Pii (Si) – alkuaine 14: ominaisuudet, käyttö ja esiintyminen

Tutustu piiin (Si): metalloidi, sen ominaisuudet, käyttö elektroniikassa ja esiintyminen maaperässä ja hiekassa. Opas piidioksidista, lasista ja silikaateista.

Pii on jaksollisen järjestelmän alkuaine 14. Sen symboli on Si.

Pii näyttää metallilta, mutta se ei tee kaikkea, mitä metalli tekee, kuten johda sähköä hyvin helposti. Se on metalloidi. Piitä käytetään paljon nykypäivän tietokoneissa ja lähes kaikissa elektronisissa laitteissa. Myös germaniumia voidaan käyttää tietokoneissa, mutta piitä on helpompi löytää.

Maapallolla on paljon piitä. Rannalla piitä on hiekan muodossa. Hiekka on piiyhdiste, jota kutsutaan piidioksidiksi tai piidioksidiksi. Lasia valmistetaan kuumentamalla hiekkaa (tai piidioksidia) tarpeeksi kuumaksi. Lasi voi saada erilaisia värejä lisäämällä siihen värillisiä yhdisteitä. Piitä on myös monissa erilaisissa kivissä ja mineraaleissa, ja niitä kutsutaan silikaateiksi.

Ominaisuudet

Pii (Si) on harmaa, kiiltävä kiderakenneinen aine, jonka tiheys on noin 2,33 g/cm³. Se sulaa noin 1414 °C:ssa ja kiehuu noin 3265 °C:ssa. Atomipaino on noin 28,09 u ja elektronikonfiguraatio on [Ne] 3s2 3p2. Kidehilana puhtaalla kiteisellä piillä on niin kutsuttu timanttirakenne (diamond cubic), joka antaa sille hyvän mekaanisen lujuuden.

Pii on puolijohde: sen sähköinen johtavuus on selvästi huonompi kuin metallien, mutta parempi kuin eristeiden. Kiteisen piin kapeahko kapeaenergiainen energiaero (epäsuora bandgap) on noin 1,12 eV (25 °C), mikä selittää sen laajan käytön elektroniikassa ja aurinkopaneeleissa. Pii esiintyy myös amorfisessa muodossa, jota käytetään mm. ohutkalvokennotekniikassa.

Esiintyminen ja mineraalit

Pii on yksi Maan kuoren runsaimmista alkuaineista (noin 27–28 painoprosenttia), ja sitä esiintyy yleisesti silikaattimineraaleissa kuten kvartsi (piidioksidi, SiO2), talkki, oliviini, graniitti ja alumiinisilikaatit (esim. kenttäspaatit). Hiekka rannikoilla ja jokiaineksissa koostuu usein pääosin piidioksidista. Silikaatit muodostavat suuren osan kivistä ja maa-aineksista, minkä vuoksi pii on käytännössä kaikkialla maankuoressa.

Kemialliset yhdisteet

Piillä on useita yleisiä oksidaatioasteita, mutta yleisin on +4. Tärkeimmät yhdisteet ovat:

• Piidioksidi (SiO2) – kvartsin ja lasin pääkomponentti.
• Silikaatit – laaja ryhmä mineraaleja, joissa pii on sitoutunut happiin ja usein muihin metalleihin.
• Silikonit ja silikoniyhdisteet – orgaanisia piitä sisältäviä polymeerimäisiä aineita (polysiloksaanit), joita käytetään tiivisteissä, voiteluaineissa ja lääketieteellisissä sovelluksissa.
• Piikinidioksidit ja piikarbid (SiC) – teknisiä materiaaleja hiontaan, lämmönkestävyyteen ja myös puolijohdesovelluksiin.

Käyttö

Pii on nykyaikaisen tekniikan kulmakivi. Tärkeimpiä käyttökohteita ovat:

• Elektroniikka ja puolijohteet: puhdistettu piikide (polykiteinen tai yksikidepii) on komponentti integroiduissa piirilevyissä ja transistoreissa. Piin puhtautta ja doppausta säätelemällä saadaan halutut sähköiset ominaisuudet.
• Aurinkopaneelit: piipohjaiset aurinkokennot muodostavat suuren osan markkinasta (monikide- ja monikiteiset, sekä amorfinen pii).
• Rakenne- ja rakennusmateriaalit: lasin, sementin ja keramiikan valmistuksen lähtöaineena (piidioksidi ja silikaatit).
• Seosaineet ja metallurgia: ferrosiliini (Fe-Si) käytetään teräksen valmistuksessa ja deoksidointiin.
• Teolliset keraamit ja hionta-aineet: piikarbid ja muut piipohjaiset materiaalit.
• Silikonimuovit: tiivisteet, kaapelit, lääketieteelliset instrumentit ja monet erikoissovellukset.

Valmistus ja puhdistus

Elementaarinen pii tuotetaan usein vähentämällä kvartsia (piidioksidia) hiilellä suuressa uunissa, jolloin saadaan niin sanottua metallurgista piitä (~98–99 % Si). Tämän jälkeen vaadittavan elektroniikkalaadun (ultrapuhdas) polykide-pii valmistetaan puhdistamalla metallurginen pii kemiallisin prosessein, kuten trikloorisilaanin (HSiCl3) kautta tapahtuva Siemens-prosessi tai nestepatenterin ja fluidisoidun vuoteen prosessit. Yksikidepii valmistetaan esimerkiksi Czochralski- tai float-zone-menetelmillä, joita käytetään puolijohde- ja aurinkosoluteollisuudessa.

Isotoopit

Pii esiintyy luonnossa kolmella vakaalla isotoopilla: 28Si, 29Si ja 30Si. 29Si on NMR-aktiivinen, minkä ansiosta se on hyödyllinen tutkimuksissa. On olemassa myös radioaktiivisia isotooppeja, mutta ne eivät ole merkittäviä luonnonmuodossaan.

Turvallisuus ja ympäristö

Elementaarinen pii itsessään on vähätoksista, mutta piidioksidin (erityisesti kiteisen piidioksidin) hienojakoinen pöly on terveydelle vaarallista: pitkäaikainen altistus voi johtaa keuhkojen sairauteen, silikoosiin, ja lisääntyneeseen hengityselinsyöpäriskiin. Työpaikoilla on tärkeää käyttää pölynpoistoa ja hengityssuojaimia. Myös piipohjaisten kemikaalien turvallisuus on huomioitava käyttötarkoituksen mukaan.

Biologinen merkitys

Pii ei ole ihmisillä luokiteltu välttämättömäksi ravintoaineeksi, mutta se voi vaikuttaa luuston ja sidekudosten hyvinvointiin. Monet kasvit ja erityisesti diatomit (silikaattilevät) käyttävät piidioksidia rakenteissaan – diatomien soluseinät koostuvat pitkälti piistä.

Yhteenvetona pii on monipuolinen ja laajalti esiintyvä alkuaine, jonka kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet tekevät siitä korvaamattoman modernissa tekniikassa, rakentamisessa ja teollisuudessa.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mitä on pii?

K: Mikä on piin järjestysluku?

K: Mikä on piin symboli?

K: Voiko pii johtaa hyvin sähköä?

K: Missä piitä käytetään yleisesti?

K: Mistä pii on valmistettu?

K: Mitä ovat silikaatit?

Hae kirjaimella