સિલિકોન (Si): ગુણધર્મો, પ્રતિક્રિયાઓ અને ઉપયોગો

પરિચય

સિલિકોન (Si) પૃથ્વીના પોપડામાં બીજું સૌથી વિપુલ પ્રમાણમાં તત્વ છે, જે દળ દ્વારા આશરે 28% જેટલું બને છે. તે ધાતુઓ અને અધાતુઓ વચ્ચેના ગુણધર્મો ધરાવતો એક મેટલોઇડ છે. મુખ્યત્વે તેના ઓક્સિડાઇઝ્ડ સ્વરૂપમાં સિલિકોન ડાયોક્સાઇડ (સિલિકા) અને સિલિકેટ્સ તરીકે જોવા મળે છે, સિલિકોન ભૂસ્તરશાસ્ત્ર, નિર્માણ અને આધુનિક ટેકનોલોજીનો પાયો બનાવે છે. તેના અનન્ય ઇલેક્ટ્રોનિક ગુણધર્મો તેને સેમિકન્ડક્ટર ઉદ્યોગોમાં અનિવાર્ય બનાવે છે, જે ડિજિટલ યુગને શક્તિ આપે છે.

CBSE/JEE ઝડપી પુનરાવર્તન નોંધો

• પરમાણુ ક્રમાંક: 14
• પરમાણુ દળ: 28.085 u
• પ્રતીક: Si
• સમૂહ: 14 (કાર્બન કુટુંબ, p-બ્લોક તત્વ)
• આવર્ત: 3
• પ્રકૃતિ: મેટલોઇડ
• સંયોજકતા: 4 (ટેટ્રાવેલેન્ટ)
• ઇલેક્ટ્રોનેગેટિવિટી (પૌલિંગ): 1.90
• સામાન્ય ઓક્સિડેશન અવસ્થાઓ: +4, +2 (ઓછી સ્થિર), -4 (સિલીસાઇડ્સમાં)
• અપરરૂપતા: અસ્ફટિકમય (બ્રાઉન પાવડર) અને સ્ફટિકમય (ગ્રે, ધાતુઈ ચમક) સ્વરૂપોમાં અસ્તિત્વ ધરાવે છે.
• બંધ બનાવવાની પસંદગી: મુખ્યત્વે મજબૂત સહસંયોજક બંધ બનાવે છે.

ઇલેક્ટ્રોન રચના અને બંધ બનાવવાનું વર્તન

સિલિકોનની ઇલેક્ટ્રોન રચના 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p² અથવા [Ne] 3s² 3p² છે. તેની સૌથી બહારની કક્ષા (n=3) માં ચાર વેલેન્સ ઇલેક્ટ્રોન હોય છે.

1. સહસંયોજક બંધ: તેની મધ્યમ ઇલેક્ટ્રોનેગેટિવિટી અને ચાર વેલેન્સ ઇલેક્ટ્રોનને કારણે, સિલિકોન મુખ્યત્વે સહસંયોજક બંધ બનાવે છે. મોટાભાગના સંયોજનોમાં, તે +4 ઓક્સિડેશન અવસ્થા દર્શાવે છે, ચાર એકલ સહસંયોજક બંધ બનાવે છે, જે ઘણીવાર ટેટ્રાહેડ્રલ ભૂમિતિ અપનાવે છે (દા.ત., SiO₂, SiCl₄ માં).
2. નેટવર્ક રચનાઓ: સિલિકોન વિસ્તૃત સહસંયોજક નેટવર્ક બનાવવાનું વલણ ધરાવે છે. ઉદાહરણ તરીકે, તેના તત્વયુક્ત સ્ફટિકમય સ્વરૂપમાં, દરેક સિલિકોન પરમાણુ અન્ય ચાર સિલિકોન પરમાણુઓ સાથે ટેટ્રાહેડ્રલી બંધાયેલું હોય છે, જે હીરા જેવી રચના બનાવે છે.
3. Si-O બંધ: સિલિકોનનું ઓક્સિજન (Si-O-Si) સાથે મજબૂત બંધ બનાવવાનું વલણ એક વ્યાખ્યાયિત લક્ષણ છે, જે સિલિકેટ્સ અને સિલિકાની સ્થિરતા અને વિપુલતા તરફ દોરી જાય છે. આ બંધની મજબૂતાઈ C-O બંધ કરતાં નોંધપાત્ર રીતે વધારે છે કારણ કે સિલિકોનમાં ઓક્સિજનના લોન પેયર સાથે બેક-બોન્ડિંગ માટે ખાલી d-ઓર્બિટલ્સની ઉપલબ્ધતા છે, અને મોટા કદના તફાવતને કારણે ચોક્કસ સંદર્ભોમાં વધુ સારું ઓર્બિટલ ઓવરલેપ શક્ય બને છે.
4. બહુવિધ બંધની ગેરહાજરી: કાર્બનથી વિપરીત, સિલિકોન સરળતાથી સ્થિર pπ-pπ બહુવિધ બંધ (દા.ત., Si=Si, Si=O) બનાવતું નથી કારણ કે તેના 3p ઓર્બિટલ્સનું કદ મોટું હોય છે, જેના પરિણામે નબળું લેટરલ ઓવરલેપ થાય છે.

મહત્વપૂર્ણ રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓ

1. ઓક્સિજન સાથે પ્રતિક્રિયા: ઉચ્ચ તાપમાને, સિલિકોન ઓક્સિજન સાથે સરળતાથી પ્રતિક્રિયા કરીને સિલિકોન ડાયોક્સાઇડ બનાવે છે. Si(s) + O₂(g) → SiO₂(s)

2. હેલોજન સાથે પ્રતિક્રિયા: સિલિકોન હેલોજન સાથે પ્રબળતાથી પ્રતિક્રિયા કરીને ટેટ્રાહેલાઇડ્સ બનાવે છે. Si(s) + 2Cl₂(g) → SiCl₄(l) (સિલિકોન ટેટ્રાક્લોરાઇડ)

3. પ્રબળ બેઝ (આલ્કલી) સાથે પ્રતિક્રિયા: સિલિકોન ગરમ સાંદ્ર આલ્કલી દ્રાવણમાં ઓગળી જાય છે, સિલિકેટ્સ ઉત્પન્ન કરે છે અને હાઇડ્રોજન વાયુ મુક્ત કરે છે. Si(s) + 2NaOH(aq) + H₂O(l) → Na₂SiO₃(aq) + 2H₂(g) (સોડિયમ સિલિકેટ)

4. મેગ્નેશિયમ સિલીસાઇડની રચના: સિલિકોન મેગ્નેશિયમ જેવી પ્રતિક્રિયાશીલ ધાતુઓ સાથે પ્રતિક્રિયા કરીને સિલીસાઇડ્સ બનાવી શકે છે, જે સિલેન્સના પુરોગામી છે. 2Mg(s) + Si(s) → Mg₂Si(s)

5. મેગ્નેશિયમ સિલીસાઇડમાંથી સિલેનનું નિર્માણ: મેગ્નેશિયમ સિલીસાઇડ એસિડ સાથે પ્રતિક્રિયા કરીને સિલેન્સ (સિલિકોન હાઇડ્રાઇડ્સ) ઉત્પન્ન કરે છે. Mg₂Si(s) + 4HCl(aq) → 2MgCl₂(aq) + SiH₄(g)

ઔદ્યોગિક અને જૈવિક મહત્વ

ઔદ્યોગિક મહત્વ

1. સેમિકન્ડક્ટર્સ: અતિશુદ્ધ સિલિકોન ઇન્ટિગ્રેટેડ સર્કિટ્સ (માઇક્રોચિપ્સ), ટ્રાન્ઝિસ્ટર, ડાયોડ્સ અને ફોટોવોલ્ટેઇક સેલ (સોલાર સેલ) માટેનો મૂળભૂત પદાર્થ છે. તેના સેમિકન્ડક્ટિંગ ગુણધર્મો વિદ્યુત વાહકતાના ચોક્કસ નિયંત્રણને મંજૂરી આપે છે.
2. એલોય:
   • ફેરોસિલિકોન: આયર્ન અને સિલિકોનનો એક એલોય, મુખ્યત્વે સ્ટીલ ઉત્પાદનમાં ડીઓક્સિડાઇઝર તરીકે અને મજબૂતાઈ અને સ્થિતિસ્થાપકતા સુધારવા માટે એલોઇંગ એજન્ટ તરીકે ઉપયોગ થાય છે.
   • સિલિકોન-એલ્યુમિનિયમ એલોય: હલકા અને મજબૂત, એન્જિન બ્લોક્સ અને એરોસ્પેસ ઘટકોમાં ઉપયોગ થાય છે.
3. સિલિકોન્સ: સિલિકોન-ઓક્સિજન બેકબોન્સ (-Si-O-Si-) ધરાવતા કૃત્રિમ પોલિમરનો એક વર્ગ છે જેમાં સિલિકોન પરમાણુઓ સાથે કાર્બનિક સમૂહો જોડાયેલા હોય છે. તેમની થર્મલ સ્થિરતા, રાસાયણિક નિષ્ક્રિયતા અને હાઇડ્રોફોબિસિટીને કારણે તેનો ઉપયોગ લ્યુબ્રિકન્ટ્સ, સીલંટ, એડહેસિવ્સ, મેડિકલ ઇમ્પ્લાન્ટ્સ, કોસ્મેટિક્સ અને વોટર-રિપેલન્ટ્સ તરીકે થાય છે.
4. સિરામિક્સ અને ગ્લાસ:
   • સિલિકા (SiO₂): રેતી, ક્વાર્ટઝ અને કાચનો પ્રાથમિક ઘટક. ઉચ્ચ-શુદ્ધતાવાળા સિલિકા ગ્લાસનો ઉપયોગ ઓપ્ટિકલ ફાઇબર માં થાય છે.
   • સિલિકોન કાર્બાઇડ (SiC): એક અત્યંત સખત પદાર્થ, જેનો ઉપયોગ ઘર્ષક તરીકે, રિફ્રેક્ટરી સામગ્રીમાં અને ઉચ્ચ-તાપમાન સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણોમાં થાય છે.
5. નિર્માણ: સિલિકોન સંયોજનો સિમેન્ટ, કોંક્રિટ, ઇંટો અને સિરામિક્સના મહત્વપૂર્ણ ઘટકો છે.

જૈવિક મહત્વ

1. માળખાકીય તત્વ: સિલિકોન કેટલાક નીચલા સજીવો, જેમ કે ડાયટોમ્સ અને સ્પોન્જ માટે એક આવશ્યક ટ્રેસ તત્વ છે, જ્યાં તે હાઇડ્રેટેડ સિલિકા હાડપિંજર અને માળખાકીય ઘટકો બનાવે છે.
2. સંયોજક પેશી: ઉચ્ચ પ્રાણીઓ અને મનુષ્યોમાં, સિલિકોન સંયોજક પેશીઓ, હાડકાં અને કોમલાસ્થિમાં હાજર હોય છે. જ્યારે માનવ શરીરવિજ્ઞાનમાં તેની ચોક્કસ જૈવરાસાયણિક ભૂમિકા હજુ પણ સંશોધનનો સક્રિય ક્ષેત્ર છે, ત્યારે તે હાડકાના ખનિજીકરણ અને કોલેજન નિર્માણમાં ભૂમિકા ભજવે છે તેવું માનવામાં આવે છે. તેને હાલમાં કેલ્શિયમ અથવા આયર્ન જેવા તત્વોની જેમ માનવ અસ્તિત્વ માટે સાર્વત્રિક રીતે આવશ્યક પોષક તત્વ તરીકે વર્ગીકૃત કરવામાં આવ્યું નથી.