Pii (alkuaine)
| |||||
| Yleistä | |||||
| Nimi | Pii | ||||
| Tunnus | Si | ||||
| Järjestysluku | 14 | ||||
| Luokka | puolimetalli | ||||
| Lohko | p-lohko | ||||
| Ryhmä | 14, hiiliryhmä[1] | ||||
| Jakso | 3[1] | ||||
| Tiheys | 2,33[1] · 103 kg/m3 | ||||
| Kovuus | 6,5[1] (Mohsin asteikko) | ||||
| Väri | tummanharmaa, sinertävä | ||||
| Löytövuosi, löytäjä | 1787, Antoine Lavoisier | ||||
| Atomiominaisuudet | |||||
| Atomipaino (Ar) | 28,0855 | ||||
| Atomisäde, mitattu (laskennallinen) | 111 pm | ||||
| Kovalenttisäde | 111[1] pm | ||||
| Van der Waalsin säde | 210[1] pm | ||||
| Orbitaalirakenne | [Ne] 3s2 3p2 | ||||
| Elektroneja elektronikuorilla | 2, 8, 4 | ||||
| Hapetusluvut | IV, -IV | ||||
| Kiderakenne | kuutiollinen, timanttirakenne | ||||
| Fysikaaliset ominaisuudet | |||||
| Olomuoto | kiinteä | ||||
| Sulamispiste | 1 687 K (1 414[1] °C) | ||||
| Kiehumispiste | 2 628 K (2 355 °C) | ||||
| Höyrystymislämpö | 359[1] kJ/mol | ||||
| Sulamislämpö | 50,21 kJ/mol | ||||
| Äänen nopeus | 2 200[1] m/s (20 °C) K:ssa | ||||
| Muuta | |||||
| Elektronegatiivisuus | 1,90 (Paulingin asteikko) | ||||
| Ominaislämpökapasiteetti | 0,712 kJ/(kg K) | ||||
| Lämmönjohtavuus | (300 K) 149 W/(m·K) | ||||
| CAS-numero | 7440-21-3 | ||||
| Tiedot normaalilämpötilassa ja -paineessa | |||||
Pii on puolimetalli, joka on maankuoren toiseksi yleisin alkuaine. Piin kemiallinen merkki on Si (lat. silicium). Alkuaineen atomimassa IUPACin standardin mukaisesti on [28,084; 28,086] amu[2].
Esiintyminen luonnossa
muokkaa
Pii on maankuoren toiseksi yleisin alkuaine. Sen osuus on 25,7 % maankuoren massasta; yleisin alkuaine on happi, jota on 49,5 %. Piin tavallisimpia luonnossa esiintyviä yhdisteitä ovat piidioksidi SiO2 ja silikaatit, jotka koostuvat piistä, hapesta ja metalleista. Hiekassa ja kvartsissa on pääosin SiO2:a, savessa, asbestissa, kiilteessä, sarvivälkkeessä, maasälvässä ja graniitissa puolestaan silikaatteja. Pii on pääkomponenttina eräissä meteoroidityypeissä sekä tektiiteissä, jotka ovat luonnossa muodostunutta lasia.
Monet arvostetut puolijalokivet ovat silikaattimineraaleja, kuten muun muassa ametisti, jaspis ja vuorikristalli. Puhdas pii on erittäin harvinaista luonnossa: sitä on tavattu vain satunnaisesti pieniä määriä tulivuorista purkautuneissa aineissa sekä sulkeumina kultahipuissa.
Ominaisuuksia
muokkaaKiteisellä (puhtaalla, kiinteällä) piillä on metallinen kiilto ja sinertävä värisävy. Sen kiderakenne on timanttimainen.[3] Pii kuuluu samaan jaksollisen järjestelmän ryhmään kuin hiili ja muistuttaa sitä joiltakin kemiallisilta ominaisuuksiltaan. Pii on kuitenkin hiiltä passiivisempi. Tosin se reagoi halogeenien ja monien emästen kanssa. Useimmat hapot eivät vaikuta siihen, lukuun ottamatta typpihapon (HNO3) ja fluorivetyhapon (HF) seosta.
Piin yhdisteet
muokkaaYhdisteissään pii esiintyy tavallisesti hapetusasteella +IV, harvoin +II tai (silaanissa) -IV. Pii sitoutuu muihin alkuaineisiin kovalenttisesti, joskin piitetrafluoridilla on jonkin verran ioniyhdisteenkin luonnetta.[4]
Piin pysyvin yhdiste on piidioksidi. Se on kiteinen aine, jota on luonnossa runsaasti kvartsina monine muunnoksineen. Piidioksidi on kemiallisesti erittäin kestävää, mutta vetyfluoridin kanssa se reagoi muodostaen piitetrafluoridia:
- SiO2 + 4HF → SiF4 + 2 H2O[5]
Hapen kanssa pii muodostaa myös useita anioneja, silikaatteja, joista tavallisimpia ovat ortosilikaatti- (SiO44-), metasilikaatti- (SiO32-) ja disilikaatti-ionit (Si2O52-). Nämä muodostavat eri metallien kanssa ioniyhdisteitä, joita voidaan pitää piihappojen suoloina. Natriumsilikaattia voidaan valmistaa liuottamalla piidioksidia sulatettuun natriumhydroksidiin:
- 4 NaOH + SiO2 → Na4SiO44-[5]
Natriumsilikaatti on vesiliukoista, ja sen liuos tunnetaan vesilasina. Jos sen väkevään liuokseen lisätään suolahappoa, saadaan silikageelia, joka on hydratoitunutta ortopiihapon (H4SiO4) ja piidioksidin seosta.[6]
Jaksollisessa järjestelmässä samaan ryhmään kuuluvan hiilen tavoin myös pii voi katenoitua, toisin sanoen useampi piiatomi voi sitoutua toisiinsa pitkäksi ketjuksi. Tällä tavoin muodostuu yhdisteitä, jotka molekyylirakenteeltaan vastaavat hiilen muodostamia orgaanisia yhdisteitä. Yksinkertaisimpia sellaisia ovat alkaanisarjan hiilivetyjä vastaavat silaanit, joiden molekyylirakenne voidaan esittää muodossa SinH2n+2. Nämä ovat kuitenkin selvästi vähemmän vakaita yhdisteitä kuin hiilivedyt.[4]
Silikonit ovat suurimolekyylisiä, polymeerisia yhdisteitä, jotka sisältävät sekä piitä että hiiltä.[7]
Löytöhistoria
muokkaaAntoine Lavoisier kuvasi ensimmäisenä piin vuonna 1787. Humphry Davy erehtyi myöhemmin pitämään sitä yhdisteenä. Vuonna 1811 Gay-Lussac ja Thénard onnistuivat todennäköisesti valmistamaan epäpuhdasta amorfista piitä kuumentamalla kaliumia (K) piitetrafluoridin SiF4 kanssa. Berzelius valmisti amorfista piitä vuonna 1824 käyttäen jokseenkin samanlaista menetelmää kuin Gay Lussac ja Thénard. Berzelius myös puhdisti tuotteensa.
Käyttö
muokkaaPuolijohteisiin tarvitaan puhdasta piitä, joka sitten seostetaan pienillä määrillä muita sopivia alkuaineita. Piikarbidi (SiC) on puhtaan piin ohella käytössä puolijohdetekniikassa.
Piidioksidi on pääkomponenttina lasissa, sementissä ja keramiikassa. Silikonit ovat piin tärkeitä polymeerejä, joita käytetään muun muassa voiteluaineissa, liimoissa, saumaus- ja tiivistemateriaaleissa, rintaimplanteissa ja leluissa.
Isotoopit
muokkaaPiillä on 23 isotooppia, joiden massaluvut ovat välillä 22–44. Pysyviä isotooppeja ovat 28Si, 29Si ja 30Si. Luonnossa esiintyvästä piistä 92,22 % on isotooppia 28Si, 4,69 % isotooppia 29Si ja 3,09 % isotooppia 30Si. Radioaktiivisia isotooppeja on 20. Niistä pitkäikäisimmät isotoopit ovat 32Si, jonka puoliintumisaika on 153 vuotta, ja 31Si, jonka puoliintumisaika on 157,3 minuuttia. Muiden isotooppien puoliintumisajat ovat alle 7 sekuntia.[8]
Ihmisen ruokavaliossa
muokkaaPii on välttämätön luiden, nivelten ja mukopolysakkaridien (esimerkiksi kollageeni) muodostukselle ja puutos johtaa pitkien luiden epämuodostumiin. Piin parhaat lähteet ovat kokojyvävilja ja juurekset. Saannin tarpeen arvioidaan olevan välillä 21–46 mg/vrk.[9]
Brittiläiset saavat piitä eniten viljatuotteista. Banaanista tulee kokonaiset 10 prosenttia saannista, mutta tällä ei ole juurikaan merkitystä, koska pii imeytyy banaanista huonosti. Vihreät pavut sekä muut pavut ja linssit sekä porkkana, mineraalivesi ja kahvi sisältävät paljon piitä.[10]
Katso myös
muokkaaLähteet
muokkaa- ↑ a b c d e f g h i j Periodictable: Technical data for Silicon Technical data for Silicon periodictable.com. Viitattu 24.8.2018. (englanniksi)
- ↑ Wieser, Michael T. & Coplen,Tyler B.: Atomic Weights of the Elements 2009 (IUPAC technical report). Pure and Applied Chemistry, 2011, 83. vsk, nro 2. IUPAC. Artikkelin verkkoversio. (PDF) Viitattu 15.6.2011. (englanniksi)
- ↑ Hall, J. E.: Solid State Physics, s. 38–40. John Wiley & Sons Ltd, 1979. ISBN 0-471-34281-5 (englanniksi)
- ↑ a b Kivinen, Antti & Mäkitie, Osmo: *, s. 326–327. Otava, 1988. ISBN 951-1-10136-6
- ↑ a b Kivinen, Mäkitie, s. 333.
- ↑ Kivinen, Mäkitie, s. 333.
- ↑ Kivinen, Mäkitie, s. 335.
- ↑ Isotopes of the Element Silicon Jefferson Lab. Viitattu 27.12.2023. (englanniksi)
- ↑ Tohtori.fi artikkeli
- ↑ American Journal of Clinical Nutrition, Vol. 75, No. 5, 887–893, May 2002
Aiheesta muualla
muokkaa
- Piin kansainvälinen kemikaalikortti
- Luettelo piin isotoopeista The Isotopes Project Home Page (englanniksi)
- PubChem: Silicon (englanniksi)
- Mindat: Silicon (englanniksi)
- Webmineral: Silicon Mineral Data (englanniksi)
- Marko Hamilo: Piistä siruja ja rintaimplantteja (Arkistoitu – Internet Archive). Helsingin Sanomat 1.5.2007.
- Dr. Duke's Phytochemical and Ethnobotanical Databases: Silicon (englanniksi)