Silic là là mộtnguyên tố hóa học có ký hiệuSi vàsố nguyên tử 14. Đây là một chất rắn kết tinh cứng, giòn có ánh kim màu xanh xám và là một chấtá kim (đôi khi được coi làphi kim) vàbán dẫn có hóa trị là 4. Silic là nguyên tố thuộcnhóm 14 trong bảng tuần hoàn, trong đócarbon nằm ở phía trên còngermani,thiếc,chì, vàflerovi nằm ở phía dưới. Silic tương đối trơ và là một nguyên tố cần thiết cho một số quá trình sinh lý và trao đổi chất ở thực vật. Silic được coi rộng rãi là vật liệu bán dẫn chiếm ưu thế do ứng dụng đa dạng trong nhiều thiết bị điện như bóng bán dẫn, pin mặt trời, mạch tích hợp và nhiều thiết bị khác. Tính chất này có thể xuất phát từ năng lượng vùng cấm lớn, phạm vi truyền quang học mở rộng, phổ hấp thụ rộng, bề mặt nhám và lớp phủ chống phản xạ hiệu quả.[8]
Vì tính ái lực cao với oxy nên phải đến năm 1823,Jöns Jacob Berzelius mới là người đầu tiên chế biến và mô tả nó ở dạng tinh khiết. Cácoxide của silic tạo thành một họanion được gọi làsilicat. Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của silic lần lượt là 1414 °C và 3265 °C, cao thứ hai trong số tất cả các á kim và phi kim, và chỉ đứng saubor.[a]
Tính theo khối lượng, silic là nguyên tố phổ biến thứ 8 trên vũ trụ; nhưng trên vỏ Trái Đất, silic rất hiếm khi xuất hiện dưới dạng tinh khiết. Silic được phân bố khắp vũ trụ trong bụi dưới dạngbụi vũ trụ,hành tinh vi hình vàhành tinh dưới nhiều dạngsilic dioxide (silica) hoặcsilicat khác nhau. Hơn 90% lớp vỏ Trái Đất được cấu tạo từkhoáng vật silicat nên silic lànguyên tố phổ biến thứ hai trong lớp vỏ Trái Đất (khoảng 28% theo khối lượng) chỉ sauoxy.
Phần lớn silicon có thể được dùng trong thương mại mà không cần tách riêng, và thường chỉ qua rất ít quy trình xử lý các khoáng chất tự nhiên. Các ứng dụng như vậy bao gồm xây dựng công nghiệp bằngđất sét,cát silic vàđá. Silicat được sử dụng trongxi măng Portland để làmvữa vàvữa trát, và trộn với cát silica vàsỏi để làmbê tông cho vỉa hè, nền móng và đường. Chúng cũng được sử dụng trong đồgốm trắng nhưsứ, và trong thủy tinh vôi soda truyền thống làm từ silicat và nhiều loại thủy tinh đặc biệt khác. Các hợp chất silic nhưsilic carbide được sử dụng làm chất mài mòn và là thành phần của gốm sứ có độ bền cao. Silic là cơ sở của các loại polyme tổng hợp được sử dụng rộng rãi tênsilicon.
Giai đoạn cuối thế kỷ 20 đến đầu thế kỷ 21 được mô tả là Thời đại Silicon (hay còn gọi làThời đại số hoặcThời đại Thông tin) vì tác động lớn của nguyên tố silic đối với nền kinh tế của thế giới hiện đại. Một phần nhỏ silic nguyên tố có độ tinh khiết cao được dùng tronglinh kiện bán dẫn (<15%) rất quan trọng chobóng bán dẫn và chipmạch tích hợp được sử dụng trong hầu hết các công nghệ hiện đại nhưđiện thoại thông minh vàmáy tính. Vào năm 2019, 32,4% phân khúc thị trường bán dẫn dành cho mạng lưới và thiết bị truyền thông, và ngành công nghiệp bán dẫn dự kiến sẽ đạt 726,73 tỷ USD vào năm 2027.[9]
Silic là một nguyên tố thiết yếu trong sinh học. Hầu hết các loài động vật chỉ cần một lượng nhỏ, nhưng một số loàibọt biển và vi sinh vật nhưtảo cát vàradiolaria thì tiết ra các cấu trúc xương làm bằng silica. Silica được lắng đọng trong nhiều mô thực vật.[10]
Năm 1787,Antoine Lavoisier nghi ngờ rằngsilica có thể là một oxide của mộtnguyên tố hóa học cơ bản,[12] nhưngái lực hóa học của silic đối với oxy đủ cao để ông không có cách nào để khử oxide và cô lập nguyên tố này.[13] Sau nỗ lực cô lập silic vào năm 1808,Sir Humphry Davy đã đề xuất tên "silicium" cho silic, từ tiếng Latinhsilex,silicis cho đá lửa và thêm đuôi "-ium" vì ông tin rằng đây là một kim loại.[14] Hầu hết các ngôn ngữ khác đều sử dụng các dạng phiên âm của tên Davy, đôi khi được điều chỉnh theo ngữ âm địa phương (ví dụ:tiếng ĐứcSilizium,tiếng Thổ Nhĩ Kỳsilisyum,tiếng Catalunyasilici,tiếng ArmeniaՍիլիցիում hoặcSilitzioum). Một số ngôn ngữ khác sử dụng từdịch sao phỏng gốc La-tinh (ví dụ:tiếng Ngaкремний, từкремень "đá lửa";tiếng Hy Lạpπυρίτιο từπυρ "lửa";tiếng Phần Lanpii từpiikivi "đá lửa",tiếng Séckřemík từkřemen "thạch anh", "đá lửa").[15]
Một tinh thể silic sử dụng để chế tạo mạch tích hợp và được nuôi cấy bằng phương pháp Czochralski.
Silic dưới dạng tinh thể phổ biến hơn chỉ mới đượcDeville điều chế sau 31 năm.[23][24] Ông thu được một dạngthù hình silic không tinh khiết vào năm 1854 bằng cáchđiện phân hỗn hợpnatri chloride vànhôm chloride chứa khoảng 10% silic.[25] Sau đó, các phương pháp tiết kiệm chi phí hơn đã được phát triển để phân lập một số dạng thù hình, với thù hình gần đây nhất là silicene vào năm 2010.[26][27] Trong khi đó, nghiên cứu về tính chất hóa học của silic vẫn tiếp diễn;Friedrich Wöhler đã phát hiện ra các hydride dễ bay hơi đầu tiên của silic, tổng hợptrichlorosilan vào năm 1857 vàsilan vào năm 1858, nhưng phải đến đầu thế kỷ XX, quá trình nghiên cứu một cách chi tiết về silan mới đượcAlfred Stock thực hiện, mặc dù những suy đoán ban đầu về vấn đề này có niên đại từ thời kỳ đầu của hóa học hữu cơ tổng hợp vào những năm 1830.[28][29] Tương tự,hợp chất cơ-silic đầu tiên, tetraethylsilane, đượcCharles Friedel vàJames Crafts tổng hợp vào năm 1863, nhưng phải đến đầu thế kỷ XX đặc điểm chi tiết của hóa học cơ-silic mới đượcFrederic Kipping thực hiện.[13]
Năm 1940,Russell Ohl khám phá tiếp giáp p–n và tính chất quang điện của silic. Năm 1941, phương thức sản xuấtgermani và tinh thể silic có độ tinh khiết cao đã được phát triển cho tinh thể của máy dò radar vi sóng trongThế chiến II.[31] Năm 1947, nhà vật lý họcWilliam Shockley đưa ra giả thuyết về mộtbộ khuếch đại hiệu ứng trường làm từ germani và silic, nhưng ông đã không chế tạo được một thiết bị hoạt động, trước khi cuối cùng nghiên cứu thay thế bằng germani. Transistor hoạt động đầu tiên là một transistor tiếp xúc điểm đượcJohn Bardeen vàWalter Brattain chế tạo vào cuối năm đó khi làm việc dưới sự chỉ đạo của Shockley.[32] Năm 1954,nhà hóa học vật lýMorris Tanenbaum đã chế tạo transistor tiếp giáp silic đầu tiên tạiPhòng thí nghiệm Bell.[33] Năm 1955, Carl Frosch và Lincoln Derick tại Bell Labs tình cờ phát hiện ra rằng có thể nuôi cấysilic dioxide (SiO 2) trên silic.[34][35] Đến năm 1957, Frosch và Derick công bố công trình của họ về bóng bán dẫn oxideSiO 2 đầu tiên; đây là bóng bán dẫn phẳng đầu tiên, trong đó cực thoát và cực nguồn nằm cạnh nhau trên cùng một bề mặt. Năm 1959,Robert Noyce đã phát triển mạch tích hợp dựa trên silic đầu tiên tại Fairchild Semiconductor, dựa trên công trình trước đó củaJack Kilby sử dụng germani làm chất bán dẫn.[36]
MOSFET là linh kiện chủ chốt của Thời đại Silic. Transistor phẳng oxide bán dẫn silic đầu tiên được Frosch và Derick chế tạo vào năm 1957.[37]
"Thời đại Silicon" ám chỉ giai đoạn cuối thế kỷ XX cho đến đầu thế kỷ XXI.[38][39][40] Tên này xuất phát từ việc silic là vật liệu chủ yếu được sử dụng trong điện tử và công nghệ thông tin (còn được gọi làThời đại số hoặcThời đại thông tin), tương tự như cáchThời đồ đá,Thời đồ đồng vàThời đồ sắt được xác định bằng các vật liệu chủ yếu trong các thời đại văn minh tương ứng của chúng.[38]
Vì silic là nguyên tố quan trọng trong các thiết bị bán dẫn công nghệ cao, nên nhiều khu vực trên thế giới đã mang tên của nguyên tố này. Ví dụ,thung lũng Santa Clara ở California có biệt danh làThung lũng Silicon, đặt tên theo nguyên tố chủ chốt trongngành công nghiệp bán dẫn. Kể từ đó, nhiều nơi khác cũng được đặt tên tương tự, bao gồm Silicon Wadi ở Israel;Rừng Silicon ở Oregon; Đồi Silicon ở Austin, Texas; Dốc Silicon ở Thành phố Salt Lake, Utah; Silicon Saxony ở Đức;Thung lũng Silicon ở Ấn Độ; Biên giới Silicon ở Mexicali, Mexico; Silicon Fen ở Cambridge, Anh; Vòng xoay Silicon ở London; Thung lũng Silicon ở Scotland; Hẻm núi Silicon ở Bristol, Anh; Hẻm Silicon ở Thành phố New York; Bãi biển Silicon ở Los Angeles;[41] vàỐc đảo Dubai Silicon ở Dubai.
Một nguyên tử silic có 14electron. Ở trạng thái cơ bản, các electron được sắp xếp theo cấu hình [Ne]3s23p2. Trong số này có 4electron hóa trị chiếm orbital 3s và hai trong số năm orbital 3p. Tương tự các nguyên tố khác trong nhóm nhưcarbon và các nguyên tố nặng hơn làgermani,thiếc vàchì, số electron hóa trị và orbital hóa trị của silic bằng nhau; vì vậy mà silic có thể lấp đầyoctet và đạt trạng thái khí hiếm ổn định củaargon bằng cách tạo orbitallai hóa sp3, hình thành các dẫn xuấtSiX 4 hình tứ diện trong đó silic ở trung tâm chia sẻ một cặp electron với mỗi một nguyên tử liên kết với nó.[43] Bốnnăng lượng ion hóa đầu tiên của silic lần lượt là 786,3; 1576,5; 3228,3; và 4354,4 kJ/mol; các giá trị này đủ lớn để loại trừ khả năng tạo cation của nguyên tố. Theo xu hướng tuần hoàn, bán kính cộng hóa trị liên kết đơn của silic là 117,6 pm; giá trị này nằm giữa bán kính của carbon (77,2 pm) và germani (122,3 pm). Bán kính của silic với sáu phối tử có thể được coi là 40 pm, mặc dù đây chỉ là một con số hoàn toàn mang tính khái niệm do thiếuSi4+ đơn giản trong thực tế.[44]
Ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn, silic là mộtchất bán dẫn sáng bóng với ánh kim loại màu xám xanh lam; dựa trên đặc trưng của một chất bán dẫn, điện trở suất của silic sẽ giảm khi nhiệt độ tăng. Điều này phát sinh vì silic có một khoảng cách năng lượng nhỏ (năng lượng vùng cấm) giữa các mức năng lượng chiếm giữ cao nhất (vùng hóa trị) và các mức năng lượng chưa chiếm giữ thấp nhất (vùng dẫn).Mức Fermi nằm ở giữa vùng hóa trị và vùng dẫn và là mức năng lượng mà khả năng được lấp đầy bởi một election hay không là bằng nhau. Vì lý do này mà silic gần như là chất cách điện ở nhiệt độ phòng. Tuy nhiên, việc pha tạp các nguyên tốnhóm nitơ nhưphosphor,arsenic, hayantimon vào silic sẽ đưa thêm một electron vào mỗi chất pha tạp và sau đó chúng có thể được kích thích vào dải dẫn bằng nhiệt hoặc quang phân, cho ra chất bán dẫn loại n. Tương tự như vậy, nếu pha tạp các nguyên tốnhóm 13 nhưbor,nhôm, haygali sẽ khiến các electron được kích thích từ vùng hóa trị đã lấp đầy bị giữ lại, cho ra chất bán dẫn loại p.[45] Kết nối silic kiểu n với silic kiểu p tạo ramặt tiếp giáp p-n với mức Fermi giống nhau; electron di chuyển từ n đến p, còn lỗ khuyết dương di chuyển từ p đến n, sự dẫn đến sự sụt giảm điện áp. Mặt tiếp giáp p–n này từ đó trở thành mộtdiode mà có thể chỉnh lưu dòng điện xoay chiều cho phép dòng điện dễ dàng đi qua một hướng. Mộttransistor là một n–p–n junction, với một lớp silic loại p mỏng kẹp giữa hai chất bán dẫn loại p. Việc phân cực cực phát qua một điện áp thuận nhỏ và cực thu qua một điện áp ngược lớn cho phép bóng bán dẫn hoạt động như một bộ khuếch đạitriode.[45]
Silic kết tinh trong một cấu trúc cộng hóa trị khổng lồ ở điều kiện chuẩn, cụ thể là trong mạng tinh thểkim cương lập phương. Do đó mà silic có nhiệt độ nóng chảy cao (1414 °C) vì cần rất nhiều năng lượng để phá vỡ các liên kết cộng hóa trị mạnh và làm chảy chất rắn. Khi nóng chảy, silic co lại khi mạng lưới liên kết tứ diện tầm xa bị phá vỡ và các khoảng trống trong mạng lưới đó được lấp đầy, tương tự như nước đá khi liên kết hydro bị phá vỡ khi làm nóng. Silic không có bất kỳ dạng thù hình ổn định nhiệt động nào ở áp suất chuẩn, nhưng một số cấu trúc tinh thể khác ở áp suất cao hơn đã được biết đến. Xu hướng chung là khi áp suất tăng thìsố phối trí sẽ tăng theo, đạt đến đỉnh điểm là dạng thù hìnhlục giác xếp chặt ở khoảng 40 °C được gọi là Si–VII (biến thể chuẩn là Si–I). Một dạng thù hình khác gọi là BC8 (hoặc bc8), có mạng tinh thểlập phương tâm khối với tám nguyên tử trên một ô đơn vị nguyên thủy, có thể được tạo ra ở áp suất cao mà vẫn ổn định trong môi trường áp suất thấp. Các tính chất của nó đã được nghiên cứu chi tiết.[46]
Nhiệt độ sôi của silic là 3265 °C. Mặc dù đây là con số lớn, nhưng giá trị này vẫn thấp hơn nhiệt độ thăng hoa của nguyên tố đi trướccarbon (3642 °C). Tương tự,nhiệt hóa hơi của silic thấp hơn so với carbon, phù hợp với thực tế là liên kết Si–Si yếu hơn liên kết C–C.[47]
22đồng vị phóng xạ của silic đã được phân loại; hai đồng vị ổn định nhất trong số này là32 Si vớichu kỳ bán rã là khoảng 150 năm, và31 Si với chu kỳ bán rã 2,62 tiếng.[48] Các đồng vị phóng xạ còn lại có chu kỳ bán rã dưới 7 giây, và phần lớn trong số này có chu kỳ bán rã dưới một phần mười giây.[48] Silic có một đồng phân hạt nhân đã biết,34mSi, có chu kỳ bán rã dưới 210 nano giây.[48]32Si trải qua quá trìnhphân rã beta năng lượng thấp thành32 P và sau đó là thành32 S ổn định.31 Si có thể được tạo từ quá trìnhkích hoạt neutron của silic tự nhiên và do đó có vai trò quan trọng trong phân tích định lượng; có thể dễ dàng phát hiện đồng vị này từ quá trình phân rã beta thành31 P ổn định đặc trưng, trong đó năng lượng từ electron phát ra có thể lên đến 1,48 MeV.[28]
Các đồng vị đã biết của silic có số khối từ 22 đến 46.[48][53]Cơ chế phân rã phổ biến nhất của các đồng vị có số khối nhỏ hơn giá trị của ba đồng vị ổn định làphân rã β+, vớisản phẩm phân rã chủ yếu là các đồng vị của nhôm (13 proton).[48] Cơ chế phân rã phổ biến nhất của các đồng vị nặng không bền là phân rã beta, với sản phẩm phân rã chủ yếu là các đồng vị phosphor (15 proton).[48]
Silic có thể thâm nhập đại dương thông qua dòng chảy từ nước ngầm vàsông. Các dòng nước ngầm có lưu lượng lớn thường có thành phần đồng vị khác so với silic từ nguồn sông. Sự thay đổi đồng vị trong nước ngầm và dòng chảy sông góp phần tạo nên sự biến thiên trong giá trị đồng vị30 Si trong đại dương. Hiện nay có sự khác biệt đáng kể trong giá trị đồng vị của vùng nước sâu giữa cácbồn trũng đại dương trên thế giới. Biển Đại Tây Dương và Thái Bình Dương có độ chênh lệch đồng vị30 Si trong nước sâu lớn hơn 0,3 phần nghìn.30 Si thường được gắn liền với mức độ hoạt động trong đại dương.[54]
Silic tinh thể dạng khối khá trơ về mặt hóa học, nhưng hoạt tính sẽ gia tăng ở nhiệt độ cao. Tương tự nhôm, silic được bao phủ bởi lớpsilic dioxide (SiO 2) mỏng và liên tục, giúp bảo vệ nguyên tố khỏi quá trình oxy hóa. Vì lý do này mà silic không phản ứng đáng kể với không khí ở nhiệt độ dưới 900 °C. Từ 950 °C đến 1160 °C, tốc độ hình thành lớp dioxideánh thủy tinh nhanh chóng gia tăng, và ở nhiệt độ 1400 °C,nitơ trong không khí phản ứng với silic để cho ra các nitride SiN vàSi 3N 4. Silic phản ứng vớilưu huỳnh dạng khí ở nhiệt đố 600 °C vàphosphor dạng khí ở 1000 °C. Tuy nhiên, lớp oxide này không thể ngăn silic phản ứng với cáchalogen;fluor phản ứng mãnh liệt với silic ở nhiệt độ thường,chlor phản ứng ở nhiệt độ 300 °C, cònbrom vớiiod phản ứng ở nhiệt độ 500 °C. Silic không tác dụng với hầu hết acid chứa nước, nhưng lại bị oxi hóa trongacid hydrofluoric chứachlor hoặcacid nitric để tạo phức làhexafluorosilicat. Silic dễ dàng hòa tan trong kiềm nóng chảy để tạosilicat.[56] Silic cũng phản ứng với alkyl halide ở nhiệt độ cao; có thể dùng chất xúc tác làđồng cho các phản ứng này để trực tiếp tổng hợp các hợp chấtcơ-silic chloride dùng làm tiền chất cho các polimesilicon. Khi nóng chảy, silic có tính phản ứng rất cao; nó tạo hợp kim với hầu hết các kim loại để tạo thành silicide và khử hầu hết các oxide kim loại vì nhiệt hình thành của silic dioxide rất lớn. Trên thực tế, silic nóng chảy phản ứng với hầu hết mọi vật liệu nấu chảy đã biết (ngoại trừ oxide của chính nó,SiO 2)[57](tr13) Điều này là do lực liên kết mạnh của silic với các nguyên tố nhẹ và khả năng hòa tan tốt của silic với hầu hết các nguyên tố.[57](tr13) Vì lý do này mà các thùng chứa silic lỏng cần phải làm từ vật liệu chịu lửa trơ như zirconi dioxide hay các muối boride của nhóm 4, 5 và 6.[47][58]
Các hợp chất silic thường có cấu trúc hình tứ diện tương tự các hợp chất carbon. Tuy nhiên, vì phân lớp 3p khuếch tán hơn phân lớp 2p và không lai hóa tốt với phân lớp 3s nên tính chất hóa học của silic và các đồng loại nặng hơn của nó có sự khác biệt đáng kể so với carbon,[59] vì thế mà phối trí hình bát diện cũng rất quan trọng.[60] Ví dụ,độ âm điện của silic (1,90) thấp hơn đáng kể so với carbon (2,55) vì các electron hóa trị của silic cách xa hạt nhân hơn so với các electron hóa trị của carbon và do đó chịu lực hút tĩnh điện nhỏ hơn từ hạt nhân. Sự chồng chéo kém của các orbital 3p cũng dẫn đến xu hướng tự liên kết (hình thành liên kết Si–Si) của silic thấp hơn nhiều so với carbon, do sự suy yếu đồng thời của liên kết Si–Si khi so với liên kết C–C:[61] năng lượng trung bình của liên kết Si–Si là khoảng 226 kJ/mol, so với 356 kJ/mol của liên kết C–C.[62] Việc này khiến các hợp chất silic nhiều liên kết thường kém bền hơn đáng kể so với các hợp chất carbon tương ứng, một ví dụ của quy tắc liên kết đôi. Mặt khác, sự xuất hiện của các nút xuyên tâm trong các orbital 3p của silic gợi ý khả năng có hóa trị cực đại, như thấy trong các dẫn xuất năm và sáu phối tử của silic nhưSiX vàSiF.[63][61] Cuối cùng, do khoảng cách năng lượng giữa các orbital hóa trị s và p tăng dần đối với các nguyên tố nặng hơn trong nhóm, trạng thái hóa trị II trở nên quan trọng hơn từ carbon đến chì, do đó một số hợp chất hóa trị II không bền được biết đến với silic; việc hạ thấp trạng thái oxy hóa chính kèm theo sự tăng bán kính nguyên tử dẫn đến sự gia tăng tính kim loại theo chiều dọc của nhóm. Silic đã thể hiện một số tính chất kim loại ban đầu, đặc biệt là trong tính chất của các hợp chất oxide silic và phản ứng của silic với acid và base (mặc dù điều này đòi hỏi một số nỗ lực), và do đó thường được gọi làá kim thay vì phi kim.[61] Germani thể hiện nhiều hơn, và thiếc thường được coi là kim loại.[13]
Silic thể hiện sự khác biệt rõ ràng so với carbon. Ví dụ,hóa học hữu cơ có rất ít điểm tương đồng với hóa học silic, trong khi khoáng vậtsilicate có cấu trúc phức tạp chưa từng thấy trong các hợp chất oxocarbon.[64] Silic có xu hướng giống germani hơn so với carbon, và sự giống nhau này được củng cố bởi sựco khối d, khiến kích thước của nguyên tử germani gần với kích thước của nguyên tử silic hơn so với dự đoán từ các xu hướng của bảng tuần hoàn.[65] Tuy nhiên, vẫn còn một số khác biệt do tầm quan trọng ngày càng tăng của trạng thái hóa trị II trong germani so với silic. Ngoài ra, Ge–O có độ bền liên kết thấp hơn so với Si–O dẫn đến sự vắng mặt của các polyme "germanon" tương tự polyme silicon.[62]
Silic là nguyên tố phổ biến thứ tám trong vũ trụ chỉ sauhydro,heli,carbon,nitơ,oxy,sắt, vàneon. Sự phổ biến này không được thấy rõ trên Trái Đất do sự phân tách đáng kể các nguyên tố trong quá trình hình thànhHệ Mặt Trời. Theo khối lượng, silic chiếm 27,2% vỏ trái đất và là nguyên tố phổ biến thứ hai chỉ sau oxy (chiếm 45,5%); silic trong tự nhiên uôn xluôn là hợp chất chứaoxy. Sự phân chia tiếp theo diễn ra trong quá trình hình thành Trái Đất thông qua sự phân hóa hành tinh:Lõi Trái Đất, chiếm 31,5% khối lượng Trái Đất, có thành phần xấp xỉ làFe 25Ni 2Co 0.1S 3;lớp phủ chiếm 68,1% khối lượng Trái Đất và chủ yếu bao gồm các oxide và silicat đặc hơn nhưolivin,(Mg,Fe) 2SiO 4; trong khi các khoáng vật silic nhẹ hơn như aluminosilicat nổi lên bề mặt và tạo thành lớp vỏ, chiếm 0,4% khối lượng Trái Đất.[66][67]
Quá trình kết tinh mắc ma thànhđá phụ thuộc vào nhiều yếu tố; trong số đó là có thành phần hóa học của mắc ma, tốc độ làm nguội và một số tính chất của từng khoáng vật được hình thành nhưnăng lượng mạng, nhiệt độ nóng chảy và độ phức tạp của cấu trúc tinh thể của chúng. Khi mắc ma nguội,olivine xuất hiện trước, theo sau làpyroxen,amphibol, micabiotit,orthoclas,mica muscovit,thạch anh,zeolit, và cuối cùng là khoáng vật thủy nhiệt. Chuỗi này cho thấy xu hướng tạo thành các đơn vị silicat ngày càng phức tạp hơn khi mắc ma nguội và có sự xuất hiện của các anionhydroxide vàflouride ngoài các oxide. Nhiều kim loại có thể thay thế silic. Sau khi các loại đá mắc ma này trải qua quá trìnhphong hóa, vận chuyển và lắng đọng, các loạiđá trầm tích như đất sét, đá phiến sét và đá sa thạch được hình thành. Quá trìnhbiến chất cũng có thể xảy ra ở nhiệt độ và áp suất cao, từ đó tạo ra nhiều loại khoáng chất đa dạng hơn.[66]
Có bốn nguồn tạo ra dòng silic vào đại dương: phong hóa hóa học đá lục địa, vận chuyển sông, hòa tan silicat lục địa, và phản ứng giữa bazan dưới biển và chất lỏng thủy nhiệt giải phóng silic hòa tan. Cả bốn dòng này đều có mối liên hệ với nhau trong chu trình sinh địa hóa của đại dương vì ban đầu chúng đều được hình thành từ quá trình phong hóa vỏ Trái Đất.[68]
Có khoảng 300 đến 900 triệu tấnbụi gió được đưa vào đại dương hằng năm. Trong số này, 80 đến 240 triệu tấn là dưới dạng bụi silic. Tổng lượng hạt silic lắng đọng vào đại dương vẫn hơn lượng silic tràn vào đại dương thông qua đường sông.[69] Lượng silic sinh đá dạng hạt gió đầu vào Bắc Đại Tây Dương và Tây Bắc Thái Bình Dương là kết quả của bụi lắng đọng trên đại dương từ lần lượt sa mạc Sahara và sa mạc Gobi.[68] Sông là con đường chính của nguồn silic tràn vào đại dương ở các vùng ven biển, trong khi sự lắng đọng silic ở đại dương chịu ảnh hưởng rất lớn bởi sự lắng đọng của bụi gió.[69]
Silic nồng độ 96–99% tinh khiết được sản xuất bằng cách khử nhiệt carbide quặngquartzit hoặc cát vớithan cốc có độ tinh khiết cao. Quá trình khử được thực hiện tronglò hồ quang điện, sử dụng dư thừaSiO để ngăn tích tụsilic carbide (SiC):[28]
SiO 2 + 2 C → Si + 2 CO
2 SiC +SiO 2 → 3 Si + 2 CO
Hợp kim Ferrosilicon
Phản ứng này, được gọi là quá trình khử carbon của silic dioxide, thường được thực hiện với sắt vụn có hàm lượngphosphor vàlưu huỳnh thấp, tạo raferrosilicon.[28] Ferrosilicon, một hợp kim sắt-silic trong đó tỷ lệ của silic nguyên tố và sắt có thể thay đổi, chiếm khoảng 80% sản lượng silic nguyên tố của thế giới, trong đó Trung Quốc, quốc gia có sản lượng silic nguyên tố cao nhất, cung cấp 4,6 triệu tấn silic (hoặc hai phần ba sản lượng toàn cầu) chủ yếu dưới dạng ferrosilic. Theo sau Trung Quốc là Nga (610.000 tấn), Na Uy (330.000 tấn), Brazil (240.000 tấn) và Hoa Kỳ (170.000 tấn).[70] Ferrosilicon được sử dụng chủ yếu trong ngành công nghiệp sắt và thép (xem bên dưới) với công dụng chính là phụ gia hợp kim trong sắt hoặc thép và để khử oxy hóa thép trong các nhà máy thép tích hợp.[28]
Một phản ứng khác mà thỉnh thoảng được áp dụng là phản ứng sử dụng nhôm để khử silic dioxide như sau:[71]
3SiO 2 + 4 Al → 3 Si + 2Al 2O 3
Rửa bột silic tinh khiết 96–97% bằng nước cho ra silic có độ tinh khiết khoảng 98,5%, được ứng dụng trong công nghiệp hóa chất. Tuy nhiên, để ứng dụng trong ngành bán dẫn thì cần độ tinh khiết cao hơn nhiều. Loại silic này được sản xuất từ quá trình khửsilic tetrachloride hoặcsilic trichloride. Silic tetrachloride được thu bằng cách chlor hóa silic phế liệu, còn silic trichloride là sản phẩm phụ của quá trình sản xuấtsilicon. Các hợp chất này đều dễ bay hơi nên có thể tinh chế bằng cáchchưng cất phân đoạn nhiều lần, sau đó được khử thành silicon nguyên tố bằng kim loạikẽm tinh khiết cao. Các mảnh silic xốp tạo thành sau đó được nấu chảy và kéo thành tinh thể đơn hình trụ, rồi tiếp tục tinh chế bằng phương pháp tinh luyện vùng (zone refining). Một số quy trình khác sử dụng sự phân hủy nhiệt củasilan hoặcsilic tetraiodide (SiI₄). Ngoài ra còn có phương pháp khử natri hexafluorosilicat, một chất thải phổ biến từ ngành sản xuất phân bón phosphate, bằngnatri kim loại; vì phản ứng này tỏa nhiệt mạnh nên không cần nguồn năng lượng bên ngoài. Silicon siêu tinh khiết được sản xuất ở độ tinh khiết cao hơn hầu hết mọi vật liệu khác: sản xuấttransistor đòi hỏi mức tạp chất trong tinh thể silicon dưới 1 phần 1010, và trong những trường hợp đặc biệt đòi hỏi mức tạp chất dưới 1 phần 1012.[28]
Các cấu trúc nano silicon có thể được sản xuất trực tiếp từ cát silica bằng các quy trình khử oxide kim loại truyền thống, hoặc bằng phương pháp tổng hợp đốt cháy. Có thể áp dụng những vật liệu silicon cấu trúc nano này trong nhiều lĩnh vực, bao gồm làm cực dương cho pin lithium-ion, các loại pin ion khác, các thiết bị tính toán trong tương lai như memristor, hoặc trong các ứng dụng quang xúc tác.[72]
Silic phần lớn được sử dụng trong công nghiệp mà không cần tinh chế, thường chỉ được xử lý tương đối ít so với dạng tự nhiên. 90% vỏ Trái đất được cấu thành từ cáckhoáng vật silicat, là các hợp chất của silic và oxy, thường đi kèm các ion kim loại để cân bằng điện tích âm của các anion silicat. Nhiều khoáng vật trong số này có ứng dụng thương mại trực tiếp như đất sét, cátsilica và phần lớn các loại đá xây dựng. vì vậy mà các ứng dụng của silic đa phần là dưới dạng các hợp chất cấu trúc, hoặc là khoáng chất silicat hoặc silica (silic dioxide thô). Silicat được ứng dụng trong sản xuấtxi măng Portland (có thành phần chủ yếu là calci silicat), được sử dụng trongvữa xây dựng và vữa trát hiện đại; quan trọng hơn, khi kết hợp xi măng với cát silic và sỏi (thường chứa các khoáng chất silicat như đá granit) tạo rabê tông, nền tảng của hầu hết các dự án xây dựng công nghiệp lớn nhất thế giới thời hiện đại.[73]
Silica được sử dụng để sản xuấtgạch chịu lửa, một dạng của gốm. Các khoáng chất silicat cũng có tronggốm sứ trắng, một nhóm sản phẩm quan trọng thường chứa nhiều loại khoáng chất đất sét nung (các phyllosilicat nhôm tự nhiên). Một ví dụ làsứ, được làm từ khoáng chất silicatkaolinit.Thủy tinh truyền thống (thủy tinh soda-lime gốc silica) cũng có nhiều ứng dụng tương tự và được sử dụng để làm cửa sổ và vật chứa. Ngoài ra,sợi thủy tinh gốc silica chuyên dụng được dùng làmsợi quanghọc, cũng như để sản xuất sợi thủy tinh dùng làm vật liệu hỗ trợ cấu trúc vàbông thủy tinh đểcách nhiệt.
Silicon thường được sử dụng trong các chấtchống thấm, hợp chất tạo khuôn, chất tách khuôn, gioăng làm kín cơ khí, mỡ và sáp chịu nhiệt độ cao, và chấttrám khe. Silicon cũng đôi khi được sử dụng trongcấy ghép ngực, kính áp tròng,chất nổ và pháo hoa.[74] Đồ chơi Silly Putty ban đầu được tạo ra bằng cách trộnacid boric vớidầu silicon.[75] Các hợp chất silic khác hoạt động như chất mài mòn công nghệ cao và các loại gốm sứ cường độ cao mới dựa trênsilic carbide. Silic là thành phần của một sốhợp kim siêu bền.
Silic nguyên tố được thêm vàogang nóng chảy dưới dạngferrosilicon hoặc quặng silicocalci để cải thiện hiệu suất trong quá trình đúc các vật liệu mỏng và ngăn ngừa sự hình thànhcemantit khi tiếp xúc với không khí bên ngoài. Sự hiện diện của silic nguyên tố trong sắt nóng chảy hoạt động như một chất hấp thụ oxy, nhờ đó hàm lượng carbon trong thép, vốn phải được giữ trong giới hạn hẹp đối với mỗi loại thép, có thể được kiểm soát chặt chẽ hơn. Sản lượng ferrosilicon là một chỉ số theo dõi ngành công nghiệp thép, và mặc dù dạng silic nguyên tố này có độ tinh khiết thấp, nó chiếm 80% lượng silic tự do được sử dụng trên thế giới. Silic là một thành phần quan trọng củathép silic, có vai trò làm thay đổi điện trở suất và tính chất từ tính của nó.[76]
Các đặc tính của silic có thể được sử dụng để cải tiến các hợp kim với các kim loại khác ngoài sắt. Silic "cấp luyện kim" có độ tinh khiết 95–99%. Khoảng 55% lượng silic tinh khiết cấp luyện kim được tiêu thụ trên thế giới được sử dụng để sản xuất hợp kim nhôm-silic (hợp kim silumin) dùng đểđúc các bộ phận bằng nhôm dùng chủ yếu trong ngànhcông nghiệp ô tô. Tầm quan trọng của silic trong đúc nhôm là một lượng silic khá cao (12%) trong nhôm tạo thànhhỗn hợp eutecti đông đặc với độ co giãn nhiệt rất nhỏ. Điều này làm giảm đáng kể hiện tượng rách và nứt do ứng suất khi hợp kim đúc nguội và đông đặc. Silic cũng cải thiện đáng kể độ cứng và do đó khả năng chống mài mòn của nhôm.[77][78] Silic cấp luyện kim được sản xuất bằng cách nấu chảy thạch anh hoặc quartzite trong lò hồ quang lớn, trong quá trình khử cacbon nhiệt với vật liệu chứa cacbon như than đá, than cốc hoặc than củi và dăm gỗ để lưu thông khí. Kỹ thuật sản xuất này không sử dụng sắt và thường được dùng để sản xuấtpolysilicon cho pin mặt trời và chất bán dẫn.[79][80][81][82]
Silic là nguyên tố rất có ích, là cực kỳ cần thiết trong nhiều ngành công nghiệp.Dioxide silic trong dạng cát và đất sét là thành phần quan trọng trong chế tạobê tông vàgạch cũng như trong sản xuấtxi măng Portland. Silic là nguyên tố rất quan trọng cho thực vật và động vật. Silica dạng nhị nguyên tử phân lập từ nước để tạo ra lớp vỏ bảo vệtế bào. Các ứng dụng khác có:
Gốm/men sứ - Làvật liệu chịu lửa sử dụng trong sản xuất các vật liệu chịu lửa và các silicat của nó được sử dụng trong sản xuất men sứ và đồ gốm.
Thép - Silic là thành phần quan trọng trong một số loại thép.
Thủy tinh - Silica từ cát là thành phần cơ bản của thủy tinh. Thủy tinh có thể sản xuất thành nhiều chủng loại đồ vật với những thuộc tính lý học khác nhau. Silica được sử dụng như vật liệu cơ bản trong sản xuất kính cửa sổ, đồ chứa (chai lọ), và sứ cách điện cũng như nhiều đồ vật có ích khác.
Giấy nhám - Carbide silic là một trong những vật liệu mài mòn quan trọng nhất.
Vật liệubán dẫn - Silic siêu tinh khiết có thể trộn thêmasen,bo,gali hayphosphor để làm silic dẫn điện tốt hơn trong cáctransistor,pin mặt trời hay các thiết bị bán dẫn khác được sử dụng trong công nghiệp điện tử và các ứng dụng kỹ thuật cao (hi-tech) khác.
Trong các photonic - Silic được sử dụng trong cáclaser để sản xuất ánh sáng đơn sắc có bước sóng 456 nm.
Vật liệu y tế - Silicon là hợp chất dẻo chứa các liên kếtsilic-oxy vàsilic-carbon; chúng được sử dụng trong các ứng dụng như nâng ngực nhân tạo và lăng kính tiếp giáp (kính úp tròng).
LCD và pin mặt trời -Silic vô định hình có hứa hẹn trong các ứng dụng như điện tử chẳng hạn chế tạomàn hình tinh thể lỏng (LCD) với giá thành thấp và màn rộng. Nó cũng được sử dụng để chế tạo pin mặt trời.
Xây dựng - Silica là thành phần quan trọng nhất trong gạch vì tính hoạt hóa thấp của nó. Ngoài ra nó còn là một thành phần củaxi măng.
Việc sử dụng silic trong các thiết bị bán dẫn đòi hỏi phải có độ tinh khiết cao hơn so với sản xuất bằng phương pháp trên. Có một số phương pháp làm tinh khiết silic được sử dụng để sản xuất silic có độ tinh khiết cao.
Các kỹ thuật làm tinh khiết silic đầu tiên dựa trên cơ sở thực tế là nếu silic nóng chảy và sau đó đông đặc lại thì những phần cuối khi đông đặc bao giờ cũng chứa nhiều tạp chất. Các phương pháp sớm nhất để làm tinh khiết silic, lần đầu tiên được miêu tả năm1919 và sử dụng trong một số hữu hạn nền tảng để sản xuất các thành phần củarađa trong Đại chiến thế giới lần thứ hai, bao gồm việc đập vỡ silic phẩm chất công nghiệp và hòa tan từng phần bột silic trongacid. Khi bị đập vỡ, silic bị làm vỡ để những khu vực có nhiều tạp chất yếu hơn sẽ nằm ra phía ngoài của các hạt silic được tạo ra, chúng sẽ bị acid hòa tan, để lại sản phẩm tinh khiết hơn.
Trong khu vực nung chảy, phương pháp đầu tiên làm tinh khiết silic được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, các thỏi silic phẩm cấpcông nghiệp được nung nóng tại một đầu. Sau đó, nguồn nhiệt chuyển động rất chậm dọc theochiều dài của thỏi, giữ cho chỉ một đoạn ngắn của thỏi nóng chảy và silic được làm nguội và táiđông đặc ở phía sau nó. Vì phần lớn các tạp chất có xu hướng nằm trong phần nóng chảy hơn là trong phần tái đông đặc, nên khi quá trình này kết thúc, phần lớn tạp chất của thỏi sẽ chuyển về đầu nóng chảy sau cùng. Đầu này sau đó bị cắt bỏ, và quy trình này được lặp lại nếu muốn có silic với phẩm cấp cao hơn.
Ngày nay, silic được làm sạch bằng cách chuyển nó thành các hợp chất silic để dễ dàng làm tinh khiết hơn là làm tinh khiết trực tiếp silic, và sau đó chuyển hợp chất của nó trở lại thành silic nguyên chất.Triclorosilan là hợp chất của silic được sử dụng rộng rãi nhất như chất trung gian, mặc dầutetrachloride silic vàsilan cũng được sử dụng. Khi các khí này được thổi qua silic ở nhiệt độ cao, chúng phân hủy để tạo ra silic có độ tinh khiết cao.
Trongcông nghệ Siemens, các thỏi silic có độ tinh khiết cao được đưa vào triclorosilan ở nhiệt độ 1150 °C. Khí triclorosilan phân hủy và lắng đọng silic bổ sung trên thỏi, làm to nó theo phản ứng sau:
2HSiCl3 → Si + 2HCl + SiCl4
Silic sản xuất từ phương pháp này và các công nghệ tương tự gọi làsilic đa tinh thể. Silic đa tinh thể thông thường có tạp chất ở mức một phần tỷ hoặc thấp hơn.
Cùng thời gian đó,DuPont đã sản xuất silic siêu sạch bằng cách chotetrachloride silic phản ứng với hơikẽm nguyên chất ở nhiệt độ 950 °C, theo phản ứng:
SiCl4 + 2Zn → Si + 2ZnCl2
Tuy nhiên, kỹ thuật này đã vấp phải những vấn đề thực tế (chẳng hạn như sản phẩm phụchloride kẽm đông đặc lại và dính vào sản phẩm) và cuối cùng nó đã bị bỏ đi để sử dụng chỉ mỗi công nghệ Siemens.
Một người có thể tiếp xúc với silic nguyên tố trong môi trường làm việc qua đường hô hấp, đường miệng, da và mắt. Trong hai trường hợp cuối cùng, silic gây kích ứng nhẹ và có thể gây hại nếu hít phải.[83] Cơ Quan Bảo Vệ Sức Khỏe và An Toàn Lao động tại Hoa Kỳ (OSHA) quy định giới hạn tiếp xúc hợp pháp với silicon trong môi trường làm việc là 15 mg/m3 bụi toàn và 5 mg/m3 bụi hô hấp trong một ca làm việc 8 tiếng. Viện An toàn và Sức khỏe lao động của Hoa Kỳ (NIOSH) khuyến nghị giới hạn tiếp xúc là 10 mg/m3 tổng cộng và 5 mg/m3 bụi hô hấp trong một ca làm việc 8 tiếng.[84] Tại Việt Nam,Bộ Y tế quy định giới hạn tiếp xúc trong một ca làm việc 8 tiếng là 0,3 mg/m3 bụi toàn phần và 0,1 mg/m3 bụi hô hấp.[85]Hít phải bụi silicatinh thể có thể gây rabụi phổi silic, mộtbệnh phổi nghề nghiệp đặc trưng bởi tình trạngviêm và sẹo hình thành các nốt ở thùy trên củaphổi.[86]
^Mặc dùcarbon giữ nguyên trạng thái rắn ở nhiệt độ cao hơn silic, nhưng vì carbonthăng hoa trongáp suất khí quyển thay bì nóng chảy và sôi nên carbon không có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi.
^Arblaster, John W. (2018).Selected Values of the Crystallographic Properties of Elements. Materials Park, Ohio: ASM International.ISBN978-1-62708-155-9.
^Trong bảng các nguyên tố của mình, Lavoisier đã liệt kê năm loại quặng có thể phản ứng với acid để tạo ra muối (gọi là đất có khả năng muối hóa):chaux (calci oxide),magie (magnesia, magnesi oxide),baryte (bari sulfat),alumin (alumina, nhôm oxit) vàsilica (silica, silicon dioxide). Về những "nguyên tố" này, Lavoisier lý luận rằng: "Có lẽ chúng ta chỉ mới biết đến một số các hợp chất kim loại tồn tại trong tự nhiên, vì tất cả những chất có ái lực với oxy cao hơn carbon, cho đến nay đều không có khả năng bị khử thành kim loại, và do đó, chúng ta chỉ thấy chúng dưới dạng oxide, bị nhầm lẫn với đất. Rất có thể các baryte mà chúng ta vừa phân loại là đất đang ở trong tình huống này; vì trong nhiều thí nghiệm, nó thể hiện những đặc tính gần giống với đặc tính của kim loại. Thậm chí có khả năng là tất cả các chất mà chúng ta gọi là đất có thể chỉ là các oxide kim loại, không thể khử được bằng bất kỳ quá trình nào đã biết tại thời điểm này." – từLavoisier (1799).Elements of Chemistry. Robert Kerr biên dịch (ấn bản thứ 4). Edinburgh, Scotland: William Creec. tr. 218. (The original passage appears in:Lavoisier (1789).Traité Élémentaire de Chimie. Quyển 1. Paris: Cuchet. tr. 174.)
^Thomson, Thomas; Baldwin, Charles; Blackwood, William; Baldwin, Cradock; Bell & Bradfute, bookseller; Hodges & McArthur, bookseller (1817).A system of chemistry: in four volumes. University of Wisconsin - Madison. London : Printed for Baldwin, Craddock, and Joy, Paternoster-Row; William Blackwood, and Bell and Bradfute, Edinburgh; and Hodges and Macarthur, Dublin. tr. 252.: "The base of silica has been usually considered as a metal, and calledsilicium. But as there is not the smallest evidence for its metallic nature, and as it bears a close resemblance to boron and carbon, it is better to class it along with these bodies, and to give it the name ofsilicon."
Berzelius công bố đã phát hiện silic ("silicium") trong: Berzelius, J. (trình bày: 1823; xuất bản: 1824)"Undersökning af flusspatssyran och dess märkvärdigaste föreningar" (Investigation of hydrofluoric acid and of its most noteworthy compounds),Kongliga Vetenskaps-Academiens Handlingar [Proceedings of the Royal Science Academy],12 : 46–98. The isolation of silicon and its characterization are detailed in the section titled "Flussspatssyrad kisseljords sönderdelning med kalium," pp. 46–68.
Bài báo trên được xuất bản bằng tiếng Đức trong: Berzelius (1824)"Décomposition du fluate de silice par le potassium" (Decomposition of silica fluoride by potassium),Annales de Chimie et de Physique,27: 337–359.
^Weeks, Mary Elvira (1932). "The discovery of the elements: XII. Other elements isolated with the aid of potassium and sodium: beryllium, boron, silicon, and aluminum".Journal of Chemical Education.9 (8):1386–1412.Bibcode:1932JChEd...9.1386W.doi:10.1021/ed009p1386.
^Năm 1854, Deville đã cố gắng điều chế nhôm từ nhôm chloride bị nhiễm với silic chloride. Deville đã sử dụng hai phương pháp để điều chế nhôm: nung nhôm chloride với natri kim loại trong môi trường trơ (chứa khí hydro); và nấu chảy nhôm chloride với natri chloride rồi điện phân hỗn hợp. Cả hai trường hợp tạo ra silic tinh khiết: silic hòa tan trong nhôm nóng chảy, nhưng kết tinh khi làm nguội. Hòa tan nhôm thô trong acid hydrochloric sẽ thu được các vảy silic kết tinh. Xem: Henri Sainte-Claire Deville (1854)"Note sur deux procédés de préparation de l'aluminium et sur une nouvelle forme du silicium" (Note on two procedures for the preparation of aluminium and on a new form of silicon),Comptes rendus,39: 321–326.Sau đó, Deville thu được silic tinh thể bằng cách nung nóng muối chloride hoặc fluoride của silic với natri kim loại, cô lập silic vô định hình, sau đó làm tan chảy silic vô định hình với muối và nung nóng hỗn hợp cho đến khi hầu hết muối bay hơi. Xem:Sainte-Claire Deville, H. (1855)."Du silicium et du titane (On silicon and titanium)".Comptes rendus.40:1034–1036.
^Koch, E.C.; Clement, D. (2007). "Special Materials in Pyrotechnics: VI. Silicon – An Old Fuel with New Perspectives".Propellants, Explosives, Pyrotechnics.32 (3):205–212.doi:10.1002/prep.200700021.
^Walsh, Tim (2005)."Silly Putty".Timeless toys: classic toys and the playmakers who created them. Andrews McMeel Publishing.ISBN978-0-7407-5571-2.
^Troszak T.A. (2021) The hidden costs of solar photovoltaic power, NATO ENSEC COE Energy highlights Vol 16, pp 22. Copyright 2021 NATO Energy Security Center of Excellence
