البنية
ليست رسماً تخطيطياً لنقاط على حلقات — بل عينة مونت كارلو لكثافة الاحتمال الفعلية |ψ|² لكل مستوى فرعي مشغول. اسحب للتدوير. يشير اللونان الأزرق والبنفسجي إلى الإشارتين المتعاكستين للدالة الموجية، وهو ما يجعل الترابط ممكناً.
القيم المقيسة
يوضح كل شريط موضع سيليكون بين العناصر الـ118 جميعها 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 مقياس
Radius 111 pm — that is 0.111 nm, so about 4505 million of them side by side would span a millimetre.
النطاق الحراري
سيليكون is liquid over a 1851 K window, from 1687 K to 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 99.9999999%، فصنعوا رقائق أشباه الموصلات التي تشغّل كل حاسوب وهاتف ذكي وجهاز رقمي. وقد أُطلق اسم Silicon Valley على هذه المنطقة 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 زراعات الثدي، يشكّل السيليكون عالمنا بطرق لا حصر لها. كل حبة رمل على كل شاطئ تتكوّن في معظمها من ثاني أكسيد السيليكون، ما يجعل القلاع الرملية 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 دون أن يعرفوا ذلك. وتُظهر الأدلة الأثرية أن الحضارات القديمة أتقنت تكنولوجيا السيليكات قبل وقت طويل من فهم النظرية الذرية.
7000 ق.م.: أول فخار باستخدام طينات غنية بالسيليكون في الصين والشرق الأوسط
3500 ق.م.: صناعة الزجاج في بلاد الرافدين باستخدام رمال السيليكا والبوتاس
1500 ق.م.: صنع حرفيون مصريون أوعية زجاجية دقيقة باستخدام ثاني أكسيد السيليكون
500 ق.م.: احتوت الخرسانة الرومانية على الرماد البركاني (البوزولان) الغني بالسيليكا غير المتبلورة
أنشأ الرومان، دون علمهم، بعضاً من أكثر أنواع الخرسانة متانةً في التاريخ باستخدام رماد بركاني غني بالسيليكون من جبل Vesuvius. ولا يزال مبنى Pantheon في Rome، الذي بُني عام 126 م، 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 بعنوان "رسالة أولية في الكيمياء"، أدرج Lavoisier السيليكا ضمن المركبات التي اعتقد أنها تحتوي على عناصر لم تُكتشف، مما وضع أساساً لمحاولات العزل اللاحقة.
تنافس كيميائيون متعددون في أنحاء أوروبا لعزل السيليكون النقي، مما أدى إلى ادعاءات متضاربة وجدال علمي استمر أكثر من عقد.
حاول الكيميائي البريطاني Sir Humphry Davy (1778-1829) عزل السيليكون أول مرة عام 1808 باستخدام بطاريته الكهربائية المبتكرة حديثاً. وحاول Davy تحليل السيليكا كهربائياً، لكنه نجح فقط في إنتاج مسحوق داكن غير نقي. وعلى الرغم من عدم نجاحه، صاغ اسم "silicon" من الكلمة اللاتينية "silex" (الصوان) مع اللاحقة "-on" (مثل carbon وboron).
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 بدلاً من العنصر النقي.
حقق الكيميائي السويدي Jöns Jacob Berzelius (1779-1848) أول عزل مؤكد للسيليكون النقي في 15 مايو 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
تمثلت ابتكارته في غسل الناتج بالماء لإزالة فلوريد البوتاسيوم، ثم غسله بحمض الهيدروكلوريك المخفف لإذابة أي بوتاسيوم غير متفاعل، 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، مؤلفة من جسيمات فلزية. وهذه المادة هي السيليكون في حالته الفلزية."
ظل السيليكون مجرد مادة تثير فضول المختبرات حتى ظهرت التطبيقات 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 أوسع، مما أتاح أولى التطبيقات التجارية.
طوّر Edward Goodrich Acheson (1856-1931) عملية الفرن الكهربائي لإنتاج كربيد السيليكون (الكربوروندم) ثم السيليكون النقي. وأصبحت شركته، The Carborundum Company، أول منتج رئيسي للسيليكون، إذ زوّدت الأسواق بالمواد الكاشطة ثم بمواد أشباه الموصلات.
بدأ تحول السيليكون من مادة مخبرية جديدة إلى مادة تحدد معالم الحضارة خلال الحرب العالمية الثانية، مع تطوير تكنولوجيا الرادار.
1940: اكتشف Russell Ohl في Bell Labs التأثير الكهروضوئي في السيليكون
1947: اخترع Bardeen وBrattain وShockley أول ترانزستور (يعتمد 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 الاكتشافات الكيميائية تحولاً.
إرث Berzelius: لم يكن الكيميائي السويدي الذي عزل السيليكون ليتخيل أبداً أن مسح़وقه الفلزي البني سيصبح أساس أعظم ثورة تكنولوجية 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 ثورةً 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. وتجعل البنية البلورية للعنصر وخصائصه الكهربائية القابلة للتحكم منه مادةً مثاليةً لصنع الترانزستورات والثنائيات والدوائر المتكاملة.
رقائق سيليكون: تُقطّع سبائك سيليكون فائقة النقاء (بنقاء 99.9999999%) إلى رقائق يتراوح قطرها بين 200-300mm وسماكتها 0.775mm. وتستخدم أحدث معالجات Intel تقنية تصنيع 3nm، بحيث تضم أكثر من 100 مليار ترانزستور على شريحة واحدة.
عملية التطعيم: يُطعَّم سيليكون النقي بكميات ضئيلة من الفسفور (من النوع n) أو البورون (من النوع p) لإكسابه خصائص شبه موصلة. وتتضمن هذه العملية زرع الأيونات بطاقة تتراوح بين 1-200 keV، مع التحكم الدقيق في التوصيلية الكهربائية.
الطباعة الحجرية الضوئية: تخضع رقائق سيليكون للطباعة الحجرية الضوئية باستخدام الضوء فوق البنفسجي الشديد (EUV) بطول موجي يبلغ 13.5nm. وتمكّن أجهزة EUV من ASML، التي تبلغ تكلفة كل منها $200 مليون، من تشكيل 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 كفاءةً تبلغ 22-26% في التطبيقات التجارية.
تشكّل مركبات سيليكون العمود الفقري للبناء الحديث من خلال الزجاج والخرسانة والسيراميك. وتشكل السيليكات 90% من قشرة الأرض، وهي مواد بناء أساسية.
تحتوي المركبات الحديثة على أكثر من 1,000 شبه موصل قائم على سيليكون للتحكم في المحركات وأنظمة السلامة والترفيه المعلوماتي. 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 القدرة بنسبة 5% ويقلل وقت الشحن. وتبدّل SiC عند 10 kHz مقابل 2 kHz لسيليكون، مما يتيح مكونات أصغر وأخف وزناً.
تطبيقات المستشعرات: تُنشئ أنظمة Si MEMS (الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة) مقاييسَ للتسارع وجيروسكوبات ومستشعرات ضغط لنشر الوسائد الهوائية والتحكم في الثبات ومراقبة ضغط الإطارات.
تمكّن تكنولوجيا سيليكون من الملاحة بنظام GPS والاتصالات عبر الأقمار الصناعية واستكشاف الفضاء. وتبقى رقائق سيليكون المقاومة للإشعاع صامدةً في البيئة القاسية للفضاء.
يتيح التوافق الحيوي لسيليكون استخدامه في الغرسات الطبية ومعدات التشخيص وأنظمة توصيل الأدوية. وتجعل خصائص سيليكون الخاملة منه مادةً مثاليةً للزرع طويل الأمد.
تحيط بنا تقنيات السيليكون بأشكال لا حصر لها، وغالبًا ما تكون غير مرئية لكنها ضرورية دائمًا. فمن منبّهات 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 عالميًا (2022)
يحتوي الهاتف الذكي المتوسط على قدرة حوسبة تفوق قدرة أجهزة الكمبيوتر التي وجّهت Apollo 11 إلى القمر. ويضم الهاتف نفسه أكثر من 1 مليار ترانزستور؛ ولو كان كل ترانزستور شخصًا، لأمكنهم ملء الصين مع بقاء مساحة إضافية.
مصدره
282000 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 99% of elements
السيليكون هو ثاني أكثر العناصر وفرةً في القشرة الأرضية، إذ يشكل 27.7% من الوزن، ولا يسبقه في ذلك سوى الأكسجين. وتجعل هذه الوفرة السيليكونَ لبنةَ البناء الأساسية في جيولوجيا كوكبنا وأساسَ جميع التقنيات القائمة على السيليكون.
لا يوجد السيليكون في الطبيعة بصورته الفلزية النقية بسبب تفاعليته العالية مع الأكسجين. وبدلاً من ذلك، يشكل عدداً لا يحصى من المعادن والمركبات التي تبني بنية كوكبنا حرفياً.
أكثر معادن السيليكون شيوعاً، ويشكل 12% من القشرة الأرضية. يوجد في:
مواقع بارزة: مناجم الكوارتز البرازيلية، ورواسب البلورات في أركنساس، و«ألماس» هيركيمر (NY)
أكثر مجموعات المعادن وفرةً في القشرة الأرضية (50-60%)، وتشمل:
التكوّن: تبلور عالي الحرارة 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 لباب النجوم الضخمة أثناء عمليتي احتراق الأكسجين واحتراق السيليكون. فعندما تصل النجوم التي تبلغ كتلتها 8 أضعاف كتلة شمسنا على الأقل إلى نهاية حياتها، فإنها تنتج السيليكون من خلال الاندماج النووي.
احتراق الأكسجين (1.5-2 billion K): ¹⁶O + ¹⁶O → ²⁸Si + ⁴He
احتراق السيليكون (3+ billion K): ²⁸Si + ⁴He → ³²S + γ
أثناء انفجار المستعر الأعظم، تتشتت هذه الأنوية 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 billion years: كوّن تكاثف السديم الشمسي حبيبات غبار غنية بالسيليكون
قبل 4.5 billion years: تراكم الكويكبات الكوكبية السيليكاتية
قبل 4.4 billion years: أدى تمايز لب الأرض عن وشاحها إلى تركيز السيليكون في الوشاح
قبل 4.0 billion years: تبلور أول قشرة قارية (غرانيت غني بالسيليكون)
قبل 3.8 billion years: تكوّن الكرات القارية المستقرة ذات البنية السيليكونية-الألومنيومية
يوجد السيليكون طبيعياً في الماء على هيئة حمض السيليسيك المنحل (H₄SiO₄)، بتركيز يتراوح عادةً بين 1-30 mg/L. وتحتوي مياه المحيطات على نحو 3 mg/L من السيليكون المنحل، 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، لا من كاليفورنيا.
التعامل
يشكل السيليكون في صورته النقية والعديد من مركباته مخاطر صحية ضئيلة في الظروف العادية. ومع ذلك، تتطلب بعض مركبات السيليكون والعمليات الصناعية مراعاة دقيقة للسلامة، ولا سيما التعرض للسيليكا البلورية.
الحد المسموح به للتعرض وفق OSHA: 0.05 mg/m³ (السيكا البلورية القابلة للاستنشاق، متوسط زمني مرجح لمدة 8 ساعات)
الخطر الأساسي: السيليكوز - مرض رئوي متفاقم وغير قابل للشفاء ينتج عن استنشاق غبار السيكا البلورية
الأنشطة عالية الخطورة: السفع الرملي، التعدين، استخراج الحجارة، قطع الخرسانة، صناعة الفخار
الأعراض: ضيق التنفس، سعال مستمر، إرهاق، ألم في الصدر، فشل تنفسي (في الحالات المتقدمة)
التطور: السيليكوز البسيط (15-20 سنة) → التليف الكتلي المتفاقم → الوفاة
تصنيف الوكالة الدولية لأبحاث السرطان: 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، حجم الجسيمات، تفاعل السطح
الوقاية: ضوابط هندسية، حماية الجهاز التنفسي، مراقبة طبية
ملامسة العينين: قد يسبب غبار السيليكون تهيجاً ميكانيكياً وسحجاً للقرنية
ملامسة الجلد: لا يسبب تهيجاً عموماً، لكن الغبار الكاشط قد يسبب جروحاً أو تهيجاً ميكانيكياً
الابتلاع: قد تسبب الكميات الكبيرة تهيجاً في الجهاز الهضمي، لكنها لا تسبب سمية جهازية
التعامل مع رقاقة السيليكون: قد تسبب الحواف الحادة جروحاً؛ 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 فوراً 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 فوراً. أبعده عن مصدر التعرض للغبار.
الاستجابة الطبية: إذا حدثت صعوبات في التنفس، أعطِ الأكسجين وانقل الشخص إلى منشأة طبية.
التوثيق: سجّل تفاصيل التعرض للتقييم الطبي وتعويضات العمال.
التعرض الطفيف: اغسل بالماء والصابون. أزل الملابس الملوثة.
الجروح: أوقف النزيف، ونظف الجرح، ثم ضع ضماداً معقماً. قد تتطلب شظايا السيليكون الحادة إزالة طبية.
الإجراء: اغسل الفم بالماء. لا تحفز القيء إلا بتوجيه من العاملين الطبيين.
الكميات الكبيرة: اطلب العناية الطبية إذا استُهلكت كميات كبيرة أو ظهرت أعراض.
• لا يشكل السيليكون في الإلكترونيات الاستهلاكية (الهواتف وأجهزة الكمبيوتر) مخاطر صحية أثناء الاستخدام العادي
• أدوات الطهي المصنوعة من السيليكون والسيليكون المخصص للأغذية آمنة لملامسة الطعام
• تحتوي الألواح الشمسية على سيليكون مغلف لا يشكل مخاطر للتعرض
• المنتجات الزجاجية (ثاني أكسيد السيليكون) آمنة للاستخدام اليومي
إجابات سريعة
سيليكون (symbol Si) is element 14 on the periodic table, a شبه فلز in period 3, group 14. The element that turned sand into civilisation's substrate: every processor you have ever used is a slab of ultrapure silicon. At room temperature it is a solid.
[Ne] 3s² 3p², giving 3 occupied shells holding 2, 8, 4 electrons respectively. Its outer shell holds 4 electrons, which is what sets its bonding behaviour.سيليكون melts at 1687 K (1413.9 °C) and boils at 3538 K (3264.9 °C).
The standard atomic weight of سيليكون is 28.085 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
سيليكون has a density of 2.33 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of سيليكون is about 2.3× heavier.
سيليكون has a Pauling electronegativity of 1.9. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.
سيليكون was discovered in 1824 by Jons Jacob Berzelius. It is named after latin silex, "flint".
سيليكون makes up about 28.2% of the Earth's crust — one of the most abundant elements there is.