सिलिकॉन

सिलिकॉन : धात्वाभ (धातुसदृश) मूलद्रव्य. रासायनिक चिन्ह Si अणुक्रमांक (अणुकेंद्रातील प्रोटॉनांची संख्या) १४ अणुभार २८·०८६ आवर्त सारणीच्या उभ्या स्तंभामधील कार्बन आणि जर्मेनियम यांमध्ये स्थान विद्युत् विन्यास (अणूधील इलेक्ट्रॉनांची मांडणी) २, ८, ४ वितळबिंदू १,४२०^° से. उकळबिंदू २,३५५^° से. वि. गु. २·४२ (२०^° से. तापमानाला) ऑक्सिडीकरण अवस्था – ४, (+२), +४ आयनी त्रिज्या Si⁴⁺ करिता ०·४१Å आणि Si^4- करिता २Å आणवीय त्रिज्या १·१७Å (१Å = १०^-८ सेंमी.). नैसर्गिक स्थिर समस्थानिकांची (अणुक्रमांक तोच परंतु भिन्न द्रव्यमानांक असलेल्या त्याच मूलद्रव्याच्या प्रकारांची) टक्केवारी कंसामध्ये दिली आहे. Si²⁸ (९२·२८), Si²⁹ (४·६) व Si³⁰ (३·०५). संश्लेषित किरणोत्सर्गी समस्थानिके पुढीलप्रमाणे (अर्धायुकाल कंसामध्ये) : Si²⁷ (४·२ से.), Si³¹ (१७० मि.) आणि Si³² (७०० वर्षे). शुद्घ सिलिकॉनाचा वर्ण गडद करडा चमक धातूसारखी ठिसूळ स्फटिकरचना हिऱ्यासारखी घनीय संयुजा (इतर अणूंशी संयोग पावण्याची क्षमता दर्शविणारा अंक) ४. पृथ्वीच्या कवचातील सिलिकॉनाची विपुलता २७·७२% असून त्याचा क्रमांक दोन आहे (ऑक्सिजनाची विपुलता ४६·६% आणि ॲल्युमिनियमाची विपुलता ८·१३% असून अनुक्रमे एक व तीन क्रमांकाची मूलद्रव्ये).

सिलिकेट संयुगापासून काच तयार करण्याची कृती मानवास फार प्राचीन काळापासून अवगत होती. बेखर हे सिलिका या संयुगास एक प्रकारची मृत्तिका मानीत असत. १८२४ मध्ये यन्स याकॉप बर्झीलियस यांनी सिलिकॉन मूलद्रव्य प्रथम विलग केले. आंरी सॅन्त-क्लेअर-दव्हिल यांनी १८५४ मध्ये सिलिकॉन स्फटिकरुपात तयार केले. ते निसर्गात स्वतंत्र रीत्या आढळत नाही. ते ऑक्सिजनाबरोबर सिलिका स्वरुपात (सिलिकॉन डाय-ऑक्साइड SiO₂) किंवा ऑक्सिजन व इतर धातूंबरोबर (उदा., मॅग्नेशियम, ॲल्युमिनियम, कॅल्शियम, सोडियम, पोटॅशियम किंवा लोखंड) सिलिकेटे स्वरुपात आढळते. निसर्गामध्ये सिलिकॉन डाय-ऑक्साइड खालील प्रकारांत व्यापकपणे विखुरलेले आहे : (१) स्फटिकमय : रॉक क्रिस्टल, ॲमेथिस्ट, धूमयुक्त क्वॉर्ट्‌झ व ट्रायडायमाइट (२) संपुंजित स्फटिक : क्वॉर्ट्‌झाइट, रोझ क्वॉर्ट्‌झ, ॲगेट, जॅस्पर, कार्नेलियन, फ्लिंट व ओपल आणि (३) खंडमय : समुद्रातील वाळू, रेती, गोटे, वालुकाश्म व पिंडाश्म. सिलिकॉनाची संयुगे नैसर्गिक पाण्यामध्ये, वातावरणामध्ये (सिलिकामय धूळ), अनेक वनस्पतींमध्ये आणि काही प्राण्यांच्या सांगाड्यात, ऊतकांमध्ये आणि देहद्रवांमध्ये आढळतात.

निर्मिती : सिलिकॉन खालीलप्रमाणे दोन रुपांत तयार करता येते :

(अ) अस्फटिकरुप सिलिकॉन : (१) सिलिकॉन टेट्राक्लोराइडाच्या प्रवाहात सोडियम अथवा पोटॅशियम धातू तापविल्यास सिलिकॉन मिळते.

                  SiCl₄ + 4K ⟶ Si + 4KCl

(२) मॅग्नेशियम धातू व सिलिका यांचे मिश्रण तापविल्यास ९६% शुद्घ सिलिकॉन मिळते.

                  2Mg + SiO₂ ⟶ Si + 2MgO

(आ) स्फटिकरुप सिलिकॉन : (१) सिलिकॉन टेट्राक्लोराइडाची वाफ व जास्त प्रमाणात ॲल्युमिनियम धातू ही हायड्रोजन वायूच्या ज्योतीत तापविली असता स्फटिकरुप सिलिकॉन मिळते.

                  3SiCl₄ + 4Al ⟶ 3Si + 4AlCl₃ 

(२) सोडियम सिलिकोफ्ल्युओराइड आणि जस्त व सोडियम यांचे मिश्रधातू एकत्र तापविले असता सिलिकॉन मिळते.

                  Na₂SiF₆ + 4Na ⟶ Si + 6NaF

(३) विद्युत् भट्टीत क्वॉर्ट्‌झ (अधिक प्रमाणात) आणि कोक (एक प्रकारचा कार्बनयुक्त पदार्थ) हे एकत्र तापविले असता सिलिकॉनाचे स्फटिक मिळतात.

                  SiO₂ + 2C ⟶ Si + 2CO

सिलिकॉनाच्या शुद्घतेप्रमाणे त्याच्या निर्मितीच्या पद्घतींमध्ये फरक आहे. ९९% किंवा कमी शुद्घता असलेल्या सिलिकॉनाकरिता सामान्यतः सिलिकेची सरल क्षपण पद्घत वापरली जाते. ⇨अर्धसंवाहक  व्यवसायात वापरण्यात येणाऱ्या सिलिकॉनाच्या उच्च शुद्घतेकरिता निर्मितीच्या जादा प्रकिया वापरल्या जातात.

 गुणधर्म :(अ) अस्फटिकी सिलिकॉन : हे विद्युत् मंदवाहक असून पाण्यात अविद्राव्य आहे. याचा रंग पिंगट असतो. हवेमध्ये ते खूप तापविल्यास ज्वलन होऊन सिलिकॉन डाय-ऑक्साइड (सिलिका) मिळते. तापविलेल्या सिलिकॉनावरुन पाण्याची वाफ सोडल्यास वाफेचे विघटन होऊन हायड्रोजन वायू बाहेर पडतो.

                  Si + 2H₂O ⟶ SiO₂ + 2H₂↑

हायड्रोफ्ल्युओरिक अम्ल व नायट्रिक अम्ल (अल्प प्रमाणात) यांच्या मिश्रणात सिलिकॉन विद्राव्य आहे. इतर कोणत्याही अम्लाचा सिलिकॉनावर परिणाम होत नाही. सोडियम किंवा पोटॅशियम हायड्रॉक्साइडाच्या उष्ण द्रावात ते विरघळते आणि सिलिकेट क्षार तयार होऊन हायड्रोजन वायू बाहेर पडतो.

                  Si + 2KOH + H₂O ⟶ K₂SiO₃ +२H₂↑ 

सामान्य तापमानास सिलिकॉनाची फ्ल्युओरिनाशी विक्रिया होऊन सिलिकॉन टेट्राफ्ल्युओराइड तयार होते. ही विक्रिया होताना प्रखर उष्णता बाहेर पडते आणि त्यामुळे वापरलेला सिलिकॉन धातू प्रदीप्त होतो. क्लोरीन वायूत सिलिकॉनाचे ज्वलन होऊन सिलिकॉन टेट्राक्लोराइड तयार होते. इतर अनेक धातू मूलद्रव्यांशी उच्च तापमानास त्याची विक्रिया होऊन सिलिसाइडे तयार होतात.

(आ) स्फटिकात्मक सिलिकॉन: हे गडद करड्या रंगाचे आणि घनरुप असून धातूसारखे चकाकते. ते कठिण असल्यामुळे काचेच्या पृष्ठभागावर चरा पाडू शकते. स्फटिकात्मक सिलिकॉन थोड्या प्रमाणात विद्युत् वाहक आहे. रासायनिक दृष्ट्या हा प्रकार अस्फटिकी सिलिकॉनापेक्षा कमी क्रियाशील असून ऑक्सिजनाच्या सान्निध्यात खूप तापवूनही जळत नाही. ते क्लोरीन वायूमध्ये तापविले असता जळते आणि फ्ल्युओरीन वायूत चटकन पेट घेते. कार्बन व नायट्रोजन या अधातूंशी आणि बऱ्याचशा धातूंशी संयोग होऊन सिलिसाइडे तयार होतात.

संयुगे : सिलिकॉनाची ९६ स्थिर मूलद्रव्यांपैकी ६४ मूलद्रव्यांबरोबर संयुगे तयार होतात. त्यांची १८ मूलद्रव्यांबरोबर सिलिसाइडे तयार होतात. धातुरुप सिलिसाइडे धातुकर्मात मोठ्या प्रमाणात वापरली जातात. सिलिकॉनाची हायड्रोजन, कार्बन, हॅलोजने नायट्रोजन, ऑक्सिजन आणि गंधक यांच्याबरोबर उपयुक्त व महत्त्वाची संयुगे तयार होतात. याशिवाय उपयुक्त ऑर्‌गॅनोसिलिकॉन अनुजात आणि सिलिकॉन समाविष्ट बहुवारिके तयार करण्यात आली आहेत. ⇨ सिलिकोने  ही संश्लेषित ऑर्‌गॅनोसिलिकॉन ऑक्साइडे असून ती सिलिकॉन, ऑक्सिजन, कार्बन आणि हायड्रोजन यांचा संयोग होऊन तयार होतात.

सिलिकॉन डाय-ऑक्साइड : हे सिलिकॉनाचे महत्त्वाचे संयुग असून सर्वपरिचित आहे. या ऑक्साइडाला सिलिका म्हणतात. अस्फटिकी सिलिकॉनाचे ऑक्सिजनामध्ये ज्वलन केल्यास हे संयुग तयार होते. हे स्फटिकात्मक आणि अस्फटिकी अशा दोन्ही स्वरुपांत सापडते. सिलिका पाण्यात व अम्लात अविद्राव्य असून तप्त अल्कलीत ताबडतोब विरघळते. सिलिका व जास्त प्रमाणात कार्बन यांचे मिश्रण २,०००° से. तापमानाला तापविल्यास कार्बोरंडम हा पदार्थ तयार होतो. कार्बोरंडम म्हणजे सिलिकॉन कार्बाइड जवळजवळ हिऱ्याइतका कठीण असतो. सिलिका मुख्यत्वेकरुन काचनिर्मितीसाठी फार मोठ्या प्रमाणात वापरली जाते.

सिलिसिक अम्ले : ऑर्थो-सिलिसिक अम्ल (H₄ SiO₄) आणि मेटा-सिलिसिक अम्ल (H₂ SiO₃) ही सिलिकॉनाची दोन ऑक्सिअम्ले आहेत, ती द्रवरुपातच स्थिर असतात. पाण्याचे बाष्पीकरण झाल्यास त्यांचे सिलिकॉन डाय-ऑक्साइडामध्ये विघटन होते. दोन ऑर्थो-सिलिसिक अम्लाच्या रेणूंच्या संयोगाने डाय-सिलिसिक अम्ल (H₆ Si₂O₇) आणि तीन मेटा-सिलिसिक अम्ल एककांपासून ट्राय-सिलिसिक अम्ल (H₄ Si₃O₈) तयार होतात. ही सर्व असंहत (दुर्बल) अम्ले आहेत.

सिलिकेटे : निसर्गात आढळणाऱ्या सिलिकेटांमधील सिलिकॉन चार ऑक्सिजन अणूंनी वेढला जाऊन चतुःपृष्ठक तयार झालेले असते. धातवी आयन (क्षार किंवा क्षारीय मृत्तिका आयन) ऑक्सिजन अणूंपेक्षा फार लहान असल्यामुळे ते चतुःपृष्ठकांमध्ये जेथे जागा मिळेल तेथे जाऊन बसतात. काही वेळा चतुःपृष्ठकांचे ॲस्बेस्टसामध्ये मोठे धागे,अभ्रकामध्ये स्तर आणि वैदूर्यामध्ये गोल कडी असतात.

जलकाच (सोडियम सिलिकेट) ही विद्राव्य काच आहे. ती सोडियम हायड्रॉक्साइड किंवा सोडियम कार्बोनेटाबरोबर क्वॉर्ट्‌झ सायुज्जित करुन तयार करतात. व्यापारी उत्पादामध्ये Na₂ SiO₃ आणि वेगवेगळ्या प्रमाणातील SiO₂ यांचा समावेश असतो. जलकाचेचा मोठ्या प्रमाणात वापर साबणामध्ये भरणद्रव्य म्हणून होतो. लाकूड उद्योगात अग्निरोधन व जलरोधन करण्याकरिता जलकाच वापरतात.

संहत सल्फ्यूरिक अम्लाबरोबर सिलिकेटाचा विद्राव एकत्र केला तर सिलिका जेल मिळतो. हा जेल उष्णता देऊन निर्जलीकृत केल्यास घन पदार्थ तयार होतो. तो वायुशोषणाकरिता व उत्प्रेरक म्हणून वापरतात.

हायड्राइडे : कार्बनाप्रमाणे सिलिकॉन सहसंयुजी संयुगे निर्माण करण्यासाठी स्वतःबरोबर आणि हायड्रोजनाबरोबर जोडले जाऊ शकतात. दोन सिलिकॉन अणू एकाच बंधाने जोडले गेल्यास त्या संयुगांना सिलेने आणि दोन बंधांनी जोडले गेल्यास त्यांना सिलिने म्हणतात. हायड्रोकार्बनांप्रमाणे ही संयुगे साखळी किंवा वलयी या प्रकारांत असतात. SiH₄ या संयुगाला मोनोसिलेन, Si₂H₆ याला डायसिलेन, Si₃H₈ याला ट्रायसिलेन याप्रमाणे पुढील संयुगे तयार होतात. सिलोक्झेन या संयुगामध्ये सिलिकॉन आणि ऑक्सिजन अणू एकाआड एक असतात. सिलाझेन या संयुगामध्ये सिलिकॉन अणूंच्यामध्ये नायट्रोजन अणू असतो. सिलेने आणि सिलिने यांच्याशी हायड्रोकार्बन गट आणि हॅलोजन अणू जोडले जाऊ शकतात (उदा., मिथिलडायक्लोरोसिलेन CH₃ Si HCl₂). सिलिकॉन टेट्रामिथिल [ Si(CH₃)₄] आणि सिलिकॉन टेट्राएथिल [Si (C₂H₅)₄] ही संयुगे द्रवरुप आहेत. कार्बन अणूऐवजी सिलिकॉन अणूचा समावेश केलेली ग्रीन्यार विक्रियाकारके (अल्किल-मॅग्नेशियम हॅलाइडे या वर्गाची संयुगे) तयार करण्यात आली आहेत.

उपयोग : ॲल्युमिनियम, मॅग्नेशियम, तांबे व इतर धातूंचे बल वाढविण्याकरिता सिलिकॉन आणि तिची आंतरधातवीय संयुगे यांचा मिश्रधातू घटक म्हणून उपयोग करतात. ९८-९९% शुद्घता असलेल्या सिलिकॉनाचा वापर ऑर्‌गॅनोसिलिकॉन संयुगे व सिलिकोन रेझिने, इलॅस्टोमरे आणि तेले यांच्या निर्मितीमध्ये आरंभक द्रव्य म्हणून होतो. सिलिकॉनाच्या आणवीय संरचनेमुळे त्याचे महत्त्वाचे अर्धसंवाहक तयार करता येतात. उच्च शुद्घता असलेल्या सिलिकॉनामध्ये बोरॉन, फॉस्फरस आणि आर्सेनिक अशा मूलद्रव्यांची अपद्रव्ये भरुन अर्धसंवाहके तयार करतात. या अर्धसंवाहकांचा उपयोग संगणक चकत्या, ट्रँझिस्टर, सिलिकॉन द्विप्रस्थ आणि विविध प्रकारची इलेक्ट्रॉनीय मंडले व स्विचिंग प्रयुक्त्या यांमध्ये आधारभूत द्रव्य म्हणून करतात. आधुनिक तंत्रांचा वापर करुन अनेक मीटर लांब आणि २५ सेंमी. पर्यंत व्यास असलेला सिलिकॉनाचा एकसंघ स्फटिक तयार करता येतो. या मोठ्या स्फटिकाचे अतिपातळ चकत्यांचे पापुद्रे तयार करतात. या चकत्यांवर जटिल संकलित मंडलांचे अम्लकोरण करता येते. तसेच एकसंघ स्फटिकापासून तयार केलेल्या पातळ चकत्यांचा वापर प्रकाशविद्युत् चालक घटांमध्ये सौरऊर्जेचे विजेमध्ये सरळ रुपांतर करण्याकरिता होतो. सिलिकॉन डाय-ऑक्साइडाचा वापर सिलिकॉन कार्बाइडाकरिता कच्चा माल म्हणून होतो. याच्या विस्तार पावणाऱ्या स्फटिकांचा वापर दाबविद्युत् स्फटिकांकरिता करतात.

जोशी, बी. जी. सूर्यवंशी, वि. ल.

“