Silici

El silici és un element químic no metàl·lic de la taula periòdica que té el símbol Si i un nombre atòmic de 14. Un metal·loide tetravalent de silici és menys reactiu que el seu equivalent químic, el carboni. És el segon element més abundant de l'escorça terrestre (suposa el 25,7% del seu pes) després de l'oxigen. Es presenta en dues formes, amorfa i cristal·lina; la primera és una pols terrosa, més activa que la variant cristal·lina, que es presenta en octaedres de color blau grisenc i brillantor metàl·lica. Apareix en l'argila, el feldespat, granit, quars i sorra, principalment en forma de diòxid de silici (també conegut com a sílice) i silicats (components que contenen silici, oxigen i metalls). El silici és el component principal del vidre, ciment, ceràmica, la majoria de silicones (substància plàstica).

Silici
14Si
alumini ← silici → fòsfor C ↑ Si ↓ Ge Taula periòdica
Aspecte
Cristal·lina i reflectant, amb matisos blaus a les cares Línies espectrals del silici
Propietats generals
Nom, símbol, nombre	Silici, Si, 14
Categoria d'elements	Metal·loides
Grup, període, bloc	14, 3, p
Pes atòmic estàndard	28,0855(3)
Configuració electrònica	[Ne] 3s2 3p2 2, 8, 4
Propietats físiques
Fase	Sòlid
Densitat (prop de la t. a.)	2,3290 g·cm−3
Densitat del líquid en el p. f.	2,57 g·cm−3
Punt de fusió	1.687 K, 1.414 °C
Punt d'ebullició	3.538 K, 3.265 °C
Entalpia de fusió	50,21 kJ·mol−1
Entalpia de vaporització	359 kJ·mol−1
Capacitat calorífica molar	19,789 J·mol−1·K−1
Pressió de vapor
P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k a T (K) 1.908 2.102 2.339 2.636 3.021 3.537
Propietats atòmiques
Estats d'oxidació	4, 3 , 2 , 1 -1, -2, -3, -4 (òxid amfòter)
Electronegativitat	1,90 (escala de Pauling)
Energies d'ionització (més)	1a: 786,5 kJ·mol−1
	2a: 1.577,1 kJ·mol−1
	3a: 3.231,6 kJ·mol−1
Radi atòmic	111 pm
Radi covalent	111 pm
Radi de Van der Waals	210 pm
Miscel·lània
Estructura cristal·lina	Cúbica en diamant
Ordenació magnètica	Diamagnètic
Resistivitat elèctrica	(20 °C) 103Ω·m
Conductivitat tèrmica	149 W·m−1·K−1
Dilatació tèrmica	(25 °C) 2,6 µm·m−1·K−1
Velocitat del so (barra prima)	(20 °C) 8.433 m·s−1
Mòdul d'elasticitat	130−188 GPa
Mòdul de cisallament	51−80 GPa
Mòdul de compressibilitat	97,6 GPa
Coeficient de Poisson	0,064 - 0,28
Duresa de Mohs	7
Nombre CAS	7440-21-3
Energia de banda prohibida a 300 K	1,12 eV
Isòtops més estables
Article principal: Isòtops del silici
Iso AN Semivida MD ED (MeV) PD 28Si 92,23% 28Si és estable amb 14 neutrons 29Si 4,67% 29Si és estable amb 15 neutrons 30Si 3,1% 30Si és estable amb 16 neutrons 32Si traça 170 a β− 13,020 32P

Característiques principals

Les seves propietats són intermèdies entre les del carboni i el germani. En forma cristal·lina és molt dur, poc soluble i presenta una brillantor metàl·lica i un color grisenc. Tot i ser relativament inert i resistir l'acció de la majoria d'àcids, reacciona amb els halògens i els àlcalis diluïts. El silici transmet més del 95% de les longituds d'ona de la radiació infraroja. S'obté escalfant òxid de silici i un reductor en un forn elèctric. El silici pur té duresa 7, punt de fusió a 1.411 °C, punt d'ebullició a 2.355 °C, densitat 2,33g/ml i la seva massa atòmica és de 28,086u. Forma el 28% de l'escorça terrestre i no es troba en estat pur, sinó que es troba en el diòxid de silici i en silicats complexos. Els minerals amb silici constitueixen prop del 40% de tots els minerals comuns, incloent-hi més del 90% que formen roques volcàniques. El quars i les seves variants són formes cristal·lines de silici en la natura. El diòxid de silici és el component principal de la sorra. Els silicats (concretament els d'alumini, calci i magnesi) són els components principals de les argiles, el sòl i les roques, en forma de feldespats, amfíbols, piroxens, miques i zeolites, i de pedres semiprecioses com l'olivina, el granat, el zircó, el topazi i la turmalina.

Aplicacions

S'utilitza en aliatges, en la preparació de les silicones, en la indústria ceràmica i pel fet que és un material semiconductor molt abundant, té un interès especial en la indústria electrònica i microelectrònica com a material bàsic per a la creació d'oblies o xips, en els quals es poden implementar transistors, cèl·lules solars, i una gran varietat de circuits electrònics.

El silici és un element vital en nombroses indústries. El diòxid de silici (arena i argila) és un important constituent del formigó i les rajoles, i s'empra a més en la producció de ciment pòrtland. Per les seves propietats semiconductores s'usa en la fabricació de transistors, cèl·lules solars i tota mena de dispositius semicondutors; per aquesta raó es coneix com a Silicon Valley (Vall del Silici) a la regió de Califòrnia en la que es concentren nombroses empreses del sector de l'electrònica i la informàtica.

Altres importants usos del silici són:

• Com a material refractari, s'usa en ceràmiques i esmaltats.
• Com a element d'aliatge en foneries.
• En la fabricació de vidre i aïllants entre altres usos.
• El carbur de silici és un dels abrasius més importants.
• S'usa en làsers per a obtenir una llum amb una longitud d'ona de 456 nm.
• La silicona s'usa en medicina en implants de pit i lents de contacte.
• Silici col·loïdal.

Història

El silici (del llatí sílex, sílice) va ser identificat per primera vegada per Antoine Lavoisier el 1787, i posteriorment identificat com a element per Humphry Davy el 1800. El 1811, Gay-Lussac i Louis J. Thénard, probablement, van preparar silici amorf impur escalfant potassi amb tetrafluorur de silici (SiF₄). El 1824, Berzelius va preparar silici amorf emprant un mètode semblant al de Gay-Lussac, purificant després el producte mitjançant rentats successius fins a aïllar l'element.

Abundància i obtenció

Làmina de silici polida

El silici és un dels components principals dels aeròlits, una classe de meteoroides.

Mesurat en pes, el silici representa més de la quarta part de l'escorça terrestre i és el segon element més abundant per darrere de l'oxigen. El silici no es troba en estat natiu, però apareix a la natura en forma d'òxid en diversos minerals, entre ells l'arena, quars, ametista, àgata, pedrenyal, òpal i jaspi, mentre que formant silicats es troba, entre altres, en el granit, feldespat, argila, hornblenda i mica. El silici comercial s'obté a partir de sílice d'alta puresa en forn d'arc elèctric reduint l'òxid amb elèctrodes de carboni a temperatura superior als 1900 °C:

SiO₂ + C → Si + CO₂

El silici líquid s'acumula en el fons del forn d'on s'extreu i es refreda. El silici produït amb aquest procés es denomina metal·lúrgic i té una puresa superior al 99%. Per a la construcció de dispositius semiconductors és necessari un silici de major puresa, silici ultrapur, que pot obtenir-se per mètodes físics o químics.

Els mètodes físics de purificació del silici metal·lúrgic es basen en la major solubilitat de les impureses en el silici líquid, de forma que aquest es concentra en les últimes zones solidificades. El primer mètode que es va idear, usat de forma limitada per a construir components de radars durant la Segona Guerra Mundial, consisteix a moldre el silici de forma que les impureses s'acumulen en les superfícies dels grans; dissolent aquests parcialment amb àcid s'obtenia una pols més pura. El primer mètode usat a escala industrial, la fusió per zones, consisteix a fondre un extrem de la barra de silici i traslladar lentament el focus de calor al llarg de la barra de mode que el silici va solidificant amb una puresa major, en arrossegar la zona fosa, gran part de les impureses. El procés pot repetir-se les vegades que sigui necessari fins a aconseguir la puresa desitjada, descartant-se llavors l'extrem final en què s'han acumulat les impureses.

Els mètodes químics, usats actualment, actuen sobre un compost de silici que és més fàcil de purificar. Els compostos freqüentment usats són el triclorosilà (HSiCl₃), el tetraclorur de silici (SiCl₄) i el silà (SiH₄).

En el procés Siemens, les barres de silici d'alta puresa s'exposen a 1150 °C al triclorosilà, gas que es descompon dipositant silici addicional a la barra segons la reacció següent:

2 HSiCl₃ → Si + 2 HCl + SiCl₄

El silici produït per aquest i altres mètodes semblants es denomina silici policristal·lí i típicament té una fracció d'impureses d'unes 0,001 ppm o menor.

El mètode Dupont consisteix a fer reaccionar tetraclorur de silici a 950 °C amb vapors de zinc molt purs:

SiCl₄ + 2 Zn → Si + 2 ZnCl₂

Aquest mètode, això no obstant, és més delicat (el clorur de zinc, subproducte de la reacció, solidifica i obstrueix les línies) pel qual actualment s'ha abandonat en favor del procés Siemens.

Una vegada obtingut el silici ultraultrapur és necessari obtenir un monocristall, per a aconseguir-ho s'utilitza el procés Czochralski.

Isòtops

El silici té nou isòtops amb masses atòmiques entre 25 i 33 uma, dels quals el Si-28 (el més abundant, 92,23%), Si-29 (4,67%) i Si-30 (3,1%) són estables.

Precaucions

La inhalació de la pols de silici cristal·lina pot provocar silicosi.

Vegeu també

• Fitòlit

Enllaços externs

• Enciclopedia Libre Arxivat 2006-07-16 a Wayback Machine. (castellà).
• Los Alamos National Laboratory - Silici Arxivat 2006-07-15 a Wayback Machine. (anglès).
• WebElements.com - Silici (anglès).
• EnvironmentalChemistry.com - Silici (anglès).

Viccionari