السيليكون: خواصه واستخداماته المتنوعة

ماهية السيليكون

السيليكون (بالإنجليزية: Silicon) هو عنصر كيميائي يقع ضمن المجموعة الرابعة عشرة في الجدول الدوري، ويُعرف أيضًا بالمجموعة الرابعة. هذه المجموعة تضم عناصر تُصنف كأشباه فلزات أو أشباه موصلات. يحمل السيليكون العدد الذري 14، ويُرمز له بالرمز (Si). يظهر السيليكون بلون رمادي مع لمعان معدني.

يحتل السيليكون المرتبة السابعة من حيث الوفرة بين العناصر الموجودة في الكون، ويأتي في المرتبة الثانية بعد الأكسجين على كوكب الأرض. لا يوجد السيليكون في الطبيعة بصورته النقية، بل يتحد مع عناصر أخرى في القشرة الأرضية ليشكل مركبات مثل السيليكا، وهي ثاني أكسيد السيليكون. تعتبر السيليكا المكون الرئيسي للرمل، مما يجعلها المادة الأكثر شيوعًا ووفرة في القشرة الأرضية. توجد السيليكا في بلورات الصخور، والصوان، والكوارتز، وغيرها من مكونات القشرة الأرضية.

اكتشاف السيليكون وتبرير التسمية

يعود أصل تسمية السيليكون إلى الكلمة اللاتينية “silex”، والتي تعني حجر الصوان (بالإنجليزية: flint). اكتشف الكيميائي السويدي جيكوب بيرزيليوس السيليكون في عام 1824. قام بيرزيليوس بوضع رقائق البوتاسيوم في وعاء مملوء بالسيليكا، ثم قام بتسخينه. نتج عن هذه العملية مواد ثانوية قام بغسلها بعناية للحصول على السيليكون النقي. يتم إنتاج السيليكون عن طريق تسخين الرمل (SiO2) مع الكربون إلى درجات حرارة تقترب من 2200 درجة مئوية.

نقطة انصهار السيليكون

تُعرف نقطة الانصهار للمادة (بالإنجليزية: Melting point) بأنها درجة الحرارة التي تتحول عندها المادة من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة. لكل عنصر نقطة انصهار خاصة به تختلف عن العناصر الأخرى. نقطة انصهار السيليكون النقي هي 1414 درجة مئوية، بينما تبلغ درجة غليانه 3265 درجة مئوية. تبلغ كثافة السيليكون عند درجة حرارة الغرفة 2.3296 غ/سم3.

الاستخدامات المتنوعة للسيليكون

إن موصلية عنصر السيليكون الخام منخفضة جدًا، مما يجعله غير مناسب كمادة لصناعة الدارات الإلكترونية. ولكن يقوم المختصون بمعالجته وإضافة عناصر أخرى إليه بكميات قليلة، بحيث يضمن هذا التنشيط زيادة كبيرة في موصلية السيليكون ويعدل استجابته الكهربائية عن طريق التحكم في الشحنة وعدد الموجات الحاملة النشطة. يعتبر هذا النوع من الإضافات مهمًا لصناعة أجهزة كشف أشباه الموصلات، والترانزستورات (بالإنجليزية: Transistors)، والخلايا الشمسية، وأجهزة أشباه الموصلات المستخدمة في تصنيع الحواسيب والإلكترونيات المختلفة. على سبيل المثال، يتم استخدام السيليكون كوسط موصل لنقل الليزر المتواصل من رامان لإنشاء ضوء ثابت في ضوئيات السيليكون، لكنه غير فعال لاستخدامه كمصدر للضوء المستمر.

يعد السيليكون عنصرًا مهمًا في الصناعات الإلكترونية الحديثة، حيث تستخدم شرائح السيليكون في صناعة رقائق الحواسيب، كما تدخل في صناعة الأجهزة الإلكترونية المختلفة. بشكل عام، يعكس سطح السيليكون كمية كبيرة من الضوء، ولكن مع اختراع السيليكون الأسود أصبح بمقدوره أن يمتص الضوء المرئي بطريقة هائلة، مما يجعله مناسبًا للخلايا الشمسية، فهو يمتص الإشعاعات تحت الحمراء التي يصل طول موجتها إلى 2500 نانومتر. من المتوقع اكتشاف تطبيقات ضوئية وإلكترونية جديدة للسيليكون الأسود في المستقبل.

يمر السيليكون بعمليتين قبل استعماله في صناعة الشرائح الإلكترونية بعد استخراجه من الطبيعة، وأولى هذه العمليات هي عملية تنقيته، وهي تشمل تحويله من سيليكون غير نقي إلى سيليكون نقي لكنه غير مبلور، وثانيها هي عملية بلورته، لتحويله من عنصر غير مبلور إلى عنصر مبلور.

للسيليكون استخدامات أخرى في الحياة، مثل:

• الرمال، وهي ثاني أكسيد السيليكون أو السيليكا، بالإضافة إلى الطين، وهو سيليكات الألومنيوم، يدخلان في صناعة الخرسانة والإسمنت.
• صناعة الزجاج، حيث يعد عنصر السيليكون العنصر الأساسي في صناعة الزجاج.
• يستخدم مطاط السيليكون كمانع تسرب للماء في الحمامات وحول النوافذ والأنابيب والسقوف.
• زيت السيليكون هو زيوت التشحيم ويضاف إلى بعض مستحضرات التجميل ومكيفات الشعر.
• صناعة السيارات ومكوناتها مثل: الدينامو والمحول، وكتل المحركات، ورؤوس الأسطوانات وأدوات الآلات.
• إزالة الأكسدة من الفولاذ.
• يستخدم السيليكون على نحو متزايد لصنع أدوات المطبخ، مثل قفازات الفرن، وألواح الخبز؛ لأنه يقاوم الحرارة بشكل جيد.
• كربيد السيليكون (SiC) يكاد يكون صلباً مثل الماس، وهو يصنف من درجة 9-9.5 على مقياس صلابة موس، حيث إن للماس صلابة تقدر بـ 10 على المقياس نفسه.
• تُعدّ سيليكات الصوديوم (Na2SiO3) المعروفة باسم الزجاج المائيّ أحد المكوّنات التي تدخل في صناعة كلٍّ من الموادّ اللاصقة، والصابون، كما يتم استخدامها كمادّة حافظة للبيض.
• هلام السيليكا الذي يكون على شكل رغوة تتكون من ثاني أكسيد السيليكون، يمتص الرطوبة بسهولة ويستخدم كمجفف.
• يُستخدم رابع كلوريد السيليكون (SiCl4) لصناعة شاشات الدخان.

أهمية السيليكون في علم الأحياء

تستخدم النباتات السيليكون لتقوية جدران الخلايا، ويبدو أن هذا العنصر الغذائي يجعل النبات أكثر مقاومة للمرض. كما تحتوي بعض الخلايا النباتية على مركبات البيتوليث (وبالانجليزية: Phytoliths) وهي جزيئات صغيرة من السيليكا، وبما أن هذه الجسيمات لا تتحلل فإنها تبقى في حفريات النباتات، وتزودنا بدليل تاريخي يستخدم في تأريخ الأحداث الجيولوجية. يعد السيليكون من المواد غير السامة ولكن بعض السيليكات مثل الإسبستوس مواد مسرطنة، لذا فإنّ العمال مثل عمال المناجم وعمال الحجارة الذين يستخرجون السيليكون من المناجم، يمكن لهؤلاء أن يتعرضوا إلى الغبار السيليسي (غبار السيليكون)، وأن يصابوا بمرض رئوي خطير يسمى السليكية (بالإنجليزية: silicosis).

السيليكون واستكشاف الفضاء

عندما هبط رواد الفضاء على سطح القمر في عام 1969م، تركوا وراءهم حقيبة بيضاء تحتوي على قرص سيليكون حجمه أكبر بقليل من الدولار الفضي. وقد كُتِب على القرص 73 رسالة بخط مِجهريّ، كل رسالة من بلد مختلف يعبر فيها عن تمنياته بالنوايا الحسنة والسّلام.

المصادر

• steve gagnon,”The Element Silicon”،www.education.jlab.org, Retrieved 7-11-2018. Edited.
• Stephanie Pappas (26-4-2018),”Facts About Silicon”،www.livescience.com, Retrieved 7-11-2018. Edited.
• Lisa Nichols (30-3-2018),”Overview of Melting Point”،chem.libretexts.org, Retrieved 7-11-2018. Edited.
• Royal Society of Chemistry (1-1-2011),”Silicon”،www.rsc.org, Retrieved 7-11-2018. Edited.
• Mietek Jaroniec (1-5-2009),”Silicon beyond the valley”،www.nature.com, Retrieved 7-11-2018. Edited.