TÌM HIỂU về đặc TÍNH và ỨNG DỤNG của SILIC

Silic vô định hình và Silic nano/micro tinh thể có thể được tạo ra dễ dàng hơn so với Silic đơn tinh thể bằng Phương pháp như PECVD, HWCVD…đây cũng là nguyên nhân làm giảm giá thành sản

TRUỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT LÝ TỰ TRỌNG

KHOA CƠ KHÍ LỚP 13CĐ-CK3

TÌM HIỂU VỀ ĐẶC TÍNH VÀ ỨNG

DỤNG CỦA SILIC

Sinh viên thực hiện

LÊ MINH PHƯƠNG

12/2014

MỤC LỤC

I/ TRẠNG THÁI TỰ NHIÊN

II/ TÍNH CHẤT VẬT LÝ

III/ TÍNH CHẤT HÓA HỌC TRANG

a Tính khử……… 2

b Tính oxi hóa……… 4

c Trang thái tự nhiên……… 4

IV/ PHÂN LOẠI

a Silic vô định hình (a-Si) ……… 5

b Silic nano/micro tinh thể……… 7

c Silic đơn tinh thể……… 8

V/ HỢP CHẤT SILIC

a Silic dioxit ……… 9

b Axit silixit và muối silicat……… 10

VI/ ỨNG DỤNG VÀ ĐIỀU CHẾ

a) ứng dụng

1 ứng dụng Silic từ vật liệu vô định hình……… 10

2.ứng dụng silic trong việc điều chế thép……… 12

b)điều chế

a) Trong phòng thí nghiệm: ……… 13

b) Trong Công nghiệp……… 13

I/ TRẠNG THÁI TỰ NHIÊN

Silic là nguyên tố phổ biến thứ hai sau oxi, chiếm gần 29,5% khối lượng vỏ Trái Đất Trong tự nhiên chỉ gặp silic dưới dạng các hợp chất, chủ yếu là cát (SiO2), các khoáng vật silicat và aluminosilicat như: cao lanh (Al2O3.2SiO2.2H2O), xecpentin

(3MgO.2SiO2.2H2O), Silic còn có trong cơ thể động vât, thực vật với lượng nhỏ

và có vai trò đáng kể trong hoạt động của thế giới hữu sinh

II/ TÍNH CHẤT VẬT LÝ

Silic có các dạng thù hình: silic tinh thể và silic vô định hình

Silic tinh thể có cấu trúc giống kim cương, màu xám, có ánh kim, nóng chảy ở nhiệt độ 1420C Silic tinh thể có tính bán dẫn: ở nhiệt độ thường dẫn điện thấp, nhưng khi tăng nhiệt độ thì độ dẫn điện tăng lên

Silic vô định hình là chất bột màu nâu

III/ TÍNH CHẤT HÓA HỌC

Cũng giống như cacbon, silic có các số oxi hóa −4,0,+2 và +4; số oxi hóa -4, 0, +2,

và +4(số oxi hóa +2 ít đặc trưng đối với silic) Trong các phản ứng oxi hóa-khử, silic thể hiện tính khử hoặc tính oxi hóa Silic vô định hình hoạt động hơn silic tinh thể

Bột mịn Silic tác dụng với hơi HF nóng theo phản ứng:

SiF4 + 2H2Si + 4HF

Tác dụng với HCl ở trên 3000 C và HBr ở trên 5000 C tạo nên SiX4 và Silan halogenua (SiHX3 , SiH2X2, SiH3X)

 Các bậc oxi hóa của Silic là: -4, 0, +2, +4 Nhưng bậc oxi hóa +2 không đặc trưng

à Do đó Silic vừa có tính khử, vừa có tính oxi hóa

 Silic vô định hình hoạt động hơn silic tinh thể

a) Tính khử:

 Tác dụng với phi kim

 Ở nhiệt độ thường chỉ tác dụng với Flo: tạo ra silic tetraflorua, tỏa nhiều nhiệt

Si + F2 à SiF4 H = -1563.3 kJ

 Ở nhiệt độ cao: Si có thể tác dụng với nhiều phi kim khác

Si + O2 à SiO2 (thạch anh α) H = -715.5 kJ

Si + C à SiC ( silic cacbua)

SiC có độ cứng gần bằng kim cương nên thường dùng làm bột mài

H1: hình dạng phân tử khi Silic kết hợp với phi kim

 Tác dụng với hợp chất:

 Silic tương tác mạnh với dd kiềm, giải phóng khí Hidro

Si + 2NaOH + H2Oà Na2SiO3 + 2H2

 Ở điều kiện thường, Silic không tác dụng với nước nhưng ở 8000 C cho phản ứng:

Si + 2H2O à SiO2 + 2H2

 Ở điều kiện thường: Silic bền đối với các axit và cường thủy, chỉ tan trong hỗn hợp hai axit HF và HNO3

3Si + 4HNO3+ 18HF à 3H2SiF6 + 4NO +8H2O

 Bột mịn Silic tác dụng với hơi HF nóng theo phản ứng:

Si + 4HF à SiF4 + 2H2

 Tác dụng với HCl ở trên 3000 C và HBr ở trên 5000 C tạo nên SiX4 và Silan halogenua (SiHX3 , SiH2X2, SiH3X)

b) Tính oxi hóa

Ở nhiệt độ cao, silic tác dụng với các kim loại như Ca,Mg,Fe, tạo thành hợp chất silixua kim loại như Một số loại silixua

Magie silixua (t0Mg2Si−4)

Coban silixua

Natri silixua

Canxi silixua Thí dụ:

2Mg+Si0−→t0Mg2Si−4(magiesilixua)

3.Trạng thái tự nhiên

Silic là nguyên tố phổ biến thứ hai sau oxi, chiếm gần 29,5% khối lượng vỏ Trái Đất Trong tự nhiên chỉ gặp silic dưới dạng các hợp chất, chủ yếu là cát (SiO2), các khoáng vật silicat và aluminosilicat như: cao lanh (Al2O3.2SiO2.2H2O), xecpentin (3MgO.2SiO2.2H2O), Silic còn có trong cơ thể động vât, thực vật với lượng nhỏ

và có vai trò đáng kể trong hoạt động của thế giới hữu sinh

- Trong công nghiệp, silic được điều chế bằng cách dùng than cốc khử silic đioxit trong lò điện ở nhiệt độ cao:

SiO2+2C−→t0Si+2CO

IV/ PHÂN LOẠI

SƠ LƯỢT VỀ CÁC DẠNG SILIC

SLilic là nguyên tố nhiều thứ hai oxy trên trái đất đây cũng là nguồn tài nguyên phong phú ,c hiếm gần 30% của vỏ đại cầu dưới dạng Silica (Sio2), và là một hợp chất chính trong cát Chúng ta có thể tổng hợp Si từ Sio2 và nhiều nguồn khác bằng các phương pháp khác nhau Silic được sử dụng trong pin mặt trời là cách để Silic đơn tinh thể và màng Si:H nano/micro tinh thể hoặc vô định hình Silic vô định hình và Silic nano/micro tinh thể có thể được tạo ra dễ dàng hơn so với Silic đơn tinh thể bằng Phương pháp như PECVD, HWCVD…đây cũng là nguyên nhân làm giảm giá thành sản phẩm khi ứng dụng a-Si:H và úc Si:H làm Pin Mặt Trời

Silic được sản xuất trong công nghiệp bằng cách nung nóng Silica siue sạch trong

lò luyện bằng hồ quang với các điện cực cacbon Ở nhiệt độ trên 1900 độ C,

cacbon khử silica thành theo phản ứng

Sio2 + C -à Si + Co2 Silic lỏng được thu hồi ở đây lo, sau đó nó được tháo ra làm người Silic sản xuất theo công nghệ này được gọi là SIlic loại luyện kim và nó đạt trên 99% tinh khiết

a) Silic vô định hình (a-Si)

Là dạng vật liệu quang điện màng mỏng hỗn độn, không giống như silicon tinh

thể với cấu trúc mạng tinh thể đồng nhất của nó hoặc silicon đa tinh thể với các hạt cấu trúc tinh thể Silic vô định hình là một vật liệu mà một số các nguyên tử trong cấu trúc không liên kết với nhau hoặc thiếu liên kết dài, nhưng có thể được sản xuất với giá rẻ hơn Việc thiếu liên kết dài trong cấu trúc sắp xếp nguyên tử là kết quả của những liên kết thừa Và nó tác động nghiêm trọng về tính chất vật liệu của một Silic vô định hình, do đó nó cần được thụ động hóa trước khi đưa vào làm vật liệu sản xuất pin năng lượng mặt trời Quá trình thụ động là kết hợp nguyên tử hydro với silic vô định hình với một mức độ 5-10%, để làm bão hoà những liên kết thừa, qua đó nâng cao chất lượng của vật liệu

Tuy nhiên, các thuộc tính vật liệu của Silic vô định hình có sự khác biệt đáng kể với silic dạng tinh thể Ví dụ, band gap gia tăng khoảng cách từ 1,1 eV trong

silicon tinh thể đến 1,7 eV trong silic vô định hình và hệ số hấp thụ của một Silic

vô định hình là cao hơn nhiều so với silic dạng tinh thể Ngoài ra, sự hiện diện của

số lượng lớn liên kết thừa gây ra một mật tỷ trọng khuyết tật cao và độ dài khuyếch tán thấp

Một cấu trúc tế bào vô định hình Si:H hoành chỉnh được thể hiện trong hình dưới đây Các tế bào silic vô định hình tiêu chuẩn được tạo ra từ nhiều lớp một Si vô định hình Mỗi lớp được hydro hóa.Các Si:H vô định hình được kẹp giữa một dây dẫn trong suốt (oxit thiếc) và 1 lớp kim loại phía sau (Al hay Al / ZnO hoặc ZnO), tất cả các lớp được lắng động trên một tấm thủy tinh hoặc chất nền khác Các lớp kiểu p và n thông thường, cộng với một lớp bên trong (loại i) thiết lập một điện trường để tách các cặp “lỗ electron” Lớp này cũng xác định điện áp của thiết bị Lớp bên trong này là lớp hoạt động của thiết bị, nơi mà hầu hết các tế bào năng lượng mặt trời tạo ra dòng điện Cực dương của điện áp là lớp tin oxit, và cực âm

là lớp nhôm Các Si:H vô định hình có thể bao gồm một hoặc nhiều lớp p, i và n tạo thành dạng tế bào độc lập, nối đôi hoặc nối ba Ví dụ các tế bào nối đôi có hiệu suất tốt hơn (so với dạng độc lập) bằng cách chồng hai tế bào lên nhau để hình thành một cấu trúc p-i-n / p-i-n

Sau đây là 1 số tính năng nổi bật của thiết bị quang điện Silic vô định hình:Dưới ánh sáng mặt trời, nhiệt độ hoạt động của modun đứng tự do và các tế bào có thể hoạt động cao hơn nhiệt độ môi trường xung quanh Điều này mang tạo ra các hệ

số nhiệt độ của những công nghệ quang điện khác nhau Do đó ngõ ra của mo dun

bị giảm khi nhiệt độ tăng Hệ số nhiệt này là -0.17 %/°C đối với Si vô định hình

và -0.5 %/°C đối với Si tinh thể.Như vậy, dưới điều kiện thực tế, tính năng của

mô dun si vô đinh hình đạt được tốt hơn so với si tinh thể

Có một hiệu ứng khác mà thực tế đã cải thiện tính năng của Si vô định hình có liên quan tới vài công nghệ khác đó là tính năng ánh sáng yếu Một mô đun khi được triển khai chỉ dùng 1 phần nhỏ thời gian của nó để nhận toàn bộ 1000W/m2 Đối với các tế bào năng lượng mặt trời lý tưởng công suất ngõ ra phải tỷ lệ thuận với cường độ sáng Si vô định hình tuân theo quy luật đó nhưng Si tinh thể thì không Trong vài ứng dụng còn có sự khác biệt lớn Si vô định hình làm việc tốt hơn trong điều kiện ánh sáng yếu

Môt điểm quan trọng khác là ở đường cong I-V tốt hơn so với si tinh thể Đường cong tròn làm cho nó dễ dàng tạo ra công suất lớn nhất từ mảng những si Vô định hình, trong khi đó công suất của si tinh thể giảm lập tức nếu điện áp hoạt động không được tăng nhiều so với điểm công suất lớn nhất

Mô đun Si Vô định hình còn vài tính năng nổi bât như là đường đặc tính ngược I-V mềm hơn, điều này giúp nó không bị hỏng khi có 1 tế bào riêng biệt bị che bóng Điểm mạnh khác là modun kính nền, lớp màng được ngưng tụ trên mặt dưới của tấm kính nền vì thế khi đóng gói bằng chất dẻo EVA phủ bên dưới tấm pin, nó không làm giảm khả năng dẫn truyền ánh sáng đến các tế bào Do đó tổn thất ngõ trên kính nền cơ bản là không có

b) SILIC NANO/ MICRO TINH THỂ

Silic nano micro tinh thể là một dạng có trật tự gần giống như a-Si tuy nhiên pha nc/úc-Silic có dạng những hạt tinh thể Silic rất nhỏ, các tinh thể này kết tụ thành những cột có khích thướt khoảng 50nm- 200nm Giữa những cột nhỏ này là pha vô định hình, khoảng trống và biên hạt Silic nano tinh thể còn được gọi là Silic micro tinh thể , điều này tùy thuộc vào khích thướt của các hạt ( 2-5nm,

10à80%tinh thể: nc-SI; 10-à 100% tinh thể: uc-Si)

Trong màng mỏng Si thin c-Sĩ là vùng chuyển tiếp giữa a-Sĩ và úc-Sĩ So với a-Si thì nc/úc Si có nhiều điểm vượt vượt trội hơn, độ linh động của các electron trong nc/uc-Si cao hơn vì nó có cấu trúc tinh thể Bên cạnh đó nc/uc-Si còn có khả năng hấp thụ ánh sáng đó và trong vùng hồng ngoại, điều này rất thuận lợi để áp dụng nc/uc-Si cho Pin Mặt Trời Một điểm nữa cũng khá quan trọng của uc/nc-Si là nó bền hơn so với a-Sĩ vì nồng độ hydro trong nc/uc-Si thấp hơn Sự chuyển pha giữa a-Si và nc/uc-Si phụ thuộc nhiều vào các điều kiện lắng đọng và loại để đem phụ Thực ra cho đến nay những lý thuyết về a-Si vẫn c/uc-Si vẫn chưa được hiểu một cách rõ ràng

c) SILIC ĐƠN TINH THỂ

TINH THỂ Silic có cấu trúc mạng kim cương ( lập phương tâm mặt), tinh thể có

màu sang sẫm ánh kim Mặc dù là một nguyên tố tương đối trơ, Silic vẫn có phản ứng với cac1 halogen và các chất kiềm loãng và không có tác dụng với hầu hết axit( trừ tổ hợp axit nitric và axit flodidric), tinh thể Silic nguyên chất hiếm tìm thấy trong tự nhiên, thong thường nó nằm trong các dạng Silic dioxit (Sio2)

SIlic được sản xuất cộng nghiệp bằng cách nung nóng silica siêu sạch trongl ò luyện bằng hồ quang với các điện cực cacbon ở nhiệt độ trên 1900 độ C, cacbon khử Silica thành Silic theo phản ứng

Si02 + C -à Si + C02 SIlic lỏng được thu hồi ở đáy lò, sau đó nó được tháo ra và làm nguội Silic sản xuất theo công nghệ này được gọi là Silic loại luyện kim và nó đạt trên 99% tinh khiết

Phương pháp Czocharaski thong thưởng được sự dụng để sản xuất các tinh thể silic đơn có độ tinh khiết cao để sử dụng trong các thiết bị bán dẫn bằng silic ở trạng thái rắn

H2: Cấu trúc mạng tinh thể silic

V- HỢP CHẤT CỦA SILIC

1 Silic đioxit

* Silic đioxit (SiO2) là chất ở dạng tinh thể,

nóng chảy ở 17130C, không tan trong nước

Trong tự nhiên, SiO2 tinh thể chủ yếu ở dạng khoáng vật thạch anh Thạch anh tồn tại ở dạng tinh thể lớn, không màu, trong suốt Cát SiO2 có chứa nhiều tạm chất

* Silic đioxit là oxit axit, tan chậm trong dung dịch kiềm đặc nóng, dễ tan trong kiềm nóng chảy hoặc cacbonat kim loại kiềm nóng chảy, tạo thành silicat

Thí dụ:

SiO2+2NaOH−→t0Na2SiO3+H2O

SiO2+Na2CO3−→t0Na2SiO3+CO2

* Silic đioxit tan trong axit flohiđric:

SiO2+4HF→SiF4+2H2O

Dựa vào phản ứng này người ta dùng dung dịch HF để khắc chữ và hình trên thủy tinh

2 Axit silixit và muối silicat

a) Axit silixic

Axit silixic (H2SiO3) là chất ở dạng keo,

không tan trong nước, khi đun nóng dễ mất

nước:

H2SiO3−→t0SiO2+H2O

Khi sấy khô, axit silixic mất một phần nước,

tạo thành một vật liệu xốp là silicagen

Silicagen được dùng để hút ẩm và hấp thụ

nhều chất

Axit silixic là axit rất yếu yếu hơn cả axit cacbonic, nên dễ bị khí CO2 đẩy ra khỏi dung dịch muối của nó:

Na2SiO3+CO2+H2O→H2SiO3+Na2CO3

b) Muối silicat

Axit silixic dễ tan trong dung dịch kiềm, tạo thành muối silicat Chỉ có silicat kim loại kiềm tan được trong nước Dung dịch đậm đặc của Na2SiO3 và K2SiO3 được gọi là thủy tinh lỏng Vải hoặc gỗ tẩm thủy tinh lỏng sẽ khó bị cháy Thủy tinh lỏng còn được dùng chế tạo keo dán thủy tinh và sứ

Ở trong dung dịch, silicat kim loại kiềm bị thủy phân mạnh tạo ra môi trường kiềm

Thí dụ:

Na2SiO3+2H2O⇌2NaOH+H2SiO3

VI/ ỨNG DỤNG VÀ ĐIỀU CHẾ

1 ỨNG DỤNG SILIC TỪ VẬT LIỆU VÔ ĐỊNH HÌNH

VẬT LIỆU TỪ VÔ ĐỊNH HÌNH

Mạng tinh thể tôn Silic có cấu trúc hoàn toàn xác định, được sắp xếp đều đặn trong quá trình làm nguội và cán lá tôn (hình 4a) Kết quả hình thành mạng tinh thể có tính chất định hướng theo chiều cán

Điểm khác biệt quan trọng của vật liệu từ vô định hình so với vật liệu từ truyền thống là người ta thực hiện quá trình làm lạnh đột ngột vật liệu bằng cách phun chùm tia Nitơ lỏng vào khối vật liệu đang nóng chảy Tốc độ giảm nhiệt độ đạt tới một triệu độ C trong một giây Kết quả là mạng tinh thể bị phá vỡ, tạo nên trạng thái vật liệu cấu trúc có tính chất ngẫu nhiên, còn goị là “thủy tinh kim loại”

MÁY BIẾN ÁP LÕI TÔN SILIC VÔ ĐỊNH HÌNH

Do lá tôn Silic vô định hình không có tổn hao từ trễ, tổn hao không tải giảm 75%

so với tổn hao không tải của MBA mạch từ bằng lá tôn Si cán nguội Bảng 2 cho kết qủa so sánh của các MBA dầu 22,9 kV-220V của hãng KEPCO Qua bảng 4 ta thấy nói chung trung bình các MBA lõi tôn Silic vô định hình có thể tiết kiệm 80% tổn hao sắt so với các MBA truyền thống Giá thành MBA vật liệu

từ vô định hình cao hơn MBA truyền thống 30% Ví dụ ở Hàn Quốc nếu thay thế tất cả MBA truyền thống

bằng MBA lõi tôn vô định

hình vào năm 2010 tiết kiệm

được 7 tỷ kWh, giảm phát

thải 1 triệu tấn CO2

XU THẾ TƯƠNG LAI

MBA sử dụng lá tôn Silic vô

định hình có tổn hao sắt từ

thấp phù hợp với xu hướng

chung của việc sử dụng năng

lượng tiết kiệm và hiệu quả

do đó đang được các công ty chế tạo MBA toàn thế giới tập trung nghiên cứu phát

Chương trình Star Transformer ở Hoa Kỳ bắt đầu từ năm 1995 do Ủy ban bảo vệ môi trường EPA (Environmental Protection Agency) phối hợp với Hội các nhà chế tạo thiết bị điện quốc gia NEMA (National Electrical Manufacturers Association) đưa ra chương trình chế tạo các MBA hiệu suất cao trên cơ sở vật liệu từ vô định hình Các hãng chế tạo MBA nổi tiếng như ABB, GE, Siemens đang chú trọng phát triển loại MBA này đồng thời với việc sử dụng vật liệu cách điện compozit để chế tạo MBA khô không dùng dầu làm mát Thống kê các MBA vật liệu từ vô định hình của một số nước châu Á được cho trong bảng 3 cho thấy xu thế phát triển mạnh mẽ của loại MBA này

Bảng 2 Đặc tính so sánh tổn hao của các MBA

dầu 22,9 kV-220V- hãng KEPCO.