Il silicio È un elemento non metallico e allo stesso tempo metalloide rappresentato dal simbolo chimico Si. È un semiconduttore, che è una parte essenziale di computer, calcolatrici, telefoni cellulari, celle solari, diodi, ecc.; È praticamente la componente principale che ha permesso l'istituzione dell'era digitale.
Il silicio è sempre stato presente nel quarzo e nei silicati, entrambi minerali che costituiscono circa il 28% in massa dell'intera crosta terrestre. È quindi il secondo elemento più abbondante sulla superficie della Terra e la vastità dei deserti e delle spiagge offre una prospettiva di quanto sia abbondante..
Il silicio appartiene al gruppo 14 della tavola periodica, lo stesso del carbonio, situato al di sotto di esso. Ecco perché questo elemento è considerato un metalloide tetravalente; Ha quattro elettroni di valenza e in teoria può perderli tutti per formare il catione Si4+.
Una proprietà che condivide con il carbone è la sua capacità di legarsi insieme; cioè, i loro atomi sono legati in modo covalente per definire catene molecolari. Allo stesso modo, il silicio può formare i propri "idrocarburi", chiamati silani..
I composti predominanti del silicio in natura sono i famosi silicati. Nella sua forma pura può apparire come un solido monocristallino, policristallino o amorfo. È un solido relativamente inerte, quindi non rappresenta rischi considerevoli.
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Il silicio è forse uno degli elementi che ha avuto maggiore influenza nella storia dell'umanità.
Questo elemento è il protagonista dell'età della pietra, e anche dell'era digitale. Le sue origini risalgono a quando le civiltà un tempo lavoravano con il quarzo e producevano i propri occhiali; e attualmente è il componente principale di computer, laptop e smartphone.
Il silicio è stato praticamente la pietra di due epoche ben definite nella nostra storia.
Poiché la silice è così abbondante, un nome nato dalla pietra focaia, deve aver contenuto un elemento estremamente ricco nella crosta terrestre; questo era il giusto sospetto di Antoine Lavoisier, che nel 1787 fallì nei suoi tentativi di ridurlo dalla ruggine.
Qualche tempo dopo, nel 1808 Humphry Davy fece i suoi tentativi e diede all'elemento il suo nome di battesimo: "silicium", che tradotto sarebbe diventato "pietra focaia". Cioè, il silicio è stato quindi considerato un metallo a causa della sua mancanza di caratterizzazione..
Poi nel 1811 i chimici francesi Joseph L. Gay-Lussac e Louis Jacques Thénard riuscirono a preparare per la prima volta il silicio amorfo. Per questo hanno fatto reagire il tetrafluoruro di silicio con potassio metallico. Tuttavia, non hanno purificato o caratterizzato il prodotto ottenuto, quindi non hanno concluso che fosse il nuovo elemento silicio.
Fu solo nel 1823 che il chimico svedese Jacob Berzelius ottenne un silicio amorfo di purezza sufficiente per riconoscerlo come silicio; nome dato nel 1817 dal chimico scozzese Thomas Thomson quando lo considerava un elemento non metallico. Berzelius ha effettuato la reazione tra fluorosilicato di potassio e potassio fuso per produrre questo silicio.
Il silicio cristallino fu preparato per la prima volta nel 1854 dal chimico francese Henry Deville. Per ottenere ciò, Deville ha effettuato un'elettrolisi di una miscela di alluminio e cloruri di sodio, ottenendo così cristalli di silicio ricoperti da uno strato di siliciuro di alluminio, che ha eliminato (apparentemente) lavandoli con acqua..
Il silicio nella sua forma pura o elementare è costituito da un solido grigiastro o nero-bluastro (immagine superiore), che sebbene non sia un metallo, ha facce lucide come se fosse davvero.
È un solido duro ma fragile, che presenta anche una superficie squamosa se è costituito da policristalli. Il silicio amorfo, d'altra parte, sembra un solido in polvere marrone scuro. Grazie a questo, è facile identificare e differenziare un tipo di silicio (cristallino o policristallino) da un altro (amorfo).
28,085 g / mol
14 (14Sì)
1414 ºC
3265 ºC
-A temperatura ambiente: 2,33 g / mL
-Proprio al punto di fusione: 2,57 g / mL
Notare che il silicio liquido è più denso del silicio solido; il che significa che i suoi cristalli galleggeranno su una fase liquida della stessa, come accade con il sistema acqua-ghiaccio. La spiegazione è dovuta al fatto che lo spazio interatomico tra gli atomi di Si nel loro cristallo è più grande (meno denso) di quello corrispondente nel liquido (più denso).
50,21 kJ / mol
383 kJ / mol
19,789 J / (mol K)
1,90 della scala Pauling
-Primo: 786,5 kJ / mol
-Secondo: 1577,1 kJ / mol
-Terzo: 3231,6 kJ / mol
111 pm (misurate sui rispettivi cristalli di diamante)
149 W / (m · K)
2.3 103 Ω · ma 20 ºC
6.5
Gli atomi di silicio hanno la capacità di formare semplici legami Si-Si, che finiscono per definire una catena (Si-Si-Si ...).
Questa proprietà si manifesta anche con carbonio e zolfo; tuttavia, ibridazioni sp3 il silicio è più carente rispetto a quello degli altri due elementi e, inoltre, i loro orbitali 3p sono più diffusi, quindi la sovrapposizione degli orbitali sp3 il risultato è più debole.
Le energie medie dei legami covalenti Si-Si e C-C sono rispettivamente di 226 kJ / mol e 356 kJ / mol. Pertanto, i legami Si-Si sono più deboli. Per questo motivo, il silicio non è la pietra angolare della vita (e nemmeno lo zolfo). In effetti, la catena o lo scheletro più lungo che il silicio può formare è solitamente a quattro membri (Si4).
Il silicio può avere uno qualsiasi dei seguenti numeri di ossidazione, assumendo in ciascuno di essi l'esistenza di ioni con le rispettive cariche: -4 (Si4-), -3 (Sì3-), -2 (SìDue-), -1 (Sì-), +1 (Sì+), +2 (SìDue+), +3 (Sì3+) e +4 (Sì4+). Di tutti loro, -4 e +4 sono i più importanti.
Ad esempio, si assume -4 nei siliciuri (MgDueSì o MgDueDue+sì4-); mentre il +4 corrisponde a quello della silice (SiODue o se4+ODueDue-).
Il silicio è completamente insolubile in acqua, così come gli acidi o le basi forti. Tuttavia, si dissolve in una miscela concentrata di acido nitrico e fluoridrico (HNO3-HF). Allo stesso modo, si dissolve in una soluzione alcalina calda, con la seguente reazione chimica che si verifica:
Si (s) + 2NaOH (aq) + HDueO (l) => NaDuesì3(aq) + 2HDue(g)
Il sale metasilicato di sodio, NaDuesì3, Si forma anche quando il silicio si dissolve nel carbonato di sodio fuso:
Si (s) + NaDueCO3(l) => NaDuesì3(l) + C (s)
A temperatura ambiente non reagisce affatto con l'ossigeno, nemmeno a 900 ºC, quando inizia a formarsi uno strato vetroso protettivo di SiODue; e poi, a 1400 ºC, il silicio reagisce con l'azoto presente nell'aria per formare una miscela di nitruri, SiN e Si3N4.
Il silicio reagisce anche ad alte temperature con i metalli per formare siliciuri metallici:
2Mg (s) + Si (s) => MgDueSi)
2Cu (s) + Si (s) => CuDueSi)
A temperatura ambiente reagisce in modo esplosivo e diretto con gli alogeni (non è presente uno strato di SiODue per proteggerti da questo). Ad esempio, abbiamo la reazione di formazione di SiF4:
Sì (i) + 2FDue(g) => SiF4(g)
E sebbene il silicio sia insolubile in acqua, reagisce rovente con un flusso di vapore:
Sì (s) + H.DueO (g) => SiODue(s) + 2HDue(g)
L'immagine sopra mostra la struttura cubica centrata sulla faccia (fcc), la stessa di quella del diamante, per il cristallo di silicio. Le sfere grigiastre corrispondono agli atomi di Si, che, come si può vedere, sono legati tra loro in modo covalente; inoltre hanno ambienti tetraedrici che si riproducono lungo il cristallo.
Il cristallo di silicio è fcc perché si osserva un atomo di Si situato su ciascuna delle facce del cubo (6 × 1/2). Allo stesso modo, ci sono otto atomi di Si ai vertici del cubo (8 × 1/8) e quattro al suo interno (quelli che mostrano un tetraedro ben definito attorno a loro, 4 × 1).
Detto questo, ogni cella unitaria ha un totale di otto atomi di silicio (3 + 1 + 4, numeri indicati nel paragrafo precedente); caratteristica che aiuta a spiegare la sua elevata durezza e rigidità, poiché il silicio puro è un cristallo covalente come il diamante.
Questo carattere covalente è dovuto al fatto che, come il carbonio, il silicio ha quattro elettroni di valenza secondo la sua configurazione elettronica:
[Ne] 3sDue 3pDue
Per il legame, gli orbitali 3s e 2p puri sono inutili. Ecco perché l'atomo crea quattro orbitali sp ibridi3, con cui può formare quattro legami covalenti Si-Si e, in questo modo, completare l'ottetto di valenza per i due atomi di silicio.
Il cristallo di silicio viene quindi visualizzato come una rete tridimensionale covalente composta da tetraedri interconnessi..
Tuttavia, questa rete non è perfetta, poiché ha difetti e bordi di grano, che separano e definiscono un cristallo dall'altro; e quando tali cristalli sono molto piccoli e numerosi, si parla di un solido policristallino, identificato dalla sua lucentezza eterogenea (simile a un mosaico d'argento o superficie squamosa).
I legami Si-Si, con i loro elettroni ben posizionati, in linea di principio non sono d'accordo con ciò che ci si aspetta da un metallo: un mare di elettroni che "bagnano" i suoi atomi; almeno questo è così a temperatura ambiente.
Quando la temperatura aumenta, invece, il silicio inizia a condurre elettricità e quindi si comporta come un metallo; cioè, è un elemento metalloide semiconduttore.
I tetraedri di silicio non sempre adottano uno schema strutturale, ma possono essere disposti in modo disordinato; e anche con atomi di silicio le cui ibridazioni sembrano non essere sp3 ma spDue, che contribuisce ad aumentare ulteriormente il grado di disturbo. Parliamo quindi di un silicio amorfo e non cristallino.
Nel silicio amorfo ci sono posti vacanti elettronici, dove alcuni dei suoi atomi hanno un orbitale con un elettrone spaiato. Grazie a ciò, il suo solido può essere idrogenato, dando luogo alla formazione di silicio amorfo idrogenato; cioè ha legami Si-H, con i quali i tetraedri sono completati in posizioni disordinate e arbitrarie.
Questa sezione si conclude quindi dicendo che il silicio può essere presentato in tre tipi di solidi (senza menzionare il suo grado di purezza): cristallino, policristallino e amorfo..
Ognuno di loro ha il proprio metodo o processo di produzione, nonché le sue applicazioni e compromessi al momento di decidere quale dei tre utilizzare, conoscendone i vantaggi e gli svantaggi..
Il silicio è il settimo elemento più abbondante nell'Universo e il secondo nella crosta terrestre, arricchendo anche il mantello terrestre con la sua vasta famiglia di minerali. Questo elemento si associa molto bene con l'ossigeno, formando un'ampia gamma di ossidi; tra questi, la silice, SODue, e silicati (di diversa composizione chimica).
La silice può essere vista ad occhio nudo nei deserti e nelle spiagge, poiché la sabbia è composta principalmente da SiODue. A sua volta, questo ossido può apparire in alcuni polimorfi, i più comuni sono: quarzo, ametista, agata, cristobalite, tripoli, coesite, stishovite e tridimite. Inoltre, può essere trovato in solidi amorfi come opali e farina fossile..
I silicati, nel frattempo, sono ancora più ricchi strutturalmente e chimicamente. Alcuni dei minerali silicati includono: amianto (bianco, marrone e bluastro), feldspato, argille, miche, olivine, alluminosilicati, zeoliti, anfiboli e pirosseni.
Praticamente tutte le rocce sono composte da silicio e ossigeno, con i loro legami Si-O stabili, e le loro silici e silicati mescolati con ossidi metallici e specie inorganiche..
Il problema di ottenere il silicio è rompere detto legame Si-O, per il quale sono necessari forni speciali e una buona strategia di riduzione. La materia prima per questo processo è la silice sotto forma di quarzo, che viene preventivamente macinata fino a ottenere una polvere fine..
Da questa silice macinata si può preparare silicio amorfo o policristallino..
Su piccola scala, eseguita in laboratorio e con gli opportuni accorgimenti, la silice viene miscelata con polvere di magnesio in un crogiolo e incenerita in assenza di aria. Si verifica quindi la seguente reazione:
sìDue(s) + Mg (s) => 2MgO (s) + Si (s)
Il magnesio e il suo ossido vengono rimossi con una soluzione diluita di acido cloridrico. Quindi, il solido rimanente viene trattato con acido fluoridrico, in modo che il SiO finisca di reagireDue in eccesso; in caso contrario, l'eccesso di magnesio favorisce la formazione del suo rispettivo siliciuro, MgDueSì, composto indesiderabile per il processo.
Il SiODue diventa il gas volatile SiF4, che viene recuperato per altre sintesi chimiche. Infine, la massa di silicio amorfo viene essiccata sotto un flusso di idrogeno gassoso..
Un altro metodo simile per ottenere silicio amorfo consiste nell'utilizzare lo stesso SiF4 precedentemente prodotto, o il SiCl4 (acquistato in precedenza). I vapori di questi alogenuri di silicio vengono fatti passare su sodio liquido in atmosfera inerte, in modo che la riduzione del gas possa avvenire senza la presenza di ossigeno:
SiCl4(g) + 4Na (l) => Si (s) + 4NaCl (l)
È interessante notare che il silicio amorfo viene utilizzato per realizzare pannelli solari ad alta efficienza energetica.
Partendo ancora dalla silice o dal quarzo polverizzato, vengono portati in un forno elettrico ad arco, dove reagiscono con il coke. In questo modo l'agente riducente non è più un metallo ma un materiale carbonioso di elevata purezza:
sìDue(s) + 2C (s) => Si (s) + 2CO (g)
La reazione produce anche carburo di silicio, SiC, che viene neutralizzato con un eccesso di SiODue (di nuovo il quarzo è in eccesso):
2SiC (s) + SiODue(s) => 3Si (s) + 2CO (g)
Un altro metodo per preparare il silicio cristallino consiste nell'utilizzare l'alluminio come agente riducente:
3 SìDue(s) + 4Al (l) => 3Si (s) + 2AlDueO3(S)
E partendo dal sale di esafluorurosilicato di potassio, KDue[SiF6], viene fatto reagire anche con alluminio metallico o potassio per produrre lo stesso prodotto:
KDue[SiF6] (l) + 4Al (l) => 3Si (s) + 6KF (l) + 4AlF3(g)
Il silicio si dissolve immediatamente nell'alluminio fuso, e quando il sistema viene raffreddato, il primo cristallizza e si separa dal secondo; cioè, si formano cristalli di silicio, che appaiono di colori grigiastri.
A differenza delle altre sintesi o produzioni, per ottenere silicio policristallino si parte con una fase gassosa silano, SiH4. Questo gas viene sottoposto ad una pirolisi superiore a 500 ºC, in modo tale che si verifichi una decomposizione termica e così, dai suoi vapori iniziali, i policristalli di silicio finiscono per depositarsi su una superficie semiconduttrice.
La seguente equazione chimica esemplifica la reazione che ha luogo:
si4(g) => Si (s) + HDue(g)
Ovviamente, non dovrebbe esserci ossigeno nella camera, poiché reagirebbe con il SiH4:
si4(g) + 2ODue(g) => SiODue(s) + 2HDueO (g)
E tale è la spontaneità della reazione di combustione che avviene rapidamente a temperatura ambiente con una minima esposizione del silano all'aria..
Un altro percorso sintetico per produrre questo tipo di silicio inizia dal silicio cristallino come materia prima. Lo fanno reagire con l'acido cloridrico ad una temperatura intorno ai 300 ºC, così che si forma il triclorosilano:
Si (s) + 3HCl (g) => SiCl3H (g) + HDue(g)
E il SiCl3H reagisce a 1100 ºC per rigenerare il silicio, ma ora è policristallino:
4SiCl3H (g) => Si (s) + 3SiCl4(g) + 2HDue(g)
Basta guardare le equazioni per avere un'idea del lavoro e dei parametri di produzione rigorosi che devono essere considerati..
Il silicio si trova naturalmente e principalmente come isotopo 28Sì, con un'abbondanza del 92,23%.
Oltre a questo, ci sono altri due isotopi che sono stabili e quindi non subiscono decadimento radioattivo: 29Sì, con un'abbondanza del 4,67%; Y 30Sì, con un'abbondanza del 3,10%. Essendo così abbondante il 28Sì, non sorprende che il peso atomico del silicio sia 28,084 u.
Il silicio può anche essere trovato in diversi radioisotopi, tra i quali il 31Sì (t1/2= 2,62 ore) e 32Sì (t1/2= 153 anni). Altri (22sì - 44Se l'hanno fatto t1/2 molto breve o breve (meno di centesimi di secondo).
Il silicio puro è una sostanza relativamente inerte, quindi di solito non si accumula in nessun organo o tessuto fintanto che l'esposizione ad esso è bassa. In polvere, può irritare gli occhi, provocando lacrimazione o arrossamento, mentre toccandolo può provocare fastidio alla pelle, prurito e desquamazione..
Quando l'esposizione è molto alta, il silicio può danneggiare i polmoni; ma senza effetti collaterali, a meno che la quantità non sia sufficiente a provocare il soffocamento. Tuttavia, questo non è il caso del quarzo, che è associato al cancro ai polmoni e a malattie come la bronchite e l'enfisema..
Allo stesso modo, il silicio puro è molto raro in natura ei suoi composti, così abbondanti nella crosta terrestre, non rappresentano alcun rischio per l'ambiente..
Ora, per quanto riguarda l'organosilicio, questi potrebbero essere tossici; Ma poiché ce ne sono molti, dipende da quale si sta prendendo in considerazione, così come altri fattori (reattività, pH, meccanismo d'azione, ecc.).
I minerali di silicio costituiscono la "pietra" con cui vengono costruiti edifici, case o monumenti. Ad esempio, cementi, calcestruzzi, stucchi e mattoni refrattari, sono costituiti da miscele solide a base di silicati. Da questo approccio si può immaginare l'utilità di questo elemento nelle città e nell'architettura..
I cristalli utilizzati nei dispositivi ottici possono essere realizzati in silice, sia come isolanti, celle campione, spettrofotometri, cristalli piezoelettrici o semplici lenti..
Allo stesso modo, quando il materiale viene preparato con più additivi, finisce per trasformarsi in un solido amorfo, noto come vetro; e le montagne di sabbia sono solitamente la fonte della silice o del quarzo necessaria per la sua produzione. D'altra parte, con i silicati si producono materiali ceramici e porcellane.
Intrecciando idee, il silicio è presente anche nell'artigianato e negli ornamenti.
Gli atomi di silicio possono fondersi ed essere miscibili con una matrice metallica, rendendolo un additivo per molte leghe o metalli; ad esempio l'acciaio, per realizzare nuclei magnetici; bronzi per la fabbricazione di cavi telefonici; e l'alluminio, nella produzione della lega alluminio-silicio destinata alle parti di autoveicoli leggeri.
Pertanto, non si trova solo nella "pietra" degli edifici, ma anche nei metalli delle loro colonne..
La silice, in forma gel o amorfa, consente di produrre solidi che agiscono come essiccanti intrappolando le molecole d'acqua che entrano nel contenitore e mantenendo asciutto il suo interno..
Strati di silicio di diversi spessori e colori fanno parte dei chip dei computer, poiché con il loro solido (cristallino o amorfo), sono stati progettati circuiti integrati e celle solari.
Essendo un semiconduttore, incorpora atomi con meno (Al, B, Ga) o più elettroni (P, As, Sb) per trasformarlo in semiconduttori del tipo p o n, rispettivamente. Con le giunzioni di due siliconi, uno n e l'altro p, vengono prodotti diodi a emissione di luce.
La famosa colla siliconica è costituita da un polimero organico supportato dalla stabilità delle catene di legami Si-O-Si ... Se queste catene sono molto lunghe, corte o reticolate, le proprietà del polimero siliconico cambiano, così come le loro applicazioni finali..
Tra i suoi utilizzi, di seguito elencati, si possono citare:
-Colle o adesivi, non solo per unire carte, ma blocchi da costruzione, gomme, pannelli di vetro, rocce, ecc..
-Lubrificanti nei sistemi di frenatura idraulica
-Rafforza le vernici e migliora la brillantezza e l'intensità dei loro colori, consentendo loro di resistere agli sbalzi di temperatura senza rompersi o consumarsi.
-Sono usati come spray idrorepellenti, che mantengono asciutte alcune superfici o oggetti
-Danno ai prodotti per l'igiene personale (dentifrici, shampoo, gel, creme da barba, ecc.) La sensazione di essere setosi
-I suoi rivestimenti proteggono i componenti elettronici di dispositivi delicati, come i microprocessori, dal calore e dall'umidità
-Con i polimeri di silicone, molte delle sfere di gomma sono state fatte rimbalzare non appena cadono sul pavimento..
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