సిలికాన్ (Si) రసాయనశాస్త్రం - సాధన ప్రశ్నలు

బహుళైచ్ఛిక ప్రశ్నలు (MCQs)

ప్రశ్న 1

సిలికాన్‌ల గురించి కింది ప్రకటనలలో ఏది తప్పు?

A) అవి R₂SiO పునరావృత యూనిట్లను కలిగి ఉన్న పాలిమర్‌లు. B) అవి సాధారణంగా జల వికర్షక స్వభావాన్ని కలిగి ఉంటాయి. C) అవి ఉష్ణ స్థిరత్వం కలిగి ఉంటాయి మరియు రసాయన దాడులను నిరోధిస్తాయి. D) వాటి ప్రధాన శ్రేణిలో బలమైన Si=Si ద్విబంధాలు ఉంటాయి.

పరిష్కారం:

సరైన సమాధానం: D)

వివరణ: సిలికాన్‌లు సాధారణ ఫార్ములా (R₂SiO)n కలిగిన ఆర్గానోసిలికాన్ పాలిమర్‌లు, ఇక్కడ R ఒక ఆల్కైల్ లేదా ఆరిల్ సమూహం. వాటి ప్రధాన శ్రేణి Si=Si ద్విబంధాలను కాకుండా Si-O-Si బంధాలను కలిగి ఉంటుంది. Si-O బంధం చాలా బలంగా ఉంటుంది, ఇది వాటి ఉష్ణ స్థిరత్వానికి మరియు రసాయన జడత్వానికి దోహదపడుతుంది. అపధ్రువ ఆల్కైల్ లేదా ఆరిల్ సమూహాల ఉనికి వాటిని జల వికర్షక స్వభావాన్ని కలిగిస్తుంది.

ప్రశ్న 2

సిలికా (SiO₂) హైడ్రోజన్ ఫ్లోరైడ్ (HF)తో చర్య జరిపినప్పుడు, ఏర్పడే ఉత్పత్తి:

A) SiF₄ B) H₂SiF₆ C) SiF₄ మరియు H₂O D) SiF₄ మరియు H₂SiF₆

పరిష్కారం:

సరైన సమాధానం: C)

వివరణ: సిలికా (SiO₂) చాలా స్థిరమైన సమ్మేళనం. ఇది హైడ్రోజన్ ఫ్లోరైడ్‌తో చర్య జరిపి సిలికాన్ టెట్రాఫ్లోరైడ్ మరియు నీటిని ఏర్పరుస్తుంది. SiO₂(s) + 4HF(aq) \rightarrow SiF₄(g) + 2H₂O(l) SiF₄ నీటి సమక్షంలో HF తో మరింత చర్య జరిపి ఫ్లోరోసిలిసిక్ ఆమ్లం (H₂SiF₆) ను ఏర్పరుస్తుంది, కానీ SiO₂ మరియు HF ల మధ్య చర్య నుండి ఏర్పడే ప్రాథమిక మరియు ప్రారంభ ఉత్పత్తి SiF₄ మరియు నీరు. ప్రశ్న “ఏర్పడే ఉత్పత్తి” అని అడుగుతుంది, ఇది ప్రత్యక్ష చర్యను సూచిస్తుంది.

ప్రశ్న 3

ఇచ్చిన సమ్మేళనాలలో, కార్బొరండం అని దేనిని అంటారు?

A) SiC B) SiO₂ C) SiH₄ D) SiF₄

పరిష్కారం:

సరైన సమాధానం: A)

వివరణ: కార్బొరండం అనేది సిలికాన్ కార్బైడ్ (SiC) యొక్క సాధారణ పేరు. ఇది అత్యంత కఠినమైన పదార్థం, తరచుగా అబ్రాసివ్‌గా మరియు అధిక ఉష్ణ స్థిరత్వం కారణంగా రిఫ్రాక్టరీ పదార్థాలలో ఉపయోగించబడుతుంది. SiO₂ సిలికా, SiH₄ సిలేన్, మరియు SiF₄ సిలికాన్ టెట్రాఫ్లోరైడ్.

నిశ్చయ వాక్యం-కారణం ప్రశ్నలు

ప్రశ్న 4

నిశ్చయ వాక్యం (A): సిలికాన్ స్థిరమైన pπ-pπ బహుళ బంధాలను సులభంగా ఏర్పరచదు. కారణం (R): సిలికాన్ యొక్క పరమాణు ఆర్బిటాళ్ళు కార్బన్ వాటి కంటే చాలా పెద్దవి మరియు మరింత విస్తరించి ఉంటాయి, ఇది pπ-pπ అతివ్యాప్తిని ప్రభావవంతంగా ఉండకుండా చేస్తుంది.

A) A మరియు R రెండూ నిజం, మరియు R అనేది Aకి సరైన వివరణ. B) A మరియు R రెండూ నిజం, కానీ R అనేది Aకి సరైన వివరణ కాదు. C) A నిజం, కానీ R తప్పు. D) A తప్పు, కానీ R నిజం. E) A మరియు R రెండూ తప్పు.

పరిష్కారం:

సరైన సమాధానం: A)

వివరణ: నిశ్చయ వాక్యం (A) నిజం. కార్బన్ స్థిరమైన C=C మరియు C=O pπ-pπ బంధాలను సులభంగా ఏర్పరుస్తుంది, దీనికి విరుద్ధంగా సిలికాన్ సాధారణంగా ఏక బంధాలను ఏర్పరుస్తుంది. కారణం (R) కూడా నిజం మరియు నిశ్చయ వాక్యం (A)కి సరైన వివరణ. కార్బన్ (పీరియడ్ 2 మూలకం)తో పోలిస్తే సిలికాన్ యొక్క పెద్ద పరమాణు పరిమాణం (పీరియడ్ 3 మూలకం) కారణంగా, దాని 3p ఆర్బిటాళ్ళు మరింత విస్తరించి ఉంటాయి. ఇది బలమైన pπ-pπ బంధానికి అవసరమైన బలహీనమైన మరియు ప్రభావవంతం కాని పార్శ్వ అతివ్యాప్తికి దారితీస్తుంది, ఇది సిలికాన్‌తో బహుళ బంధాలను చాలా తక్కువ స్థిరంగా చేస్తుంది. బదులుగా, సిలికాన్ బలమైన Si-O ఏక బంధాలను లేదా విస్తరించిన Si-Si నెట్‌వర్క్‌లను ఏర్పరచడానికి ఇష్టపడుతుంది.

ప్రశ్న 5

నిశ్చయ వాక్యం (A): సిలికాన్‌లు నీటిని వికర్షించే (జల వికర్షక) స్వభావం కలిగి ఉంటాయి. కారణం (R): సిలికాన్‌లలోని సిలికాన్ పరమాణువులకు అటాచ్ చేయబడిన ఆల్కైల్ సమూహాలు అపధ్రువ స్వభావం కలిగి ఉంటాయి మరియు బయటికి పొడుచుకు వస్తాయి, ఉపరితలాన్ని అపధ్రువంగా మారుస్తాయి.

A) A మరియు R రెండూ నిజం, మరియు R అనేది Aకి సరైన వివరణ. B) A మరియు R రెండూ నిజం, కానీ R అనేది Aకి సరైన వివరణ కాదు. C) A నిజం, కానీ R తప్పు. D) A తప్పు, కానీ R నిజం. E) A మరియు R రెండూ తప్పు.

పరిష్కారం:

సరైన సమాధానం: A)

వివరణ: నిశ్చయ వాక్యం (A) నిజం. సిలికాన్‌లు నిజంగా జల వికర్షక స్వభావం కలిగి ఉంటాయి, అంటే అవి నీటిని వికర్షిస్తాయి. ఈ లక్షణం వాటర్‌ఫ్రూఫింగ్ ఏజెంట్లు మరియు సీలెంట్‌ల వంటి వివిధ అనువర్తనాలలో వాటిని ఉపయోగకరంగా చేస్తుంది. కారణం (R) కూడా నిజం మరియు నిశ్చయ వాక్యం (A)కి సరైన వివరణను అందిస్తుంది. సిలికాన్‌లు Si-O-Si ప్రధాన శ్రేణిని కలిగి ఉంటాయి, కానీ సిలికాన్ పరమాణువులు కర్బన ఆల్కైల్ (R) లేదా ఆరిల్ సమూహాలకు కూడా బంధించబడి ఉంటాయి. ఈ కర్బన సమూహాలు అపధ్రువ స్వభావం కలిగి ఉంటాయి. సిలికాన్‌లు స్థూల పదార్థంగా ఏర్పడినప్పుడు, ఈ అపధ్రువ R సమూహాలు ధ్రువ Si-O కేంద్రకాన్ని ప్రభావవంతంగా చుట్టుముట్టి, అపధ్రువ, నీటిని వికర్షించే ఉపరితలాన్ని అందిస్తాయి.

చిన్న సమాధాన ప్రశ్నలు

ప్రశ్న 6

సిలికాన్‌ల తయారీ మరియు రెండు ముఖ్యమైన ఉపయోగాలు వివరించండి.

మాదిరి సమాధానం:

సిలికాన్‌ల తయారీ: సిలికాన్‌లు ఆల్కైల్ లేదా ఆరిల్ ప్రతిక్షేపిత క్లోరోసిలేన్‌లైన RSiCl₃, R₂SiCl₂, R₃SiCl, లేదా వాటి మిశ్రమాల నుండి తయారు చేయబడే ఆర్గానోసిలికాన్ పాలిమర్‌లు.

1. ప్రత్యక్ష సంశ్లేషణ: ఆల్కైల్ హాలైడ్‌లు (ఉదాహరణకు, CH₃Cl) రాగి పొడిని ఉత్ప్రేరకంగా ఉపయోగించి అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద (సుమారు 570 K) సిలికాన్‌తో చర్య జరిపి వివిధ మిథైల్-ప్రతిక్షేపిత క్లోరోసిలేన్‌లను ఏర్పరుస్తాయి. 2CH₃Cl + Si \xrightarrow\{Cu, 570K\} (CH₃)₂SiCl₂ (dimethyl dichlorosilane) CH₃SiCl₃ మరియు (CH₃)₃SiCl వంటి ఇతర ఉత్పత్తులు కూడా ఏర్పడతాయి.
2. జల విశ్లేషణ: క్లోరోసిలేన్‌లు జల విశ్లేషణకు గురై సిలేనాల్‌లను ఏర్పరుస్తాయి, ఇవి అస్థిరమైనవి మరియు సులభంగా సంక్షేపణ పాలిమరైజేషన్‌కు గురవుతాయి. (CH₃)₂SiCl₂ + 2H₂O \rightarrow (CH₃)₂Si(OH)₂ + 2HCl (dimethyl silanol)
3. పాలిమరైజేషన్: సిలేనాల్‌లు నీటి అణువులను తొలగించడం ద్వారా లీనియర్, సైక్లిక్, లేదా క్రాస్-లింక్డ్ పాలిమెరిక్ సిలికాన్‌లను ఏర్పరుస్తాయి. n (CH₃)₂Si(OH)₂ \rightarrow [-O-Si(CH₃)₂-]n + nH₂O (Linear silicone)

సిలికాన్‌ల ఉపయోగాలు:

1. వాటర్‌ఫ్రూఫింగ్ ఏజెంట్లు: వాటి జల వికర్షక స్వభావం మరియు తక్కువ ఉపరితల ఉద్రిక్తత కారణంగా, సిలికాన్‌లు బట్టలు, కాగితం మరియు రాతి పనికి వాటర్‌ఫ్రూఫింగ్‌లో ఉపయోగించబడతాయి.
2. సీలెంట్లు మరియు అడ్హెసివ్‌లు: అవి అద్భుతమైన సీలెంట్లు, నిర్మాణం, ఆటోమోటివ్ మరియు ఎలక్ట్రానిక్ పరిశ్రమలలో ఉపయోగించబడతాయి, వాటి వశ్యత, ఉష్ణ స్థిరత్వం మరియు అడ్హెసివ్ లక్షణాల కారణంగా.
3. కందెనలు: సిలికాన్ నూనెలు అధిక ఉష్ణోగ్రత కందెనలుగా ఉపయోగించబడతాయి, వాటి ఉష్ణ స్థిరత్వం మరియు ఉష్ణోగ్రతతో తక్కువ స్నిగ్ధత మార్పుల కారణంగా.
4. కాస్మెటిక్స్ మరియు మెడికల్ ఇంప్లాంట్లు: వాటి బయోకంపాటిబిలిటీ మరియు జడత్వం వాటిని కాస్మెటిక్స్, వ్యక్తిగత సంరక్షణ ఉత్పత్తులు మరియు వివిధ వైద్య ఇంప్లాంట్లలో (ఉదాహరణకు, బ్రెస్ట్ ఇంప్లాంట్లు, పేస్‌మేకర్లు) ఉపయోగించడానికి అనుకూలంగా చేస్తుంది.

ప్రశ్న 7

సిలికాన్ డయాక్సైడ్ (SiO₂) ఒక సమయోజనీయ నెట్‌వర్క్ ఘనపదార్థం, అయితే కార్బన్ డయాక్సైడ్ (CO₂) ఒక వివిక్త అణు ఘనపదార్థం. నిర్మాణం మరియు లక్షణాలలో ఈ వ్యత్యాసానికి కారణం వివరించండి.

మాదిరి సమాధానం:

SiO₂ మరియు CO₂ ల నిర్మాణాలలో ప్రాథమిక వ్యత్యాసం కార్బన్ మరియు సిలికాన్‌ను కలిగి ఉన్న pπ-pπ బంధం యొక్క విభిన్న స్వభావం నుండి ఉత్పన్నమవుతుంది.

1. కార్బన్ డయాక్సైడ్ (CO₂):

   • కార్బన్ పీరియడ్ 2 లోని ఒక చిన్న పరమాణువు. ఇది ఆక్సిజన్‌తో బలమైన మరియు స్థిరమైన pπ-pπ బంధాలను ఏర్పరచగలదు.
   • CO₂ లో, కార్బన్ రెండు ఆక్సిజన్ పరమాణువులతో రెండు ద్విబంధాలను (O=C=O) ఏర్పరుస్తుంది. ఇది ఒక వివిక్త, సరళ, త్రైపరమాణు అణువుగా పరిణమిస్తుంది.
   • ఈ CO₂ అణువులు బలహీనమైన అంతరాణు వాన్ డెర్ వాల్స్ బలగాల ద్వారా కలిసి ఉంటాయి.
   • తత్ఫలితంగా, CO₂ గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద వాయువు మరియు తక్కువ ఉష్ణోగ్రతల వద్ద అణు ఘనపదార్థం, చాలా తక్కువ ద్రవీభవన మరియు మరిగే స్థానాన్ని కలిగి ఉంటుంది.

2. సిలికాన్ డయాక్సైడ్ (SiO₂):

   • సిలికాన్ పీరియడ్ 3 లోని ఒక పెద్ద పరమాణువు. దాని పెద్ద పరమాణు పరిమాణం మరియు మరింత విస్తరించిన 3p ఆర్బిటాళ్ళ కారణంగా, ఆక్సిజన్‌తో pπ-pπ అతివ్యాప్తి కార్బన్‌తో పోలిస్తే చాలా తక్కువ ప్రభావవంతమైనది మరియు తక్కువ స్థిరమైనది.
   • ద్విబంధాలను ఏర్పరచడానికి బదులుగా, సిలికాన్ నాలుగు బలమైన Si-O ఏక బంధాలను ఏర్పరచడానికి ఇష్టపడుతుంది.
   • SiO₂ (ఉదాహరణకు, క్వార్ట్జ్) లో, ప్రతి సిలికాన్ పరమాణువు నాలుగు ఆక్సిజన్ పరమాణువులకు టెట్రాహెడ్రల్‌గా బంధించబడి ఉంటుంది, మరియు ప్రతి ఆక్సిజన్ పరమాణువు రెండు సిలికాన్ పరమాణువుల ద్వారా పంచుకోబడుతుంది. ఇది ఒక పెద్ద, త్రి-పరిమాణ సమయోజనీయ నెట్‌వర్క్ నిర్మాణాన్ని (లేదా మాక్రోమాలిక్యుల్) ఏర్పరుస్తుంది.
   • ఈ నెట్‌వర్క్‌ను విచ్ఛిన్నం చేయడానికి బలమైన సమయోజనీయ బంధాలను అధిగమించడానికి గణనీయమైన శక్తి అవసరం.
   • అందువల్ల, SiO₂ ఒక కఠినమైన, అధిక ద్రవీభవన స్థానం గల ఘనపదార్థం, ఇది నీటిలో కరగదు మరియు సాధారణంగా చర్యారహితంగా ఉంటుంది.

క్లుప్తంగా చెప్పాలంటే, కార్బన్ స్థిరమైన pπ-pπ బంధాలను ఏర్పరచగల సామర్థ్యం వివిక్త CO₂ అణువులకు దారితీస్తుంది, అయితే సిలికాన్ దానిని ప్రభావవంతంగా చేయలేకపోవడం SiO₂ కోసం విస్తరించిన సమయోజనీయ నెట్‌వర్క్ నిర్మాణానికి దారితీస్తుంది.

ఉన్నత స్థాయి ఆలోచనా నైపుణ్యాల (HOTS) ప్రశ్న

ప్రశ్న 8

సిలికాన్ ఒక సెమీకండక్టర్ మరియు ఎలక్ట్రానిక్ పరికరాలలో విస్తృతంగా ఉపయోగించబడుతుంది. స్వచ్ఛమైన సిలికాన్ యొక్క విద్యుత్ వాహకత డోపింగ్ ద్వారా ఎలా విపరీతంగా మార్చబడుతుందో, n-రకం మరియు p-రకం సెమీకండక్టర్లు రెండింటినీ వివరిస్తూ వివరించండి.

వివరణాత్మక రసాయన వివరణ:

స్వచ్ఛమైన సిలికాన్ ఒక అంతర్గత సెమీకండక్టర్, అంటే గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద దీనికి చాలా తక్కువ విద్యుత్ వాహకత ఉంటుంది. ఎక్కువ ఎలక్ట్రాన్లు సమయోజనీయ బంధాల నుండి విముక్తి పొంది వాహకత బ్యాండ్‌లోకి వెళ్లడానికి తగినంత శక్తిని పొందినప్పుడు, ఎలక్ట్రాన్-హోల్ జంటలను సృష్టించినప్పుడు ఉష్ణోగ్రతతో దాని వాహకత పెరుగుతుంది. అయితే, ఆచరణాత్మక ఎలక్ట్రానిక్ అనువర్తనాల కోసం, దాని వాహకతను ఖచ్చితంగా నియంత్రించాల్సిన అవసరం ఉంది, ఇది డోపింగ్ అనే ప్రక్రియ ద్వారా సాధించబడుతుంది.

డోపింగ్ అంటే స్వచ్ఛమైన సిలికాన్‌కు తక్కువ మొత్తంలో మలిన మూలకాన్ని కలపడం. ఈ మలినాలు ఎలక్ట్రాన్ల అధికతను లేదా “హోల్స్” (ఖాళీ ఎలక్ట్రాన్ స్థానాలు) అధికతను సృష్టిస్తాయి, తద్వారా వాహకతను పెంచుతాయి.

1. n-రకం సెమీకండక్టర్ (Negative-type):

   • డోపెంట్: స్వచ్ఛమైన సిలికాన్ (గ్రూప్ 14 మూలకం, 4 వాలెన్స్ ఎలక్ట్రాన్లు) ఫాస్పరస్ (P), ఆర్సెనిక్ (As), లేదా యాంటిమోనీ (Sb) వంటి గ్రూప్ 15 నుండి పంచసంయోజక మలినాన్ని ఉపయోగించి డోప్ చేయబడుతుంది.
   • విధానం: ఒక పంచసంయోజక పరమాణువు (ఉదాహరణకు, P) స్పటిక లాటిస్‌లోని ఒక సిలికాన్ పరమాణువును భర్తీ చేసినప్పుడు, దాని ఐదు వాలెన్స్ ఎలక్ట్రాన్‌లలో నాలుగు చుట్టుపక్కల నాలుగు సిలికాన్ పరమాణువులతో సమయోజనీయ బంధాలను ఏర్పరుస్తాయి. ఐదవ వాలెన్స్ ఎలక్ట్రాన్ ఫాస్పరస్ పరమాణువు ద్వారా వదులుగా పట్టుకోబడుతుంది.
   • చార్జ్ క్యారియర్‌లు: ఈ అదనపు ఎలక్ట్రాన్ బంధంలో పాల్గొనదు మరియు వాహకత బ్యాండ్‌లోకి వెళ్లడానికి చాలా తక్కువ శక్తి అవసరం. ఇది ఒక స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్గా మారుతుంది, ఇది ప్రతికూల చార్జ్ క్యారియర్. మలిన పరమాణువులను దాత మలినాలు అంటారు ఎందుకంటే అవి ఎలక్ట్రాన్‌ను “దానం” చేస్తాయి.
   • వాహకత: n-రకం సెమీకండక్టర్లలో, ఎలక్ట్రాన్లు మెజారిటీ చార్జ్ క్యారియర్‌లు, మరియు హోల్స్ మైనారిటీ చార్జ్ క్యారియర్‌లు. వాహకత ప్రధానంగా ఈ అధిక స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్ల కదలిక కారణంగా ఉంటుంది.

2. p-రకం సెమీకండక్టర్ (Positive-type):

   • డోపెంట్: స్వచ్ఛమైన సిలికాన్ బోరాన్ (B), అల్యూమినియం (Al), లేదా గాలియం (Ga) వంటి గ్రూప్ 13 నుండి త్రిసంయోజక మలినాన్ని ఉపయోగించి డోప్ చేయబడుతుంది.
   • విధానం: ఒక త్రిసంయోజక పరమాణువు (ఉదాహరణకు, B) స్పటిక లాటిస్‌లోని ఒక సిలికాన్ పరమాణువును భర్తీ చేసినప్పుడు, అది తన మూడు వాలెన్స్ ఎలక్ట్రాన్‌లను చుట్టుపక్కల నాలుగు సిలికాన్ పరమాణువులలో మూడింటితో సమయోజనీయ బంధాలను ఏర్పరచడానికి ఉపయోగిస్తుంది. నాల్గవ సమయోజనీయ బంధాన్ని పూర్తి చేయడానికి, బోరాన్ పరమాణువు ప్రక్కనే ఉన్న సిలికాన్-సిలికాన్ బంధం నుండి ఒక ఎలక్ట్రాన్‌ను “స్వీకరిస్తుంది”.
   • చార్జ్ క్యారియర్‌లు: ఎలక్ట్రాన్‌ను స్వీకరించడం సమయోజనీయ బంధ నెట్‌వర్క్‌లో ఒక హోల్‌ను (ధనాత్మక ఖాళీ) సృష్టిస్తుంది. ఈ హోల్ అప్పుడు మరొక బంధం నుండి ఒక ఎలక్ట్రాన్ దానిలోకి దూకడం ద్వారా స్పటిక లాటిస్ గుండా కదులుతుంది. మలిన పరమాణువులను గ్రాహక మలినాలు అంటారు ఎందుకంటే అవి ఎలక్ట్రాన్‌ను “స్వీకరించి”, ఒక హోల్‌ను సృష్టిస్తాయి.
   • వాహకత: p-రకం సెమీకండక్టర్లలో, హోల్స్ మెజారిటీ చార్జ్ క్యారియర్‌లు, మరియు ఎలక్ట్రాన్లు మైనారిటీ చార్జ్ క్యారియర్‌లు. వాహకత ప్రధానంగా ఈ హోల్స్ కదలిక కారణంగా ఉంటుంది.

డోపింగ్ ద్వారా, చార్జ్ క్యారియర్‌ల (ఎలక్ట్రాన్లు లేదా హోల్స్) గాఢతను అనేక ఆర్డర్‌ల పరిమాణంలో పెంచవచ్చు, ఇది సిలికాన్‌ను డయోడ్‌లు, ట్రాన్సిస్టర్‌లు, ఇంటిగ్రేటెడ్ సర్క్యూట్‌లు మరియు ఇతర ఎలక్ట్రానిక్ భాగాలకు కీలకమైన అత్యంత ప్రభావవంతమైన మరియు నియంత్రించదగిన సెమీకండక్టర్‌గా మారుస్తుంది.