Silicio: produzione, reazioni, silicati

Il silicio è un semimetallo appartenente al terzo periodo del Gruppo 14 (o IVA) della Tavola periodica insieme a carbonio, germanio, stagno e piombo.
La configurazione elettronica del silicio è: 1s2,2s2,2p6,3s2,3p2 che presenta numeri di ossidazione +4, +3, +2, +1, -1, -2, -3 e -4 sebbene i numeri di ossidazione più comuni siano +4 e -4.

Il silicio, non si trova allo stato elementare, costituisce un componente di molti minerali.

quarzo - chimicamo
quarzo

Esso  è pertanto il secondo elemento, dopo l’ossigeno, più abbondante sulla crosta terrestre. Si trova   nell’argilla, nel feldspato, granito, quarzo sotto forma di biossido di silicio, silicati e alluminosilicati.

Il biossido di silicio SiO2 detto silice è il costituente della selce materiale di base delle tecnologie preistoriche di lavorazione della pietra.

Il silicio tende a ricoprirsi di un sottile strato di biossido di silicio che lo rende relativamente inerte a reazioni chimiche con l’acqua. A temperature superiori ai 1400°C reagisce con l’azoto per dare il nitruro di silicio.

È utilizzato per ottenere cemento, materiali refrattari, vetro e mattoni.

Produzione del silicio

Il chimico svedese Jöns Jacob Berzelius nel 1824 isolò il silicio in forma amorfa riducendo l’esafluorosilcato di potassio K2SiF6 in presenza di potassio fuso;  Deville nel 1854 ottenne il silicio in forma cristallina.

In forma amorfa appare come una polvere di colore marrone mentre quello in forma cristallina ha un aspetto metallico e un colore grigio.

Il silicio monocristallino è ottenuto tramite il processo Czochralski così chiamato in onore del chimico polacco che lo mise a punto nel 1916 nell’ambito dei suoi studi sulla cristallizzazione dei metalli.

Silicati

Il carburo di silicio è utilizzato come abrasivo. I silicati che presentano lo ione a struttura tetraedrica a formula SiO42-hanno utilizzi più svariati per la loro capacità di impermeabilizzazione, resistenza agli attacchi chimici, capacità di consolidare e indurire materiali resistenti al fuoco.

Il silicato di sodio è noto come water glass poiché pur avendo l’aspetto di un vetro si scioglie in acqua formando soluzioni viscose ed alcaline. Esso è utilizzato nella produzione di:

  • saponi
  • adesivi
  • insetticidi
  • nell’industria tessile per il candeggio o la tintura del cotone
  • in edilizia come ignifugo e come accelerante per il calcestruzzo proiettato
  • come agente protettivo per le pitture murali.

Il tetracloruro di silicio è usato per creare schermi di fumo che per reazione con i reattivi di Grignard dà luogo alla formazione dei siliconi che presentano una molteplice varietà di forme e utilizzo. Inerti, resistenti al calore, sono usati come sigillanti, adesivi, lubrificanti, in applicazioni mediche, utensili da cucina e quali materiali isolanti.

Tali cristalli, quando sono dopati con boro, gallio, germanio, fosforo o arsenico sono usati quali semiconduttori e utilizzati in una serie di dispositivi quali diodi, transistor, celle solari, microchips.

Un semiconduttore a base di silicio ad alto grado di purezza è ottenuto fondendo il silicio in un crogiuolo abitualmente di quarzo alla temperatura di 1425°C ed aggiungendo l’elemento dopante in modo da ottenere semiconduttori di tipo n e di tipo p.

Il termine Silicon Valley fu coniato nel 1971 per indicare la Contea di Santa Clare in California in cui vi era una forte concentrazione di industrie di semiconduttori e microchip che funsero da polo attrattore per l’’insediamento di aziende di computer e produttori di software.

Reazioni

Reagisce con gli alogeni per dare tetralogenuri: la reazione con il fluoro avviene a temperatura ambiente mentre la reazione con gli altri alogeni avviene a temperature superiori ai 300°C.

Non reagisce con gli acidi in condizioni normali ma reagisce con l’acido fluoridrico per dare il fluorosilicato:

Si(s) + 6 HF)aq) → SiF62-(aq) + 2 H+(aq) + 2 H2(g)

mentre reagisce con le basi come NaOH per dare silicati:

Si(s) + 4 NaOH(aq) → SiO44-(aq) + 4 Na+(aq) + 2 H2(g)

Una classe di composti del silicio sono i silani, analoghi agli alcani, in cui il carbonio viene sostituito dal silicio e hanno formula generale SinH2n+2.

I silani hanno molte applicazioni in campo industriale come, ad esempio, agenti di accoppiamento per far aderire le fibre di vetro alla matrice di un polimero o per proteggere le superfici degli edifici e in campo medico per accoppiare uno strato biologicamente inerte su una protesi di titanio.

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