Silicio

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Silicio
 

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aluminio ← silicio → fósforo

Apariencia
Apariencia del elemento
Gris oscuro con reflejos azulados
Generalidad
Nombre, símbolo, número atómico silicio, Si, 14
Serie semimetales
Grupo , período , bloque 14 (IVA) , 3 , p
Densidad 2 330 kg / m³
Dureza 7
Configuración electrónica
Configuración electrónica
Término espectroscópico 3 P 0
Propiedades atómicas
Peso atomico 28.0855
Radio atómico (calc.) 110 p. M.
Radio covalente 110 p. M.
Radio de Van der Waals 210 pm
Configuración electrónica [ Ne ] 3 s 2 3p 2
y - por nivel de energía 2, 8, 4
Estados de oxidación ± 2, 4 ( anfótero ), -4
Estructura cristalina cúbico centrado en la cara con cavidad tetraédrica
Propiedades físicas
Estado de la materia sólido (no magnético)
Punto de fusión 1 687 K (1 414 ° C )
Punto de ebullición 3173 K (2900 ° C)
Volumen molar 12,06 × 10 −6 m³ / mol
Entalpía de vaporización 384,22 kJ / mol
Calor de fusión 50,55 kJ / mol
Presión de vapor 4,77 Pa a 1683 K.
Otras propiedades
número CAS 7440-21-3
Electronegatividad 1,90 (escala de Pauling)
Calor especifico 700 J / (kg K)
Conducibilidad eléctrica 2,52 × 10 −4 / m Ω
Conductividad térmica 148 W / (m K)
Energía de primera ionización 786,5 kJ / mol
Segunda energía de ionización 1 577,1 kJ / mol
Tercera energía de ionización 3231,6 kJ / mol
Energía de cuarta ionización 4 355,5 kJ / mol
Quinta energía de ionización 16 091 kJ / mol
Energía de la sexta ionización 19 805 kJ / mol
Energía de la séptima ionización 23 780 kJ / mol
Octava energía de ionización 29 287 kJ / mol
Novena energía de ionización 33 878 kJ / mol
Décima energía de ionización 38 726 kJ / mol
Isótopos más estables
Yo asi N / A TD DM Delaware DP
28 92,23% Es estable con 14 neutrones.
29 4,67% Es estable con 15 neutrones.
30 3,1% Es estable con 16 neutrones.
32 sintético 276 años β - 0,224 32 P
iso: isótopo
NA: abundancia en la naturaleza
TD: vida media
DM: modo de decaimiento
DE: energía de desintegración en MeV
DP: producto de descomposición

El silicio es el elemento químico de la tabla periódica de elementos que tiene como símbolo Si con valencia 26 y número atómico 14. Es un semimetal y un semiconductor . Menos reactivo que su análogo químico, el carbono , es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre después del oxígeno , y representa el 27,72% de su peso [1] . Se encuentra en arcilla , feldespato , granito y cuarzo , principalmente en forma de dióxido de silicio , silicatos y aluminosilicatos (compuestos que contienen silicio, oxígeno y metales). El silicio es el componente principal del vidrio , hormigón , cerámica y silicona .

Historia

El silicio (del latín silex , silicis que significa pedernal ) fue identificado por primera vez por Antoine Lavoisier en 1787 , y luego fue confundido con un compuesto por Humphry Davy en 1800 . En 1811, Gay Lussac y Thenard probablemente prepararon silicio amorfo impuro calentando potasio con tetrafluoruro de silicio . En 1824, Berzelius preparó silicio amorfo utilizando aproximadamente el mismo método que Lussac. Berzelius también purificó el producto mediante sucesivos lavados.

Características

En su forma cristalina , el silicio tiene un color gris y un brillo metálico, pero su color puede variar. Aunque es un elemento relativamente inerte, reacciona con halógenos y álcalis diluidos, pero la mayoría de los ácidos (excepto el ácido fluorhídrico ) no lo afectan.

El silicio transmite más del 95% de todas las longitudes de onda de la luz infrarroja .

El silicio es la base de todos los silicatos , minerales formados por silicio y oxígeno más otros elementos en forma iónica. Los silicatos están contenidos en los magmas y, debido a la estructura tetraédrica de la sílice, el magma se vuelve más viscoso y capaz de retener mayores cantidades de gas. La acidez de un magma y de las rocas de las que deriva se determina en función del contenido de sílice. Si el magma no está presente se llamará básico.

Disponibilidad

El silicio es el componente principal de los aerolitos , que son una clase de meteoroides, así como la tectita , que es una forma de vidrio natural.

Calculado en peso, el silicio constituye el 27,7% de la corteza terrestre y es el segundo elemento más abundante después del oxígeno [2] . El silicio elemental no se encuentra en la naturaleza, generalmente aparece como óxido ( amatista , ágata , cuarzo , rocas cristalinas, pedernal , jaspe , ópalo ) y silicatos ( granito , asbesto , feldespato , arcilla , hornblenda , mica y otros).

Isótopos

El silicio tiene nueve isótopos, con números de masa que oscilan entre 25 y 33. 28 Si (el isótopo más abundante, con 92,23%), 29 Si (4,67%) y 30 Si (3,1%) son estables; El 32 Si es un isótopo radiactivo producido por la espalación nuclear del argón . Su vida media , después de un largo debate, se ha determinado en unos 276 años y decae por emisión beta en 32 P (que tiene una vida media de 14,28 años) y luego en 32 S.

Compuestos

Estructura química de la sílice (dióxido de silicio)

Ejemplos de compuestos de silicio son monóxido de silicio (SiO), dióxido de silicio (SiO 2 ), ácido silícico (H 4 SiO 4 ), silicatos , cerámicas de sílice como carburo de silicio (SiC) y nitruro de silicio (Si 3 N 4 ), haluros de silicio tales como tetracloruro de silicio (SiCl 4 ) y tetrafluoruro de silicio (SiF 4 ), siliconas .

El silicio también es capaz de formar compuestos en los que destaca su naturaleza no metálica, siliciuros , como el siliciuro de magnesio , que pueden tener naturaleza iónica o covalente polar debido a la alta electropositividad del elemento.

Papel biológico

El silicio en sus compuestos inorgánicos, como la sílice, se difunde ampliamente en los seres vivos; puede estar presente en tejidos de diferentes formas. El principal papel conocido está representado por la formación de estructuras protectoras y de soporte basadas en compuestos inorgánicos como ácido silícico y sílice (dióxido de silicio), en microorganismos, esponjas, plantas.

La sílice es muy importante para la vida vegetal y animal . Las diatomeas extraen sílice del agua para construir las paredes protectoras de sus células; las colas de caballo lo concentran en el tallo de la planta utilizándolo para darle fuerza y ​​considerable resistencia a la masticación, para disuadir a los herbívoros.

Las diatomeas y radiolarios , por ejemplo, usan principalmente sílice, como base estructural del andamiaje celular, las esponjas usan sílice para espículas y otras estructuras de soporte, la cola de caballo tiene varios gránulos de sílice en la epidermis externa que la hacen ligeramente abrasiva (e indigesta para algunos herbívoros) , la ortiga tiene la punta de los pelos punzantes siliconada.
En los compuestos metazoarios de silicio se han encontrado en concentraciones más altas en los tejidos conectivos y de soporte (huesos, túnica externa de colágeno de las arterias , cartílagos) y en las regiones extracelulares del cerebro. El cuerpo humano contiene una cantidad total estimada de 250 miligramos. La presencia de silicio no se identifica con una función bioquímica conocida [3] y podría ser de naturaleza accidental (acumulación en tejidos con mayor afinidad por el compuesto); se desconocen los efectos clínicos de la deficiencia en humanos, mientras que un exceso de silicio puede causar hemólisis de los glóbulos rojos y causar alteraciones celulares como consecuencia directa [4] . La farmacopea está examinando posibles usos de compuestos orgánicos de silicio para el desarrollo de fármacos [5]

Los síntomas de deficiencia no se conocen en los mamíferos, excepto los inducidos experimentalmente, ya que el silicio es casi omnipresente (el segundo elemento más abundante presente en la corteza terrestre después del oxígeno). Existen divulgaciones generalizadas que fomentarían la ingesta de los llamados suplementos orgánicos a base de silicio (a menudo preparaciones a base de hierbas en las que el silicio está presente en forma de sílice inorgánica de cola de caballo o ortiga, de ácidos silícicos o de alquilsilanoles, estos últimos compuestos estrictamente orgánicos ) asumiendo roles en la síntesis de hidroxiprolina , involucrada en la cadena del polímero de colágeno . En cambio, la actividad de la enzima responsable de esta síntesis, procolágeno-prolina dioxigenasa , está regulada por la presencia de ácido 2-cetoglutárico , ascorbato (cofactor en la reducción) y hierro (Fe 3+ reducido a Fe 2+ ) [6]. y no a partir de compuestos de silicio. Sin embargo, el cuerpo absorbe el silicio a través del omnipresente ion inorgánico ortosilícico. [7]

El silicio ha sido reconocido como un factor de desarrollo en animales jóvenes y niños. A nivel cutáneo, mayormente presente en las capas conectivas profundas, tiene propiedades hidratantes y aceleradoras de la cicatrización de heridas [ cita requerida ] . A nivel óseo, existe evidencia de que los suplementos dietéticos de silicio orgánico (especialmente provenientes de cola de caballo , avena y ortiga ) pueden acelerar la soldadura de fracturas, mientras que a nivel sanguíneo, existen estudios que brindan evidencia de que los silicatos orgánicos pueden inducir la diferenciación de granulocitos neutrófilos y estimular fagocitosis . Los estudios preliminares indicarían que los silicatos tienen alguna influencia en el sistema endocrino humano en general. [ cita requerida ] Sin embargo, se desconocen los mecanismos de cómo esto podría ocurrir.

Sin embargo, la fitoterapia no recomienda la fitoterapia a base de plantas demasiado remineralizantes (y en particular ricas en silicio), cuando existen lesiones óseas degenerativas (por ejemplo, artrosis ). Sin embargo, no es difícil obtener silicatos orgánicos de su dieta. El silicio es abundante en el agua potable, cebollas, coliflor, frijoles, guisantes, manzanas y fresas. Entre las plantas comunes, ricas en silicatos orgánicos se encuentran la mosca , la cola de caballo, el llantén , el árnica , la ortiga y la maleza .

Producción

El silicio se prepara comercialmente calentando sílice de alta pureza en un horno eléctrico utilizando electrodos de carbono. A temperaturas superiores 1900 ° C , el carbono reduce la sílice a silicio de acuerdo con la ecuación química

El silicio líquido se acumula en la parte inferior del horno y luego se retira y se enfría. El silicio producido mediante este proceso se denomina silicio de grado metalúrgico (MGS) y tiene una pureza del 98%. Un exceso de carbono puede provocar la formación de carburo de silicio.

Sin embargo, si la concentración de SiO 2 se mantiene alta, el carburo de silicio se puede eliminar.

Para alcanzar los grados de pureza más altos necesarios, por ejemplo, para fabricar dispositivos electrónicos semiconductores, es necesario llevar a cabo una purificación adicional, por ejemplo, con el método Siemens . En 2016, el silicio de grado metalúrgico costó alrededor de 1,74 / kg [8] .

Purificación

El uso de silicio en semiconductores requiere una pureza mayor que la proporcionada por el silicio de grado metalúrgico. Históricamente, se han utilizado varios métodos diferentes para producir silicio de alta pureza.

Métodos físicos

Barra de silicio monocristalino

Las primeras técnicas de purificación de silicio se basaban en el hecho de que cuando el silicio se funde y se resolidifica, la última parte del silicio que solidifica contiene la mayoría de las impurezas. El primer sistema de purificación, descrito en 1919 y utilizado a escala limitada para la fabricación de componentes de radar durante la Segunda Guerra Mundial , requirió la pulverización de silicio de grado metalúrgico y su disolución parcial en ácido. Cuando se pulverizó, el silicio se agrietó de modo que las áreas más débiles y ricas en impurezas permanecieron fuera del grano de silicio resultante. Como resultado, el silicio rico en impurezas fue el primero en disolverse cuando se trató con el ácido, dejando un producto más puro.

En la fusión por zonas , el primer método de purificación de silicio que se utilizará a escala industrial, se calentaron varillas de silicio de grado metalúrgico desde un extremo hasta que comenzó a fundirse. A continuación, el calentador se movió lentamente a lo largo de la barra manteniendo una pequeña porción fundida a medida que el silicio se enfriaba y se resolidificaba detrás de él. Dado que la mayoría de las impurezas tendían a permanecer en la parte fundida en lugar de volver a solidificarse, al final del proceso se habían trasladado a la última parte de la barra a fundir. Este extremo se cortó y arrojó luego, repitiendo el proceso si se necesitaba una mayor pureza.

Metodos quimicos

Hoy en día, el silicio se purifica convirtiéndolo en un compuesto que puede purificarse más fácilmente que el propio silicio y luego volver a convertirse en silicio puro. El triclorosilano es el compuesto de silicio más utilizado en este proceso, aunque a veces también se utilizan tetracloruro de silicio y silano . Estos compuestos, líquidos o gaseosos, se purifican mediante destilación fraccionada hasta obtener una mezcla de compuestos de silicio únicamente. Luego, estos gases se soplan sobre silicio a alta temperatura y se descomponen, depositando silicio policristalino de alta pureza.

En el proceso de Siemens , las barras de silicio ultrapuras se exponen a triclorosilano a 1150 ° C; el gas triclorosilano se descompone y deposita más silicio en la barra, expandiéndola según la reacción química

El silicio producido por este y otros procesos similares se denomina silicio policristalino . El silicio policristalino tiene un nivel de impurezas de 1 parte por mil millones o menos.

Durante un tiempo, DuPont produjo silicio ultrapuro haciendo reaccionar tetracloruro de silicio con vapores de zinc de alta pureza a 950 ° C, produciendo silicio de acuerdo con la fórmula

Esta técnica estuvo plagada de problemas prácticos (como el cloruro de zinc , un subproducto, que solidificó al bloquear las líneas) y fue abandonada a favor del proceso Siemens .

Cristalización

El proceso de Czochralski se utiliza para crear cristales de silicio individuales de alta pureza. El sistema isométrico es sinónimo de sistema cúbico.

Hay siete posibles sistemas cristalinos, clasificados según

simetría de la celosía:

Celosía de simetría

1) triclina -1

2) monoclínico 2 / m

3) mmm ortorrómbico

4) tetragonal 4 / mmm

5) trigonal -3m

6) hexagonal 6 / mmm

7) cúbico m-3m

La simetría se da con el símbolo de Hermann-Mauguin. el símbolo -n (por ejemplo, -1, -3) indica un eje de rotoinversión (-1 es el centro de inversión). Cabe señalar que es posible "centrar" algunas cuadrículas de varias formas (cuadrículas centradas en la cara, centradas en el cuerpo, centradas en la base) para obtener un total de 14 cuadrículas (Bravais). Para la cúbica, la combinación de simetrías (m: reflexión con respecto a un plano paralelo a (100); -3: rotación de 120 °, con inversión, alrededor del eje [111]; m: reflexión con respecto a un plano paralelo a (110)) impone una métrica de tipo "G = aI" donde "a" es la constante de celda y "I" la matriz de identidad. En la práctica, dado que los elementos de G son los productos escalares de los vectores base de la red (g11 = a ^ 2 ...), G = aI corresponde a una red cúbica de "lado" a.

Cabe señalar que, dada una celosía, siempre es posible definir celdas

elemental de diversas formas y volúmenes. Lo que permanece invariante es la simetría

de la celosía.

Aplicaciones

El silicio es un semiconductor intrínseco (o puro) y se puede dopar con arsénico , fósforo , galio o boro para hacerlo más conductor y usarlo en transistores , paneles solares o células solares y otros equipos semiconductores , que se usan en electrónica y otros. aplicaciones de alta tecnología. Hay dos tipos de dopaje de silicio que permiten el acceso de electrones a la banda de conducción (silicio de tipo n) o huecos de electrones a la banda de valencia (silicio de tipo p).

El silicio también es un componente importante de algunos tipos de acero ; su límite de concentración es del 5%, ya que más allá de él hay una notable disminución de la resiliencia debido a su potencial de crecimiento del grano cristalino. También permite separar el grafito en aceros incluso a partir de concentraciones de carbono superiores al 0,50%. Se nota su presencia (1-2%) en aceros para muelles , donde aumenta el límite elástico acercándolo al punto de rotura y favorece la templabilidad .

Aplicaciones de compuestos de silicio

Precauciones

Una enfermedad pulmonar grave llamada silicosis es muy común entre los mineros, los picapedreros y otros trabajadores que realizan trabajos en los que se inhala polvo de silicato en grandes cantidades.

Silicon Valley

Dado que el silicio es un elemento semiconductor importante, el elemento principal de toda la industria electrónica , la región de Silicon Valley en California , conocida por sus numerosas empresas de informática y electrónica, toma su nombre de este elemento ( silicio en inglés).

Silicona y silicona en traducciones al inglés

Los traductores a menudo traducen la palabra en inglés silicon (que significa silicio) con silicona , debido a la similitud de las dos palabras. Mientras que la traducción de silicio es silicio ( / ˈsɪlɪkən / ), la de silicona es silicona ( / ˈsɪlɪkəʊn / ).

Por lo tanto, a menudo ocurre encontrar palabras como chips de silicona que se derivan de esta traducción incorrecta. En el episodio El monstruo de las tinieblas de la serie Star Trek se habla mucho de una especie viva basada en silicona en lugar de la forma de vida original basada en silicio [9] . En la película de 1983 Wargames - War Games con Matthew Broderick , dirigida por John Badham en una conversación, un general estadounidense dice, según la traducción incorrecta, "masa de silicio" para definir una computadora. En la película 007 - Moving Target, un microchip de silicio se identifica como un microchip de silicio que revela una falta de atención en la traducción del inglés. También en un episodio de Los Simpson , el Dr. Hibbert le pregunta a Homer si los extraterrestres que vio son "a base de carbono o de silicona"; en este caso el error es doble: " carbono " también se traduce incorrectamente (debería haber sido "carbono", ya que carbón en inglés es " carbón ").

El silicio también se traduce en silicona en la novela Artemis de Andy Weir : la primera ciudad en la luna de 2017. [10]

Silicio en la ciencia ficción

Un tema recurrente en el arte de la ciencia ficción es la hipótesis de la existencia de formas de vida basadas en silicio en lugar de carbono. Probablemente el tema deba atribuirse a la proximidad de los dos elementos de la tabla periódica ya las discusiones filosóficas que cuestionan si las computadoras y los robots (cuyos microprocesadores están construidos en silicio) pueden considerarse como "formas de vida" particulares.

El dispositivo de la criatura basada en el silicio se utiliza a menudo para proponer el tema del extraterrestre como "algo que no se puede entender", algo alternativo e incompatible, tan diferente que incluso se basa en diferentes elementos químicos. La serie de manga Blame! por ejemplo, desarrolla considerablemente el tema al hacer de los seres basados ​​en el silicio algunos de los principales antagonistas con habilidades físicas extremadamente más desarrolladas que las de un ser humano común, quizás para hipotetizar la superioridad del elemento, en comparación con el carbono, en la generación de formas de resistente a la vida.

Nota

  1. ^ (ES) Elementos, abundancia terrestre , en daviddarling.info.
  2. ^ (ES) Elementos, abundancia terrestre , en daviddarling.info.
  3. ^ Química de organosilicio S. Pawlenko Walter de Gruyter Nueva York, 1986
  4. AF Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg. Libro de texto de química inorgánica. Edición 101 .. de Gruyter, Berlín 1995 ISBN 3-11-012641-9 , S. 880
  5. ^ Bains, W.; Tacke, R. "La química del silicio como una nueva fuente de diversidad química en el diseño de fármacos" Curr Opin Drug Discov Devel. Julio de 2003; 6 (4): 526-43.
  6. ^ (EN) L. De Jong, Stoicheiometry and cinética de la reacción parcial prolil 4-hidroxilasa , en Biochemistry et Biophysica Acta, vol. 787, n. 1, 1984, págs. 105-111, DOI : 10.1016 / 0167-4838 (84) 90113-4 , PMID 6326839 .
  7. ^ JJ, Hampson GN. El ácido ortosilícico estimula la síntesis de colágeno tipo 1 y la diferenciación osteoblástica en células similares a osteoblastos humanos in vitro. Hueso. Febrero de 2003; 32 (2): 127-35
  8. ^ (EN) Precios promedio del silicio en los Estados Unidos de 2012 a 2016, por tipo (en centavos de dólar por libra) , en statista.com.
  9. ^ (EN) El diablo en la oscuridad , en hypertrek.org.
  10. Andy Weir , Artemis - The first city on the Moon , traducción de Marta Lanfranco, Roma, Newton Compton Editori, 2017, ISBN 978-88-227-1021-5 .

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