Alkuaine vs. piidioksidi vs. silikonit

Piitä merkitään alkuaineena Si. Piidioksidi on SiO₂ (kvartsi, kristobaliitti, tridymiitti, opaali). Silikaatit ovat mineraaleja, jotka rakentuvat SiO₄-tetraedreistä (felspaatit, pyroksiinit, mika jne.). Silikonit ovat synteettisiä polymeerejä, joiden selkäranka on Si–O–Si—käteviä leivontavälineissä, eivät mineraaleina. Sama sukunimi, hyvin erilaiset luonteet.

Metalloidi kahdessa maailmassa

Jaksollisessa järjestelmässä pii sijaitsee metallien ja epämetallien välissä, jakaen ominaisuuksia molemmilta: se on kiiltävä ja hauras, johtaa hyvin lämpöä, mutta puhtaana se on puolijohde—eriste alhaisissa lämpötiloissa, johtaa kun sitä lämmitetään, valoa tai dopantteja käytetään.

Kuoren selkäranka

Hapen jälkeen pii on toiseksi yleisin alkuaine Maan kuoressa, sidottuna SiO₂:ksi ja silikaateiksi. Graniiteista (kvartsi + kalsium-alkalifeldspaatit + mika) basalttiin (pyroksiini + plagioklaasi + oliiviini) silikaattitetraedrit ovat perusrakennuspalikoita.

Tetraedrejä alusta loppuun

SiO₄-ryhmä muodostaa ketjuja (pyroksiinit), kaksoisketjuja (amfibolit), levyjä (mika, savi) ja kehikoita (felspaatit, kvartsit). Näiden linkitysten uudelleenjärjestely on geologian suosikkiharrastus – ja siksi silikaatit näyttävät niin monia rakenteita ja ominaisuuksia.

Sään ja hiekan vaikutus

Kvartsi (SiO₂) on kemiallisesti kestävä, säilyy rapautumisessa muodostaen hiekkaa ja hiekkakiveä. Sulata se sulatusaineiden kanssa ja saat lasia, joka on väritöntä, kunnes jäljellä olevat metallit värjäävät sen kuin värilasit.

Alkuainepii

• Teräksenharmaa asemetallin sävyllä ja himmeällä sinertävällä hehkulla (ohut oksidikerros aiheuttaa interferenssin).
• Pinta: metallinen kiilto murtuessa tai kiillotettaessa; lasimaiset konkoidiset sirpaleet kuten piikivi.
• Muoto: kidelevyt/ingottiviipaleet, lohkomainen monikiteinen ”metalli-Si” sulattamoilta tai herkät dendriitit, jotka kasvavat sulista.

Piidioksidi & silikaattisukulaiset

• Kvartsilajit: väritön vuorikristalli, violetti ametisti, savukvartsi, sitriini, ruusukvartsi—olet tavannut monia jo tässä Kristallopediassa.
• Piikarbid (moissaniitti): harvinainen luonnossa, yleinen synteettinen; loistava, kova, tulinen—erittäin erilainen kuin alkuaine-Si.
• Piinitriidi- & silikaattikeramiikat: kestäviä, mattapintaisia tai satiinimaisia; arvostettu insinööritieteissä.

Valokuvausvinkki: Ohut oksidikerros kiillotetulla Si:llä antaa helmiäisen sinisiä sävyjä; yksittäinen hajavalo noin 30° kulmassa näyttää sen ilman voimakasta heijastusta.

Vaihe 1 — Piimetalli

Korkeapuhdas kvartsi + hiili sulatetaan sähkökaariuunissa valmistamaan metallurgisen luokan Si (~98–99% puhtaus). Se näyttää tummalta, kiiltävältä, lohkareiselta metallilta, jossa on lasimainen murtuma.

Vaihe 2 — Polysilikoni

Puhdista metalli kemiallisesti (esim. trikloorisilaanireittejä käyttäen) ultrapuhdaksi polysilikoniksi (9N+). Ajattele vaaleita, huuruisia tankoja tai helmiä—raaka-ainetta sekä siruille että aurinkokennoille.

Vaihe 3 — Yksikiteet

Sulata ja vedä siemen kasvattaaksesi Czochralskin ingotti (mono-Si). Viipaloi wafer-levyiksi, kiillota ja kasvata ohut oksidi. Kuvioi valolla ja kemialla muotoillen transistoreita, jotka ovat pienempiä kuin punasolut. Taikuutta, mutta tee siitä materiaalitiedettä.

Pi vs. silikoni

Pii = alkuaine (Si). Silikoni = polymeeri (uunivuoat, tiivisteet). Jos se taipuu kuin kumi, se ei ole alkeellista piitä.

Pi vs. piioksidi (kvartsi)

Alkeellinen pii on metallinhohtoinen harmaa ja läpinäkymätön. Kvartsi on väritön tai monenvärinen, lasimainen ja läpinäkyvä/puoliläpinäkyvä; koostumus on SiO₂.

Pii vs. piikarbid (moissaniitti)

SiC on keramiikkaa, erittäin kovaa (Mohsin asteikolla ~9,25) ja hyvin kiiltävää—suosittu timantin korvike. Alkuainepii on pehmeämpää, himmeämpää ja läpinäkymätöntä.

Metallimineraalit

Piikimpaleet voidaan sekoittaa galeniittiin tai hematiittiin. Nopeat tunnusmerkit: matala tiheys (2,33 g/cm³), konkoidiset lohkareet ja sinertävä oksidikiilto—ei kuutiollista halkeilua (galeniitti) tai punaista viirua (hematiitti).

”Siniset waferit”

Se kaunis sininen kiillotetuissa wafer-paloissa on ohut oksidi-interferenssiväri, ei pigmentti. Kallista ja väri muuttuu hienovaraisesti—se on fysiikkaa muotinäytöksessä.

Nopea tarkistuslista

• Teräksenharmaa, hauras, lasimainen murtuma? → todennäköisesti alkuainepii.
• Läpinäkyvä/lasimainen kide, jossa konkoidinen murtuma? → piidioksidi (kvartsi).
• Pomppiva, kumimainen ”Si”? → silikoni-polymeeri, ei alkuaine.

Mitä keräilijät näkevät

Kokoelmissa ”pii” tarkoittaa yleensä jalostettua piimetallia: lohkaremaisia, kiiltäviä paloja sulatoista; herkkiä dendriittejä sulista (lumihiutalemaisia); tai ohuita waferin palasia, joissa näkyy interferenssivärejä. Todellinen alkuperäinen pii on harvinaisuus ja yleensä mikroskooppista.

Missä tarina alkaa

Geologisesti piin tarina on kaikkialla: kvartsijuonet graniiteissa, hiekkakivissä ja rannoilla; alumiinisilikaatit ja mikat kuoren kivissä; ja huipputeknologian ihmisen valmistamat yksikiteet siellä missä sirutehtaat hurisevat.

Alkeellisen piin näytteille

• Käsittele kuin lasia: se on kovaa mutta haurasta—reunat voivat lohkeilla.
• Vältä pitkäaikaista liotusta; pyyhi pehmeällä, kuivalla liinalla. Ilmavirtaus + mikrokuitu kirkastaa kiiltoa.
• Säilytä erikseen; raskaat mineraalit voivat kolhia reunoja.

Wafer-piireille/ingoteille

• Sormenjäljet kaivertavat oksidin sävyjä – käytä hansikkaita tai pidä reunasta.
• Näytä hieman vinossa pienellä kohdevalolla; sininen interferenssi näkyy kauniisti.
• Pidä magneetit kaukana? Magneetit eivät vahingoita piitä, mutta lähellä olevat ferromagneetit voivat kaataa herkkiä jalustoja – tämä vinkki liittyy enemmän fysiikkaan kuin kemiaan.

Piidioksidin sukulaisille

• Kvartsilajit ovat kestäviä (Mohsin asteikko 7). Miedolla saippualla ja vedellä puhdistaminen sopii.
• Vältä lämpöshokkia kvartsissa (parantuneet halkeamat voivat poksahtaa).
• Erottele korundi/timantti-naapureista kiillon säilyttämiseksi.