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실리콘

Silicon
실리콘 함유 합성 고분자 실리콘과 혼동하지 마십시오.
기타 용도는 실리콘(동음이의)을 참조하십시오.
"Element 14"는 여기로 리디렉션됩니다.기타 용도는 요소 14(동음이의)를 참조합니다.
실리콘, Si
실리콘
발음
동소체실리콘 동소체 참조
외모푸르스름한 빛을 띠는 반사적인 결정체.
표준원자량 Ar°(Si)
  • [28.084, 28.086]
  • 28.085±0.001(요지)[1]
주기율표의 실리콘
수소 헬륨
리튬 베릴륨 붕소 카본 질소 산소 플루오린 네온
나트륨 마그네슘 알루미늄 실리콘 인 유황 염소 아르곤
칼륨 칼슘 스칸듐 티타늄 바나듐 크롬 망간 철 코발트 니켈 구리 아연 갈륨 게르마늄 비소 셀레늄 브롬 크립톤
루비듐 스트론튬 이트리움 지르코늄 니오븀 몰리브덴 테크네튬 루테늄 로듐 팔라듐 실버 카드뮴 인듐 주석 안티몬 텔루륨 요오드 제논
세슘 바륨 란타넘 세륨 프라세오디뮴 네오디뮴 프로메튬 사마륨 유로피움 가돌리늄 터븀 디스프로슘 홀뮴 에르비움 툴륨 이터븀 루테튬 하프늄 탄탈룸 텅스텐 레늄 오스뮴 이리듐 플래티넘 골드 수성(원소) 탈륨 이끌다 비스무트 폴로늄 아스타틴 라돈
프랑슘 라듐 악티늄 토륨 프로탁티늄 우라늄 넵투늄 플루토늄 아메리슘 큐륨 베르켈륨 칼리포늄 아이슈타인 페르미움 멘델레비움 노벨륨 로렌시움 러더포디움 더브늄 시보리움 보흐리움 하시움 마이트네륨 다름슈타티움 로엔트게늄 코페르니슘 니혼이움 플레로비움 모스크바 주 리버모륨 테네시주 오가네손
C
↑
시
↓
게
알루미늄 ← 실리콘 → 인
원자 번호 (Z)14
그룹.14조(탄소군)
기간3교시
블록 p블록
전자배치[네] 3s2 3p2
쉘당 전자 수2, 8, 4
물리적 특성
단계 STP에서단단한
융점1687K(1414°C, 2577°F)
비등점3538K (3265°C, 5909°F)
밀도 (근처)2.3290g/cm3
액체 상태일 때(에)2.57g/cm3
핵융합열50.21 kJ/mol
기화열383 kJ/mol
몰열용량19.789 J/(mol·K)
증기압
P (파) 1 10 100 1k 1만 100k
(K)에서 1908 2102 2339 2636 3021 3537
원자 특성
산화상태-4, -3, -2, -1, 0,[2] +1,[3] +2, +3, +4(양수산화물)
전기 음성도폴링 눈금 : 1.90
이온화 에너지
  • 첫번째: 786.5 kJ/mol
  • 2위: 1577.1 kJ/mol
  • 3위: 3231.6 kJ/mol
  • (더보기)
원자 반지름경험 : 오후 111시
공유반경오후111시
반데르발스 반지름오후210시
Color lines in a spectral range
실리콘의 분광선
기타속성
자연발생태고의
결정구조 면심 다이아몬드-
Diamond cubic crystal structure for silicon
음속 얇은 막대8433m/s (20°C에서)
열팽창2.6 µm/(m ⋅K)(25°C일 때
열전도율149 W/(m ⋅K)
전기저항2.3xω ⋅m (20°C에서)
밴드갭1.12 eV (300 K에서)
자기순서반자성의[5]
어금니 자기 민감도-3.9x10cm−63/mol (298K)[6]
영률130–188 GPa[7]
전단 탄성 계수51–80 GPa[7]
벌크 모듈러스97.6 GPa[7]
포아송 비율0.064–0.28[7]
모스경도6.5
CAS 번호7440-21-3
역사
작명라틴어 silex 또는 silicis 뒤에, '눈부심'을 의미합니다.
예단앙투안 라부아지에(1787)
탐색 및 첫 번째 격리얀스 야콥 베르첼리우스[8][9] (1823)
이름:토마스 톰슨(1817)
실리콘 동위 원소
주동위원소[10] 디케이
흥겨운 ­춤 반감기의 (t1/2) 모드 제품 ­
28시 92.2% 안정적인.
29시 4.7% 안정적인.
30시 3.1% 안정적인.
31시 추적하다 2.62시간 β− 31P
32시 추적하다 153 y β− 32P
카테고리: 실리콘
참고문헌

실리콘은 기호가 Si이고 원자 번호가 14인 화학 원소입니다.단단하고 부서지기 쉬운 결정성 고체로 푸른 회색 금속 광택이 나며 4가 메탈로이드이자 반도체입니다.탄소는 주기율표에서 14족에 속합니다. 탄소는 그 위에 있고 게르마늄, 주석, 납, 플레로븀은 그 아래에 있습니다.상대적으로 반응이 좋지 않습니다.

산소에 대한 화학적 친화성이 높기 때문에, 1823년이 되어서야 존 야코프 베르젤리우스가 산소를 제조하고 순수한 형태로 특징 지을 수 있었습니다.그것의 산화물은 규산염으로 알려진 음이온 계열을 형성합니다.녹는점과 끓는점이 각각 1414°C와 3265°C로 모든 금속과 비금속 중에서 두 번째로 높으며, 붕소만을 능가합니다.

실리콘은 질량 기준으로 우주에서 여덟 번째로 흔한 원소이지만, 지구의 지각에서 순수한 원소로 나타나는 경우는 매우 드물습니다.그것은 우주의 먼지, 행성, 그리고 행성에서 다양한 형태의 이산화규소 (실리카) 또는 규산염으로 널리 분포합니다.지구 지각의 90% 이상은 규산염 광물로 구성되어 있으며, 규소는 산소 다음으로 지구 지각에서 두 번째로 풍부한 원소(질량% 약 28%)가 됩니다.

대부분의 실리콘은 분리되지 않고 상업적으로 사용되며, 종종 천연 광물의 가공이 거의 없습니다.이러한 용도에는 점토, 규사 및 석재를 사용한 산업용 건축물이 포함됩니다.규산염은 모르타르와 회반죽용 포틀랜드 시멘트에 사용되며, 규산염과 자갈을 혼합하여 보행로, 기초, 도로용 콘크리트를 만듭니다.그들은 또한 자기와 같은 백기 도자기와 전통적인 규산염을 기본으로 하는 소다 라임 유리와 다른 특수 유리에 사용됩니다.탄화규소와 같은 실리콘 화합물은 고강도 세라믹의 연마제 및 성분으로 사용됩니다.실리콘은 실리콘이라고 불리는 널리 사용되는 합성 고분자의 기초입니다.

원소 실리콘이 현대 세계 경제에 미치는 영향이 크기 때문에 20세기 후반에서 21세기 초반을 실리콘 시대(디지털 시대 또는 정보 시대라고도 함)라고 설명했습니다.반도체 전자 장치에 사용되는 매우 고순도 원소 실리콘의 작은 부분(<15%)은 스마트폰 및 기타 컴퓨터와 같은 대부분의 현대 기술에 사용되는 트랜지스터 및 집적 회로 칩에 필수적입니다.2019년 반도체 시장의 32.4%가 네트워크와 통신기기 분야였으며, 2027년까지 반도체 산업은 7267억 3천만 달러에 이를 것으로 예상됩니다.[11]

실리콘은 생물학에서 필수적인 원소입니다.대부분의 동물들은 흔적만을 요구하지만 규조류나 방사성동위원소와 같은 일부 해면동물과 미생물들은 실리카로 만들어진 골격구조를 분비합니다.실리카는 많은 식물 조직에 축적됩니다.[12]

역사

지구의 지각에 실리콘이 풍부하기 때문에, 천연 실리콘 기반의 물질들은 수천 년 동안 사용되어 왔습니다.실리콘 암석 결정은 고대 중국뿐만 아니라 구슬과 작은 꽃병에 사용했던 선동기 이집트인들과 같은 다양한 고대 문명에 친숙했습니다.실리카를 함유한 유리는 고대 페니키아인뿐만 아니라 적어도 기원전 1500년부터 이집트인들에 의해서도 제조되었습니다.천연 규산염 화합물은 초기 인류의 주거지 건설을 위해 여러 종류의 모르타르에도 사용되었습니다.[13]

디스커버리

욘스 제이콥 베르젤리우스는 1823년에 실리콘 원소를 발견했습니다.

1787년, 앙투안 라부아지에는 실리카가 기본적인 화학 원소의 산화물일 수도 있다고 의심했지만,[14] 산소에 대한 실리콘의 화학 친화도는 충분히 높아서 산화물을 줄이고 원소를 분리할 수단이 없었습니다.[15]1808년에 실리콘을 분리하려는 시도가 있은 후, 험프리 데이비 경은 그것이 금속이라고 믿었기 때문에, 라틴어의 사일렉스(silex)에서 실리콘의 "silicium"이라는 이름을 제안했고, "silicis"를 뜻하는 silicis를, 그리고 "-ium"의 끝을 추가하는 것을 제안했습니다.[16]대부분의 다른 언어들은 다비의 이름을 번역하여 사용하며, 때로는 현지 음운론에 적응하기도 합니다(예: 독일어 실리지움, 터키어 실리지움, 카탈루냐어 실리지움, 아르메니아어 ս իլիցիում 또는 실리지움).몇몇 다른 사람들은 대신 라틴 어근의 칼크(예: 러시아어 кремний, πυρ어 "flint"의 그리스어 πυρίτιο, 피키비어 "flint"의 핀란드어 pii, 케멘어 "quartz"의 체코어 ř메익, ř어 "flint"의 체코어 кремень)를 사용합니다.

게이-루삭과 테나르는 1811년에 사불화규소로 최근에 분리된 칼륨 금속을 가열하여 불순한 비정질 실리콘을 제조한 것으로 생각되지만, 그들은 제품을 정제하고 특성화하지도 않았고, 새로운 원소로 확인하지도 않았습니다.[18]실리콘은 1817년 스코틀랜드의 화학자 토마스 톰슨에 의해 현재의 이름이 붙여졌습니다.그는 데이비의 이름을 일부 유지했지만 실리콘이 붕소와 탄소와 비슷한 비금속이라고 믿었기 때문에 "-on"을 추가했습니다.[19]1824년, Jöns Jacob Berzelius는 Gay-Lussac과 거의 같은 방법으로 비정질 실리콘을 제조했습니다(녹은 칼륨 금속으로 플루오로규산 칼륨을 환원하는 것). 그러나 제품을 반복적으로 세척하여 갈색 분말로 정제했습니다.[20]결과적으로, 그는 보통 그 원소의 발견에 대한 공로를 인정받습니다.[21][22]사염화규소는 1771년 칼 빌헬름 셸레가 불산에 실리카를 용해시켜 사염화규소를 제조한 최초의 실리콘이 되었습니다.[15]1823년 야곱 베르젤리우스는 사염화 규소(SiCl4)를 처음으로 발견했습니다.[23]1846년 폰 에벨만이 합성한 테트라에틸 오르토실리케이트(Si(OCH25)).4[24][23]

더 일반적인 결정질 형태의 실리콘은 31년이 지나서야 데빌에 의해 제조되었습니다.[25][26]약 10%의 실리콘을 함유한 염화나트륨과 염화알루미늄의 혼합물을 전기분해함으로써 그는 1854년에 약간 불순한 실리콘 동소체를 얻을 수 있었습니다.[27]나중에, 몇몇 동소체 형태를 분리하기 위해 더 비용 효율적인 방법들이 개발되었고, 가장 최근의 것은 2010년의 실리센입니다.[28][29]한편, 실리콘의 화학에 대한 연구는 계속되었습니다; Friedrich Wöhler는 실리콘의 최초의 휘발성 수소화물을 발견했고, 1857년에 트리클로로실란과 1858년에 실란 자체를 합성했지만, 실란에 대한 자세한 연구는 20세기 초에 Alfred Stock에 의해서만 이루어졌습니다.1830년대 합성유기화학의 시작까지 거슬러 올라가는 물질에 대한 초기의 추측에도 불구하고.[30][31]마찬가지로, 최초의 유기 규소 화합물인 테트라에틸실란은 1863년 찰스 프리델과 제임스 공예에 의해 합성되었지만, 유기 규소 화학의 상세한 특성화는 프레데릭 키핑에 의해 20세기 초에 이루어졌습니다.[15]

1920년대에 시작된 윌리엄 로렌스 브래그의 X선 결정학의 연구는 라이너스 폴링의 결정 화학의 발전과 빅터 골드슈미트의 지구화학의 발전과 함께 이전에 분석 화학으로부터 알려져 있었지만 아직 이해되지 않았던 규산염의 구성을 설명했습니다.20세기 중반에는 실록산의 화학적, 산업적 사용의 발전과 실리콘 폴리머, 엘라스토머, 그리고 수지의 사용의 증가가 있었습니다.20세기 후반에, 도핑된 반도체의 고체 상태 물리학과 함께, 규화물의 결정 화학의 복잡성이 지도화되었습니다.[15]

실리콘 반도체

최초의 반도체 장치는 실리콘을 사용하지 않았지만 1874년 독일 물리학자 페르디난트 브라운의 결정 검출기와 1901년 인도 물리학자 자가디시 찬드라 보스의 전파 결정 검출기를 포함한 갈레나를 사용했습니다.[32][33]최초의 실리콘 반도체 장치는 1906년에 미국인 엔지니어 Greenleaf Whittier Pickard에 의해 개발된 실리콘 무선 결정 검출기였습니다.[33]

1940년 러셀 올(Russell Ohl)은 실리콘에서 p-n 접합과 태양광 효과를 발견했습니다.1941년, 제2차 세계 대전 동안 레이더 마이크로파 검출기 결정을 위해 고순도 게르마늄과 실리콘 결정을 생산하는 기술이 개발되었습니다.[32]1947년, 물리학자 윌리엄 쇼클리는 게르마늄과 실리콘으로 만든 전계 효과 증폭기를 이론화했지만, 그는 작동하는 장치를 만드는 데 실패했고, 그 대신에 결국 게르마늄으로 일했습니다.최초의 작동 트랜지스터는 그해 말 존 바딘과 월터 브라테인이 쇼클리 밑에서 작업하면서 만든 점접촉식 트랜지스터였습니다.[34]1954년 물리화학자 모리스 타넨바움이 벨 연구소에서 최초의 실리콘 접합 트랜지스터를 제작했습니다.[35]1955년 벨 연구소의 칼 프로쉬와 링컨 데릭은 이산화규소([37]SiO
2)가 실리콘 위에서 자랄 수 있다는 것을 우연히 발견했고,[36] 이후 1958년 확산 과정에서 실리콘 표면을 가릴 수 있다고 제안했습니다.

실리콘 에이지

MOS 트랜지스터라고도 불리는 MOSFET은 실리콘 시대의 핵심 부품입니다.그것은 모하메드 M에 의해 발명 됐습니다. 1959년 벨 연구소의 아탈라와 다원 칸.

"실리콘 에이지"는 20세기 후반에서 21세기 초반을 말합니다.[38][39][40]이것은 실리콘이 실리콘 시대(디지털 시대 또는 정보 시대라고도 함)의 지배적인 물질이기 때문이며, 석기 시대, 청동기 시대, 철기 시대가 각각의 문명 시대 동안 지배적인 물질에 의해 정의된 방법과 유사합니다.[38]

실리콘은 첨단 반도체 장치에서 중요한 요소이기 때문에 세계의 많은 곳에서 그 이름을 가지고 있습니다.예를 들어, 캘리포니아의 산타 클라라 밸리는 실리콘 밸리라는 별명을 얻었는데, 실리콘 밸리의 반도체 산업에서 원소가 기본 물질이기 때문입니다.그 이후로, 이스라엘의 실리콘 와디, 오레곤의 실리콘 포레스트, 텍사스 오스틴의 실리콘 힐스, 유타주 솔트레이크시티의 실리콘 슬로프, 독일의 실리콘 작센, 인도의 실리콘 밸리, 멕시코 멕시코 멕시코의 실리콘 보더, 영국 캠브리지의 실리콘 펜, 런던의 실리콘 라운드어라운드, 실리콘을 포함한 많은 다른 지역들도 비슷하게 이름이 붙여졌습니다.스코틀랜드의 글렌, 영국 브리스톨의 실리콘 협곡, 뉴욕의 실리콘 앨리,[41] 그리고 로스앤젤레스의 실리콘 비치.

특성.

물리 및 원자

실리콘은 sp 하이브리드3 오비탈을 형성하여 다이아몬드 큐빅 결정 구조로 결정화됩니다.[42]

실리콘 원자는 14개의 전자를 가지고 있습니다.바닥 상태에서는 전자 구성 [Ne]3s3p로22 배열됩니다.이 중 4개는 3s 오비탈과 3p 오비탈 중 2개를 차지하는 원자가 전자입니다.그것의 그룹의 다른 구성원들인 가벼운 탄소와 무거운 게르마늄, 주석, 납과 같이, 그것은 원자가 오비탈과 같은 수의 원자가 전자를 가지고 있습니다: 그러므로 그것은 옥텟을 완성하고 sp3 하이브리드 오비탈을 형성함으로써 아르곤의 안정적인 귀금속 배열을 얻을 수 있습니다.중심 실리콘 원자가 그것이 결합된 4개의 원자 각각과 전자 쌍을 공유하는 4면체
4 SiX 유도체를 형성하는 것.[43]실리콘의 처음 네 개의 이온화 에너지는 각각 786.3, 1576.5, 3228.3 및 4354.4 kJ/mol입니다. 이 수치는 원소에 대한 단순한 양이온 화학의 가능성을 배제하기에 충분히 높습니다.주기적인 추세에 따라 단일 결합 공유 반경 117.6 pm은 탄소(77.2 pm)와 게르마늄(122.3 pm)의 중간 값입니다.실리콘의 6좌표 이온반경은 40 pm으로 간주될 수 있지만, 실제로는 단순한4+
Siation의 부족을 고려할 때 이것은 순수하게 표기된 수치로 받아들여져야 합니다.[44]

전기

실리콘은 표준 온도와 압력에서 푸른 회색의 금속 광택을 가진 빛나는 반도체입니다. 반도체의 경우 일반적으로 온도가 상승하면 저항률이 떨어집니다.이러한 현상은 실리콘이 차지하는 에너지 레벨이 가장 높은 것(원자가 밴드)과 가장 낮은 것(전도 밴드) 사이의 에너지 갭(밴드 갭)이 작기 때문에 발생합니다.페르미 준위는 원자가와 전도대의 중간 정도이며, 전자에 의해 차지될 가능성이 있는 상태의 에너지입니다.따라서 순수한 실리콘은 실온에서 효과적으로 절연체가 됩니다.그러나, 인, 비소, 안티몬과 같은 pnicogen으로 실리콘을 도핑하는 것은 도펀트 당 하나의 추가적인 전자를 발생시키고, 이것들은 열적으로 또는 광광적으로 전도대 내로 여기될 수 있고, n형 반도체를 생성합니다.마찬가지로 실리콘에 붕소, 알루미늄 또는 갈륨과 같은 13족 원소를 도핑하면 채워진 원자가 밴드에서 여기된 전자를 포획하는 억셉터 레벨이 도입되어 p형 반도체가 생성됩니다.[45]n형 실리콘 탑형 실리콘을 결합하면 공통된 페르미 준위를 갖는 p-n 접합이 생성되고; 전자는 n에서 p로 이동하고, 정공은 p에서 n으로 이동하여 전압 강하가 생성됩니다.따라서 이 p-n 접합은 교류 전류를 정류할 수 있는 다이오드 역할을 하여 전류가 다른 쪽보다 쉽게 통과할 수 있도록 합니다.트랜지스터는 n-p-n 접합이며 두 n-type 영역 사이에 약하게 p-type 실리콘의 얇은 층이 있습니다.트랜지스터가 작은 순방향 전압을 통해 에미터를 바이어싱하고 큰 역방향 전압을 통해 콜렉터를 바이어스하면 트라이오드 증폭기의 역할을 수행할 수 있습니다.[45]

결정구조

실리콘은 표준 조건, 특히 다이아몬드 입방 격자(공간군 227)에서 거대한 공유 구조로 결정화됩니다.따라서 강한 공유 결합을 깨고 고체를 녹이려면 많은 에너지가 필요하기 때문에 1414°C의 높은 녹는점을 가집니다.실리콘이 녹으면 장거리 사면체 결합망이 깨지고 그 연결망의 빈 공간이 채워지면서 수축합니다. 이는 수소 결합이 녹으면 물얼음이 깨지는 것과 유사합니다.표준 압력에서는 열역학적으로 안정한 동소체를 가지고 있지 않지만, 더 높은 압력에서는 몇 가지 다른 결정 구조가 알려져 있습니다.일반적인 경향은 압력에 따라 배위 수가 증가하는 것 중 하나이며, Si-VII(표준 변형은 Si-I)로 알려진 약 40기가파스칼에서 육각형으로 밀집된 동소체로 끝납니다.BC8(또는 bc8)이라 불리는 동소체는 원시 단위 셀 당 8개의 원자를 가진 신체 중심 입방 격자(공간군 206)를 가진 높은 압력에서 생성될 수 있고 낮은 압력에서 준안정성을 유지합니다.그것의 성질은 자세히 연구되어 왔습니다.[46]

실리콘은 3265°C에서 끓어오릅니다. 실리콘은 높은 온도이지만 탄소 서브라임(3642°C)보다 낮은 온도이며, 실리콘은 탄소보다 낮은 기화열을 가지고 있는데, 이는 Si-Si 결합이 C-C 결합보다 약하다는 사실과 일치합니다.[45]

또한 그래핀과 유사한 실리센 층을 구성하는 것도 가능합니다.[28][29]

동위 원소

주요 기사:실리콘 동위 원소

자연적으로 생성되는 실리콘은 Si(92.23%), Si(4.67%), Si(3.10%)[47]의 세 가지 안정 동위 원소로 구성되어 있습니다.이 중 Si만 NMR과 EPR 분광에 사용되며, 이는 핵 스핀을 가진 유일한 물질이기 때문입니다(I =1/2).[30] 세 개 모두 산소 연소 과정을 통해 Ia형 초신성에서[49][50] 생성되며, Si는 알파 과정의 일부로 생성되어 가장 풍부합니다.별에서 광분해 재배열에 의해 Si와 알파 입자의 융합은 실리콘 연소 과정으로 알려져 있으며, II형 초신성에서 문제의 별이 급격하게 붕괴되고 격렬하게 폭발하기 전에 항성 핵합성의 마지막 단계입니다.[51]

20개의 방사성 동위 원소가 발견되었으며, 이들 중 가장 안정한 것은 반감기가 약 150년인 Si와 반감기가 2.62시간인 Si입니다.[47]나머지 방사성 동위 원소들은 모두 7초 미만의 반감기를 가지고 있으며, 이들 대부분은 10분의 1초 미만의 반감기를 가지고 있습니다.[47]실리콘에는 210 나노초 미만의 반감기를 가진 알려진 하나의 핵 이성질체인 Si가 있습니다.[47]32Si는 낮은 에너지의 베타 붕괴를 겪으며 P와 안정한 S를 겪습니다.31Si는 천연 실리콘의 중성자 활성화에 의해 생성될 수 있으므로 정량 분석에 유용합니다. 즉, 방출된 전자가 최대 1.48 MeV의 에너지를 운반하는 안정한 P로의 특징적인 베타 붕괴에 의해 쉽게 발견될 수 있습니다.[30]

알려진 실리콘의 동위 원소의 질량은 22에서 44 사이입니다.[47]3개의 안정 동위 원소보다 질량수가 낮은 동위 원소의 가장 일반적인 붕괴 모드는 역베타 붕괴이며, 주로 붕괴 생성물로서 알루미늄 동위 원소(13개의 양성자)를 형성합니다.[47]불안정한 동위 원소들의 가장 일반적인 붕괴 모드는 베타 붕괴이며, 붕괴 생성물로서 주로 인 동위 원소(15개의 양성자)를 형성합니다.[47]

실리콘은 지하수와 강을 통해 바다로 들어갈 수 있습니다.지하수 투입의 큰 흐름은 강상 실리콘 투입과 구별되는 동위원소 구성을 갖습니다.지하수와 하천 수송의 동위원소 변동은 해양 Si 값의 변동에 기여합니다.현재, 세계의 해양 분지에 있는 깊은 물의 동위원소 값에는 상당한 차이가 있습니다.대서양과 태평양 사이에는 천분의 0.3 parts 이상의 심해 Si 구배가 있습니다.30Si는 바다에서의 생산성과 가장 일반적으로 연관되어 있습니다.[52]

화학 및 화합물

C–X 및 Si–X 결합 에너지(kJ/mol)[30]
X = C 시 H F Cl Br I 오.. N<
C–X 368 360 435 453 351 293 216 ~360 ~305
Si-X 360 340 393 565 381 310 234 452 322

결정질 벌크 실리콘은 비활성이지만 고온에서는 반응성이 더 높아집니다.주변 알루미늄과 마찬가지로 실리콘은 산화로부터 금속을 보호하는 이산화규소(SiO
2)의 얇은 연속 표면층을 형성합니다.따라서 실리콘은 900 °C 이하의 공기와 측정 가능하게 반응하지 않지만 이산화 유리체의 형성은 950 °C에서 1160 °C 사이에서 급격히 증가하고 1400 °C에 도달하면 대기 질소도 반응하여 질화물 SiN과 SiN을
3
4 생성합니다.실리콘은 600 °C에서 가스 황, 1000 °C에서 가스 인과 반응합니다.그러나 이 산화물 층은 할로겐과의 반응을 막지 못합니다. 상온에서는 불소가 실리콘을 강하게 공격하고, 300°C에서는 염소가, 500°C에서는 브롬과 요오드가 강하게 공격합니다.실리콘은 대부분의 수성 산과 반응하지 않지만 염소 또는 질산을 포함하는 불산 혼합물에 의해 산화되고 복합화되어 육불화규산을 형성합니다.뜨거운 수성 알칼리에 쉽게 용해되어 규산염을 형성합니다.[53]고온에서 실리콘은 알킬 할라이드와 반응하기도 합니다. 이 반응은 구리에 의해 촉매되어 유기 규소 염화물을 실리콘 폴리머의 전구체로 직접 합성할 수 있습니다.이산화규소의 형성열이 매우 크기 때문에 용해 시 실리콘은 극도의 반응성을 띠게 되고, 대부분의 금속과 합금화하여 실리사이드를 형성하며, 대부분의 금속 산화물을 감소시킵니다.사실, 용융된 실리콘은 알려진 모든 종류의 도가니 물질(자체 산화물, SiO
2 제외)과 가상으로 반응합니다.[54]: 13 이것은 실리콘이 빛의 원소에 대해 높은 결합력과 대부분의 원소에 대해 높은 용해력으로 인해 발생합니다.[54]: 13 따라서, 액체 실리콘용 용기는 이산화 지르코늄 또는 4족, 5족, 6족 붕화물과 같은 내화성, 비반응성 물질로 제조되어야 합니다.[45][55]

사면체 배위는 탄소 화학에서와 마찬가지로 실리콘 화학의 주요 구조적 모티프입니다.그러나 3p 서브쉘은 2p 서브쉘보다 오히려 확산성이 높고 3s 서브쉘과 잘 교배되지 않습니다.결과적으로 실리콘과 그 무거운 착향제의 화학적 성질은 탄소의 화학적 성질과 상당한 차이를 보여 [56]팔면체 협응 또한 중요합니다.[45]예를 들어, 실리콘의 전기음성도(1.90)는 탄소의 전기음성도(2.55)보다 훨씬 작습니다. 왜냐하면 실리콘의 원자가 전자는 탄소의 전기음성도보다 원자핵에서 더 멀리 떨어져 있고 따라서 원자핵에서 끌어당기는 정전기 힘이 더 작기 때문입니다.또한 3p 궤도의 낮은 중첩은 탄소에 비해 실리콘의 카네이션(Si-Si 결합의 형성) 경향이 훨씬 낮으며, 이는 C-C 결합에 비해 Si-Si 결합이 약화되기 때문입니다.[57] 평균 Si-Si 결합 에너지는 C-C 결합의 356 kJ/mol 값에 비해 약 226 kJ/mol입니다.[58]이로 인해 다중 결합 실리콘 화합물은 일반적으로 이중 결합 규칙의 한 예인 탄소 대응물보다 훨씬 안정성이 떨어집니다.한편, 실리콘의 3p 오비탈에 방사상 노드가 존재한다는 것은 SiX−
5 및2−
6 SiF와 같은 실리콘의 5개 및 6개 좌표 유도체에서 볼 수 있는 것과 같이 초가일 가능성을 시사합니다.[59][57]마지막으로, 그룹이 하강함에 따라 원자가와 p 오비탈 사이의 에너지 갭이 증가하기 때문에, 2가 상태는 탄소에서 납으로 중요성이 증가하기 때문에 실리콘에 대해 몇 개의 불안정한 2가 화합물이 알려져 있습니다; 이와 같이 주요 산화 상태의 감소는 원자 반경의 증가와 함께,결과적으로 금속성이 그룹 아래로 증가합니다.실리콘은 이미 일부 초기 금속성 거동을 보여주고 있으며, 특히 산화물 화합물의 거동과 염기 및 산과의 반응에 있어서(비록 이것은 약간의 노력이 필요하지만), 따라서 종종 비금속이 아닌 준금속이라고 불립니다.[57]그러나 금속성은 게르마늄이 될 때까지 그룹 14에서 명확하지 않고 주석이 될 때까지 우세하며, 낮은 +2 산화 상태의 중요성이 증가합니다.[15]

실리콘은 탄소와 분명한 차이를 보입니다.예를 들어, 유기 화학은 실리콘 화학과 유사성이 거의 없는 반면, 규산염 광물은 옥소카본에서 볼 수 없는 구조적 복잡성을 가지고 있습니다.[60]실리콘은 탄소보다 게르마늄을 훨씬 더 많이 닮은 경향이 있고, 이러한 유사성은 d-블록 수축에 의해 강화되어 게르마늄 원자의 크기는 주기적인 추세가 예측하는 것보다 훨씬 더 실리콘 원자의 크기에 가깝습니다.[61]그럼에도 불구하고, 게르마늄은 실리콘에 비해 2가 상태의 중요성이 증가하고 있으며, 이로 인해 게르마늄은 실리콘에 비해 상당히 금속성이 높아지기 때문에 여전히 약간의 차이가 있습니다.또한, Si-O 결합 강도에 비해 Ge-O 결합 강도가 낮아 실리콘 고분자와 유사한 "게르마논" 고분자가 없습니다.[58]

규산염

주요 기사:실리콘의 실리사이드 및 이항화합물
Fe-Si 시스템의 위상도

많은 금속 실리사이드들이 알려져 있는데, 대부분은 원자가에 대한 단순한 호소로는 설명할 수 없는 공식들을 가지고 있습니다: 그들의 결합은 금속성에서 이온성, 공유성에 이르기까지 다양합니다.일부 알려진 화학양론계는 MSi
6, MSi
5, MSi
4, MSi
15
4, MSi
3, MSi
5
2, MSi
2, MSi
5
3, MSi
3
2, MSi, MSi
2
3, MSi
2, MSi, MSi, MSi
3
6 및 MSi입니다.붕소와 실리콘의 대각선 관계에 따라 이들은 탄화물보다 붕소와 구조적으로 더 유사합니다. 비록 붕소보다 실리콘의 크기가 크다는 것은 정확한 구조적 유사성이 거의 없다는 것을 의미합니다.규화물의 형성열은 보통 같은 원소의 붕화물과 탄화물의 생성열과 비슷하지만 보통 더 낮은 온도에서 녹습니다.[62]규화물은 베릴륨을 제외한 그룹 1~10의 모든 안정한 원소로 알려져 있습니다. 특히 그룹 4~10의 우라늄과 전이금속은 화학양론적 측정 범위가 가장 넓습니다.구리를 제외한 11-15 그룹의 금속은 규화물을 형성하지 않습니다.대신에, 대부분은 공융 혼합물을 형성하지만, 가장 무거운 전이 후 금속 수은, 탈륨, 납, 비스무트는 액체 실리콘과 완전히 혼합되지 않습니다.[45]

일반적으로 규산염은 원소의 직접적인 반응에 의해 제조됩니다.예를 들어, 알칼리 금속과 알칼리 토금속은 실리콘 또는 실리콘 산화물과 반응하여 규화물을 생성합니다.그럼에도 불구하고, 이러한 고도의 전기 양성 원소를 사용하더라도 진정한 실리콘 음이온은 얻을 수 없고, 이러한 화합물의 대부분은 반도체입니다.예를 들어, 알칼리 금속 실리사이드(M+
)(
4Si4−
4)는 Si 음이온4−
4 내에 피라미드 형상의 삼좌표 실리콘을 포함하고, 백린을 갖는 등전자성,[45][63] P
4. 금속-풍부한 실리사이드는 격리된 실리콘 원자(예를 들어
5, CuSi)를 갖는 경향이 있다; 실리콘 함량이 증가함에 따라, 카테네이션이 증가하여, 2개(예를 들어, USi
3
2) 또는 4개의 실리콘 원자의 격리된 클러스터(예를 들어, [K+[+

4Si
4]),4−
 처음에는, 실리콘 함량이 훨씬 더 높게 상승함에 따라 체인들(예를 들어, CaSi), 층들(예를 들어, CaSi
2), 또는 공간에 걸쳐 있는 실리콘 원자들의 3차원 네트워크들(예를 들어, α-ThSi
2)이 뒤따릅니다.[45]

1족과 2족 금속의 실리사이드는 보통 전이금속 실리사이드보다 더 반응성이 높습니다.후자는 일반적으로 불산을 제외하고는 수성 시약과 반응하지 않습니다. 그러나 이들은 액체 수산화 칼륨과 같은 훨씬 더 공격적인 시약이나 적열 시 기체 불소 또는 염소와 반응합니다.전이 전 금속 실리사이드는 대신 물 및 수성 산과 쉽게 반응하며, 보통 수소 또는 실란을 생성합니다.[45]

Na
2Si + 3HO → NaSiO + 3H
MgSi + 2HSO → 2 MgSO + SiH

생성물은 종종 실리사이드 반응물의 화학양론에 따라 달라집니다.예를 들어, CaSi는
2 극성이고 비전도성이며 단일 분리된 실리콘 원자를 갖는 항PbCl
2 구조를 가지며, 물과 반응하여 수산화칼슘, 수화 이산화규소 및 수소 가스를 생성합니다.실리콘 원자의 지그재그 체인을 가진 CaSi는 대신 반응하여 실란과 고분자 SiH를
2 제공하는 반면, 실리콘 원자의 주름진 층을 가진 CaSi는
2 물과 반응하지 않고 묽은 염산과 반응합니다. 생성물은 화학양론 SiHO를
2
2 가진 노란색 고분자 고체입니다.[45]

실라네스

주요 기사 : 실란즈

실리콘 하이드라이드 화학에 대한 추측은 합성 유기 화학의 발전과 동시에 1830년대에 시작되었습니다.1857년 프리드리히 뵐러(Friedrich Wöhler)와 하인리히 버프(Heinrich Buff)가 알루미늄-실리콘 합금과 염산을 반응시켜 실란 자체를 처음 합성하였고, 1867년 찰스 프리델(Charles Friedel)과 알베르트 라덴부르크(Albert Ladenburg)가 SiH
4 및 SiHCl로
3 특징지었습니다.디실란(SiH
2
6)은 1902년 앙리 모이산(Henri Moissan)과 새뮤얼 스마일즈(Samuel Smiles)에 의해 규산 마그네슘의 양성자 분해에 의해 처음 만들어졌습니다.실란의 큰 반응성과 열 불안정 때문에 1916년까지 더 많은 조사를 해야 했습니다. 그때 알프레드 스톡은 새로운 그리스 없는 진공 기술로 실리콘 수소화물을 본격적으로 연구하기 시작했습니다. 실리콘 수소화물은 그의 초점인 붕소 수소화물의 오염 물질로 발견되었습니다.실란과 보란이라는 이름은 그의 것으로, 알칸과 비유해서 지어졌습니다.[30][64][65]금속 실리사이드의 양성자 분해를 통해 실란 및 실란 유도체를 제조하는 Moissan and Smiles 방법이 여전히 사용되고 있지만, 동시에 발생하는 생성물의 가수분해에 의해 수율이 저하되지만,따라서 오늘날 선호되는 경로는 치환된 실란을 낮은 온도의 에테르 용액에서 리튬 알루미늄 하이드라이드와 같은 하이드라이드 환원제로 처리하는 것입니다.HX 또는 RX를 실리콘과 직접 반응시키는 것, 아마도 구리와 같은 촉매와 반응시키는 것 또한 대체된 실란을 생산하는 실행 가능한 방법입니다.[30]

실란은 SiH의
n
2n + 2 일반적인 화학식을 갖는 상동성 계열의 실리콘 수소화물로 구성됩니다.그들은 모두 강력한 환원제입니다.비가지 사슬과 가지 사슬은 n=8까지 알려져 있으며, 사이클 SiH와 SiH도 알려져 있습니다.처음 두 개의 실란과 디실란은 무색의 기체이며, 시리즈의 무거운 구성원은 휘발성 액체입니다.모든 실란은 매우 반응적이며 불이 붙거나 공기 중에서 자발적으로 폭발합니다.이들은 실온에서 열적으로 덜 안정해지므로, 디실란이 매우 빠르게 분해되지는 않지만(8개월이 지나면 샘플의 2.5%만 분해됨), 실란만이 실온에서 무한히 안정됩니다.[30]그들은 분해되어 고분자 폴리실리콘 하이드라이드와 수소 가스를 형성합니다.[66][67]원자 무게의 차이에서 예상되듯이, 실란은 해당하는 알칸과 보란보다 휘발성이 덜하지만, 해당하는 게르만보다 더 높습니다.실리콘에서 친핵 공격을 촉진하는 탄소에 비해 실리콘의 반경이 크고, C-H 결합에 비해 Si-H 결합의 극성이 크며, 옥텟을 확장하여 부가물을 형성하고 반응의 활성 에너지를 낮추는 실리콘의 능력이 있기 때문에 해당 알칸보다 훨씬 반응성이 높습니다.[30]

실란 열분해는 고분자 종과 최종적으로 원소 실리콘과 수소를 제공합니다; 실제로 초순수 실리콘은 실란의 열분해에 의해 상업적으로 생산됩니다.알칸의 열분해는 C-H 또는 C-C 결합의 파괴와 라디칼 중간체의 형성으로 시작되지만, 폴리실란은 실렌 :SiH
2 또는 :SiHR을 제거함으로써 분해됩니다. 이 과정의 활성화 에너지(약 210 kJ/mol)는 Si-Si 및 Si-H 결합 에너지보다 훨씬 작기 때문입니다.순수한 실란은 순수한 물이나 묽은 산과 반응하지 않는 반면, 알칼리의 흔적은 수화된 이산화규소로 즉시 가수분해를 촉진합니다.메탄올에서 반응이 진행되면 용매분해가 조절되어 SiH
2(OME),
2 SiH(OME),
3 Si(OME)가 생성됩니다.
4Si-H 결합은 또한 알켄에 추가되는데, 반응은 관련된 실란의 치환이 증가함에 따라 천천히 진행되고 속도가 빨라집니다.450 °C에서 실란은 아세톤과의 추가 반응과 에틸렌 옥사이드와의 개환 반응에 참여합니다.실란과 염소 또는 브롬의 직접적인 반응은 상온에서 폭발을 일으키지만, -80 °C에서 실란과 브롬의 반응은 조절되고 브로모실란과 디브로모실란을 생성합니다.모노할로실란은 실란과 적절한 할로겐화수소를 AlX
2
6 촉매와 반응시킴으로써 형성될 수도 있고, 또는 가열된 유동 반응기에서 실란과 고체상의 할로겐화은을 반응시킴으로써 형성될 수도 있습니다.[30]

SiH + 2 AgCl 260 °C → SiHCl + HCl + 2 Ag

실란의 유도체들 중에서, 아이오도실란(SiHI
3) 및 포타슘실란(KsiH
3)은 더 복잡한 실리콘-함유 화합물의 제조에서 매우 유용한 합성 중간체이다: 후자는 NaCl 구조에서 K 양이온+ 및 SiH−
3 음이온을 포함하는 무색 결정성 이온 고체,그리고 포타슘 금속에 의해 실란이 환원되어 만들어집니다.[68]또한, 반응성 초가종 SiH도−
5 알려져 있습니다.[30]적절한 유기 치환기를 사용하면 안정적인 폴리실란을 생성할 수 있습니다. 사슬의 전자의 시그마 비국재화로 인해 발생하는 전기 전도도가 놀랍도록 높습니다.[69]

할리데스

실리콘과 탄화규소는 네 가지 안정한 할로겐 물질과 쉽게 반응하여 무색, 반응성 및 휘발성 실리콘 테트라할라이드를 형성합니다.[70]사불화규소는 또한 다른 실리콘 할라이드를 불소화함으로써 만들어질 수 있고, 유리에 불산이 가해짐으로써 만들어집니다.[71]서로 다른 두 테트라할라이드를 함께 가열하면 할로겐 교환 반응을 통해 생성될 수도 있는 혼합 할로겐화물이 무작위로 혼합됩니다.이 종들의 녹는점과 끓는점은 일반적으로 원자량이 증가함에 따라 증가하지만, 많은 예외가 있습니다: 예를 들어, 녹는점과 끓는점은 SiFBr에서
3 SiFClBr을
2 거쳐 SiFClBr로
2 지나갈 때 감소합니다.그룹 13과 그 이전의 저전자 소자에서 그룹 14로의 변화는 플루오르화 알루미늄의 무한 이온 구조에서 실리콘보다 알루미늄의 낮은 전기 음성도에 의해 지시되는 단순한 공유 실리콘 사불화 실리콘 분자의 격자로의 변화에 의해 설명됩니다(+4 산화).테이트(tate)는 실제 이온성에 비해 너무 높음) 및 알루미늄 원자에 비해 실리콘 원자의 크기가 작습니다.[70]

사염화규소는 순수한 실리콘, 이산화규소 및 일부 실리콘 에스터를 생산하기 위한 전구체로서 대규모로 제조됩니다.[70]실리콘 테트라할라이드는 탄소 테트라할라이드와 달리 물에서 쉽게 가수분해되는데, 이는 실리콘 원자의 크기가 더 커서 친핵 공격에 더 개방적이고 탄소가 부족한 옥텟을 확장할 수 있기 때문입니다.[71]사불화규소 실리콘과 과량의 불산의 반응은 팔면체 육불화규산 음이온 SiF를2−
6 생성합니다.[71]

실란과 유사하게 할로폴리실란 SiX도
n
2n + 2 알려져 있습니다.할로겐화물이 아닌 수소 화합물에서 탄소 화합물의 카테네이션이 최대가 되는 반면, 실리콘의 경우 그 반대가 사실이므로 할로폴리실란은 적어도 SiF
14
30, SiCl
6
14 및 SiBr까지
4
10 알려져 있습니다.이 현상에 대한 제안된 설명은 할로겐 원자 위의 채워진π p 오비탈에서 실리콘 위의π 빈 d 오비탈로 파이 역결합함으로써 더 많은 전기음성 할로겐 원자로 실리콘의 전자 손실을 보상하는 것입니다. 이는 금속 카보닐 복합체의 일산화탄소 상황과 유사하고 안정성을 설명합니다.y.이러한 할로폴리실란은 실리콘 테트라할라이드와 원소 실리콘의 비율화에 의해 생성될 수도 있고, 더 가벼운 할로폴리실란의 축합에 의해 생성될 수도 있습니다(트리메틸암모늄은 이 반응에 유용한 촉매입니다).[70]

실리카

이산화규소(SiO
2)는 물 다음으로 가장 잘 연구된 화합물 중 하나입니다.실리카의 12가지 다른 결정 변형이 알려져 있으며, 가장 일반적인 것은 화강암과 사암과 같은 많은 암석의 주요 구성 성분인 α-quartz입니다.그것은 또한 순수한 형태의 암석 결정으로 발생한다고 알려져 있습니다; 불순한 형태는 장미 석영, 스모키 석영, 모리온, 자수정, 그리고 시트린으로 알려져 있습니다.석영의 일부 잘 결정되지 않은 형태도 알려져 있는데, 예를 들어, 칼케도니, 크리소프라제, 카르넬리안, 게이트, 오닉스, 재스퍼, 헬리오트로프, 부싯돌 등이 있습니다.이산화규소의 다른 변형은 훨씬 덜 흔한 코즈사이트와 스티쇼바이트 뿐만 아니라 트리디마이트와 크리스토발라이트와 같은 일부 다른 광물에서 알려져 있습니다.생물학적으로 생성된 형태는 키젤구르와 규조토로도 알려져 있습니다.유리질 이산화규소는 텍타이트, 흑요석으로 알려져 있으며 드물게 레카텔리라이트로 알려져 있습니다.어떤 합성 형태들은 키타이트라고 알려져 있습니다.오팔은 부분적으로 수화된 이산화규소의 복잡한 결정질 응집체로 구성됩니다.[72]

  • Quartz

    석영

  • Agate

    게이트

  • Tridymite

    트리디마이트

  • Cristobalite

    크리스토발라이트

  • Coesite

    코사이트

대부분의 결정질 형태의 실리카는 모서리에 연결된 SiO 테트라헤드라(Si 중심)의 무한 배열로 이루어져 있으며, 각각의 산소 원자는 두 개의 실리콘 원자에 연결되어 있습니다.열역학적으로 안정한 상온 형태인 α-quartz에서, 이들 테트라헤드라는 서로 다른 두 개의 Si-O 거리(159.7 pm 및 161.7 pm)를 가진 서로 얽힌 나선형 사슬로 연결되어 있으며, Si-O-Si 각도는 144°입니다.이 헬리케는 왼쪽 또는 오른쪽에 있을 수 있으므로 개별 α-quartz 결정이 광학적으로 활성화됩니다.537°C에서는 유사한 β-quartz로 빠르고 가역적으로 변환되며, Si-O-Si 각도가 155°로 변화하지만 손을 사용하지 않습니다.867°C로 가열하면 β-트리디마이트로 또 다른 가역적인 상전이가 일어나는데, 이 과정에서 SiO 테트라헤드라가 좀 더 개방적이고 밀도가 낮은 육각형 구조로 배열될 수 있습니다.이러한 전이는 느리기 때문에 삼지석은 이 전이 온도 아래에서도 준안정 광물로 발생합니다. 약 120°C까지 냉각되면 α-쿼츠에서 β-쿼츠로 전환되는 것과 유사하게 개별 실리콘과 산소 원자가 약간씩만 변위하면 빠르고 가역적으로 α-삼지석은 α-쿼츠에서 β-쿼츠로 전환되는 것과 유사합니다.β-트리디마이트는 약 1470 °C에서 입방정계 β-크리스토발라이트로 천천히 변환되며, 이는 다시 한번 전이 온도 이하에서 안정적으로 존재하며 200–280 °C에서 작은 원자 변위를 통해 α-크리스토발라이트로 변환됩니다.β-크리스토발라이트는 1713 °C에서 녹습니다; 용융물로부터 실리카가 동결되는 것은 매우 느리고 유리화 또는 유리의 형성이 일어나기 쉽습니다.유리체 실리카에서 SiO 테트라헤드라는 코너 연결 상태로 유지되지만 결정형의 대칭성과 주기성은 상실됩니다.이 세 가지 형태 사이의 변환 속도가 느리기 때문에 급속 가열을 통해 β-쿼츠(1550°C) 또는 β-트리디마이트(1703°C)를 녹이는 것이 가능합니다.실리카는 약 2800 °C에서 끓습니다.실리카의 다른 고압 형태로는 코에사이트와 스티쇼바이트가 알려져 있습니다: 이것들은 자연계에 알려져 있고, 운석 충돌의 충격 압력 하에서 형성된 후 결정 구조를 보존하기 위해 급속하게 퀀칭됩니다.번개가 친 후에도 실리카의 용해와 냉각이 일어나 유리질의 레카텔리라이트가 형성됩니다.W-실리카는 모서리 대신 서로 반대쪽 모서리를 공유하는 SiO 테트라헤드라를 포함하는 불안정한 저밀도 형태이며, 이황화규소(SiS
2) 및 이황화규소(SiSe
2)와 유사하게 평행한 사슬을 형성합니다. 열 또는 물의[73] 흔적과 함께 비정질 실리카를 형성하는 것으로 빠르게 돌아갑니다.

축합 폴리실릭산

실리카는 화학적으로 다소 비활성적입니다.불산 이외의 산에는 공격을 받지 않습니다.그러나 뜨거운 농축 알칼리에서는 천천히 용해되고, 용융된 금속 수산화물이나 탄산염에서는 오히려 빠르게 용해되어 금속 실리케이트를 생성합니다.수소와 탄소도 반응하지만 1000 °C 이상의 온도를 필요로 하는 사불화규소는 상온에서 불소에만 공격되어 사불화규소를 형성합니다.그럼에도 불구하고 실리카는 많은 금속 및 금속 산화물과 반응하여 유리 및 세라믹 산업에서 중요한 다양한 화합물을 형성하지만 다른 많은 용도도 가지고 있습니다: 예를 들어, 소듐 실리케이트는 완충, 비누화 및 유화 특성으로 인해 세제에 자주 사용됩니다.[73]

규산

실리카에 물을 첨가하면 Si-O-Si 연결을 종단 Si-OH기로 대체하여 구조가 파괴되어 녹는점이 약 800°C 떨어집니다.수분 농도가 증가하면 수화 실리카 겔과 콜로이드 실리카 분산액이 생성됩니다.많은 수화물과 규산은 가장 희석된 수용액에 존재하지만, 이들은 다소 불용성이며 다른 원소들 중 붕소, 알루미늄 및 철의 거동과 유사하게 [SiO
x(OH)]
4−2x
n 공식을 따르는 가변 조합의 다양한 폴리실리콘산을 형성하기 위해 빠르게 침전 및 응축 및 가교됩니다.따라서, 오르토실릭산 Si(OH)
4 및 메타실릭산 SiO(OH)와 같은 묽은 용액에서 일부 단순한 규산이 확인되었지만,
2 이들 중 어느 것도 고체 상태에 존재하지 않을 가능성이 높습니다.[73]

규산염 광물

주요 기사:규산염 광물
규산염 내 금속 양이온의 전형적인 배위(pm 내 이온 반경)[74]
CN 4 리I
(59)		 BeII (27) AlIII(39) 시IV (26)
CN 6 나I(102) MgII (72) AlIII (54) TiIV (61) FeII (78)
CN 8 KI(151) CaII (112)
CN 12 KI(164)

지구의 지각 암석의 약 95%는 규산염과 알루미노규산염 광물로 구성되어 있으며, 산소, 규소, 알루미늄이 지각에서 가장 일반적인 세 가지 원소로 반영되어 있습니다(순서대로).[74]질량으로 측정하면, 실리콘은 지구 지각의 27.7%를 차지합니다.[75]순수한 실리콘 결정은 자연계에서 매우 드물게 발견되지만, 눈에 띄는 예외는 쿠릴 열도 중 하나인 이투루프의 쿠드리아비 화산에서 가스를 채취하는 동안 발견된 가로 0.3mm 크기의 결정입니다.[76][77]

규산염과 알루미노규산염 광물은 다양한 구조와 다양한 화학양론을 가지고 있지만, 몇 가지 일반적인 원리에 따라 분류될 수 있습니다.사면체 SiO 단위는 이산 구조로, 또는 모서리 산소 원자의 공유에 의해 더 큰 단위로 결합된 거의 모든 화합물에 공통적입니다.이것들은 산소 원자를 공유하지 않는 네소-실리케이트(이산 SiO 단위), 하나를 공유하는 소로-실리케이트(이산 Si 단위), 둘 다 둘을 공유하는 사이클로-실리케이트(폐쇄된 고리 구조) 및 이노-실리케이트(연속적인 사슬 또는 리본 구조), 둘 다 3을 공유하는 필로-실리케이트(연속적인 시트),4개를 공유하는 tecto-silicate(continu한 3차원 프레임워크).결과로 나타나는 산소 원자의 격자는 보통 크기에 따라 다양한 다면체 부위의 다른 양이온들에 의해 균형을 이루면서 촘촘하거나 가깝습니다.[78]

오르토실리케이트 MSiO(M = Be, Mg, Mn, Fe, Zn) 및 ZrSiO는 neso- silic레이트입니다.BeSiO
2
4(phenacite)는II Be와 Si가IV 모두 사면체 4배위 자리를 차지하기 때문에 특이합니다. 다른 2가 양이온은 대신 6배위 팔면체 자리를 차지하고 종종 올리빈(Mg,Fe,Mn)
2 SiO에서처럼
4 서로를 동형으로 대체합니다.ZrSiO인
4 지르콘은 화학양론과 이온반경(84pm)이 크기 때문에 ZrIV 양이온의 8배율을 요구합니다.또한 중요한 것은 2가 양이온(예: Ca, Mg, Fe)이 8배위이고 3가 양이온(예: Al, Cr, Fe)이 6배위인 가넷 [MMII
3III
2(SiO
4)]
3입니다.규칙적인 조정이 항상 존재하는 것은 아닙니다. 예를 들어, CaSiO에서는
2
4II 6좌표와 8좌표를 혼합하여 사용합니다.이산 이중 또는 삼중 사면체 단위를 포함하는 소로-실리케이트는 매우 희귀합니다. 다각형 고리를 형성하는 코너-접사 사면체 단위의 순환 [(SiOn
3))]2n−를 포함하는 메타실리케이트도 알려져 있습니다.[74]

사슬 메타규산, {SiO}
∞는2−
3 연결된 SiO 테트라헤드라의 무한 사슬의 코너 공유에 의해 형성됩니다.테트라헤드라 선에 걸쳐 다양한 형태의 반복 거리로 인해 많은 차이가 발생합니다.대부분의 파이록센 광물처럼 2의 반복 거리가 가장 흔하지만, 1, 3, 4, 5, 6, 7, 9, 12의 반복 거리도 알려져 있습니다.그러면 이 사슬들은 서로 연결되어 석면 광물에서와 같이 순환 사면체 고리의 반복된 사슬을 포함하는 이중 사슬과 리본을 형성할 수 있습니다.[74]

전형적인 제올라이트 구조

점토 광물 및 운모와 같은 층 실리케이트는 매우 흔하며, 종종 메타 실리케이트 사슬의 수평 가교 또는 더 작은 단위의 평면 축합에 의해 형성됩니다.예를 들어, 카올리나이트 [Al
2(OH)
4SiO
2
5]가 있습니다. 이러한 많은 광물에서 양이온과 음이온의 치환이 일반적이므로, 예를 들어 사면체 Si는IV AlIII, 팔면체 Al은III MgII, OH는−
F로−
치환될 수 있습니다.3차원 프레임워크 알루미노 실리케이트는 구조적으로 매우 복잡합니다. SiO
2 구조에서 시작하는 것으로 생각할 수 있지만, SiIV 원자의 1/2을 Al로III 대체한 후 전하 균형을 맞추기 위해 구조에 더 많은 양이온이 포함되어야 합니다.그 예로는 장석(지구상에서 가장 풍부한 광물), 제올라이트, 울트라마린 등이 있습니다.많은 장석들이 NaAlSiO-KALSiO-CaAlSiO
3
8
3
8
2
2
8 삼원계의 일부를 이루는 것으로 간주될 수 있습니다.이들의 격자는 높은 압력에 의해 파괴되어 Al은III 4배위가 아닌 6배위를 하게 되고, 장석을 파괴하는 이러한 반응은 모호로비치 불연속성의 원인이 될 수 있는데, 이는 지각과 맨틀이 같은 화학적 구성을 가지고 있지만 격자가 다르다는 것을 의미합니다.일반적으로 통용되는 견해는 아니지만요제올라이트는 그들의 구조에 많은 다면체 공동을 가지고 있습니다. (절개된 정육면체가 가장 흔하지만, 다른 다면체는 또한 제올라이트 공동으로 알려져 있습니다.) 물과 같은 느슨하게 결합된 분자를 그들의 구조에 포함시킬 수 있습니다.울트라마린은 실리콘과 알루미늄 원자를 번갈아 사용하며 Cl−
, SO2−
4, S2−
2 등 다양한 음이온을 포함하지만, 장석과 유사합니다.[74]

기타무기화합물

이황화규소(SiS
2)는 기체 상태의 황에서 100°C에서 실리콘을 연소시켜 형성됩니다. 생성된 화합물이 질소로 승화되면 W-실리카와 유사한 구조의 석면을 연상시키는 흰색 유연한 긴 섬유가 생성됩니다.이것은 1090 °C에서 녹고 1250 °C에서 서브라임이 되며, 높은 온도와 압력에서 이것은 크리스토바라이트와 유사한 결정 구조로 바뀝니다.그러나, SiS는
2 SiO의
2 다양한 구조가 부족하고, 실리카와 황화수소로 빠르게 가수분해됩니다.또한 암모니아는 액체 암모니아에 의해 다음과 같이 신속하고 완전히 용해되어 이미드를 형성합니다.[61]

SiS + 4 NH → Si(NH) + 2 NHS

나트륨, 마그네슘, 알루미늄 및 철의 황화물과 반응하여 금속 티오실리케이트를 형성합니다. 에탄올과 반응하면 테트라에틸실리케이트 Si(
4OET) 및 황화수소가 생성됩니다.에틸실리케이트는 그의 조절된 가수분해가 접착제 또는 필름과 같은 형태의 실리카를 생성하기 때문에 유용합니다.황화수소와 실리콘 테트라할라이드를 반응시키면 S(SiCl),
3 사이클릭 ClSi
2(μ-S)
2SiCl
2 및 결정질(SiSCL
2)과 같은 실리콘 티오할라이드가 생성됩니다.
4이중 결합 규칙에도 불구하고, 안정한 유기 실란 티온 RR'Si=S는 아민기를 통한 분자간 협응의 안정화 메커니즘 덕분에 만들어졌습니다.

실리콘 질화물인 SiN은
3
4 1300 °C 이상의 질소와 직접적으로 반응함으로써 형성될 수 있지만, 보다 경제적인 생산 수단은 1500 °C에서 질소와 수소 가스의 스트림에서 실리카와 코크스를 가열하는 것입니다.화학적으로는 거의 완전하게 불활성이며 1000℃ 이상에서도 강도와 모양을 유지하며 마모와 부식에 강한 세라믹을 사용할 수 있습니다.페나사이트(BeSiO
2
4)와 유사한 컴팩트한 구조로 인해 매우 단단하고(모오스 경도 척도에서 9), 1 atm에서 1900 °C에서만 해리되며 밀도가 매우 높습니다(밀도 3.185 g/cm3).유사한 내화물은 실리콘과 실리카를 5%의 질소 가스가 포함된 아르곤 스트림에서 1450°C에서 가열하여 형성된 SiNO이며
2
2, 이는 비선형 Si-O-Si 연결로 연결된 4좌표 실리콘과 3좌표 질소가 서로 연결된 Puckered hexagonal tiling에서 교대로 포함됩니다.[79]

실릴할라이드와 암모니아 또는 알킬암모니아 유도체를 기체 상 또는 에탄올 용액에서 반응시키면 아민의 실리콘 유사체인 다양한 휘발성 실라마이드가 생성됩니다.[79]

3 SiHCl + 4 NH → N(SiH) + 3 NHCl
SiHBr + 2 MeNH → SiHNMe + MeNHBr
4 SiHI + 5 NH → (SiH)NN(SiH) + 4 NHI

많은 그러한 화합물이 제조되었으며, 유일하게 알려진 제한은 질소가 항상 3차적이라는 것과 SiH-NH 그룹을 포함하는 종들은 실온에서 불안정하다는 것입니다.N(SiH
3)
3과 같은 화합물의 질소 원자 주변의 화학양론은 평면입니다.마찬가지로, 트리실라민은 탄소 유사체인 3차 아민보다 리간드로서 약하지만, CH 그룹에
3 의한 일부 SiH
3 그룹의 치환은 이러한 약점을 완화합니다.예를 들어, N(SiH
3)
3은 BH와
3 전혀 부가물을 형성하지 않는 반면, MeN(SiH
3)
2과 MeNSiH는
2
3 온난화 시 분해되는 낮은 온도에서 부가물을 형성합니다.Si=N 이중 결합을 갖는 이민의 일부 실리콘 유사체가 알려져 있습니다: 최초로 발견된 것은 1986년에 발견된 BuSi=N-SiBu입니다.

탄화규소

탄화규소(SiC)는 1891년 에드워드 굿리치 애치슨(Edward Goodrich Achson)에 의해 처음 만들어졌는데, 애치슨은 다이아몬드(탄소의 동소체)와 산화알루미늄(산화알루미늄) 사이의 중간 경도와 연마력을 참조하기 위해 탄화규소라고 이름 지었습니다.그는 곧 그것을 제조하기 위해 회사를 설립했고, 오늘날 매년 약 백만 톤이 생산됩니다.[80]탄화규소는 약 250개의 결정질 형태로 존재합니다.[81]SiC의 다형성은 폴리타입(polytype)이라고 불리는 유사한 결정 구조의 큰 패밀리에 의해 특징지어집니다.이들은 2차원이 동일하고 3차원이 다른 동일한 화학 화합물의 변형입니다.따라서 이들은 특정 순서로 적층된 층으로 볼 수 있습니다.[82]전기로에서 2000~2500 °C에서 과잉 코크스 또는 무연탄을 사용하여 석영 모래를 환원함으로써 산업적으로 제조됩니다.[80]

SiO + 2 C → Si + 2 CO
Si + C → SiC

이것은 열적으로 가장 안정한 이진 실리콘 화합물이며, 약 2700 °C에서 시작하는 실리콘의 손실을 통해서만 분해됩니다.인산은 예외적으로 대부분의 수성 산에 저항력이 있습니다.산화규소는 표면에 이산화규소의 보호막을 형성하기 때문에 1000°C 이상의 공기에서만 산화됩니다. 용융된 수산화물이나 탄산염에 의해 이 층을 제거하면 빠른 산화가 발생합니다.탄화규소는 염소가스의 공격을 빠르게 받아 100°C에서는 SiCl과
4 탄소를 형성하고 1000°C에서는
4 SiCl과
4 CCl을 형성합니다.화학적으로 안정적이고 매우 강하며, 균열이 생겨 매우 날카로운 첨단을 형성하기 때문에 주로 연마재와 내화재로 사용됩니다.또한, 도핑시 외인성 반도체로서 뿐만 아니라, 진성 반도체로서도 유용합니다.[80]다이아몬드와 같은 행동에서 그것은 탄소와 실리콘 사이의 화학적 유사성을 보여주는 역할을 합니다.[83]

유기실리콘화합물

주요 기사:오르가노실리콘
불포화 기질에 Si-H를 첨가하는 하이드로실릴화 반응

Si-C 결합은 C-C 결합에 가까운 강도이기 때문에 유기 규소 화합물은 열적 화학적으로 현저하게 안정한 경향이 있습니다.예를 들어, 테트라페닐실란(SiPh
4)은 끓는점 428°C에서도 공기 중에서 증류될 수 있으며, 치환 유도체 PhSiCl과
3 PhSiCl은
2
2 각각 378°C와 305°C에서 끓게 됩니다.게다가, 탄소와 실리콘은 화학적인 촉진제이기 때문에, 유기 실리콘 화학은 탄소 화학과 상당한 유사성을 보여주는데, 예를 들어, 카테네이션을 위한 그러한 화합물의 성향과 다수의 결합을 형성합니다.[83]그러나, 상당한 차이도 발생합니다: 실리콘은 탄소보다 전기 양성이기 때문에, 더 많은 전기 음성 원소와의 결합은 일반적으로 탄소보다 실리콘에 더 강하며, 그 반대도 마찬가지입니다.따라서 Si-F 결합은 C-F 결합보다 훨씬 더 강하고 가장 강력한 단일 결합 중 하나인 반면 Si-H 결합은 C-H 결합보다 훨씬 더 약하고 쉽게 깨집니다.게다가, 실리콘의 옥텟을 확장하는 능력은 탄소에 의해 공유되지 않으며, 따라서 일부 유기 실리콘 반응은 유기 유사체가 없습니다.예를 들어, 실리콘에 대한 친핵성 공격은 S2N 또는 S1N 과정에 의해 진행되지 않고 대신 음으로 대전된 진정한 5배위 중간체를 거치고 방해받는 3차 원자에서의 치환처럼 나타납니다.긴 Si-C 결합은 입체 장애를 줄이고 친핵성 공격에 대한 기하학적 제약이 없기 때문에 탄소와는 달리 실리콘에는 효과가 있습니다. 예를 들어 C-O σ* 항접합 오비탈과 달리.그럼에도 불구하고, 이러한 차이에도 불구하고, 메커니즘은 여전히 단순화를 위해 종종 "S2 atN silicon"이라고 불립니다.[84]

가장 유용한 규소 함유 그룹 중 하나는 트리메틸실릴(trimethylsilyl), MeSi-입니다
3.이것을 분자의 나머지 부분과 연결하는 Si-C 결합은 상당히 강해서 분자의 나머지 부분이 반응을 하는 동안 남아있을 수 있지만, 너무 강하지 않아서 예를 들어 플루오린화 이온에 의해 특별히 제거될 수 없습니다.그것은 탄소 화합물에는 매우 약한 친핵체이지만 유기 규소 화합물에는 매우 강한 친핵체입니다.이것은 산성 양성자와 비교될 수 있습니다; 트리실릴메틸은 염기 대신 단단한 친핵체에 의해 제거되는 반면, 두 제거는 보통 제거를 촉진합니다.일반적으로 포화 탄소는 중성 화합물인 친핵체, 주기율표의 훨씬 아래 비금속(예: 황, 셀레늄, 요오드) 또는 심지어 둘 다에 기초한 친핵체, 특히 산소, 불소와 같은 고도로 전기 음성적인 비금속을 포함하는 것들에 의해 가장 잘 공격됩니다.염소.예를 들어, 에놀레이트는 할로알칸의 탄소에서 반응하지만, 염화 실릴에서는 산소에서 반응합니다; 그리고 트리메틸실릴을 유기 분자로부터 제거할 때, 반응의 생성물은 탄소 화학을 유추로서 사용하는 것으로부터 기대되는 것과 같은 실란올이 아닙니다, 왜냐하면 산화 실록사이드는 강한 친핵성이기 때문입니다.d는 원래 분자를 공격하여 실릴 에테르 헥사메틸디실록산(MeSi
3)
2O를 생성합니다.반대로, S2 반응은 탄소에서 부분 양전하( δ+)의 존재에 의해 대부분 영향을 받지 않지만, 실리콘에서 유사한 "S2" 반응은 매우 영향을 받습니다.따라서, 예를 들어, 실릴 트리플레이트는 매우 친유성이어서 산소를 포함하는 친핵체와 실릴 염화물보다 10배8 내지 10배9 더 빠르게 반응합니다.트리메틸실릴 트리플레이트는 특히 매우 우수한 루이스 산이며, 카보닐 화합물을 아세탈 및 실릴레놀 에테르로 변환시키는 데 사용되어 알돌 반응에 유사하게 함께 반응합니다.[84]

Si-C 결합은 일반적으로 세 가지 방식으로 형성됩니다.실험실에서는 테트라클로로실란(사염화규소)을 유기리튬, 그리너드 또는 유기알루미늄 시약과 반응시키거나, C=C 이중 결합에 걸쳐 Si-H를 촉매 첨가하여 소량으로 제조하는 경우가 많습니다.두 번째 경로는 가장 중요한 실란인 메틸 및 페닐 실란에 적용할 수 없다는 단점이 있습니다.유기실란은 알킬 또는 아릴할라이드를 실리콘과 10중량%의 금속 구리를 촉매로 직접 반응시켜 산업적으로 제조됩니다.표준 유기 반응은 많은 유도체를 생성하기에 충분합니다. 생성된 유기 실란은 종종 탄소 촉진제보다 훨씬 더 반응성이 높으며, 쉽게 가수분해, 암모니아 용해, 알코올 용해 및 축합을 거쳐 고리형 올리고머 또는 선형 중합체를 형성합니다.[83]

실리콘 폴리머

주요 기사:실리콘
실리콘의 주성분인 폴리디메틸실록산의 구조

"실리콘"이라는 단어는 1901년 프레데릭 키핑(Frederic Kipping)에 의해 처음 사용되었습니다.그는 PhSiO와
2
2 벤조페논, PhCO의
2 화학적 유사성을 설명하기 위해 이 단어를 발명했지만, 그는 또한 PhSiO가
2 공유하지 않는 고분자 구조 때문에 화학적 유사성이 부족하다는 것을 강조했습니다.[83]

실리콘은 미네랄 실리케이트와 유사한 것으로 여겨질 수 있는데, 여기서 실리콘의 메틸기는 실리케이트의 등전자성 <O−
>에 해당합니다.[83]이들은 극한의 온도, 산화, 물에 상당히 안정적이며 유용한 유전체, 방진, 소포 특성을 가지고 있습니다.또한 자외선 복사와 풍화에 오랜 시간에 걸쳐 저항성을 가지며 생리적으로 불활성입니다.이들은 상당히 반응성이 없지만 수산화 이온 및 불소화제를 함유한 농축 용액과 반응하며, 때로는 선택적 합성을 위한 마일드 시약으로 사용될 수도 있습니다.예를 들어, (MeSi
3)
2O는 몰리브덴 및 텅스텐 옥시할라이드의 유도체 제조에 유용하며, 디클로로에탄 용액의 6염화텅스텐 현탁액을 상온에서 1시간 이내에 WOCl로
4 정량적으로 전환한 다음, 경질 석유의 100 °C에서 황색 WOCl로
2
2 전환하여 하룻밤 사이에 95%의 수율로 제조할 수 있습니다.[85]

발생

올리빈

실리콘은 수소, 헬륨, 탄소, 질소, 산소, 철, 네온 다음으로 우주에서 8번째로 풍부한 원소입니다.이러한 풍부함은 태양계가 형성되는 동안 일어나는 원소들의 상당한 분리 때문에 지구에서 잘 복제되지 않습니다.실리콘은 무게로 지구 지각의 27.2%를 차지하며, 45.5%의 산소 다음으로 자연에서 항상 연관되어 있습니다.행성 분화에 의해 지구가 형성되는 과정에서 추가적인 분류가 이루어졌습니다.지구 질량의 31.5%를 차지하는 지구의 중심핵은 대략적인 FeNiCoS를
25
2
0.1
3 구성하고 있으며, 맨틀은 지구 질량의 68.1%를 차지하고 있으며, 주로 밀도가 높은 산화물과 규산염으로 구성되어 있으며, 예를 들어 감람석(Mg,Fe)
2SiO가
4 있으며, 알루미노규산염과 같은 가벼운 규산염 광물은 표면으로 올라와 지각을 형성하고 있습니다.지구 질량의 0.4%입니다.[86][87]

마그마로 인한 화성암의 결정화는 다양한 요인에 의해 결정됩니다. 그 중에는 마그마의 화학적 조성, 냉각 속도, 그리고 격자 에너지, 융점, 그리고 결정 구조의 복잡성과 같은 형성될 개별 광물의 일부 특성이 있습니다.마그마가 식으면서 감람석이 먼저 나타나고, 이어서 파이록센, 양서류, 비오타이트 운모, 오르토클라스 장석, 모스크바이트 운모, 석영, 제올라이트, 그리고 마지막으로 열수광물이 나타납니다.이 순서는 냉각 및 산화물 외에 수산화물 및 불소 음이온의 도입과 함께 점점 더 복잡한 규산염 단위로 가는 추세를 보여줍니다.많은 금속들이 실리콘을 대체할 수 있습니다.이러한 화성암은 풍화, 운반, 퇴적 과정을 거친 후 점토, 셰일, 사암 등의 퇴적암이 생성된다.변성작용은 또한 높은 온도와 압력에서 일어날 수 있으며, 훨씬 더 방대한 종류의 광물을 만들어냅니다.[86]

바다로 들어가는 실리콘 플럭스에는 대륙성 암석의 화학적 풍화, 하천 수송, 대륙성 규산염의 용해, 용해된 실리콘을 방출하는 해저 현무암과 열수액의 반응을 포함한 네 가지 소스가 있습니다.이 네 가지 플럭스는 모두 처음에 지각의 풍화로부터 형성되었기 때문에 해양의 생물 지구화학적 순환에서 상호 연결되어 있습니다.[88]

매년 대략 300에서 900 메가톤의 Aeolian 먼지가 세계의 바다로 축적됩니다.그 값 중 80-240 메가톤은 미립자 실리콘의 형태입니다.해양으로의 입자상 실리콘 퇴적물의 총량은 여전히 강 수송을 통해 해양으로 유입되는 실리콘의 양보다 적습니다.[89]북대서양과 서북태평양 해양으로의 입자성 암석 생성 실리콘의 Aeolian 투입은 각각 사하라 사막과 고비 사막의 해양에 가라앉은 먼지의 결과입니다.[88]하천 수송은 연안 지역에서 해양으로 유입되는 실리콘의 주요 공급원이며, 노천 해양에서의 실리콘 퇴적은 Aeolian 먼지의 침강에 의해 크게 영향을 받습니다.[89]

생산.

자세한 정보:실리콘 생산량에 따른 나라 목록

순도 96~99%의 실리콘은 순도가 높은 코크스로 석영석이나 모래를 탄소 열분해하여 제조합니다.환원은 전기 아크로에서 수행되며 과량의 SiO를
2 사용하여 탄화규소(SiC)의 축적을 막습니다.[30]

SiO + 2 C → Si + 2 CO
2 SiC + SiO → 3 Si + 2 CO
페로실리콘합금

이산화규소의 탄소열 환원으로 알려진 이 반응은 보통 낮은 양의 인과 황을 가진 고철의 존재하에서 수행되어 페로실리콘을 생성합니다.[30]페로실리콘은 원소 실리콘과 철의 비율이 다양한 철-실리콘 합금으로 전 세계 원소 실리콘 생산량의 약 80%를 차지하고 있으며, 원소 실리콘의 주요 공급국인 중국은 460만 톤(또는 세계 생산량의 2/3)의 실리콘을 제공하고 있으며, 대부분은 페로실리콘 형태입니다.이어 러시아(61만t), 노르웨이(33만t), 브라질(24만t), 미국(17만t) 순입니다.[90]페로실리콘은 주로 철 및 철강 산업(아래 참조)에서 사용되며, 철 또는 철강에서 합금 첨가 및 일체형 철강 공장에서 철강의 탈산화를 위한 용도로 주로 사용됩니다.[30]

또 다른 반응으로는 이산화규소의 알루미늄 열 환원이 있으며, 다음과 같습니다.[91]

3 SiO + 4 Al → 3 Si + 2 AlO

분말 상태의 96~97% 순수 실리콘을 물과 함께 침출하면 화학 산업에서 사용되는 ~98.5% 순수 실리콘이 생성됩니다.그러나, 더 높은 순도가 반도체 용도에 필요하고, 이것은 테트라클로로실란(사염화규소) 또는 트리클로로실란의 환원으로부터 생성됩니다.전자는 스크랩 실리콘을 염소화함으로써 만들어지고 후자는 실리콘 생산의 부산물입니다.이들 화합물은 휘발성이므로 반복적인 분획 증류에 의해 정제될 수 있으며, 이어서 환원제로서 매우 순수한 아연 금속을 갖는 원소 실리콘으로 환원될 수 있습니다.이렇게 생성된 실리콘의 해면 조각들은 용융된 후 성장하여 원통형 단결정을 형성한 후 구역 정제에 의해 정제됩니다.다른 경로는 실란 또는 테트라이오도실란(SiI
4)의 열분해를 사용합니다.사용되는 또 다른 공정은 인산염 비료 산업의 일반적인 폐기물인 육불화규산나트륨을 금속성 나트륨으로 환원하는 것입니다. 이것은 발열성이 높아서 외부 에너지원을 필요로 하지 않습니다.초미세 실리콘은 거의 모든 다른 재료보다 높은 순도로 제조됩니다. 트랜지스터 생산은 실리콘 결정에서 1010 당 1 part 미만의 불순물 수준을 필요로 하며, 특별한 경우12 10 당 1 part 미만의 불순물 수준을 필요로 하며 달성됩니다.[30]

실리콘 나노구조물은 기존의 금속 발열 공정 또는 연소 합성 방법을 사용하여 실리카 모래로 직접 제조할 수 있습니다.이러한 나노 구조 실리콘 재료는 리튬 이온 배터리(LIB)의 애노드를 포함한 다양한 기능적 응용 또는 광촉매 응용에 사용될 수 있습니다.[92]

적용들

컴파운드

대부분의 실리콘은 정제되지 않은 상태에서 산업적으로 사용되며, 종종 자연적인 형태로부터 비교적 적은 처리가 이루어집니다.지구 지각의 90% 이상은 실리콘과 산소의 화합물인 규산염 광물로 구성되어 있으며, 음으로 대전된 규산염 음이온이 전하 균형을 맞추기 위해 양이온을 필요로 할 때 종종 금속 이온을 가지고 있습니다.점토, 규사, 대부분의 건축용 석재와 같은 직접적인 상업적 용도를 가지고 있는 것들이 많습니다.따라서, 실리콘에 대한 대부분의 사용은 규산염 광물 또는 실리카(조 이산화규소)와 같은 구조적 화합물로서 사용됩니다.규산염은 건축용 모르타르와 현대식 스투코에 사용되는 포틀랜드 시멘트(주로 규산염 칼슘으로 제조)를 만드는 데 사용되지만, 더 중요한 것은 규산염 모래와 자갈(보통 화강암과 같은 규산염 광물을 포함함)과 결합되어 있습니다.현대 세계의 가장 큰 산업 건축 프로젝트의 대부분의 기초가 되는 콘크리트를 만드는 것.[93]

실리카는 세라믹의 일종인 불 벽돌을 만드는 데 사용됩니다.규산염 광물은 화이트웨어 세라믹에도 포함되어 있으며, 보통 다양한 종류의 소성 점토 광물(천연 알루미늄 필로규산염)을 함유하고 있습니다.규산염 광물인 카올리나이트를 원료로 하는 자기가 그 예입니다.전통적인 유리(실리카 계열의 소다-라임 유리) 또한 같은 방식으로 작동하며, 창문과 용기에도 사용됩니다.또한 광섬유에는 특수 실리카계 유리섬유가 사용되며, 구조적 지지를 위한 섬유유리와 단열을 위한 유리양모를 제조하기 위해 사용됩니다.

실리콘은 방수 처리, 성형 화합물, 곰팡이 방출제, 기계적 밀봉제, 고온 그리스 및 왁스, 코킹 화합물에 종종 사용됩니다.실리콘은 때때로 가슴 삽입물, 콘택트 렌즈, 폭발물 및 불꽃 기술에 사용됩니다.[94]Silly Putty는 원래 실리콘 오일에 붕산을 첨가하여 만들어졌습니다.[95]다른 실리콘 화합물들은 실리콘 카바이드를 기반으로 하는 첨단 연마재와 새로운 고강도 세라믹으로 기능합니다.실리콘은 일부 초합금의 성분입니다.

합금

페로실리콘 또는 규칼륨 합금으로 용융 주철에 원소 실리콘을 첨가하여 얇은 부분의 주조 성능을 향상시키고 외부 공기에 노출되는 경우 시멘타이트가 생성되는 것을 방지합니다.용철 중 원소 실리콘의 존재는 산소의 싱크 역할을 하여 강철 종류별로 좁은 한계 내에서 유지되어야 하는 강철 탄소 함량을 더욱 세밀하게 제어할 수 있습니다.페로실리콘 생산 및 사용은 철강 산업의 감시자이며, 이 형태의 원소 실리콘은 매우 불순하지만, 전 세계 자유 실리콘 사용량의 80%를 차지합니다.실리콘은 저항률과 강자성 특성을 수정하는 전기강의 중요한 구성요소입니다.

실리콘의 특성은 철 이외의 금속과의 합금을 개질하는 데 사용될 수 있습니다."금속 수술 등급" 실리콘은 순도 95~99%의 실리콘입니다.야금 순도 실리콘의 전 세계 소비의 약 55%는 주로 자동차 산업에 사용되는 알루미늄 부품 주조용 알루미늄-실리콘 합금(실루민 합금) 생산에 사용됩니다.알루미늄 주조에서 실리콘의 중요성은 알루미늄에 포함된 실리콘의 양이 상당히 많은(12%) 공융 혼합물을 형성하여 열 수축이 거의 없이 응고된다는 것입니다.이렇게 하면 주조 합금이 냉각되어 견고해지기 때문에 응력으로 인한 찢김과 균열이 크게 줄어듭니다.또한 실리콘은 알루미늄의 경도와 내마모성을 크게 향상시킵니다.[96][97]

일렉트로닉스

주요 기사:반도체 소자 제작
자세한 정보:반도체산업
미러 마감 실리콘 웨이퍼

생성된 대부분의 원소 실리콘은 페로실리콘 합금으로 남아 있으며, 약 20%만이 야금성 등급 순도로 정제됩니다(총 130만~150만 미터톤/년).야금 등급 실리콘의 전 세계 생산량의 약 15%가 반도체 순도로 추가 정제됩니다.[97]이는 일반적으로 "9-9" 또는 99.99999999% 순도이며 [98]거의 결함이 없는 단결정 물질입니다.[99]

그러한 순도의 단결정 실리콘은 보통 초크랄스키 공정에 의해 생산되며, 반도체 산업에서, 전자제품에서, 그리고 일부 고비용 및 고효율 태양광 응용 분야에서 사용되는 실리콘 웨이퍼를 생산하는 데 사용됩니다.[100]순수한 실리콘은 진성 반도체인데, 이것은 금속과 달리 열에 의해 전자 구멍과 원자에서 방출된 전자를 전도한다는 것을 의미합니다. 실리콘의 전기 전도도는 높은 온도에 따라 증가합니다.순수한 실리콘은 전도도가 너무 낮아서(즉, 저항률이 너무 높아서) 전자제품에서 회로 소자로 사용할 수 없습니다.실제로, 순수한 실리콘은 특정한 다른 원소들의 소량으로 도핑되는데, 이것은 활성화된 캐리어의 수와 전하(양 또는 음)를 조절함으로써 전도도를 크게 증가시키고 전기적 반응을 조절합니다.이러한 제어는 컴퓨터 산업 및 기타 기술적 응용에 사용되는 트랜지스터, 태양 전지, 반도체 검출기 및 기타 반도체 장치에 필요합니다.[101]실리콘 포토닉스에서, 실리콘은 코히어런트 광을 생성하기 위한 연속파 라만 레이저 매질로서 사용될 수 있습니다.[102]

일반적인 집적 회로들에서, 단결정 실리콘의 웨이퍼는 회로들을 위한 기계적 지지체로서 기능하는데, 회로들은 도핑에 의해 생성되고 열산화 또는 국부적 산화(LOCOS)의 공정들에 의해 Si 표면들 상에 용이하게 생성되는 절연체인 실리콘 산화물의 얇은 층들에 의해 서로 절연되고,이것은 Deal-Grove 모델에 의해 예측될 수 있는 적절한 조건에서 원소를 산소에 노출시키는 것을 포함합니다.실리콘은 눈사태 파괴를 겪지 않고 최고의 온도와 최고의 전기적 활동을 견딜 수 있기 때문에 고출력 반도체와 집적 회로 모두에서 가장 인기 있는 재료가 되었습니다(열이 자유 전자와 정공을 생성하고 더 많은 전류를 통과시킬 때 전자 눈사태가 발생합니다).열을 더 많이 발생시킵니다.또한, 실리콘의 절연 산화물은 물에 용해되지 않으며, 이는 특정 제조 기술에 있어서 게르마늄(또한 반도체 장치에 사용될 수 있는 유사한 특성을 갖는 원소)에 비해 이점을 제공합니다.[103]

단결정 실리콘은 생산하는 데 비용이 많이 들고, 보통 작은 결정 불완전성이 작은 회로 경로를 방해할 수 있는 집적 회로의 생산에서만 정당화됩니다.다른 용도로, 다른 종류의 순수한 실리콘이 사용될 수 있습니다.여기에는 수소화된 비정질 실리콘과 액정 디스플레이와 같은 응용 분야의 저비용 대면적 전자 제품 및 대면적 저비용 박막 태양 전지의 생산에 사용되는 업그레이드된 금속-등급 실리콘(UMG-Si)이 포함됩니다.이러한 실리콘의 반도체 등급은 단결정보다 약간 덜 순수하거나 다결정이며, 단결정 실리콘과 비슷한 양으로 생산됩니다: 연간 75,000 내지 150,000 미터 톤.단결정 실리콘보다 저등급 시장이 더 빠르게 성장하고 있습니다.2013년까지 태양 전지에 주로 사용되는 다결정 실리콘 생산량은 연간 200,000 미터 톤에 이를 것으로 예상되는 반면 단결정 반도체 등급 실리콘은 연간 50,000 톤 이하에 머물 것으로 예상되었습니다.[97]

양자점

실리콘 양자점은 수소 실세스퀴옥산을 수 나노미터에서 수 마이크로 범위의 나노 결정으로 열처리하여 크기에 따른 발광 특성을 나타냄.[104][105]나노 결정은 입자 크기에 따라 자외선 범위의 광자를 가시광선 또는 적외선의 광자로 변환하는 큰 스톡스를 표시하여 퀀텀닷 디스플레이 및 자체 흡수가 제한되어 발광 태양 집광기에 적용할 수 있습니다.카드뮴이나 인듐보다 실리콘 기반 양자점을 사용하는 것의 장점은 실리콘의 무독성, 금속이 없는 특성입니다.[106][107]실리콘 양자점의 또 다른 적용은 유해 물질 감지를 위한 것입니다.센서는 위험 물질이 존재할 때 광발광을 퀀칭하여 양자점의 발광 특성을 이용합니다.[108]유해화학물질 감지에는 전자전달, 형광공진에너지전달, 광전류발생 등 다양한 방법이 사용되고 있습니다.[109]전자 전달 퀀칭은 가장 낮은 비어있는 분자 오비탈(LUMO)이 양자점의 전도 대역보다 에너지가 약간 낮을 때 발생하며, 양자 간의 전달 전자를 허용하여 나노 결정 내의 정공과 전자의 재결합을 방지합니다.그 효과는 또한 양자점의 원자가 밴드 가장자리보다 약간 높은 가장 높은 점유 분자 오비탈(HOMO)을 갖는 공여 분자와 반대로 달성될 수 있으며, 전자가 그들 사이에서 이동하여 구멍을 채우고 재결합을 방지합니다.양자점과 켄처 분자 사이에 복합체가 형성될 때 형광 공진 에너지 전달이 발생합니다.복합체는 계속해서 빛을 흡수하지만 에너지가 바닥 상태로 변환되면 광자를 방출하지 않아 물질을 퀀칭합니다.세 번째 방법은 광발광 디스플레이를 모니터링하는 대신 양자점이 방출하는 광전류를 측정하여 다른 방법을 사용합니다.원하는 화학 물질의 농도가 증가하면 나노 결정에 의해 방출되는 광전류가 반응하여 변하게 됩니다.[110]

열에너지 저장장치

이 섹션은 열 에너지 스토리지 § Hot silicon 기술에서 발췌한 내용입니다.[편집]
고체 또는 용융된 실리콘은 소금보다 훨씬 높은 저장 온도를 제공하며 그 결과 더 큰 용량과 효율을 제공합니다.가능한 에너지 효율적인 스토리지 기술로 연구되고 있습니다.실리콘은 1400°C에서 세제곱미터당 1MWh 이상의 에너지를 저장할 수 있습니다.같은 목적으로 사용되는 소금과 비교했을 때 실리콘의 상대적인 풍부함도 추가적인 장점입니다.[111][112]

생물학적 역할

규조류 세포벽에 둘러싸인 규조

실리콘은 규산염 형태로 쉽게 구할 수 있지만 직접 사용하는 생물체는 매우 적습니다.규조류, 방사성동위원소 그리고 규조류 해면동물들은 그들의 골격을 위한 구조적인 물질로서 생물 발생성 실리카를 사용합니다.어떤 식물들은 그들의 조직에 실리카를 축적하고 성장을 위해 예를 들어 쌀과 같은 실리콘을 필요로 합니다.실리콘은 식물에 의해 오르토실릭산(일명 모노실릭산)으로 흡수되고 자일렘을 통해 운반될 수 있으며, 여기서 세포벽의 성분들과 비정질 복합체들을 형성합니다.이것은 일부 식물의 세포벽 강도와 구조적 무결성을 향상시켜 곤충의 초식 및 병원성 감염을 감소시키는 것으로 나타났습니다.특정 식물에서, 실리콘은 또한 식물 방어 메커니즘에서 중요한 역할을 하는 휘발성 유기 화합물과 식물 호르몬의 생성을 과잉 규제할 수 있습니다.[113][114][115]좀 더 발전된 식물에서, 실리카 파이토리스(opal phytoliths)는 세포에서 발생하는 단단한 미세체입니다.[116][117][114]

몇몇 원예 작물들은 충분한 실리콘 영양이 동반되지 않는 한 살균제 적용이 실패할 정도로 실리카로 곰팡이 식물 병원균으로부터 스스로를 보호하는 것으로 알려져 있습니다.규질 식물 방어 분자는 일부 피토알렉신을 활성화시키는데, 이는 그들 중 일부가 후천적 면역을 생성하는 신호 물질이라는 것을 의미합니다.박탈당하면 일부 식물은 다른 방어 물질의 생산 증가로 대체됩니다.[114]

지구상의 생명체는 주로 탄소로 구성되어 있지만, 우주생물학은 외계 생명체가 다른 가상적인 종류의 생화학을 가지고 있을지도 모른다고 생각합니다.실리콘은 DNA-아날로그에 필요한 4개의 공유결합을 가진 복잡하고 안정적인 분자를 만들 수 있고 대량으로 이용할 수 있기 때문에 탄소의 대안으로 여겨집니다.[118]

해양 미생물 영향

규조류는 실리콘 수송 단백질(SIT
2)에 의해 흡수되어 [119]세포벽 구조에서 주로 사용되는 생물학적 실리카([120]BSIO) 형태의 실리콘을 사용합니다.실리콘은 규산이나 규산염과 같은 용해된 형태로 해양에 들어갑니다.[121]규조류는 이러한 형태의 실리콘의 주요 사용자들 중 하나이기 때문에, 그들은 바다 전체에 실리콘의 농도에 크게 기여합니다.실리콘은 얕은 깊이의 규조류 생산성 때문에 바다에서 영양소와 같은 프로필을 형성합니다.[121]따라서, 해양 상층부에서는 실리콘의 농도가 감소하고 해양심층부/저층부에서는 실리콘의 농도가 증가합니다.

해양 상층부의 규조류 생산성은 해양 하층부로 수출되는 실리콘의 양에 기여합니다.[122]규조류 세포들이 바다 위에서 용해될 때, 철, 아연, 그리고 실리콘과 같은 그것들의 영양분들은 해양 눈이라고 불리는 과정을 통해 바다 아래로 옮겨집니다.해양 눈은 용해된 유기물이 수직 혼합되어 입자성 유기물이 아래로 이동하는 것을 포함합니다.[123]실리콘은 규조류 생산성에 중요한 것으로 여겨지며 규조류가 사용할 수 있는 규산이 있는 한, 규조류는 심해에 있는 다른 중요한 영양소 농도에도 기여할 수 있습니다.[124]

연안 지역에서 규조류는 주요 식물성 플랑크톤 생물로서 역할을 하며, 생체 생성 실리카 생성에 크게 기여합니다.하지만 공해에서 규조류는 전세계 연간 규조류 생산에 있어서 역할이 줄어듭니다.북대서양과 북태평양 아열대 환류의 규조류는 전 세계 연간 해양 실리카 생산량의 약 5-7%에 불과합니다.남대양은 전 세계 해양생물자원의 약 3분의 1을 생산합니다.[88]극소량의 실리콘만 이 지역 밖으로 운반되기 때문에, 남빙양은 "생물 지구화학적 분열"[125]을 가지고 있다고 불립니다.

인체영양

실리콘은 손톱, 머리카락, 뼈 및 피부 조직에 중요하다는 일부 증거가 있는데,[126] 예를 들어 폐경 전 여성의 식이성 실리콘 섭취량이 더 높고, 골다공증 환자의 경우 실리콘 보충이 골 부피와 밀도를 증가시킬 수 있다는 연구 결과가 있습니다.[127]실리콘은 인체에서 대동맥이 가장 많이 포함되어 있는 엘라스틴과 콜라겐의 합성에 필요하며,[128] 필수적인 요소로 여겨져 왔습니다.[129] 하지만 실리콘은 매우 흔하기 때문에 그 본질을 증명하기가 어렵고, 따라서 결핍 증상이 재현되기가 어렵습니다.[130][131]

실리콘은 현재 "미국 식물 식품 통제 관리 협회(AAPFCO)"에 의한 식물 유익 물질"로 승격을 검토하고 있습니다.[132][133]

안전.

사람들은 실리콘을 들이마시거나 삼키거나 피부나 눈에 접촉함으로써 작업장에서 실리콘 원소에 노출될 수 있습니다.후자의 두 경우 실리콘은 자극제로서 약간의 위험성을 가지고 있습니다.흡입하면 위험합니다.[134]산업안전보건국(OSHA)은 작업장 내 실리콘 노출의 법적 한계를 근무일 8시간 동안 총 15mg/m3 노출과 5mg/m3 호흡 노출로 설정했습니다.국립산업안전보건원(NIOSH)은 하루 8시간 근무에 총 노출량 10mg/m3, 호흡기 노출량 5mg/m의3 권장 노출 한도(REL)를 설정했습니다.[135]결정성 실리카 먼지를 흡입하면 폐의 상엽에 결절성 병변 형태로 염증과 흉터가 특징인 직업성 폐질환인 규폐증으로 이어질 수 있습니다.[136]

참고 항목

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서지학

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