Silicio

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Silicio
Aspetto
Aspetto dell'elemento
Grigio scuro con riflessi bluastri
Generalità
Nome, simbolo, numero atomico silicio, Si, 14
Serie semimetalli
Gruppo, periodo, blocco 14 (IVA), 3, p
Densità 2 330 kg/m³
Durezza 6,5
Configurazione elettronica
Configurazione elettronica
Proprietà atomiche
Peso atomico 28,0855 amu
Raggio atomico (calc.) 110 pm
Raggio covalente 110 pm
Raggio di van der Waals 210 pm
Configurazione elettronica [Ne]3s23p2
e per livello energetico 2, 8, 4
Stati di ossidazione 4 (anfotero)
Struttura cristallina cubica a facce centrate
Proprietà fisiche
Stato della materia solido (nonmagnetico)
Punto di fusione 1 687 K (1 413,85 °C)
Punto di ebollizione 3 173 K (2 899,85 °C)
Volume molare 12,06 × 10−6  m³/mol
Entalpia di vaporizzazione 384,22 kJ/mol
Calore di fusione 50,55 kJ/mol
Tensione di vapore 4,77 Pa a 1683 K
Altre proprietà
Numero CAS 7440-21-3
Elettronegatività 1,90
Calore specifico 700 J/(kg K)
Conducibilità elettrica 2,52 × 10−4  /m Ω
Conducibilità termica 148 W/(m K)
Energia di prima ionizzazione 786,5 kJ/mol
Energia di seconda ionizzazione 1577,1 kJ/mol
Energia di terza ionizzazione 3 231,6 kJ/mol
Energia di quarta ionizzazione 4 355,5 kJ/mol
Energia di quinta ionizzazione 16 091 kJ/mol
Energia di sesta ionizzazione 19 805 kJ/mol
Energia di settima ionizzazione 23 780 kJ/mol
Energia di ottava ionizzazione 29 287 kJ/mol
Energia di nona ionizzazione 33 878 kJ/mol
Energia di decima ionizzazione 38 726 kJ/mol
Isotopi più stabili
iso NA TD DM DE DP
28Si 92,23% È stabile con 14 neutroni
29Si 4,67% È stabile con 15 neutroni
30Si 3,1% È stabile con 16 neutroni
32Si sintetico 276 anni β 0,224 32P
iso: isotopo
NA: abbondanza in natura
TD: tempo di dimezzamento
DM: modalità di decadimento
DE: energia di decadimento in MeV
DP: prodotto del decadimento

Il silicio è l'elemento chimico della tavola periodica degli elementi che ha come simbolo Si con elettronegatività (valenza) 2,4,6 e come numero atomico il 14. Un semiconduttore tetravalente, il silicio è meno reattivo del suo analogo chimico, il carbonio. È il secondo elemento per abbondanza nella crosta terrestre dopo l'ossigeno, componendone il 27,7% del peso[1]. Si trova in argilla, feldspato, granito e quarzo, principalmente in forma di biossido di silicio, silicati e alluminosilicati (composti contenenti silicio, ossigeno e metalli). Il silicio è il componente principale di vetro, cemento, ceramica e silicone.

Caratteristiche[modifica | modifica sorgente]

Nella sua forma cristallina, il silicio ha un colore grigio e una lucidità metallica. Anche se è un elemento relativamente inerte, reagisce con gli alogeni e gli alcali diluiti, ma la maggior parte degli acidi (eccetto l'acido fluoridrico) non lo intaccano.

Il silicio elementare trasmette più del 95% di tutte le lunghezze d'onda della luce infrarossa.

Il silicio è alla base di tutti i silicati, minerali formati da silicio e ossigeno più altri elementi in forma ionica. I silicati sono contenuti nei magmi e, per la struttura tetraedrica della silice, il magma diventa più viscoso, e capace di trattenere maggiori quantità di gas. In base al contenuto di silice si determina l'acidità di un magma e delle rocce dal quale deriva. Se è poco presente il magma si dirà basico.

Applicazioni[modifica | modifica sorgente]

Il silicio è un elemento molto utile, ed è vitale per molte industrie. Il diossido di silicio in forma di sabbia e argilla è un importante ingrediente del cemento e dei mattoni, ed è molto importante per la vita animale e vegetale. Le diatomee estraggono la silice dall'acqua per costruire i muri protettivi delle loro cellule; gli equiseti lo concentrano nel fusto della pianta usandolo per conferirgli robustezza e notevole resistenza alla masticazione, per scoraggiare gli erbivori. Altri usi:

  • è un materiale refrattario usato nella produzione di materiali ad alte temperature, e i silicati sono impiegati nella fabbricazione di smalti e terraglie.
  • Il silicio è un importante costituente di alcuni tipi di acciaio; il suo limite di concentrazione è del 5%, in quanto oltre si ha un notevole abbassamento della resilienza a causa del suo potenziale di accrescimento della grana cristallina. Rende inoltre possibile far separare grafite negli acciai anche già a partire da concentrazioni di carbonio maggiori di 0,50%. Si segnala la sua presenza (1-2%) negli acciai per molle, dove accresce il limite elastico, avvicinandolo a quello di rottura, e favorisce la temprabilità.
  • La silice della sabbia è un componente principale del vetro.
  • Il carburo di silicio, chiamato anche carborundum, è uno dei più importanti abrasivi.
  • Il silicio è un semiconduttore intrinseco (o puro) e può essere drogato con arsenico, fosforo, gallio o boro per renderlo più conduttivo e utilizzarlo in transistor, pannelli solari o celle solari (solar cells), e altre apparecchiature a semiconduttori, che sono utilizzate in elettronica e altre applicazioni ad alta tecnologia. Esistono due tipi di drogaggio del silicio che permettono di dare eccesso di elettroni alla banda di conduzione (silicio di tipo n) o lacune di elettroni alla banda di valenza (silicio di tipo p).
  • I siliconi sono composti flessibili contenenti legami silicio-ossigeno o silicio-carbonio; sono ampiamente usati in forma di gel per impianti artificiali del seno e per le lenti a contatto.
  • Il silicio amorfo idrogenato si è mostrato promettente per la produzione di celle solari e apparati elettronici a basso costo.
  • La silice è uno dei principali ingredienti dei mattoni a causa della sua bassa attività chimica.

Biologia[modifica | modifica sorgente]

È dimostrato che il silicio (come silicato organico) è un costituente dei tessuti animali, inclusi quelli umani. È stato riscontrato in concentrazioni maggiori nei tessuti connettivi, e di sostegno (ossa, matrici proteiche delle arterie, cartilagini) e nella regione extracellulare delle cellule cerebrali. È stato riconosciuto come un fattore di sviluppo negli animali giovani e nei bambini. L'organismo umano ne contiene in totale una quantità stimata sui 250 milligrammi. A livello cutaneo è maggiormente presente negli strati connettivi profondi ed è dotato di proprietà idratanti ed acceleranti della cicatrizzazione delle ferite.

A livello osseo, è provato che supplementi alimentari di silicio organico (proveniente soprattutto da equiseto, avena ed ortica) possono accelerare la saldatura delle fratture, mentre a livello sanguigno esistono studi fornenti prove che i silicati organici possano indurre il differenziamento dei granulociti neutrofili e stimolare la fagocitosi. Studi preliminari indicherebbero come i silicati abbiano una certa influenza sul sistema endocrino generale umano. I meccanismi di come ciò possa verificarsi sono però sconosciuti. L'erboristeria, comunque, non raccomanda una fitoterapia a base di piante troppo remineralizzanti (ed in particolare ricche di silicio), quando sono presenti lesioni ossee di tipo degenerativo (es. artrosi).

Approvvigionarsi silicati organici tramite la dieta non è tuttavia difficile. Il silicio è abbondante nell'acqua potabile, nelle cipolle, nei cavolfiori, nei fagioli, nei piselli, nelle mele e nelle fragole. Tra le piante comuni, ricche di silicati organici sono la polmonaria, l'equiseto, la piantaggine, l'arnica, l'ortica e la gramigna.

Storia[modifica | modifica sorgente]

Il silicio (dal latino silex, silicis che significa selce) venne identificato per la prima volta da Antoine Lavoisier nel 1787, e venne successivamente scambiato per un composto da Humphry Davy nel 1800. Nel 1811 Gay Lussac e Thenard probabilmente prepararono del silicio amorfo impuro attraverso il riscaldamento di potassio con tetrafluoruro di silicio. Nel 1824 Berzelius preparò del silicio amorfo usando all'incirca lo stesso metodo di Lussac. Berzelius inoltre purificò il prodotto attraverso successivi lavaggi.

Disponibilità[modifica | modifica sorgente]

Il silicio è il principale componente degli aeroliti, che sono una classe di meteoroidi nonché della tectite, che è una forma naturale di vetro.

Calcolando in base al peso, il silicio compone il 27,7% della crosta terrestre e dopo l'ossigeno è il secondo elemento più abbondante sul pianeta[1]. Il silicio elementare non si trova in natura, appare in genere come ossido (ametista, agata, quarzo, rocce cristalline, selce, diaspro, opale) e silicati (granito, amianto, feldspato, argilla, hornblenda, mica e altri).

Produzione[modifica | modifica sorgente]

Il silicio viene preparato commercialmente tramite riscaldamento di silice ad elevato grado di purezza, in una fornace elettrica usando elettrodi di carbonio. A temperature superiori a 1900 °C, il carbonio riduce la silice in silicio secondo l'equazione chimica

SiO2 + 2C → Si + 2CO

Il silicio liquido si raccoglie in fondo alla fornace, e viene quindi prelevato e raffreddato. Il silicio prodotto tramite questo processo viene chiamato silicio di grado metallurgico (MGS) ed è puro al 98%. Un eccesso di carbonio può portare alla formazione del carburo di silicio

SiO2 + C → SiO + CO
SiO + 2C → SiC + CO

Comunque, se la concentrazione di SiO2 è mantenuta elevata, il carburo di silicio può essere eliminato

2SiO2 + SiC → 3Si + 2CO

Per raggiungere gradi di purezza superiori necessari ad esempio per realizzare dispositivi elettronici a semiconduttore, è necessario praticare un ulteriore purificazione ad esempio con il metodo Siemens. Nel marzo del 2012 il silicio di grado metallurgico costava circa 2,19 €/kg[2].

Purificazione[modifica | modifica sorgente]

L'uso del silicio nei semiconduttori richiede una purezza più elevata di quella fornita dal silicio di grado metallurgico. Storicamente sono stati usati un numero di metodi diversi per produrre silicio ad alta purezza.

Metodi fisici[modifica | modifica sorgente]

Barra monocristallina di Silicio

Le prime tecniche di purificazione del silicio erano basate sul fatto che quando il silicio viene fuso e risolidificato, l'ultima parte di silicio che solidifica contiene la maggior parte delle impurità. Il primissimo sistema di purificazione, descritto nel 1919 e usato su scala limitata per la fabbricazione di componenti dei radar durante la seconda guerra mondiale, richiedeva la polverizzazione del silicio di grado metallurgico e la sua parziale dissoluzione in acido. Quando veniva polverizzato, il silicio si spezzava in modo che le zone più deboli e ricche di impurità restassero all'esterno del risultante grano di silicio. Come risultato, il silicio ricco di impurità era il primo a disciogliersi quando trattato con l'acido, lasciando un prodotto più puro.

Nella fusione a zona, il primo metodo di purificazione del silicio ad essere utilizzato su scala industriale, sbarre di silicio di grado metallurgico venivano riscaldate partendo da una delle sue estremità, fino a quando questa iniziava a fondersi. Il riscaldatore quindi veniva lentamente spostato lungo la barra mantenendo una piccola porzione fusa mentre il silicio si raffreddava e risolidificava dietro di essa. Poiché la maggior parte delle impurità tendeva a rimanere nella parte fusa piuttosto che risolidificarsi, alla fine del processo queste si erano spostate nell'ultima parte della barra ad essere fusa. Questa estremità veniva quindi tagliata e gettata, ripetendo il processo se una purezza più elevata era necessaria.

Metodi chimici[modifica | modifica sorgente]

Oggigiorno il silicio viene purificato convertendolo in un composto che può essere purificato più facilmente del silicio stesso, e quindi convertito di nuovo in silicio puro. Il triclorosilano è il composto di silicio più comunemente usato in questo processo, anche se a volte si utilizzano anche il tetracloruro di silicio e il silano. Questi composti, liquidi o gassosi, vengono purificati per distillazione frazionata fino ad ottenere una miscela di composti di solo silicio. Dopodiché questi gas vengono soffiati sopra a del silicio ad alta temperatura e si decompongono, depositando silicio policristallino ad alta purezza.

Nel processo Siemens, sbarre di silicio ultrapuro sono esposte al triclorosilano a 1150 °C; il gas di triclorosilano si decompone e deposita dell'altro silicio sulla barra, allargandola secondo la reazione chimica

2 HSiCl3 → Si + 2 HCl + SiCl4

Il silicio prodotto da questo e da processi simili viene chiamato silicio policristallino. Il silicio policristallino ha un livello di impurità pari a 1 parte per miliardo o inferiore.

Per un certo periodo, la DuPont produsse silicio ultrapuro facendo reagire il tetracloruro di silicio con vapori di zinco ad alta purezza a 950 °C, producendo silicio secondo la formula

SiCl4 + 2 Zn → Si + 2 ZnCl2

Questa tecnica era afflitta da problemi pratici (come il cloruro di zinco, un sottoprodotto, che si solidificava bloccando le linee) e venne abbandonata a favore del processo Siemens.

Cristallizzazione[modifica | modifica sorgente]

Il processo Czochralski viene usato per creare cristalli singoli di silicio di alta purezza.

Isotopi[modifica | modifica sorgente]

Il silicio ha nove isotopi, con numero di massa che varia tra 25 e 33. Il 28Si (l'isotopo più abbondante, con il 92,23%), il 29Si (4,67%), e il 30Si (3,1%) sono stabili; il 32Si è un isotopo radioattivo prodotto dal decadimento dell'argon. La sua emivita, dopo un lungo dibattito, è stata determinata in circa 276 anni, e decade per emissione beta in 32P (che ha emivita di 14,28 anni) e quindi in 32S.

Composti[modifica | modifica sorgente]

Esempi di composti del silicio sono il monossido di silicio (SiO), il diossido di silicio (SiO2), l'acido silicico (H4SiO4), i silicati, le ceramiche di silice come il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di silicio (Si3N4), alogenuri di silicio come il tetracloruro di silicio (SiCl4) e il tetrafluoruro di silicio (SiF4), i siliconi.

Il silicio è inoltre in grado di formare composti in cui risalta la sua natura non metallica, i siliciuri, come il siliciuro di magnesio, che possono avere natura ionica o covalente polare a causa dell'elevata elettropositività dell'elemento.

Precauzioni[modifica | modifica sorgente]

Una seria malattia dei polmoni chiamata silicosi è molto frequente tra i minatori, i tagliatori di pietre e altri lavoratori che sono impegnati in lavori dove polvere di silicati viene inalata in grandi quantità.

La Silicon Valley[modifica | modifica sorgente]

Poiché il silicio è un importante elemento semiconduttore, il principale di tutta l'industria elettronica, la regione di Silicon Valley in California, nota per le numerose aziende di informatica ed elettronica, prende il suo nome da questo elemento (Silicon in inglese).

Arte[modifica | modifica sorgente]

Un tema che ricorre nel filone dell'arte di fantascienza è l'ipotesi dell'esistenza di forme di vita basate sul Silicio invece che sul Carbonio; evidentemente il tema è da attribuirsi all'affinità atomica dei due elementi ed al fatto che il Silicio è un buon conduttore di elettricità, presente in ogni sistema elettronico e quindi presenza latente di molte opere di fantascienza. L'espediente (creatura basata sul silicio) è spesso utilizzato per proporre il tema dell'alieno come "qualcosa che non può essere compreso", qualcosa di alternativo ed incompatibile, talmente diverso da essere addirittura basato su elementi chimici differenti. La serie manga Blame! ad esempio sviluppa notevolmente il tema facendo degli esseri a base di silicio alcuni tra gli antagonisti principali con capacità fisiche estremamente maggiori di quelle di un comune essere umano, forse ad ipotizzare la superiorità dell'elemento, rispetto al Carbonio, nel generare forme di vita resistenti.

Curiosità[modifica | modifica sorgente]

Spesso i traduttori traducono la parola inglese silicon (che significa appunto silicio) con silicone, a causa della somiglianza dei due vocaboli. Capita quindi spesso di trovare diciture come chip di silicone che derivano da questa errata traduzione. Nell'episodio Il mostro dell'oscurità del telefilm Star Trek si parla diffusamente di una specie vivente a base silicone al posto dell'originaria forma di vita a base silicio[3]. Nel film Wargames del 1983 con Matthew Broderick, diretto da John Badham in una conversazione un generale Americano dice, secondo l'errata traduzione, "ammasso di silicone" per definire un computer. Nel film dell'agente 007 "A view to a kill" ("Bersaglio mobile") un microchip al silicio viene identificato come microchip al silicone rivelando una scarsa attenzione della traduzione dall'inglese. Anche in una puntata dei Simpson, il doctor Hibbert chiede a Homer se gli alieni che egli ha visto siano "a base di carbone oppure di silicone"; in questo caso l'errore è doppio: anche "carbon" viene tradotto erroneamente (avrebbe dovuto essere carbonio, dato che carbone in inglese è "coal")

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ a b Elements, terrestrial abundance
  2. ^ Historical Database
  3. ^ The Devil in the Dark

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

Altri progetti[modifica | modifica sorgente]

Collegamenti esterni[modifica | modifica sorgente]

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