צורן

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
זרחן - צורן - אלומיניום
 
C
Si
Ge  
 
 
Si-TableImage.png
כללי
מספר אטומי 14
סמל כימי Si
סדרה כימית מתכות למחצה
צפיפות 2330 kg/m3
מראה
אפור כהה בגוון כחלחל
SiliconCroda.jpg
תכונות אטומיות
משקל אטומי 28.0855 amu
רדיוס ואן דר ואלס 210 pm
סידור אלקטרונים ברמות אנרגיה 2, 8, 4
תכונות פיזיקליות
מצב צבירה בטמפ' החדר מוצק
טמפרטורת התכה 1687.15K (1,414°C)
טמפרטורת רתיחה 3173.15K (2,900°C)
לחץ אדים 4.77Pa ב-1683K
שונות
אלקטרושליליות 1.90
קיבול חום סגולי 700 J/(kg·K)
מוליכות חשמלית 2.52 \ 10^{-4}/m·Ω
מוליכות תרמית 148 W/(m·K)
אנרגיית יינון ראשונה 786.5 kJ/mol

צוֹרָן (Silicon, לטינית: Silicium), הידוע יותר בשמו הלועזי סיליקון, הוא יסוד כימי שסמלו הכימי Si ומספרו האטומי 14. על פי מדע האסטרוביולוגיה, נוכחות גבוהה של צורן היא אחד המרכיבים הבסיסיים ביותר להיווצרות חיים. שימושו הנפוץ של היסוד כמוליך למחצה המשמש בתעשיית השבבים בא לידי ביטוי בשם האזור הסמוך לסן חוזה בקליפורניה, הנקרא עמק הסיליקון.

תכונות[עריכת קוד מקור | עריכה]

בצורתו הגבישית, לצורן צבע אפור כהה וברק מתכתי. צורן הוא יסוד אדיש יחסית מבחינה כימית, הוא מגיב עם הלוגנים ומתכות אלקליות, אבל אינו מושפע מחומצות (פרט לתערובת חומצה חנקתית וחומצה פלואורית). צורן טהור מעביר 95% מהתחום של תת-אדום. בצורה זו הוא נמצא לעתים רחוקות בטבע, ובדרך כלל הוא מופיע כצורן דו-חמצני (SiO2) הקרוי גם סיליקה.

שימושים[עריכת קוד מקור | עריכה]

צורן הוא המרכיב העיקרי בזכוכית, מלט, קרמיקה, רוב השבבים האלקטרוניים, בסיליקונים (Silicone) ופולימרים על בסיס צורן. הצורן הוא אחד החומרים היחידים (בתור בסיס) אשר גם מוליך, וגם לא מוליך - הדבר נתון לבחירת המשתמש: אם נשנה את מצב הצבירה של הצורן, הוא יכול להוליך חום וחשמל, ואם נשנה את מצב הצבירה בשנית, הוא יפסיק להוליך חום וחשמל. דרך נוספת, משמעותית יותר לשנות את מוליכות הסיליקון, היא זיהומו ביסודות אחרים עם תכונות חשמליות שונות (ללא שינוי מצב הצבירה). תכונה זאת של הסיליקון ומספר תכונות נוספות הופכות אותו לחיוני בייצור טרנזיסטורים - הבסיס לכל סוגי האלקטרוניקה המודרנית.

שימושים נוספים[עריכת קוד מקור | עריכה]

היסטוריה[עריכת קוד מקור | עריכה]

צורן זוהה לראשונה על ידי אנטואן לבואזיה ב-1787, וב-1800 הוגדר בטעות כתרכובת על ידי האמפרי דייווי. ב-1811 לואי ז'וזף גיי-ליסק ולואי ז'אק תנר (Louis Jacques Thénard) הכינו צורן לא טהור באמצעות חימום אשלגן וצורן ארבע פלואורי (SiF4). בשנת 1824 הפיק יונס יעקב ברצליוס צורן טהור לאחר שזיקק את התוצר שקיבלו גיי-ליסק ולואי ז'אק תנר.

מכיוון שצורן הוא יסוד חשוב בתעשיית המוליכים למחצה וההיי-טק, נקרא אזור ההיי-טק בקליפורניה "עמק הסיליקון".

צורה בטבע[עריכת קוד מקור | עריכה]

הצורן הוא היסוד השני בשכיחותו בקרום כדור הארץ (אחרי חמצן), ומהווה 25.7% ממשקלו. הצורן מופיע בחול, קוורץ, גרניט, בעיקר בצורת צורן דו-חמצני (הידוע גם בשם סיליקה) או סיליקטים (תרכובות של צורן, חמצן ומתכות שונות). המיקרוביולוג בנימין וולקני גילה כי צורן הוא מרכיב ביולוגי חיוני באצות.

ייצור[עריכת קוד מקור | עריכה]

צורן מופק מסחרית בחימום סיליקה טהורה בכבשן חשמלי, המשתמש באלקטרודות מפחמן. בטמפרטורה העולה על 1900°C,
מתרחשת התגובה הבאה:

 SiO_{2(s)} + C_{(s)} \rarr Si_{(s)} + CO_{2(g)}

צורן נוזלי מצטבר בתחתית הכבשן, מנוקז ומקורר. בשיטה זו מתקבל צורן 99% טהור ואחד מתוצרי הלוואי הוא צורן קרביד SiC. על מנת להימנע מתוצר לוואי זה, ריכוז הצורן הטהור נשמר גבוה ואז מתרחשת התגובה הבאה:

\ 2SiC_{(s)} + SiO_{2(s)} \rarr 3Si_{(s)} + 2CO_{(g)}

טיהור[עריכת קוד מקור | עריכה]

השימוש בצורן בתעשיית המוליכים למחצה דורש ייצור צורן טהור כמה שאפשר, לא כמו בשימושים אחרים שבהם אפשר להסתפק באחוזי צורן נמוכים יחסית. שתי שיטות בולטות במיוחד:

טכניקה I[עריכת קוד מקור | עריכה]

טכניקות טיהור צורן ראשוניות התבססו על העובדה שכשצורן ניתך ולאחר מכן מתמצק, המצב המוצק מכיל צורן טהור יותר מהמצב הנוזלי. הטכניקה הראשונה, שתוארה ב-1919 ושימשה בייצור מכ"ם במלחמת העולם השנייה, כללה ריסוק צורן גבישי לאבקה והשרייתו בחומצה. כשצורן נטחן לאבקה, חלקים מזהמים (מרכיבים שאינם צורן) מופנים כלפי הצד החיצוני של גרגרי האבקה ונשטפים עם החומצה.

טכניקה II[עריכת קוד מקור | עריכה]

יותר קל לטהר צורן מתרכובות שלו מאשר מצורתו הגבישית. SiCl4 וSiH4 הן התרכובות השימושיות ביותר וכשהן במצב צבירה גז ונוגעות בצורן בטמפרטורה גבוהה, הן משתלבות איתו ויוצרות צורן טהור. בטכניקה הנפוצה ביותר, שנקראת תהליך סימנס, מוטות צורן טהורים נחשפים לHSiCl3 גזי ב-1150°C. הצורן שבגז מצטרף למוטות הצורן בהתאם לתגובה הבאה:

\ 2HSiCl_{3(g)} \rarr Si_{(s)} + 2HCl_{(g)} + SiCl_{4(g)}

בשיטה נוספת, הפיקה חברת דופונט צורן טהור ברמה גבוהה כשחשפו SiCl4 לאבץ ב-950°C בהתאם לתגובה הבאה:

\ SiCl_{4(g)} + 2Zn_{(l)} \rarr Si_{(s)} + 2ZnCl_{2(g)}

בסופו של דבר טכניקה זו נזנחה לטובת תהליך סימנס מכיוון שהייתה כרוכה בבעיות רבות.

אמצעי זהירות[עריכת קוד מקור | עריכה]

מחלת ריאות בשם "צורנת" מופיע אצל כורים, סתתים ושאר אנשים שעבדו ושאפו אבק סיליקה בכמויות גדולות.

קישורים חיצוניים[עריכת קוד מקור | עריכה]