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

Silic (Si) là nguyên tố hóa học phổ biến trên trái đất được phân thành silic vô định hình và silic tinh thể. Đây là nguyên tố quan trọng đối với động – thực vật, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp và đời sống. Cùng LabVIETCHEM tìm hiểu thông tin về nguyên tố hóa học này qua nội dung bài viết. 

1. Silic là gì?

Silic, có ký hiệu là Si, là một nguyên tố hóa học nằm trong bảng tuần hoàn. Nó là một trong những nguyên tố phổ biến nhất, chỉ đứng sau oxy trong vỏ trái đất, chiếm 25,8% tổng khối lượng vỏ trái đất. Silic được nhận biết bởi tính cứng, màu xám sẫm, ánh xanh kim loại và có hóa trị +4.

Trong bảng tuần hoàn hóa học, Silic (Si) có số nguyên tử là 14, khối lượng nguyên tử là 23, số hiệu nguyên tử Z=14, nằm trong nhóm IVA và chu kỳ 3.

Hình 1: Nguyên tố Silic trong bảng tuần hoàn

Ngoài ra, Silic cũng tồn tại trong cơ thể của động vật và thực vật, tham gia vào hoạt động của hệ vi sinh. Silic cũng tồn tại dưới dạng các hợp chất như: Cát (SiO2), các khoáng vật silicat và aluminosilicat như: Cao lanh (Al2O3.2SiO2.2H2O), Secpentin (3MgO.2SiO2.2H2O),...

2. Tính chất vật lý của Silic

Tính chất vật lý của Silic được phân thành hai dạng chính: silic vô định hình và silic tinh thể.

2.1. Silic vô định hình

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

2.2. Silic tinh thể

Thường có màu xám, ánh kim và có tính bán dẫn do cấu trúc tinh thể giống kim cương. Silic tinh thể có nhiệt độ nóng chảy là 1420 độ C. Ở nhiệt độ phòng, Silic tinh thể có đặc tính dẫn điện thấp, nhưng khi nhiệt độ tăng lên, độ dẫn điện cũng tăng theo. Bên cạnh tính bán dẫn, Silic tinh thể cũng có khả năng kháng ăn mòn và chống trầy xước. Do đó, Silic tinh thể được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như sản xuất thiết bị điện, y tế và công nghệ điện tử.

Hình 2: Silic tinh thể

3. Tính chất hóa học của Silic

Tính chất hóa học của Silic là một phần quan trọng trong tính toán hóa học của nó. Silic có khả năng đồng thời oxi hóa và khử, với các số oxi hóa từ -4 đến +4. Đặc biệt, silic vô định hình có độ hoạt động hóa học lớn hơn so với silic tinh thể.

3.1. Tính khử của Silic

Tính khử của Silic được thể hiện qua các phản ứng đặc trưng:

Tác dụng với phi kim: Silic có khả năng tác dụng với oxi và flo để tạo ra các oxit và florua, ví dụ như phản ứng:

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

Tác dụng với hợp chất: Silic tan trong dung dịch kiềm để tạo ra silicat kiềm:

• 2NaOH + Si + H2O → Na2SiO3 + 2H2

Silic cũng tác dụng với axit để tạo ra các silicat axit:

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

Tác dụng với H2: Silic tác dụng với H2 trong hồ quang điện tạo thành một hỗn hợp các silan.

• Si + H2 → SiH4 + Si2H6 + Si3H6 + ...

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

Hình 3: Tính chất hóa học của Silic

3.2. Tính oxi hóa của Silic 

Tính oxi hóa của Silic được thể hiện qua các phản ứng hóa học. Ở nhiệt độ cao, Silic có khả năng tác dụng với nhiều kim loại để tạo ra sản phẩm là silixua kim loại, như trong phản ứng:

• 2Mg + Si → Mg2Si

Tuy nhiên, mặc dù Silic có thể khử một số chất có tính oxi hóa mạnh như axit nitric (HNO3) hoặc axit sulfuric (H2SO4 đặc nóng) giống như cacbon, nhưng nó không thể oxi hóa được hydro (H2).

4. Công thức điều chế Silic

Trong quá trình sản xuất Silic, phương pháp điều chế được chia thành hai loại: điều chế trong phòng thí nghiệm và trong công nghiệp.

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

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

Trong công nghiệp, quá trình sản xuất Silic thường được thực hiện bằng cách nung nóng silica siêu sạch trong lò luyện, sử dụng hồ quang và các điện cực cacbon. Khi đạt nhiệt độ trên 1900 °C, Silic lỏng được thu hồi ở đáy lò, sau đó được rút ra và để nguội.

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

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

Trong ngành xây dựng:

• Sản xuất gạch, bê tông, xi măng để tạo ra các sản phẩm bền vững và chất lượng.
• Là thành phần không thể thiếu trong nhiều loại thép, tăng độ bền và độ cứng của sản phẩm thép.

Trong công nghiệp:

• Gốm sứ: Dùng trong sản xuất men sứ và đồ gốm, 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 sản phẩm sứ cách điện.
• Silic được sử dụng trong sản xuất tấm pin năng lượng mặt trời.

Hóa chất: Sử dụng trong sản xuất các loại hóa chất như tẩy rửa và thuốc diệt côn trùng.

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

Trong ngành Y:

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

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

LabVIETCHEM vừa chia sẻ khái niệm, tính chất vật lý, hóa học cũng như ứng dụng của Silic trong đời sống đến các bạn thông qua nội dung bài viết. Hy vọng bài viết của LabVIETCHEM đã mang đến các thông tin hữu ích.