Πυρίτιο

    Για άλλες χρήσεις, δείτε: SI (αποσαφήνιση).

Πυρίτιο
Αργίλιο ← Πυρίτιο → Φώσφορος Άνθρακας ↑ Si ↓ Γερμάνιο Περιοδικός Πίνακας
Κατανομή ηλεκτρονίων ανά στιβάδα στο Πυρίτιο
Κομμάτι πυριτίου
Ιστορία
Ταυτότητα του στοιχείου
Όνομα, σύμβολο	Πυρίτιο (Si)
Ατομικός αριθμός (Ζ)	14
Κατηγορία	Αμέταλλα
ομάδα, περίοδος, τομέας	14 ,2, p
Σχετική ατομική μάζα (Ar)	28,0855
Ηλεκτρονική διαμόρφωση	[ Ne ] 3s2 3p2
Ατομικές ιδιότητες
Ατομική ακτίνα	132 pm
Ομοιοπολική ακτίνα	111 pm (sp3),96,6 pm (sp2), 86,5 pm (sp)
Ηλεκτραρνητικότητα	1,90 (κλίμακα Pauling)
Κυριότεροι αριθμοί οξείδωσης	0, ±4
Ενέργειες ιονισμού	786,5 kJ/mole (Si → Si+ + e-) 1.577,1 kJ/mole (Si+ → Si2+ + e-) 3.231,6 kJ/mole (Si2+ → Si3+ + e-)
Φυσικά χαρακτηριστικά
Σημείο τήξης	1.414 °C
Σημείο βρασμού	3.265 °C
Πυκνότητα	2.329 kg/m3
Η κατάσταση αναφοράς είναι η πρότυπη κατάσταση (25°C, 1 Atm) εκτός αν σημειώνεται διαφορετικά

Κρύσταλλος πυριτίου για την παραγωγή ημιαγωγών.

Το πυρίτιο (Silicium) είναι το χημικό στοιχείο με χημικό σύμβολο Si, ατομικό αριθμό 14 και ατομική μάζα 28,0855 amu. Είναι ένα μεταλλοειδές που ανήκει στην ομάδα IV^A (14) του περιοδικού πίνακα μαζί με τον Άνθρακα, το Γερμάνιο, τον Κασσίτερο και το Μόλυβδο. Αυτό σημαίνει ότι έχει τέσσερα ηλεκτρόνια στην εξωτερική του στοιβάδα και είναι τετρασθενές και ηλεκτροθετικότερο από τον άνθρακα. Είναι το όγδοο (8^ο) κατά σειρά αφθονίας μάζας στοιχείο στο σύμπαν και δεύτερο στο φλοιό της Γης, αποτελώντας συγκεκριμένα το 25,7% της μάζας του, όπου όμως σπάνια βρίσκεται σε ελεύθερη στοιχειακή κατάσταση. Η πιο συνηθισμένη μορφή του στη διαστρική σκόνη, σε αστεροειδείς, δορυφόρους και πλανήτες είναι το διοξείδιο του πυριτίου (SiO₂) και διάφορες πυριτικές ενώσεις.

Το πυρίτιο και οι ενώσεις του έχουν πολλές βιομηχανικές χρήσεις. Το ίδιο το πυρίτιο είναι κύριο συστατικό των περισσότερων ημιαγωγικών συστημάτων και των μικροτσίπ. Οι ημιαγωγικές ιδιότητες των ημιαγωγών πυριτίου παραμένουν σε υψηλότερες θερμοκρασίες σε σύγκριση με των αντίστοιχων του γερμανίου. Ακόμη, το φυσικό του οξείδιο είναι πιο εύχρηστο και έτσι σχηματίζεται καλύτερο ζεύγος ημιαγωγών - διηλεκτρικών, σε σχέση με κάθε άλλο γνωστό υλικό. Ακόμη, στη μορφή του χαλαζία και διαφόρων πυριτικών ενώσεων σχηματίζει χρήσιμα υαλικά, τσιμέντα και κεραμεικά προϊόντα. Είναι ακόμη ένα κύριο συστατικό των σιλικονών, μια τάξη πολυμερών που περιέχουν πυρίτιο, άνθρακα, οξυγόνο και υδρογόνο (με γενικό τύπο [R₂SiO]_n, όπου R μονοσθενής οργανική ρίζα και όχι αποκλειστικά αλκύλιο).

Το πυρίτιο είναι απαραίτητο στοιχείο στη βιολογία, αν και ειδικά για τα ζώα αποτελεί απλά ιχνοστοιχείο. Είναι όμως πιο σημαντικό για το μεταβολισμό των φυτών, ειδικότερα για πολλά ποώδη από αυτά. Το πυριτικό οξύ αποτελεί ακόμη τη βάση για το σχηματισμό των κελυφών των μικροσκοπικών διατόμων.

Προέλευση

Ως στοιχείο, το πυρίτιο σπάνια απαντά ελεύθερο στη φύση. Τα διάφορα ορυκτά και πετρώματα του πυριτίου αποτελούν το 87% του φλοιού της Γης, ενώ είναι το δεύτερο σε αφθονία χημικό στοιχείο στη γήινη φύση μετά το οξυγόνο, με ποσοστό 28% και το 7ο πιο άφθονο στοιχείο στο Σύμπαν. Κυριότερα ορυκτά του είναι ο χαλαζίας (παραλλαγές του είναι ο καπνίας, ο αμέθυστος, ο αχάτης, ο χαλκηδόνιος, ο οπάλιος και ο ίασπις), οι άστριοι, οι μαρμαρυγίες, ενώ είναι βασικό συστατικό της άμμου και του αμιάντου και πολλών άλλων πυριτικών ορυκτών.

Παρασκευές

Το πυρίτιο παρασκευάστηκε για πρώτη φορά από τον Davy το 1800, ο οποίος, όμως, δεν το ταυτοποίησε ως χημικό στοιχείο. Ακολουθώντας τις εργασίες των Τενάρ (Thenard) και Γκέι-Λισάκ (Gay-Lussac) (1811), ο Σουηδός χημικός Γιονς Γιάκομπ Μπερτσέλιους (Berzelius) παρασκεύασε άμορφο πυρίτιο συνθερμαίνοντας Κάλιο με τετραφθοριούχο πυρίτιο.

Σήμερα παρασκευάζεται βιομηχανικά σε ηλεκτρικό κλίβανο με συνθέρμανση χαλαζία και μεταλλουργικού άνθρακα σε θερμοκρασία περίπου 2500^οC:

SiO₂ + C → Si + CO₂

SiO₂ + 2C → Si + 2CO

Κατά τη διαδικασία παρασκευής στο κατώτερο σημείο του κλιβάνου συλλέγεται σε υγρή μορφή και καθαρότητα περίπου 98%, λόγω της αντίδρασής του με τον άνθρακα, με τον οποίο σχηματίζει το καρβίδιο του πυριτίου (carborundum), ένα από τα σκληρότερα υλικά στη φύση (σκληρότητα 9,5 στην κλίμακα Mohs). Για την παρασκευή του σε απόλυτα καθαρή μορφή, το συλλεγέν μίγμα ξαναθερμαίνεται στον κλίβανο με χαλαζία:

2 SiC + SiO₂ → 3 Si + 2CO

Φυσικές ιδιότητες

Το πυρίτιο απαντά σε δύο αλλοτροπικές μορφές: Μια άμορφη και μια κρυσταλλική. Το κρυσταλλικό πυρίτιο έχει μεταλλική λάμψη, είναι σκληρό και έχει σκούρο γκρι χρώμα. Είναι στερεό σε θερμοκρασία δωματίου και δεν είναι ούτε ελατό ούτε όλκιμο. Είναι ημιαγωγός και την ιδιότητα αυτή διατηρεί ακόμη και σε σχετικά υψηλές θερμοκρασίες. Δεν είναι καλός αγωγός της θερμότητας.

Χρήσεις

Το καθαρό Πυρίτιο είναι στερεό σε θερμοκρασία δωματίου και χρησιμοποιείται ευρέως στους ημιαγωγούς, καθώς παραμένει ημιαγωγός σε υψηλές θερμοκρασίες, σε αντίθεση με το Γερμάνιο, και επειδή τα οξείδιά του υφίστανται επεξεργασία εύκολα σε κλίβανο και σχηματίζουν καλύτερες διεπιφάνειες ημιαγωγού/διηλεκτρικού από σχεδόν όλους τους άλλους συνδυασμούς στοιχείων.