Silicio

Silicio (Si), un elemento químico no metálico de la familia del carbono (Grupo 14[IVa] de la tabla periódica). El silicio constituye el 27,7 por ciento de la corteza terrestre; es el segundo elemento más abundante en la corteza, siendo superado sólo por el oxígeno.

El nombre silicio deriva del latín silex o silicis, que significa «sílex» o «piedra dura». El silicio elemental amorfo fue aislado por primera vez y descrito como elemento en 1824 por Jöns Jacob Berzelius, un químico sueco.

El silicio impuro ya se había obtenido en 1811. El silicio elemental cristalino no se preparó hasta 1854, cuando se obtuvo como producto de la electrólisis. Sin embargo, en forma de cristal de roca, el silicio era familiar para los egipcios predinásticos, que lo usaban para cuentas y pequeños floreros; para los primeros chinos; y probablemente para muchos otros de los antiguos.

La fabricación de vidrio que contenía sílice fue llevada a cabo tanto por los egipcios -al menos en el año 1500 a.C.- como por los fenicios. Ciertamente, muchos de los compuestos naturales llamados silicatos fueron usados en varios tipos de mortero para la construcción de viviendas por las primeras personas.

Propiedades de los elementos

  • Número atómico: 14
  • Peso atómico: 28.086
  • Punto de fusión: 1.410 °C (2.570 °F)
  • Punto de ebullición: 2.355 °C (4.270 °F)
  • Densidad: 2,33 gramos/cm3
  • Estado de oxidación: -4, (+2), +4

Propiedades del elemento

El silicio elemental se produce comercialmente mediante la reducción de sílice (SiO2) con coque en un horno eléctrico, y el producto impuro se refina. En pequeña escala, el silicio puede obtenerse del óxido mediante reducción con aluminio.

El silicio casi puro se obtiene mediante la reducción de tetracloruro de silicio o triclorosilano. Para su uso en dispositivos electrónicos, se cultivan cristales individuales retirando lentamente los cristales de semillas del silicio fundido.

El silicio puro es un sólido duro, de color gris oscuro, con un brillo metálico y una estructura cristalina octaédrica similar a la del carbono en forma de diamante, al que el silicio presenta muchas similitudes químicas y físicas.silicio

La reducción de la energía de enlace en el silicio cristalino hace que el elemento se derrita menos, sea más suave y químicamente más reactivo que el diamante. Se ha descrito una forma de silicio marrón, polvoriento y amorfo que también tiene una estructura microcristalina.

Debido a que el silicio forma cadenas similares a las formadas por el carbono, el silicio ha sido estudiado como un posible elemento base para los organismos silíceos. Sin embargo, el número limitado de átomos de silicio que pueden catenar reduce en gran medida el número y la variedad de compuestos de silicio en comparación con los del carbono. Las reacciones de oxidación-reducción no parecen ser reversibles a temperaturas normales. Sólo los estados de oxidación 0 y +4 del silicio son estables en sistemas acuosos.

El silicio, como el carbono, es relativamente inactivo a temperaturas normales; pero cuando se calienta reacciona vigorosamente con los halógenos (flúor, cloro, bromo y yodo) para formar halogenuros y con ciertos metales para formar siliciuros. Como ocurre con el carbono, los enlaces en el silicio elemental son lo suficientemente fuertes como para requerir grandes energías para activar, o promover, la reacción en un medio ácido, por lo que no se ve afectado por los ácidos excepto el fluorhídrico.

Al calor rojo, el silicio es atacado por el vapor de agua o por el oxígeno, formando una capa superficial de dióxido de silicio. Cuando el silicio y el carbono se combinan a temperaturas de horno eléctrico (2.000-2.600 °C[3.600-4.700 °F]), forman carburo de silicio (carborundo, SiC), que es un abrasivo importante. Con el hidrógeno, el silicio forma una serie de hidruros, los silanos. Cuando se combina con grupos de hidrocarburos, el silicio forma una serie de compuestos orgánicos de silicio.

Se conocen tres isótopos estables de silicio: silicio-28, que constituye el 92,21 por ciento del elemento en la naturaleza; silicio-29, 4,70 por ciento; y silicio-30, 3,09 por ciento. Se conocen cinco isótopos radioactivos.

El silicio elemental y la mayoría de los compuestos que contienen silicio parecen no ser tóxicos. De hecho, el tejido humano a menudo contiene de 6 a 90 miligramos de sílice (SiO2) por cada 100 gramos de peso seco, y muchas plantas y formas de vida inferiores asimilan la sílice y la utilizan en sus estructuras.

Sin embargo, la inhalación de polvos que contienen alfa SiO2 produce una grave enfermedad pulmonar llamada silicosis, común entre los mineros, canteros y trabajadores de la cerámica, a menos que se utilicen dispositivos de protección.

Usos

La estructura atómica del silicio lo convierte en un semiconductor extremadamente importante. La adición de un elemento como el boro, un átomo del cual puede sustituirse por un átomo de silicio en la estructura cristalina pero que proporciona un electrón de valencia menos (el boro es un átomo aceptador) que el silicio, permite que los átomos de silicio pierdan electrones en él. Los agujeros positivos creados por el desplazamiento de los electrones permiten la semiconducción extrínseca de un tipo denominado positivo (p).

La adición de un elemento como el arsénico, cuyo átomo también puede ser sustituido por un átomo de silicio en el cristal, pero que proporciona un electrón de valencia adicional (el arsénico es un átomo donante), libera su electrón dentro de la red. Estos electrones permiten la semiconducción del tipo negativo (n).silicio

El silicio altamente purificado, dopado (infundido) con elementos tales como boro, fósforo y arsénico, es el material básico utilizado en los chips de computadoras, transistores, diodos de silicio, pantallas de cristal líquido y otros dispositivos electrónicos y de conmutación.

Si las obleas de p-silicio y n-silicio se unen, de una manera llamada la unión p-n, y se colocan en la luz solar, la energía absorbida hace que los electrones se muevan a través de la unión y que una corriente eléctrica fluya en un circuito externo que conecta las dos obleas. Una célula solar de este tipo es una fuente de energía para los dispositivos espaciales.

El silicio de menor pureza se utiliza en metalurgia como agente reductor y como elemento de aleación en acero, aluminio, latón y bronce. Los compuestos más importantes del silicio son el dióxido (sílice) y los diversos silicatos.

La sílice en forma de arena y arcilla se utiliza para fabricar hormigón y ladrillos, así como materiales refractarios para aplicaciones de alta temperatura. Como el cuarzo mineral, el compuesto puede ser ablandado por calentamiento y transformado en cristalería.

La sílice (dióxido de silicio) es útil como abrasivo, en la producción de vidrio y otros cuerpos cerámicos, y como adsorbente. Los silicatos, la mayoría de los cuales son insolubles en agua, se emplean en la fabricación de vidrio, así como en la fabricación de esmaltes, cerámica, porcelana y otros materiales cerámicos.

Los silicatos de sodio, comúnmente conocidos como vidrio para agua, o silicato de sosa, se utilizan en jabones, en el tratamiento de la madera para prevenir la descomposición, para la conservación de los huevos, como cemento y en la tintura. Tanto los silicatos naturales como los sintéticos son importantes en materiales de construcción, absorbentes e intercambiadores de iones.

Las siliconas son óxidos de organosilicio sintéticos compuestos de los elementos silicio, oxígeno, carbono e hidrógeno; se utilizan como lubricantes, fluidos hidráulicos, compuestos impermeabilizantes, barnices y esmaltes porque, como clase, son químicamente inertes e inusualmente estables a altas temperaturas.

China, Rusia, Noruega y Brasil son los mayores productores de minerales de silicio.

Distribución

Sobre la base del peso, la abundancia de silicio en la corteza terrestre sólo es excedida por el oxígeno. Las estimaciones de la abundancia cósmica de otros elementos se citan a menudo en términos del número de sus átomos por cada 106 átomos de silicio.

Sólo el hidrógeno, el helio, el oxígeno, el neón, el nitrógeno y el carbono superan al silicio en abundancia cósmica. Se cree que el silicio es un producto cósmico de absorción de partículas alfa, a una temperatura de aproximadamente 109 K, por los núcleos de carbono-12, oxígeno-16 y neón-20.

La energía que une las partículas que forman el núcleo del silicio es de unos 8,4 millones de electronvoltios (MeV) por núcleo (protón o neutrón). Comparado con el máximo de unos 8,7 millones de electronvoltios para el núcleo de hierro, casi el doble de masivo que el de silicio, esta cifra indica la estabilidad relativa del núcleo de silicio.silicio

El silicio puro es demasiado reactivo para ser encontrado en la naturaleza, pero se encuentra prácticamente en todas las rocas, así como en la arena, arcillas y suelos, combinado con oxígeno como sílice (SiO2, dióxido de silicio) o con oxígeno y otros elementos (por ejemplo, aluminio, magnesio, calcio, sodio, potasio o hierro) como silicatos.

La forma oxidada, como dióxido de silicio y particularmente como silicatos, también es común en la corteza terrestre y es un componente importante del manto terrestre. Sus compuestos también se encuentran en todas las aguas naturales, en la atmósfera (como polvo silíceo), en muchas plantas y en los esqueletos, tejidos y fluidos corporales de algunos animales.

En los compuestos, el dióxido de silicio se encuentra tanto en los minerales cristalinos (por ejemplo, cuarzo, cristobalita, tridimita) como en los minerales amorfos o aparentemente amorfos (por ejemplo, ágata, ópalo, calcedonia) en todas las áreas terrestres. Los silicatos naturales se caracterizan por su abundancia, amplia distribución y complejidades estructurales y de composición.

La mayoría de los elementos de los siguientes grupos de la tabla periódica se encuentran en minerales de silicato: Grupos 1-6, 13 y 17 (I-IIIa, IIIb-VIb y VIIa). Se dice que estos elementos son litofílicos, o amantes de la piedra. Los minerales de silicato importantes incluyen las arcillas, feldespato, olivino, piroxeno, anfíboles, micas y zeolitas.

Referencias

 

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