقط به صورت سیلیسیم آمده‌است.[نیازمند منبع]

تاریخچه
در1787 آنتوان لاووازیه به این نکته مشکوک شد که احتمالاً سیلیکا اکسیدی از یک عنصر پایه ای باشد. اما آفنیته شیمیایی سیلیکون به اکسیژن به قدری زیاد است که او راهی برای کاهش اکسیژن از این ماده و جدا کردن آن به صورت خالص پیدا نکرد. پس از تلاش‌های سِر همفری دیوی برای ایزوله کردن این ماده در ۱۸۰۸، او نام «سیلیسیم» را برای این ماده پیشنهاد کرد که برگرفته از silex یا silicis به معنای «سنگ چخماق» بود و به آن پسوند «ایم» داد چرا که فکر می‌کرد این عنصر یک «فلز» است.[۱۶] در بسیاری از زبان‌های غیرانگلیسی از نام پیشنهادی همفری دیوی استفاده می‌شود.

تصور می‌شود که گیلوساک و تنارد در ۱۸۱۱ از روش گرم کردن فلز پتانسیم تازه ایزوله شده با سیلیکون تترافلوراید موفق به ساخت سیلیکون آمورف شدند، اما قادر به خالص سازی و تشخیص این ماده و تعیین آن به عنوان یک عنصر جدید نگریدند.[۱۷] نام امروزین این عنصر یعنی "سیلیکون (به انگلیسی: Silicon)" در سال ۱۸۱۷ توسط شیمی‌دان اسکاتلندی توماس تامسون برگزیده شد. او قسمتی از نام دیوی را حفظ کرد اما در انتهای آن از پسوند "on-" به جای "ium-" استفاده کرد چرا که او باور داشت این ماده یک "نافلز" مانند بورون (به انگلیسی: Boron) و کربُن (به انگلیسی: Carbon) است.[۱۸]

ویژگی‌ها
فیزیکی
سیلیسیم در دمای اتاق جامد است و نقطهٔ ذوب و جوش بسیار بالایی دارد. این نقطه‌ها به ترتیب عبارتند از ۱٬۴۰۰ و ۲٬۸۰۰ درجهٔ سانتیگراد.[۱۹] نکتهٔ جالب دربارهٔ سیلیسیم این است که این ماده در حالت مایع چگالی بیشتری نسبت به حالت جامد دارد در نتیجه رفتار این ماده هنگام یخ زدن (جامد شدن) مانند رفتار معمول در دیگر ماده‌ها، با کاهش حجم همراه نیست بلکه حجم آن افزایش می‌یابد مانند آب که پس از یخ زدگی جرم در یکای حجمش کاهش می‌یابد و چگالی اش از آب مایع کمتر می‌شود. سیلیسیم رسانایی گرمایی بالایی دارد و اندازهٔ آن 149 W·m−۱·K−۱ است. برای همین در پوشش جسم‌های داغ کاربردی ندارد.

سیلیسیم پالوده در حالت بلوری به رنگ خاکستری است و جلای فلزی دارد. مانند ژرمانیم سخت و بسیار تُرد است و برای تراشه (ورقه ورقه) شدن مناسب است. سیلیسیم مانند کربن و ژرمانیم هنگام بلوری شدن ساختاربلوری الماس را می‌پذیرد و فاصله‌ها در شبکهٔ بندی آن تقریباً ۰٫۵۴۳۰۷۱۰ nm یا ۵٫۴۳۰۷۱۰ Å است.[۲۰]

ابر الکترونی بیرونی سیلیسیم مانند کربن چهار الکترون در لایهٔ آخر دارد. لایه‌های 1s،2s،2p و 3s سراسر پر شده‌اند درحالی که لایهٔ 3p تنها دو جا از ۶ جای آن پر شده‌است.

سیلیسیم یک نیمه‌رسانا است. ضریب دمایی مقاومت الکتریکی این ماده منفی است چون شمار جابجایی‌کننده‌های (حامل‌های) بارهای آزاد آن با افزایش دما افزایش می‌یابد. مقاومت الکتریکی یک تک‌بلور سیلیسیم در اثر دریافت تنش‌های مکانیکی، تغییر بسیار زیادی می‌کند.[۲۱]