Si · العنصر 14 · شبه فلز
العنصر الذي حوّل الرمل إلى ركيزة الحضارة: كل معالج استخدمته في حياتك مصنوع من لوح من السيليكون فائق النقاء.
البنية
ليس مخططًا لنقاط على حلقات — بل عينة مونتِ كارلو من كثافة الاحتمال الفعلية |ψ|² لكل غلاف فرعي مشغول. اسحب للتدوير. يشير الأزرق والبنفسجي إلى الإشارتين المتعاكستين لدالة الموجة، وهذا ما يجعل الترابط ممكنًا.
القيم المقاسة
يوضح كل شريط موضع سيليكون بين جميع العناصر الـ118 بالنسبة إلى تلك الخاصية.
المصادر: الأوزان الذرية القياسية لـ IUPAC لعام 2021 · دليل CRC للكيمياء والفيزياء · NIST. القيم المعلّمة بـ ~ متوقعة وليست مقاسة.
الحجم، وفق المقياس
نصف القطر 111 pm — أي 0.111 nm، ولذلك فإن نحو 4.5 مليون ذرة منها متجاورة ستغطي ملليمترًا واحدًا.
المدى الحراري
يكون سيليكون سائلًا ضمن مجال 1851 K، من 1687 K إلى 3538 K.
القصة
السيليكون هو العنصر الذي بنى عصر المعلومات ويكوّن معظم الأرض تحت قدميك. بعد الأكسجين، يُعدّ السيليكون أكثر العناصر وفرةً في القشرة الأرضية، إذ يشكّل العمود الفقري للصخور والرمال والزجاج. لكن ثورة السيليكون الحقيقية بدأت عندما تعلّم العلماء تنقيته إلى درجة نقاء تبلغ 99.9999999%، فصنعوا رقائق أشباه الموصلات التي تشغّل كل حاسوب وهاتف ذكي وجهاز رقمي. وقد سُمِّي وادي السيليكون بهذا الاسم نسبةً إلى هذا العنصر القادر على التبديل بين توصيل الكهرباء وعزلها مليارات المرات في الثانية. من نوافذ الزجاج القديمة إلى الألواح الشمسية الحديثة، ومن رقائق الحاسوب إلى حشوات الثدي، يشكّل السيليكون عالمنا بطرائق لا حصر لها. كل حبة رمل على كل شاطئ تتكوّن في معظمها من ثاني أكسيد السيليكون، فتُبنى القلاع من العنصر نفسه الذي يشغّل هاتفك الذكي.
تمتد قصة اكتشاف السيليكون عبر آلاف السنين، من صانعي الزجاج القدماء الذين استخدموا مركبات السيليكون دون علمهم، إلى كيميائيي القرن التاسع عشر الذين عزلوا العنصر النقي، مما أتاح في نهاية المطاف العصر الرقمي الذي يحدد معالم الحضارة الحديثة.
استخدم البشر مركبات السيليكون لأكثر من 9,000 عام من دون أن يعرفوا ذلك. وتُظهر الأدلة الأثرية أن الحضارات القديمة أتقنت تقنيات السيليكات قبل وقت طويل من فهم النظرية الذرية.
7000 قبل الميلاد: أول فخار باستخدام أنواع طين غنية بالسيليكون في الصين والشرق الأوسط
3500 قبل الميلاد: صناعة الزجاج في بلاد الرافدين باستخدام رمل السيليكا والبوتاس
1500 قبل الميلاد: صنع الحرفيون المصريون أوعية زجاجية معقدة باستخدام ثاني أكسيد السيليكون
500 قبل الميلاد: أُدخل الرماد البركاني الغني بالسيليكا غير المتبلورة (البوزولان) في الخرسانة الرومانية
صنع الرومان، من دون علمهم، بعضاً من أكثر أنواع الخرسانة متانةً في التاريخ باستخدام الرماد البركاني الغني بالسيليكون من جبل فيزوف. ولا يزال مبنى البانثيون في روما، الذي بُني عام 126 ميلادية، قائماً حتى اليوم، ويرجع ذلك جزئياً إلى قبته الخرسانية المعززة بالسيليكون.
بدأ البحث العلمي في السيليكون خلال عصر التنوير، عندما بدأ الكيميائيون دراسة المعادن والمركبات بصورة منهجية.
اشتبه الكيميائي الفرنسي Antoine-Laurent de Lavoisier أولاً في أن السيليكا (SiO₂) تحتوي على عنصر مجهول. وفي عمله الثوري الصادر عام 1789، «المصنف الأولي في الكيمياء»، أدرج Lavoisier السيليكا ضمن المركبات التي اعتقد أنها تحتوي على عناصر لم تُكتشف بعد، مما مهد الطريق لمحاولات العزل المستقبلية.
تنافس العديد من الكيميائيين في أنحاء أوروبا لعزل السيليكون النقي، مما أدى إلى ادعاءات متضاربة وجدال علمي استمر لأكثر من عقد.
حاول الكيميائي البريطاني Sir Humphry Davy (1778-1829) عزل السيليكون لأول مرة عام 1808 باستخدام بطاريته الكهربائية التي اخترعها حديثاً. حاول Davy إجراء التحليل الكهربائي للسيليكا، لكنه لم ينجح إلا في إنتاج مسحوق داكن غير نقي. وعلى الرغم من عدم نجاحه، فقد صاغ اسم «silicon» من الكلمة اللاتينية «silex» (الصوان) مع اللاحقة «-on» (كما في كربون وبورون).
حاول الكيميائيان الفرنسيان Gay-Lussac (1778-1850) وThénard (1777-1857) عزل السيليكون بتسخين البوتاسيوم مع رباعي فلوريد السيليكون (SiF₄). وأنتجا مسحوقاً بنياً اعتقدا أنه سيليكون، لكن التحليل اللاحق كشف أنه يحتوي على كميات كبيرة من مركبات السيليكون، وليس العنصر النقي.
حقق الكيميائي السويدي Jöns Jacob Berzelius (1779-1848) أول عزل مؤكد للسيليكون النقي في May 15, 1824. وقد رسّخ نهجه المنهجي وتوثيقه الدقيق مكانته بوصفه المكتشف الحقيقي للسيليكون.
سخّن Berzelius رباعي فلوريد السيليكون (SiF₄) مع البوتاسيوم الفلزي في بوتقة من الحديد:
SiF₄ + 4K → Si + 4KF
تمثّل ابتكاره في غسل الناتج بالماء لإزالة فلوريد البوتاسيوم، ثم غسله بحمض الهيدروكلوريك المخفف لإذابة أي بوتاسيوم لم يتفاعل، تاركاً وراءه سيليكون نقياً. ووصف Berzelius ناتجه بأنه «مسحوق بني ذو بريق فلزي».
اقتباس تاريخي: «حصلت على كتلة بنية اللون بدت، عند فحصها تحت المجهر، مكوّنة من جسيمات فلزية. وهذه المادة هي السيليكون في حالته الفلزية».
ظل السيليكون موضع اهتمام مختبري حتى ظهرت تطبيقاته الصناعية في أواخر القرن التاسع عشر.
حسّن الكيميائي الفرنسي Henri Sainte-Claire Deville (1818-1881) إنتاج السيليكون باختزال السيليكا بمسحوق الألومنيوم عند درجات حرارة مرتفعة. وأنتجت هذه الطريقة السيليكون على نطاق أكبر، مما أتاح أولى التطبيقات التجارية.
طوّر Edward Goodrich Acheson (1856-1931) عملية الأفران الكهربائية لإنتاج كربيد السيليكون (الكربوروندوم)، ثم السيليكون النقي لاحقاً. وأصبحت شركته، The Carborundum Company، أول منتج رئيسي للسيليكون، إذ وفّرت المواد الكاشطة ثم مواد أشباه الموصلات.
بدأ تحول السيليكون من مادة مختبرية جديدة إلى مادة تحدد معالم الحضارة خلال الحرب العالمية الثانية، مع تطوير تقنية الرادار.
1940: اكتشف Russell Ohl في Bell Labs التأثير الكهروضوئي في السيليكون
1947: اخترع Bardeen وBrattain وShockley أول ترانزستور (قائم على الجرمانيوم)
1954: أنشأت Bell Labs أول خلية شمسية عملية من السيليكون (كفاءة 6%)
1958: اخترع Jack Kilby الدارة المتكاملة باستخدام الجرمانيوم؛ وحسّنها Robert Noyce باستخدام السيليكون
1961: بدأ إنتاج أولى الدارات المتكاملة التجارية المصنوعة من السيليكون
1971: طرحت Intel المعالج الدقيق 4004، وهو أول حاسوب على شريحة
يتيح السيليكون اليوم الاتصالات العالمية والذكاء الاصطناعي والطاقة المتجددة واستكشاف الفضاء. ومن مسحوق Berzelius البني الصغير عام 1824 إلى تشغيل معالجات تحتوي على مليارات الترانزستورات، تمثل رحلة السيليكون أحد أكثر اكتشافات الكيمياء تحولاً.
إرث Berzelius: لم يكن الكيميائي السويدي الذي عزل السيليكون ليتخيل أبداً أن مسحوقه الفلزي البني سيصبح أساس أعظم ثورة تقنية في تاريخ الحضارة الإنسانية. فكل هاتف ذكي وحاسوب ولوح شمسي يعود في أصله إلى ذلك اليوم الحاسم من عام 1824، حين أمسك Berzelius بالسيليكون النقي بين يديه للمرة الأولى.
الاستخدامات
أحدثت خصائص سيليكون الفريدة كأشباه موصلات ثورة في الحضارة الإنسانية، ومكّنت العصر الرقمي والتكنولوجيا الحديثة. فمن الهواتف الذكية إلى المركبات الفضائية، تشغّل الأجهزة القائمة على سيليكون عالمنا المترابط.
يهيمن سيليكون على تصنيع أشباه الموصلات، إذ يشكّل أكثر من 95% من جميع رقائق الحاسوب. تجعل البنية البلورية للعنصر وخصائصه الكهربائية القابلة للتحكم منه مادة مثالية لصنع الترانزستورات والثنائيات والدوائر المتكاملة.
رقائق سيليكون: تُقطّع سبائك سيليكون فائقة النقاء (بنقاء 99.9999999%) إلى رقائق يتراوح قطرها بين 200-300mm ويبلغ سمكها 0.775mm. تستخدم أحدث معالجات Intel تقنية تصنيع 3nm، التي تتيح وضع أكثر من 100 مليار ترانزستور على رقاقة واحدة.
عملية التشويب: يُشوَّب سيليكون النقي بكميات ضئيلة من الفسفور (من النوع n) أو البورون (من النوع p) لإكسابه خصائص شبه موصلة. تتضمن هذه العملية غرس الأيونات عند طاقات تتراوح بين 1-200 keV، مع التحكم الدقيق في التوصيلية الكهربائية.
الطباعة الحجرية الضوئية: تخضع رقائق سيليكون للطباعة الحجرية الضوئية باستخدام ضوء فوق بنفسجي شديد (EUV) بطول موجي يبلغ 13.5nm. وتتيح آلات EUV من ASML، التي تبلغ تكلفة كل منها $200 مليون، رسم الأنماط الدقيقة اللازمة للمعالجات الحديثة.
تحوّل الخلايا الكهروضوئية المصنوعة من سيليكون ضوء الشمس مباشرةً إلى كهرباء من خلال التأثير الكهروضوئي. وتحقق الألواح الشمسية الحديثة المصنوعة من سيليكون كفاءة تتراوح بين 22-26% في التطبيقات التجارية.
تشكّل مركبات سيليكون أساس البناء الحديث من خلال الزجاج والخرسانة والسيراميك. وتشكل السيليكات 90% من القشرة الأرضية، وهي مواد بناء أساسية.
تحتوي المركبات الحديثة على أكثر من 1,000 من أشباه الموصلات القائمة على سيليكون، التي تتحكم في المحركات وأنظمة السلامة وأنظمة المعلومات والترفيه. وتستخدم المركبات الكهربائية إلكترونيات قدرة مصنوعة من كربيد سيليكون (SiC) لتحسين الكفاءة.
ترانزستورات SiC MOSFET: تستخدم Tesla Model 3 عواكس من كربيد سيليكون تعمل عند 650V، مما يحسن كفاءة الطاقة بنسبة 5% ويقلل مدة الشحن. وتبدّل مفاتيح SiC عند تردد 10 kHz مقابل 2 kHz لسيليكون، مما يتيح مكونات أصغر وأخف.
تطبيقات المستشعرات: تُستخدم أنظمة MEMS السيليكونية (الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة) لصنع مقاييس التسارع والجيروسكوبات ومستشعرات الضغط لنشر الوسائد الهوائية والتحكم في الثبات ومراقبة ضغط الإطارات.
تمكّن تقنية سيليكون من الملاحة عبر GPS والاتصالات بالأقمار الصناعية واستكشاف الفضاء. وتتحمل رقائق سيليكون المقسّاة ضد الإشعاع البيئة القاسية للفضاء.
تتيح التوافقية الحيوية لسيليكون استخدامه في الغرسات الطبية ومعدات التشخيص وأنظمة توصيل الأدوية. وتجعل خصائص سيليكون الخاملة منه مادة مثالية للزرع طويل الأمد.
تحيط بنا تقنيات السيليكون بأشكال لا حصر لها، وغالبًا ما تكون غير مرئية لكنها أساسية دائمًا. فمن منبهات الصباح إلى وسائل الترفيه قبل النوم، يجعل السيليكون الحياة العصرية ممكنة.
ترانزستورًا في معالج iPhone 13 واحد
جهاز متصل حول العالم بحلول 2025
مستوى النقاء المطلوب لسيليكون أشباه الموصلات
قيمة سوق أشباه الموصلات العالمية (2022)
يحتوي الهاتف الذكي العادي على قدرة حوسبة تفوق قدرة الحواسيب التي وجّهت Apollo 11 إلى القمر. ويحتوي الهاتف نفسه على أكثر من 1 مليار ترانزستور؛ ولو كان كل ترانزستور شخصًا، لأمكنهم ملء الصين مع بقاء مساحة إضافية.
مصدره
282000 mg/kg من القشرة الأرضية · أوفر من 99% من العناصر
السيليكون هو ثاني أكثر العناصر وفرةً في القشرة الأرضية، إذ يشكّل 27.7% من الوزن، ولا يسبقه في ذلك سوى الأكسجين. وتجعل هذه الوفرة من السيليكون لبنة البناء الأساسية في جيولوجيا كوكبنا، والأساس لجميع التقنيات القائمة على السيليكون.
لا يوجد السيليكون في الطبيعة أبداً في صورة فلزية نقية بسبب تفاعليته العالية مع الأكسجين. بل يكوّن عدداً لا يُحصى من المعادن والمركبات التي تبني بنية كوكبنا حرفياً.
أكثر معادن السيليكون شيوعاً، إذ يشكّل 12% من القشرة الأرضية. يوجد في:
مواقع بارزة: مناجم الكوارتز البرازيلية، وترسبات البلورات في أركنساس، و«ألماس» هيركيمر (NY)
أكثر مجموعات المعادن وفرةً في القشرة الأرضية (50-60%)، وتشمل:
التكوّن: التبلور عند درجات حرارة مرتفعة في الصخور النارية
نواتج تجوية الصخور الغنية بالفلسبار:
الأهمية الاقتصادية: صناعة الفخار، وطلاء الورق، وطين الحفر
معادن سيليكاتية داكنة في الصخور المافية:
الوجود: البازلت، والغابرو، والصخور البركانية
بدأت رحلة السيليكون الكونية في نوى النجوم الضخمة أثناء عمليتي احتراق الأكسجين واحتراق السيليكون. فعندما تصل النجوم التي تبلغ كتلتها 8 أضعاف كتلة شمسنا على الأقل إلى نهاية حياتها، فإنها تُنتج السيليكون من خلال الاندماج النووي.
احتراق الأكسجين (1.5-2 مليار K): ¹⁶O + ¹⁶O → ²⁸Si + ⁴He
احتراق السيليكون (3+ مليار K): ²⁸Si + ⁴He → ³²S + γ
أثناء انفجار المستعر الأعظم، تتشتت هذه النوى النجمية الغنية بالسيليكون في أنحاء المجرة، وتصبح في النهاية جزءاً من أنظمة نجمية جديدة مثل نظامنا. لقد صُهر السيليكون الموجود في هاتفك الذكي حرفياً في قلب نجم يحتضر قبل مليارات السنين.
أدى السيليكون دوراً حاسماً في تكوّن الكواكب من خلال:
قبل 4.6 مليار سنة: أدّى تكاثف السديم الشمسي إلى تكوين حبيبات غبار غنية بالسيليكون
قبل 4.5 مليار سنة: تراكم الكويكبات الكوكبية السيليكاتية
قبل 4.4 مليار سنة: أدى تمايز لب الأرض ووشاحها إلى تركيز السيليكون في الوشاح
قبل 4.0 مليار سنة: تبلور أول قشرة قارية (جرانيت غني بالسيليكون)
قبل 3.8 مليار سنة: تكوّن الكرات القارية المستقرة ذات البنية السيليكونية-الألومنيومية
يوجد السيليكون طبيعياً في الماء على هيئة حمض السيليك الذائب (H₄SiO₄)، وعادةً بتركيزات تتراوح بين 1-30 mg/L. ويحتوي ماء المحيطات على نحو 3 mg/L من السيليكون الذائب، وهو ضروري لنمو الدياتومات.
الصلة بوادي السيليكون: حصل مركز التكنولوجيا الشهير على اسمه من أشباه موصلات السيليكون التي طُوّرت هناك، رغم أن معظم السيليكون يأتي الآن من آسيا، وليس من كاليفورنيا.
التعامل
يمثل السيليكون في صورته النقية والعديد من مركباته مخاطر صحية محدودة في الظروف العادية. ومع ذلك، تتطلب بعض مركبات السيليكون والعمليات الصناعية مراعاة دقيقة للسلامة، ولا سيما التعرض للسيليكا البلورية.
حد التعرض المسموح به وفق OSHA: 0.05 mg/m³ (السيكا البلورية القابلة للاستنشاق، TWA لمدة 8 ساعات)
الخطر الأساسي: السحار السيليسي - مرض رئوي مترقٍ وغير قابل للشفاء ينتج عن استنشاق غبار السيكا البلورية
الأنشطة عالية الخطورة: السفع الرملي، التعدين، استخراج الحجارة، قطع الخرسانة، صناعة الفخار
الأعراض: ضيق التنفس، السعال المستمر، التعب، ألم الصدر، الفشل التنفسي (في الحالات المتقدمة)
التطور: السحار السيليسي البسيط (15-20 سنة) → التليف الكتلي المترقي → الوفاة
تصنيف IARC: مادة مسرطنة من المجموعة 1 (السيكا البلورية من المصادر المهنية)
أنواع السرطان: سرطان الرئة، وربما أمراض الكلى وأمراض المناعة الذاتية
عوامل الخطر: مدة التعرض وشدته، وحجم الجسيمات، والتفاعلية السطحية
الوقاية: ضوابط هندسية، وحماية تنفسية، ومراقبة طبية
ملامسة العينين: يمكن لغبار السيليكون أن يسبب تهيجًا ميكانيكيًا وسحجًا للقرنية
ملامسة الجلد: لا يسبب تهيجًا عادةً، لكن الغبار الكاشط قد يسبب جروحًا أو تهيجًا ميكانيكيًا
الابتلاع: قد تسبب الكميات الكبيرة تهيجًا معديًا معويًا، لكنها لا تسبب سمية جهازية
التعامل مع رقائق السيليكون: يمكن أن تسبب الحواف الحادة جروحًا؛ استخدم أدوات التعامل المناسبة وقفازات مقاومة للقطع
التعرض للمواد الكيميائية: تتضمن معالجة السيليكون استخدام حمض الهيدروفلوريك، مما يتطلب بروتوكولات سلامة متخصصة
العمليات ذات درجات الحرارة العالية: يتطلب صهر السيليكون (1414°C) حماية حرارية وإجراءات طوارئ
الإجراء: اغسل العينين فورًا بالماء النظيف لمدة 15 دقيقة. أزل العدسات اللاصقة إذا أمكن نزعها بسهولة. لا تفرك العينين.
العناية الطبية: اطلب رعاية طبية فورية إذا استمر التهيج أو إذا كانت الجسيمات منغرزة في العين.
الإجراء الفوري: انقل الشخص إلى الهواء النقي فورًا. أبعده عن مصدر التعرض للغبار.
الاستجابة الطبية: إذا حدثت صعوبات في التنفس، أعطِ الأكسجين وانقل الشخص إلى منشأة طبية.
التوثيق: سجّل تفاصيل التعرض لإجراء التقييم الطبي وتعويضات العمال.
التعرض الطفيف: اغسل بالماء والصابون. انزع الملابس الملوثة.
الجروح: أوقف النزيف، ونظّف الجرح، وضع ضمادًا معقمًا. قد تتطلب شظايا السيليكون الحادة إزالة طبية.
الإجراء: اشطف الفم بالماء. لا تحفز القيء إلا بتوجيه من العاملين الطبيين.
الكميات الكبيرة: اطلب العناية الطبية إذا استُهلكت كميات كبيرة أو ظهرت أعراض.
• لا يمثل السيليكون في الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية (الهواتف وأجهزة الكمبيوتر) مخاطر صحية أثناء الاستخدام العادي
• أواني الطهي المصنوعة من السيليكون والسيليكون المخصص لملامسة الغذاء آمنان لملامسة الطعام
• تحتوي الألواح الشمسية على سيليكون مغلف لا يمثل مخاطر تعرض
• المنتجات الزجاجية (ثاني أكسيد السيليكون) آمنة للاستخدام اليومي
إجابات سريعة
سيليكون (رمزه Si) هو العنصر 14 في الجدول الدوري، وينتمي إلى شبه فلز في الدورة 3 والمجموعة 14. العنصر الذي حوّل الرمل إلى ركيزة الحضارة: كل معالج استخدمته في حياتك مصنوع من لوح من السيليكون فائق النقاء. في درجة حرارة الغرفة، يكون صلباً.
[Ne] 3s² 3p²، ويشغل 3 مستويات من مستويات الطاقة بتوزيع 2, 8, 4. يحتوي غلافه الخارجي على 4 إلكتروناتٍ، وهذا ما يحدد سلوكه في الترابط.ينصهر سيليكون عند 1687 K (1413.9 °C) ويغلي عند 3538 K (3264.9 °C).
تبلغ الكتلة الذرية القياسية لـ سيليكون 28.085 u. وهذا متوسط موزون لنظائره الموجودة طبيعياً، ولذلك نادراً ما يكون عدداً صحيحاً.
تبلغ كثافة سيليكون مقدار 2.33 g/cm³. تبلغ كثافة الماء 1.0 g/cm³، لذا تكون كتلة من سيليكون أثقل بنحو 2.3×.
تبلغ كهروسلبية سيليكون وفق مقياس باولنغ 1.9. ويتراوح المقياس من 0.70 (الفرانسيوم، الأقل ميلاً إلى جذب الإلكترونات) إلى 3.98 (الفلور، الأكثر ميلاً). تميل القيم ضمن هذا النطاق المتوسط إلى تكوين روابط تساهمية بدلًا من الروابط الأيونية القوية.
اكتُشف سيليكون في 1824 على يد Jons Jacob Berzelius. سُمّي على اسم اللاتينية silex، «صَوّان».
يشكّل سيليكون حوالي 28.2% من قشرة الأرض — وهو أحد أكثر العناصر وفرةً.