Silic (Si) – Định nghĩa, tính chất lý hóa và ứng dụng

Chu Văn An

Silicon (Si) là một nguyên tố hóa học phổ biến trên trái đất được chia thành silicon vô định hình và silicon tinh thể. Đây là nguyên tố quan trọng đối với động vật và thực vật, được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp và đời sống. Hãy cùng LabTrường Chu Văn An tìm hiểu thông tin về nguyên tố hóa học này qua bài viết.

1. Silicon là gì?

Silicon, ký hiệu Si, là một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn. Nó là một trong những nguyên tố phong phú nhất, chỉ đứng sau oxy, trong vỏ trái đất, chiếm 25,8% tổng khối lượng của vỏ trái đất. Silicon được nhận biết bởi độ cứng, màu xám đen, ánh xanh kim loại và hóa trị +4.

Trong bảng tuần hoàn, Silicon (Si) có số nguyên tử 14, khối lượng nguyên tử 23, số hiệu nguyên tử Z=14, thuộc nhóm IVA, chu kì 3.

Hình 1: Nguyên tố Silicon trong bảng tuần hoàn

Ngoài ra, Silicon còn tồn tại trong cơ thể động vật, thực vật, tham gia vào hoạt động của hệ vi sinh vật. Silicon còn tồn tại ở dạng hợp chất như: Cát (SiO2), khoáng silicat và aluminosilicate như: Kaolin (Al2O3.2SiO2.2H2O), Secpentin (3MgO.2SiO2.2H2O),…

2. Tính chất vật lý của Silicon

Tính chất vật lý của Silicon được chia thành hai loại chính: silicon vô định hình và silicon tinh thể.

2.1. Silic vô định hình

Tồn tại dưới dạng bột màu nâu, tan trong kim loại nóng chảy và không tan trong nước. Silicon vô định hình có nhiều tính chất vật lý đa dạng, bao gồm tính bán dẫn, khả năng chống ăn mòn và khả năng chống chịu môi trường. Với những đặc tính này, Silicon trở thành vật liệu quan trọng trong nhiều lĩnh vực và có tiềm năng rất lớn trong tương lai.

2.2. Silic tinh thể

Thường có màu xám, kim loại và bán dẫn do cấu trúc tinh thể giống kim cương. Silicon tinh thể có nhiệt độ nóng chảy là 1420 độ C. Ở nhiệt độ phòng, silicon tinh thể có độ dẫn điện thấp, nhưng khi nhiệt độ tăng thì độ dẫn điện cũng tăng. Ngoài tính chất bán dẫn, silicon tinh thể còn có khả năng chống ăn mòn và trầy xước. Vì vậy, silicon tinh thể được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như sản xuất thiết bị điện, y tế, công nghệ điện tử.

Hình 2: Silicon tinh thể

3. Tính chất hóa học của Silicon

Các tính chất hóa học của Silicon là một phần quan trọng trong tính chất hóa học của nó. Silicon có khả năng oxy hóa và khử đồng thời, với số oxi hóa dao động từ -4 đến +4. Đặc biệt, silicon vô định hình có khả năng phản ứng hóa học cao hơn silicon tinh thể.

3.1. Giảm tính chất của silicon

Tính chất khử của silic được thể hiện qua các phản ứng điển hình:

Phản ứng với phi kim: Silicon có khả năng phản ứng với oxy và flo để tạo ra oxit và florua, ví dụ phản ứng:

• Si + 2F2 → SiF4 (phản ứng xảy ra ở nhiệt độ thường)
• Si + 2O2 → SiO2 (400 – 6000C)

Phản ứng với các hợp chất: Silicon tan trong dung dịch kiềm tạo thành silicat kiềm:

• 2NaOH + Si + H2O → Na2SiO3 + 2H2

Silicon cũng phản ứng với axit tạo thành axit silicat:

• 4HNO3 + 18HF + 3Si → 3H2SiF6 + 4NO + 8H2O

Phản ứng với H2: Silicon phản ứng với H2 trong hồ quang điện tạo thành hỗn hợp các silan.

• Si + H2 → SiH4 + Si2H6 + Si3H6 + …

Tính khử của silicon có nhiều ứng dụng trong các phản ứng hóa học, đây cũng là một trong những tính chất hóa học quan trọng của nguyên tố này.

Hình 3: Tính chất hóa học của Silicon

3.2. Tính chất oxy hóa của silicon

Tính chất oxy hóa của Silicon được thể hiện thông qua các phản ứng hóa học. Ở nhiệt độ cao, silic có khả năng phản ứng với nhiều kim loại để tạo ra sản phẩm silic kim loại, như trong phản ứng:

• 2Mg + Si → Mg2Si

Tuy nhiên, mặc dù silicon có thể khử một số chất oxy hóa mạnh như axit nitric (HNO3) hoặc axit sulfuric (H2SO4 đậm đặc nóng) như carbon nhưng nó không thể oxy hóa hydro (H2).

4. Công thức pha chế silicon

Trong quy trình sản xuất silicon, phương pháp chuẩn bị được chia thành hai loại: chuẩn bị trong phòng thí nghiệm và chuẩn bị công nghiệp.

Trong phòng thí nghiệm, silicon được tạo ra bằng cách sử dụng các chất khử mạnh như nhôm, magie, silicon dioxide và than cốc ở nhiệt độ cao. Các phản ứng điển hình tạo ra silicon bao gồm:

• SiO2 + 2Mg → 2MgO + Si (Mg có thể thay thế bằng Al)
• SiO2 + C (Coke) → 2CO + Si (1800 độ C)

Trong công nghiệp, việc sản xuất silicon thường được thực hiện bằng cách nung silica siêu tinh khiết trong lò nung, sử dụng điện cực hồ quang và carbon. Khi nhiệt độ trên 1900°C, silicon lỏng được thu hồi ở đáy lò, sau đó được rút ra và để nguội.

5. Ứng dụng đa dạng của hợp chất Silicon trong đời sống

Với những ứng dụng đa dạng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, Silicon đóng vai trò quan trọng và không thể thiếu:

Trong ngành xây dựng:

• Sản xuất gạch, bê tông, xi măng tạo ra sản phẩm bền vững, chất lượng.
• Nó là thành phần không thể thiếu trong nhiều loại thép, làm tăng độ bền, độ cứng cho sản phẩm thép.

Trong công nghiệp:

• Gốm sứ: Được sử dụng trong sản xuất men và gốm sứ, cũng như các vật liệu chịu lửa khác.
• Đồng thau: Hợp kim của đồng và silic để sản xuất đồng thau.
• Sản xuất thủy tinh cho nhiều loại sản phẩm, từ chai lọ đến kính cửa sổ và các sản phẩm gốm sứ cách nhiệt.
• Silicon được sử dụng trong sản xuất tấm pin mặt trời.

Hóa chất: Được sử dụng trong sản xuất các loại hóa chất như chất tẩy rửa, thuốc trừ sâu.

Công nghệ điện tử: Dùng để sản xuất vi mạch, chip và cảm biến.

Trong ngành y tế:

• Tạo ra các sản phẩm y tế như bộ lọc nước và băng y tế.
• Sản xuất thuốc kháng sinh và thuốc chống ung thư.

Trong ngành mỹ phẩm: Sản xuất kem chống nắng, phấn trang điểm và các sản phẩm mỹ phẩm khác, tạo ra những sản phẩm dịu nhẹ, không gây kích ứng da.

LabTrường Chu Văn An vừa chia sẻ với các bạn những khái niệm, tính chất lý hóa cũng như ứng dụng của Silicon trong đời sống thông qua nội dung bài viết. Hy vọng bài viết của LabvietCHEM đã cung cấp những thông tin hữu ích.