Tài liệu Xác định hàm lượng silic trong vỏ trấu và tro trấu bằng phương pháp quang phổ

A-PDF OFFICE Luận TO PDF Purchase from www.A-PDF.com to remove watermark văn DEMO: tốt nghiệp Khoa the Khoa Học Tự Nhiên BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
 NGUYỄN THỊ MAI CHI XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG SILIC TRONG VỎ TRẤU VÀ TRO TRẤU BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên Ngành: Hóa Học Mã Số: 2064800 Nguyễn Thị Mai Chi – MSSV: 2064800 1 Luận văn tốt nghiệp Khoa Khoa Học Tự Nhiên CẦN THƠ – 2010 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
 NGUYỄN THỊ MAI CHI XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG SILIC TRONG VỎ TRẤU VÀ TRO TRẤU BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên Ngành: Hóa Học Mã Số: 2064800 HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. PHẠM PHƯỚC NHẪN CẦN THƠ - 2010 Nguyễn Thị Mai Chi – MSSV: 2064800 2 Luận văn tốt nghiệp Khoa Khoa Học Tự Nhiên MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Chương 1: LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU 3 1.1. GIỚI THIỆU VỀ SILIC VÀ CÁC HỢP CHẤT CỦA SILIC ....................3 1.1.1. Lịch sử phát hiện .............................................................................3 1.1.2. Tính chất lí, hóa học ........................................................................4 1.1.3. Những công dụng của silic dựa vào tính bán dẫn ............................6 1.1.3.1. Chất bán dẫn kiểu n ..................................................................6 1.1.3.2. Chất bán dẫn kiểu p ..................................................................7 1.1.3.3. Pin Mặt Trời .............................................................................7 1.1.3.4. Bộ chỉnh lưu .............................................................................8 1.1.3.5. Tranzito ....................................................................................9 1.1.3.6. Mạch tổ hợp..............................................................................9 1.1.4. Trạng thái thiên nhiên và phương pháp ñiều chế[1] ...........................9 1.1.5. Các hợp chất của silic ....................................................................11 1.1.5.1. Silan .......................................................................................11 1.1.5.2. Silic mono-oxyt ......................................................................13 1.1.5.3. Silic di-oxyt ............................................................................13 1.1.5.4. Axit silixic ..............................................................................20 1.1.5.5. Silicat .....................................................................................21 1.1.5.6. Thủy tinh ................................................................................28 1.1.5.7. Đồ gốm...................................................................................31 1.1.5.8. Những vật liệu gốm khác ........................................................33 1.1.5.9. Xi măng ..................................................................................34 1.1.5.10. Silic tetrahalogenua...............................................................35 1.1.5.11. Silic cacbua...........................................................................37 1.2. Tầm quan trọng của silic ñối với con người và thực vật..........................38 1.2.1. Đối với con người .........................................................................38 1.2.2. Đối với thực vật.............................................................................39 1.2.2.1. Sự hấp thu và tích lũy của silic trong thực vật ........................39 Nguyễn Thị Mai Chi – MSSV: 2064800 3 Luận văn tốt nghiệp Khoa Khoa Học Tự Nhiên 1.2.2.2. Chức năng của silic ñối với cây trồng ....................................39 1.2.2.3. Việc sử dụng silic ñể tăng năng suất cây trồng ........................41 Chương 2: PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN 43 2.1. ĐỊA ĐIỂM THỰC HIỆN .......................................................................43 2.2. THỜI GIAN ...........................................................................................43 2.3. PHƯƠNG TIỆN.....................................................................................43 2.3.1. Dụng cụ.........................................................................................43 2.3.2. Hóa chất ........................................................................................45 2.3.3. Nguyên vật liệu .............................................................................45 2.4. PHƯƠNG PHÁP....................................................................................47 2.4.1. Tiến hành thí nghiệm:....................................................................47 2.4.2. Tính toán kết quả:..........................................................................49 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 51 3.1. XÂY DỰNG QUY TRÌNH XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG SILIC TRONG VỎ TRẤU VÀ TRO TRẤU..........................................................................51 3.2. XÂY DỰNG ĐƯỜNG CHUẨN ..........................................................51 3.3. XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG SILIC TRONG VỎ TRẤU VÀ TRO TRẤU ......................................................................................................................53 3.4. KIỂM TRA HÀM LƯỢNG SILIC TRONG 2 SẢN PHẨM SILYSOL VÀ ORYMAX ..............................................................................................56 Chương 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 58 4.1. KẾT LUẬN............................................................................................58 4.2. KIẾN NGHỊ ...........................................................................................58 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Thị Mai Chi – MSSV: 2064800 59 4 Luận văn tốt nghiệp Khoa Khoa Học Tự Nhiên DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1 Nhiệt ñộ nóng chảy và nhiệt ñộ sôi của bốn silan ñầu 11 Bảng 2 Thành phần % của thủy tinh Iena và thủy tinh Pyrex 29 Bảng 3 Nhiệt ñộ nóng chảy (Nñnc.) và nhiệt ñộ sôi (Nñs.) của các Silic tetrahalogenua Bảng 4 Hiệu quả của việc cung cấp lượng Si ở những mức ñộ khác nhau lên sự sinh trưởng của cây lúa ở vùng ñất thấp 36 41 Bảng 5 Trình tự pha dãy chuẩn 48 Bảng 6 Số lần vi sóng và thời gian ngâm mẫu 49 Bảng 7 Kết quả hàm lượng silic trong tro trấu và vỏ trấu 53 Bảng 8 Kết quả hàm lượng silic trong sản phẩm Silysol và Orymax Nguyễn Thị Mai Chi – MSSV: 2064800 56 5 Luận văn tốt nghiệp Khoa Khoa Học Tự Nhiên DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1 Trấu ñổ tràn sông 2 Hình 2 Cấu tạo nguyên tử silic 4 Hình 3 Cấu trúc của pin mặt trời silicon và cơ chế tạo ra dòng ñiện 8 Hình 4 Sơ ñồ biến ñổi dạng tinh thể của silic di-oxyt 14 Hình 5 Kiến trúc tinh thể của thạch anh β (a), triñimit β (b), và cristobalit (c) 15 Hình 6 Pha lê thiên nhiên 17 Hình 7 Thạch anh 17 Hình 8 Tinh thể thạch anh quay phải và tinh thể thạch anh quay trái 18 Hình 9 Công thức dung dịch keo của axit silicic 20 Hình 10 Tứ diện ñều SiO4 22 Hình 11 Anion ( SiO32− ) n 23 Hình 12 Anion Si 2 O76 − 24 Hình 13 Anion ( Si 4 O116 − ) n 24 Hình 14 Anion Si3O96− và anion Si6 O1812 − 25 Hình 15 Anion ( Si2 O52− ) n 26 Hình 16 Cấu trúc một số loại zeolite 28 Nguyễn Thị Mai Chi – MSSV: 2064800 6 Luận văn tốt nghiệp Khoa Khoa Học Tự Nhiên Hình 17 Sản phẩm làm từ thủy tinh 30 Hình 18 Cấu tạo tứ diện ñều của Silic tetrahalogenua 36 Hình 19 Máy quang phổ 44 Hình 20 Pipetman 44 Hình 21 Dung dịch Silic chuẩn 46 Hình 22 Nguyên liệu vỏ trấu trước và sau khi xay 46 Hình 22 Nguyên liệu tro trấu trước và sau khi xay 46 Hình 24 Ly trích silic từ vỏ trấu 50 Hình 25 Ly trích silic từ tro trấu 50 Hình 26 Dãy chuẩn 51 Hình 27 Đồ thị thể hiện sự thay ñổi ñộ hấp thu theo nồng ñộ silic 52 Hình 28 Sản phẩm Silysol và Orymax 56 Nguyễn Thị Mai Chi – MSSV: 2064800 7 Luận văn tốt nghiệp Khoa Khoa Học Tự Nhiên MỞ ĐẦU --------

--------- Việt Nam là nước có nền văn minh lúa nước rất lâu ñời, từ lâu cây lúa ñã gắn liền với ñời sống của nhân dân. Không chỉ hạt lúa ñược sử dụng làm thực phẩm chính, mà các phần còn lại sau khi ñã thu hoạch lúa cũng ñược người dân tận dụng trở thành những vật liệu có ích trong ñời sống hàng ngày. Ví dụ: rơm ñược sử dụng lợp nhà, cho gia súc ăn, làm chất ñốt hoặc ủ làm phân; trấu dùng làm chất ñốt, trộn với ñất sét làm vật liệu xây dựng hay ñược dùng như là một nguồn nguyên liệu thay thế cung cấp nhiệt trong sản xuất với giá rất rẻ. Từ lâu, vỏ trấu ñã là một loại chất ñốt rất quen thuộc với bà con nông dân, ñặc biệt là bà con nông dân ở vùng Đồng Bằng Sông Cửu Long (ĐBSCL). Nó ñược sử dụng rất nhiều trong cả sinh hoạt (nấu ăn, nấu thức ăn gia súc) và sản xuất (làm gạch, sấy lúa) nhờ những ưu ñiểm sau:[16] • Có khả năng cháy và sinh nhiệt tốt do thành phần có 75% là chất xơ. • Nguyên liệu trấu có các ưu ñiểm nổi bật khi sử dụng làm chất ñốt: vỏ trấu sau khi xay xát ở luôn ở dạng khô, có hình dáng nhỏ và rời, tơi xốp, nhẹ, vận chuyển dễ dàng. Thành phần là chất xơ cao phân tử rất khó cho vi sinh vật sử dụng nên việc bảo quản, tồn trữ rất ñơn giản, chi phí ñầu tư ít. • Trấu là nguồn nguyên liệu rất dồi dào và lại rẻ tiền: ông Nguyễn Duy Cần, Phó Giám ñốc Viện Nghiên cứu Phát triển ĐBSCL, cho rằng: “Hiện ĐBSCL có sản lượng lúa hơn 20 triệu tấn. Nếu lấy tỷ lệ trung bình là 100 kg lúa cho 20 kg trấu thì mỗi năm trong vùng có trên 4 triệu tấn trấu. Trong ñó, có 50% lượng trấu ñược bán cho các mục ñích sử dụng như: làm chất ñốt cho lò sấy, nung gạch, nấu nướng... Còn lại khoảng 50% là lượng trấu dư thừa, ñược ñốt hoặc bỏ xuống sông gây ô nhiễm môi trường (hình 1). Nguyễn Thị Mai Chi – MSSV: 2064800 8 Luận văn tốt nghiệp Khoa Khoa Học Tự Nhiên Hình 1: Trấu ñổ tràn sông (Nguồn: http://www.viendongdaily.com/Contents.aspx?item=0&contentid=7608) Trấu là lớp vỏ ngoài cùng của hạt lúa và ñược tách ra trong quá trình xay xát. Trong trấu và tro trấu có chứa nhiều silic oxyt, ñây là thành phần ñược sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực như xây dựng, luyện thủy tinh...Vấn ñề tận dụng oxyt silic trong vỏ trấu hiện ñang rất ñược quan tâm. Mặt khác, silic có lợi cho cây trồng trong nhiều mặt: nó giúp nâng cao tỷ lệ hấp thu nhiều dưỡng chất quan trọng cho thực vật; giúp làm giảm sự nhiễm bệnh do vi nấm và giảm sự phá hại của côn trùng do kích thích cây tăng cường hệ thống tự bảo vệ, làm cho thành tế bào dầy, cứng, giúp cho cây lúa trồng ñược trên vùng ñất nhiễm mặn, vùng bị tạp nhiễm bởi kim loại nặng; giúp cho cây trồng chống lại tổn hại do tia cực tím gây ra[10]. Silic là nguyên tố rất giàu trong lớp vỏ trái ñất, ít ai nghĩ rằng ñất trồng thiếu silic. Tuy nhiên, silic trong ñất hầu hết nằm ở dạng không hòa tan gồm cát, khoáng thạch anh và di-oxyt silic. Vì hầu hết các hợp chất chứa silic nằm ở dạng trơ nên silic hữu hiệu trong ñất rất thấp. Do vậy, bổ sung nguồn silic dễ hấp thu cho cây trồng là vô cùng cần thiết. Xuất phát từ những nhu cầu thực tiễn nêu trên, ñề tài “xác ñịnh hàm lượng silic trong vỏ trấu và tro trấu bằng phương pháp quang phổ” ñược thực hiện nhằm góp phần tìm hiểu thêm về nguồn nguyên liệu có chứa silic, tạo tiền ñề cho các nghiên cứu về sau. Nguyễn Thị Mai Chi – MSSV: 2064800 9 Luận văn tốt nghiệp Khoa Khoa Học Tự Nhiên Chương 1: LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU --------

--------- 1.1. GIỚI THIỆU VỀ SILIC VÀ CÁC HỢP CHẤT CỦA SILIC Chúng ta ñang sống trong thế giới của Si, nguyên tố phổ biến thứ hai trong vỏ Trái Đất, sau oxy. Hợp chất với oxy của nguyên tố ñứng thứ 14 trong Bảng Hệ Thống Tuần Hoàn này (ở nhiều dạng khác nhau của silica, silicat và aluminosilicat) cấu tạo nên ¾ thạch quyển. Ở dạng dung dịch hoặc huyền phù, các dẫn xuất oxy của Si hiện diện trong tất cả nguồn nước trên hành tinh. Trong khí quyển Trái Đất luôn hiện diện silica và bụi silicat, gồm cả những phần có nguồn gốc vũ trụ. Hơn nữa, các hợp chất Si có trong thành phần cấu tạo của sinh vật và ñóng vai trò xác ñịnh, thường là rất quan trọng: tham gia vào hoạt ñộng sống. Chúng thật sự cần thiết cho sự hiện diện của sự sống tự nhiên trên Trái Đất. Mặt khác, bao quanh chúng ta là vật liệu nhân tạo có thành phần là các hợp chất Si vô cơ. Chúng bao gồm các sản phẩm trọng tải lớn của ngành công nghiệp như: xi măng, bê tông, gạch, ñá xây dựng, gốm kỹ thuật, v.v. Các hợp chất Si cũng tạo nên những vật liệu tuyệt hảo như: thủy tinh, sứ, sành, gốm thủy tinh, carborundum (dùng ñể mài), silicagel, bột silic, zeolite (cơ sở cho nhiều chất xúc tác và vật liệu khác), ñá trân châu, thủy tinh lỏng và nhiều loại ñá quý. Trong nửa thế kỷ qua, các polime silic hữu cơ nhân tạo polysiloxane hầu như ñã thâm nhập vào trong tất cả các ngành công nghiệp, nông nghiệp và y học[12]. 1.1.1. Lịch sử phát hiện Silic (tên Latinh là Silicium) là nguyên tố hóa học nhóm IV trong Bảng hệ thống tuần hoàn, số thứ tự nguyên tử 14, khối lượng nguyên tử là 28,086 (hình 2), cứng, có màu xám sẫm - ánh xanh kim loại, là á kim có hóa trị +4. Nguyễn Thị Mai Chi – MSSV: 2064800 10 Luận văn tốt nghiệp Khoa Khoa Học Tự Nhiên Hình 2: Cấu tạo nguyên tử silic (Nguồn: http://www.green-planet-solar-energy.com/silicon-element-facts.html) Năm 1825, nhà hóa học kiêm khoáng vật học Thụy Điển J.J. Berzelius ñã tìm ra silic dưới dạng nguyên tố hóa học ñộc lập. Khi ñun nóng kali flosilicat với kali, ông ñã tách ñược silic ra khỏi hợp chất ñó: K2SiF6 + 4K = 6KF + Si Berzelius gọi nguyên tố mới ñó là “silici” (từ chữ Latinh “silex” nghĩa là “ñá lửa”[2]. Silic là một trong những nguyên tố quan trọng của thế giới vô sinh: chiếm 28% khối lượng vỏ Trái Đất và là nguyên tố phổ biến thứ hai sau oxy (47%)[15]. 1.1.2. Tính chất lí, hóa học[1] Silic tinh khiết ở dạng tinh thể lập phương có kiến trúc tương tự kim cương. Trong mạng lưới tinh thể ñó, mỗi nguyên tử Si liên kết cộng hóa trị với bốn nguyên tử Si bao quanh kiểu hình tứ diện ñều. Độ dài của liên kết Si − Si là 2,34 Å. Giống với kim cương, silic tinh thể cũng cứng (ñộ cứng bằng 7), rất khó nóng chảy, khó sôi (nñnc. là 1428oC và nñs. là 3280oC) và có tỉ khối là 2,33. Trong tinh thể có một phần nào ñó sự không ñịnh chỗ của liên kết nên silic tinh thể có màu xám, có ánh kim và là Nguyễn Thị Mai Chi – MSSV: 2064800 11 Luận văn tốt nghiệp Khoa Khoa Học Tự Nhiên chất bán dẫn (∆E = 1,12eV). Silic bán dẫn chịu ñược nhiệt ñộ cao (250oC) hơn gecmani bán dẫn (75oC). Silic không có dạng tinh thể giống với than chì. Silic "vô ñịnh hình" là chất bột màu hung thực tế cũng gồm những vi tinh thể silic lập phương. Ngày nay bằng áp suất rất cao, người ta ñiều chế ñược một dạng tinh thể lập phương khác của silic có tỉ khối (là 2,55) lớn hơn và trong mạng lưới gồm những tứ diện lệch, với liên kết Si − Si có ñộ dài 2,3 và 2,39 Å. Silic không tan trong các dung môi mà chỉ tan trong một số kim loại nóng chảy như nhôm, bạc, kẽm, thiếc, chì (không có tương tác hóa học). Khi ñể nguội những dung dịch ñó, silic sẽ kết tinh và tính chất này ñược sử dụng ñể ñiều chế silic tinh thể. Nói chung, ở ñiều kiện thường, silic khá trơ về mặt hóa học vì có mạng lưới tinh thể rất bền. Silic "vô ñịnh hình" hoạt ñộng hơn silic tinh thể. Ở nhiệt ñộ thường, silic chỉ tương tác với flo tạo nên tetraflorua SiF4 và phát ra nhiều nhiệt : Si + 2F2 = SiF4, ∆Ho = -1563,3 kJ Với clo và brom, nó tương tác ở 500oC tạo thành silic tetrahalogenua tương ứng. Ở 600oC, nó cháy trong oxy và phản ứng cháy phát ra nhiều nhiệt : Si + O2 = SiO2 (thạch anh α), ∆Ho = -715,5 kJ Cũng tại nhiệt ñộ ñó, Silic tương tác với lưu huỳnh tạo thành silic ñisunfua (SiS2). Silic tương tác với nitơ ở 1000oC tạo thành silic nitrua (Si3N4) với carbon và bo ở 2000oC tạo thành silic cacbua (SiC) và bo xilixua (B3Si, B6Si). Ở khoảng 800-900oC, silic tác dụng với một số kim loại như magie, canxi, sắt, platin, ñồng tạo thành silixua. Ví dụ : 2Mg + Si = Mg2Si Giống với cacbua, silixua của kim loại chuyển tiếp thường là hợp chất kiểu xâm nhập, thành phần của chúng không ứng với hóa trị bình thường của các nguyên tố. Ở ñiều kiện thường, silic không tác dụng với nước, nhưng ở 800oC cho phản ứng: Nguyễn Thị Mai Chi – MSSV: 2064800 12 Luận văn tốt nghiệp Khoa Khoa Học Tự Nhiên Si + 2H2O = SiO2 + 2H2 Ở ñiều kiện thường, silic bền ñối với các axit và cường thủy, chỉ tan trong hỗn hợp hai axit HF và HNO3 : 8Si + 4HNO3 + 18HF = 3H2SIF6 + 4NO + 8H2O Bột mịn silic tác dụng với hơi HF nóng theo phản ứng : Si + 4HF = SIF4 + 2H2 tác dụng với HCl ở trên 300oC và HBr ở trên 500oC tạo nên SiX4 và silan halogenua (SiHX3, SiH2X2, SiH3X), ở ñây X là halogen. Tuy nhiên silic tương tác mãnh liệt với dung dịch kiềm giải phóng H2 : Si + 2KOH + H2O = K2SiO3 + 2H2 Phản ứng này cũng xảy ra với dung dịch có nồng ñộ của ion OH- rất bé. Vì muối silicat kim loại kiềm do phản ứng sinh ra bị thủy phân gần như hoàn toàn ở trong dung dịch loãng cho nên nồng ñộ của ion OH- trong quá trình phản ứng không giảm xuống. Như thế dẫn ñến sự phân hủy nước bởi silic mà ion OH- là chất xúc tác. Lợi dụng phản ứng của silic với dung dịch kiềm, trước ñây người ta dùng hợp kim ferosilic ñể ñiều chế nhanh khí hidro ở mặt trận. 1.1.3. Những công dụng của silic dựa vào tính bán dẫn [1] Sau khi phát hiện ra rằng ñộ dẫn ñiện của chất bán dẫn biến ñổi ñột ngột nhưng ñiều khiển ñược nếu chứa một lượng tạp chất rất nhỏ, silic trở nên có nhiều công dụng quan trọng trong công nghiệp. 1.1.3.1. Chất bán dẫn kiểu n Khi cho thêm một lượng rất nhỏ photpho hay asen vào tinh thể silic, những nguyên tử ñược thêm ñó xâm nhập vào mạng lưới tinh thể của silic. Vì mỗi nguyên tử chỉ cần 4 electron hóa trị ñể tạo nên liên kết với 4 nguyên tử Si bao quanh nên ở nguyên tử P hay As có dư một electron. Electron ñó chiếm một mức năng lượng ở trong vùng dẫn của tinh thể silic. Nếu ñặt một thế hiệu lên tinh thể silic, electron ñó di chuyển xuyên suốt tinh thể và tinh thể dẫn ñiện. Trong trường hợp này sự dẫn ñiện gây Nguyễn Thị Mai Chi – MSSV: 2064800 13 Luận văn tốt nghiệp Khoa Khoa Học Tự Nhiên ra bởi sự di chuyển của electron âm ñiện nên silic là chất bán dẫn kiểu n (n là chữ viết tắt của từ negative tiếng Anh có nghĩa là âm). 1.1.3.2. Chất bán dẫn kiểu p Khi cho thêm một lượng rất nhỏ bo hay nhôm vào tinh thể silic, những nguyên tử ñược thêm này cũng xâm nhập vào mạng lưới tinh thể của silic. Vì cần 4 electron ñể tạo 4 liên kết với silic nên nguyên tử B hay Al phải lấy thêm một electron của nguyên tử Si bao quanh làm cho nguyên tử Si này mang ñiện tích dương. Lỗ khuyết trong vỏ electron hóa trị của silic ñược gọi là lỗ khuyết dương. Một electron từ nguyên tử Si khác ở bên cạnh di chuyển ñến lỗ khuyết dương ñó làm xuất hiện lỗ khuyết dương mới ở nguyên tử Si ñó và cứ như vậy hiện tượng xuất hiện lỗ khuyết dương tiếp tục xảy ra. Nếu ñặt một thế hiệu lên tinh thể silic, những lỗ khuyết dương di chuyển xuyên suốt tinh thể và tinh thể dẫn ñiện. Trong trường hợp này sự dẫn ñiện gây ra bởi sự di chuyển của các lỗ khuyết dương nên silic là chất bán dẫn kiểu p (p là chữ viết tắt từ positive tiếng Anh có nghĩa là dương). 1.1.3.3. Pin Mặt Trời Khi xếp một màng mỏng chất bán dẫn kiểu n lên trên một màng mỏng kiểu p, nếu chiếu ánh sáng Mặt Trời lên các lớp màng ñó (Hình 3), những electron tự do ở lớp trên theo dây dẫn của mạch ngoài ñược hút ñến các lỗ khuyết dương ở lớp dưới. Vì electron rời khỏi lớp kiểu n ñến tích lũy ở lớp kiểu p nên lớp trên trở nên dương và lớp dưới trở nên âm hơn. Electron ở lớp dưới ñược hút kéo lên lớp trên và mạch ñiện trở nên kín. Đó là sơ ñồ hoạt ñộng của pin quang ñiện hay thường gọi là pin Mặt Trời. Pin này chuyển hóa ñược 25% năng lượng Mặt Trời chiếu tới thành ñiện năng. Hàng vạn pin Mặt Trời ghép lại thành tấm có thể thay cho trạm ñiện. Pin Mặt Trời lần ñầu tiên ñược sáng chế vào những năm 50 của thế kỉ này nhưng bị lãng quên. Mãi ñến những năm 70, trên thế giới xảy ra cuộc khủng hoảng về năng lượng người ta mới trở lại quan tâm ñến pin Mặt Trời. Đến những năm 80 ñã mọc lên một số nhà máy lớn và trạm ñiện sử dụng pin Mặt Trời ñể cung cấp ñiện cho dân cư. Bấy lâu nay pin Mặt Trời ñã ñược dùng ñề cung cấp ñiện cho máy móc ở trong vệ tinh nhân tạo và tàu du hành vu trụ và ngày càng ñược dùng phổ biến hơn ví dụ như trong ñồng hồ và máy tính. Nguyễn Thị Mai Chi – MSSV: 2064800 14 Luận văn tốt nghiệp Khoa Khoa Học Tự Nhiên Hình 3: Cấu trúc của pin mặt trời silicon và cơ chế tạo ra dòng ñiện. Chấm ñen là ñiện tử e-; chấm trắng là lỗ trống h+. (Nguồn: http://erct.com/2-ThoVan/TruongVTan/Mat_troi_cua_chung_ta.htm) 1.1.3.4. Bộ chỉnh lưu Khi ghép một cực làm bằng chất bán dẫn kiểu p với một cực làm bằng chất bán dẫn kiểu n chúng ta ñược một mặt tiếp giáp p-n. Nếu ñặt một thế hiệu vào hai cực ñó thì xảy ra hai trường hợp : - Khi nối cực âm của dòng ñiện với cực chất bán dẫn kiểu n, electron di chuyển trong cực chất bán dẫn ñó và xuyên qua mặt tiếp giáp. Đồng thời electron rời khỏi cực chất bán dẫn kiểu p và sinh ra lỗ khuyết dương nhiều hơn, những lỗ khuyết dương này di chuyển qua mặt tiếp giáp, tại ñây electron ñi vào lỗ khuyết dương, electron và lỗ khuyết dương trung hòa nhau và tiếp tục có dòng ñiện chạy. - Khi nối các cực theo chiều ngược lại, electron ñi từ cực chất bán dẫn kiểu n theo dây dẫn của mạch ngoài vào cực chất bán dẫn kiểu p làm các lỗ khuyết dương di chuyển khỏi mặt tiếp giáp. Do ñó ở vùng gần mặt tiếp giáp trong chất bán dẫn kiểu p Nguyễn Thị Mai Chi – MSSV: 2064800 15 Luận văn tốt nghiệp Khoa Khoa Học Tự Nhiên không có lỗ khuyết dương, trong chất bán dẫn kiểu n không có electron tự do và không có dòng ñiện chạy. Vậy mặt tiếp giáp p-n chỉ dẫn ñiện theo một chiều nên có thể chuyển dòng ñiện xoay chiều thành dòng ñiện một chiều. Thiết bị ñó ñược gọi là bộ chỉnh lưu. Bộ chỉnh lưu bán dẫn thay cho ñiot ñiện tử trước ñây nên ñược gọi là ñiot bán dẫn. 1.1.3.5. Tranzito Tranzito ñược sáng chế từ năm 1948 và là áp dụng ñầu tiên của công nghệ bán dẫn. Đây là một thiết bị bán dẫn bao gồm một lớp màng mỏng chất bán dẫn kiểu n (hay kiểu p) kẹp giữa hai lớp màng mỏng chất bán dẫn kiểu p (hay kiểu n): n p n p n p Tranzito kiểu pnp hoạt ñộng nhờ sự di chuyển lỗ khuyết dương còn tranzito kiểu npn hoạt ñộng nhờ sự di chuyển electron. Tranzito có khả năng khuếch ñại dòng và thế ñiện. 1.1.3.6. Mạch tổ hợp Trước những năm 60, mỗi tranzito ñược gói riêng trong một vỏ bọc bằng kim loại hay bằng chất dẻo. Vài chục năm nay người ta phát triển việc sản xuất các mạch tổ hợp. Ngày nay một mạch tổ hợp bao gồm hàng ngàn ñiện trở, tranzito, chỉnh lưu và tụ ñiện ñược cấu tạo nên từ chất bán dẫn kiểu n và chất bán dẫn kiểu p ở trên một mảnh silic có kích thước vài milimet ñược cắt ra từ ñơn tinh thể silic. Có thể nói vi mạch silic là trái tim của ñồng hồ ñeo tay hiện số, máy tính và máy vi tính. Việc thu nhỏ mạch ñiện bằng tranzito và vi mạch tổ hợp là một cuộc cách mạng rất lớn trong ngành công nghiệp ñiện tử và ngành công nghiệp máy tính. 1.1.4. Trạng thái thiên nhiên và phương pháp ñiều chế[1] Nếu carbon là nguyên tố chủ chốt của thế giới hữu cơ thì silic cũng có vai trò tương tự như vậy ñối với thế giới vô cơ: vỏ rắn của Trái Đất gồm chủ yếu các silicat là hợp chất của silic với một số nguyên tố khác. Ngoài ra silic rất thường gặp ở dạng oxyt Nguyễn Thị Mai Chi – MSSV: 2064800 16 Luận văn tốt nghiệp Khoa Khoa Học Tự Nhiên SiO2, chủ yếu là cát. Silic lần ñầu tiên ñược J.J. Berzelius (1779 - 1848) ñiều chế vào năm 1823. Trong công nghiệp, silic kĩ thuật, với ñộ tinh khiết 95-98% ñược ñiều chế ở dạng khối lớn khi dùng than cốc hoặc can xi cacbua khử thạch anh trong lò ñiện ở nhiệt ñộ cao: SiO2 + 2C = Si + 2CO 3SiO + 2CaC2 = 3Si + 2CaO + 4CO Nếu cho thêm quặng sắt vào hỗn hợp phản ứng thì thu ñược hợp kim ferosilic. Hợp kim này có thể chứa 40-90% Si, ñược dùng trong luyện kim ñể ñưa silic vào các loại thép ñặc biệt khác nhau và gang silic. Gang silic chứa 12 - 17% Si, rất bền với axit nên thường dùng ñể chế tạo các bộ phận máy móc chịu axit. Trong luyện kim, người ta thường dùng silic kỹ thuật ñể làm chất khử oxy, chẳng hạn như khi cho thêm vào ñồng nóng chảy, silic khử ñồng oxyt thành ñồng kim loại. Trong phòng thí nghiệm, silic ñược ñiều chế bằng cách ñốt cháy một hỗn hợp gồm có bột magie và cát nghiền mịn: SiO2 + 2Mg = Si + 2MgO Cho hỗn hợp sản phẩm thu ñược lần lượt tác dụng với dung dịch HCl và dung dịch HF, MgO và SiO2 dư sẽ tan còn lại là silic ở dạng bột "vô ñịnh hình". Silic thu ñược còn chứa nhiều tạp chất, cho kết tinh lại trong những kim loại nóng chảy sẽ ñược silic tinh thể tinh khiết hơn. Silic dùng trong kĩ thuật bán dẫn cần phải ñặc biệt tinh khiết với hàm lượng tạp chất dưới 10 -9 % nguyên tử. Silic tinh khiết hóa học ñược ñiều chế bằng cách dùng hơi kẽm khử silic tetraclorua ở 1000oC trong ống thạch anh: SiCl4 + 2Zn = Si + 2ZnCl2 hoặc nhiệt phân monosilan ở trên 780oC: SiH4 = Si + 2H2 Từ silic tinh khiết hóa học, bằng phương pháp nóng chảy vùng người ta thu ñược silic tinh khiết ñặc biệt (ñến 99,9999 %), rồi từ silic tinh khiết ñặc biệt này, bằng Nguyễn Thị Mai Chi – MSSV: 2064800 17 Luận văn tốt nghiệp Khoa Khoa Học Tự Nhiên phương pháp nuôi tinh thể, người ta chế ñược những ñơn tinh thể silic dài tới 24 cm và có ñường kính 2 cm. 1.1.5. Các hợp chất của silic[1] 1.1.5.1. Silan Trong thí nghiệm ñiều chế silic "vô ñịnh hình” nếu lấy thừa magie thì khi chế hóa hỗn hợp sản phẩm của phản ứng với dung dịch HCl người ta sẽ nghe những tiếng nổ lốp ñốp và thấy khói trắng bay lên. Hiện tượng ñó ñược giải thích như sau: magie dư ñã tác dụng với silic tạo thành magie silixua rồi magie silixua tác dụng với axit giải phóng một hỗn hợp các khí gọi silan. Hỗn hợp silan ñó tự bốc cháy trong không khí tạo thành khói trắng và ñốt cháy khí hidro sinh ra bởi tương tác của magie với axít mà gây ra tiếng nổ. Silan là dãy hợp chất hidro silixua có cấu tạo phân tử tương tự những hidro cacbua dãy metan. Chúng có công thức chung là SinH2n+2. Hiện nay người ta biết ñược những silan sau ñây: monosilan (SiH4), ñisilan (Si2H6), trisilan (Si3H8), tetrasilan (Si4H10), pentasilan (Si5H12), hexasilan (Si6H14) trong ñó biết kĩ hơn hết là bốn silan ñầu. Tất cả các silan ñều không có màu, có mùi ñặc trưng và rất ñộc. Chúng không tan trong nước nhưng tan trong dung môi hữu cơ. Nhiệt ñộ nóng chảy và nhiệt ñộ sôi của chúng tăng lên dần theo khối lượng phân tử. Dưới ñây là nhiệt ñộ nóng chảy và nhiệt ñộ sôi của bốn silan ñầu (bảng 1): Bảng 1: Nhiệt ñộ nóng chảy và nhiệt ñộ sôi của bốn silan ñầu SiH4 SiH6 Si3H8 Si4H10 Nhiệt ñộ nóng chảy, oC -185 -129 -117 91 Nhiệt ñộ sôi, oC -112 - 14 53 107 (Nguồn: Hoàng Nhâm (2004), Hóa học vô cơ, tập 2) Nguyễn Thị Mai Chi – MSSV: 2064800 18 Luận văn tốt nghiệp Khoa Khoa Học Tự Nhiên Do năng lượng của các liên kết Si − Si và Si − H bé hơn năng lượng của các liên kết C − C và C − H, các silan kém bền với nhiệt và hoạt ñộng hơn nhiều về mặt hóa học so với hidro cacbua no. Về những mặt này, silan giống với boran. Khi ñun nóng trong ñiều kiện thiếu không khí, SiH4 phân hủy thành Si và H2 ở o 400 C, Si2H6 phân hủy ở 300oC và các silan khác phân hủy còn dễ dàng hơn. Các silan tự bốc cháy và gây nổ trong không khí, riêng SiH4 chỉ bốc cháy trong oxy tinh khiết. Phản ứng cháy của silan tương tự phản ứng cháy của hidro cacbua, nghĩa là tạo nên SiO2 , H2O và phát ra nhiều nhiệt. Ví dụ : SiH4 + 2O2 = SiO2 + 2H2O, ∆Ho = -1288 kJ Silan không tương tác với nước và axit, nhưng trong nước có dấu vết của ion OH−, silan bị thủy phân tạo thành SiO2 và H2 giống như boran. Ví dụ : Si2H6 + (4+2n)H2O = 2SiO2.nH2O + 7H2 Silan là chất khử mạnh. Những chất oxy hóa chuyển silan thành SiO2 và H2O. Ở nhiệt ñộ thường, silan tương tác mãnh liệt với halogen và gây nổ. Halogen có thể thế lần lượt hidro trong silan tạo thành những dẫn xuất thế của silan halogenua giống như phản ứng thế hidro bằng halogen trong hidro cacbua no. Khi có mặt AlCl3 làm chất xúc tác, HCl có thể tác dụng với silan tạo nên những dẫn xuất thế. Ví dụ : SiH4 + HCl = SiH3Cl + H2 Người ta ñã biết ñược nhiều dẫn xuất thế khác nhau của silan, trong ñó ñược nghiên cứu nhiều nhất là dẫn xuất thế chứa nhóm SiH3-, ví dụ như SiH3HS, (SiH3)2S, SiH3CN, SiH3NCS v.v... Hỗn hợp silan ñược ñiều chế bằng cách cho magie silixua tác dụng với dung dịch axit sunfuric loãng. Ví dụ: Mg2Si + 2H2SO4 = SiH4 + 2MgSO4 Nguyễn Thị Mai Chi – MSSV: 2064800 19 Luận văn tốt nghiệp Khoa Khoa Học Tự Nhiên Với hiệu suất của phản ứng là 25%, tương tác của Mg2Si và H2SO4 cho một hỗn hợp có thành phần gần ñúng là 40% SiH4, 30% Si2H6, 15% Si3H8, 10% Si4H10, 5% Si5H12 và Si6H14. Để nâng cao hơn nữa hiệu suất của phản ứng, cho Mg2Si tương tác với NH4Cl ở trong amoniac lỏng. Ví dụ: Mg2Si + 4NH4Cl = SiH4 + 2MgCl2 + 4NH3 Để tách riêng từng silan một, người ta hóa lỏng hỗn hợp silan thu ñược bằng không khí lỏng rồi chưng cất phân ñoạn ở trong chân không, trong ñiều kiện không có không khí và hơi nước hoặc dùng phương pháp sắc kí khí-lỏng. 1.1.5.2. Silic mono-oxyt Ở trạng thái hơi, silic mono-oxyt tồn tại dưới dạng những phân tử SiO riêng rẽ. Khi ñược làm lạnh nhanh, hơi ñó ngưng tụ thành bột mịn màu nâu có cấu tạo polime (SiO)n. Sự polime hóa ñược thực hiện nhờ liên kết Si − Si. Đime (SiO)2 có cấu hình ñường thẳng, trong ñó liên kết Si − Si có ñộ dài ngắn hơn (2,25 Å) so với liên kết trong tinh thể silic (2,35 Å) và có lẽ là liên kết ñôi (trong CO có liên kết ba). Silic mono-oxyt dạng rắn thăng hoa ở 1700oC. Ở trong không khí, nó bị oxy hóa dần nhưng dạng bột mịn có thể tự cháy biến thành SiO2. Silic mono-oxyt tan dễ trong kiềm và dung dịch nóng của carbonat kim loại kiềm tạo thành silicat và giải phóng khí H2. Silic mono-oxyt cũng tan trong dung dịch HF. Hơi SiO ñược tạo nên khi ñun nóng hỗn hợp SiO2 và Si ở 1000 - 1300oC trong chân không: SiO2 + Si = 2SiO hoặc khi dùng khí H2 hay than khử SO2 ở nhiệt ñộ trên 1000oC. 1.1.5.3. Silic di-oxyt Silic di-oxyt tuy có công thức phân tử giống với carbon di-oxyt nhưng không tồn tại ở dạng từng phân tử riêng rẽ mà dưới dạng tinh thể, nghĩa là một phân tử khổng lồ. Nguyễn Thị Mai Chi – MSSV: 2064800 20