Silicio
Antecedentes
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| Silicio | |||||||||||||||||||||||||||||||
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14 Si | |||||||||||||||||||||||||||||||
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| Apariencia | |||||||||||||||||||||||||||||||
cristalina, reflexivo con caras-azuladas teñida   Las líneas espectrales de Silicio | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Propiedades generales | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Nombre, símbolo, número | de silicio, Si, 14 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Pronunciación | / s ɪ l ɨ k ən / SIL -ə-kən o / s ɪ l ɨ k ɒ n / SIL -ə-kon | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Categoría Elemento | metaloide | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Grupo, período, bloque | 14, 3, p | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Peso atómico estándar | 28.085 (1) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Configuración electrónica | [ Ne ] 3s 2 3p 2 2, 8, 4  | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Historia | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Predicción | Antoine Lavoisier (1787) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Descubrimiento | Jöns Jacob Berzelius (1823) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Primer aislamiento | Jöns Jacob Berzelius (1823) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Nombrado por | Thomas Thomson (1817) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Propiedades físicas | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Fase | sólido | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Densidad (cerca rt) | 2,3290 g · cm -3 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Líquido densidad en mp | 2,57 g · cm -3 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Punto de fusion | 1687 K , 1414 ° C, 2577 ° F | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Punto de ebullicion | 3538 K, 3265 ° C, 5909 ° F | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Calor de fusión | 50.21 kJ · mol -1 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| El calor de vaporización | 359 kJ · mol -1 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Capacidad calorífica molar | 19.789 J · mol -1 · K -1 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Presión del vapor | |||||||||||||||||||||||||||||||
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| Propiedades atómicas | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Estados de oxidación | 4, 3, 2, 1 -1, -2, -3, -4 ( óxido anfótero) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Electronegatividad | 1,90 (escala de Pauling) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Energías de ionización ( más) | Primero: 786.5 kJ · mol -1 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Segundo: 1577,1 kJ · mol -1 | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Tercero: 3231,6 kJ · mol -1 | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Radio atómico | 111 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Radio covalente | 111 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Van der Waals radio | 210 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Miscelánea | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Estructura cristalina | diamante cúbico  | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Ordenamiento magnético | diamagnético | ||||||||||||||||||||||||||||||
| La resistividad eléctrica | (20 ° C) 10 3 Ω · m | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Conductividad térmica | 149 W · m -1 · K -1 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Expansión térmica | (25 ° C) 2,6 micras · m -1 · K -1 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Velocidad del sonido (varilla delgada) | (20 ° C) 8433 m · s -1 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| El módulo de Young | 130-188 GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Módulo de corte | 51-80 GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Módulo de volumen | 97.6 GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Relación de Poisson | 0,064-,28 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Dureza de Mohs | 7 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Número de registro del CAS | 7440-21-3 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Banda energía brecha a 300 K | 1.12 eV | ||||||||||||||||||||||||||||||
| La mayoría de los isótopos estables | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Artículo principal: Los isótopos de silicio | |||||||||||||||||||||||||||||||
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El silicio, un tetravalente metaloide, es un elemento químico con el símbolo de Si y número atómico 14. Es menos reactivo que su análogo químico de carbono , la no metal directamente por encima de ella en la tabla periódica , pero más reactivo que el germanio , el metaloide directamente debajo de él en la tabla. La controversia acerca de las fechas de caracteres de silicio a su descubrimiento; se prepara en primer lugar y caracteriza en forma pura en 1823. En 1808, se le dio el nombre de silicio (de América : silicis, pedernales), con un -ium final de palabra para sugerir un metal, un nombre que el elemento conserva en varios idiomas distintos del inglés. Sin embargo, su último nombre Inglés, sugerido por primera vez en 1817, refleja los elementos más físicamente similares de carbono y boro.
El silicio es el más octava elemento común en el universo de la masa, pero muy rara vez se produce como elemento libre en la naturaleza pura. Es lo más ampliamente distribuido en polvos, arenas , planetoides y planetas como diversas formas de dióxido de silicio (sílice) o silicatos. Más del 90% de la corteza terrestre se compone de minerales de silicato, por lo que el silicio segundo elemento más abundante en la corteza terrestre (aproximadamente el 28% en peso) después del oxígeno .
La mayoría de silicio se utiliza comercialmente sin separarse, y de hecho a menudo con poco procesamiento de compuestos de naturaleza. Estos incluyen edificio de uso industrial directo de arcillas, arena de sílice y piedra. La sílice se utiliza en ladrillo cerámico. Silicato entra en Cemento Portland para mortero y estuco, y cuando se combina con arena de sílice y grava, para hacer hormigón. Los silicatos son también en loza, cerámicas tales como porcelana, y en el tradicional cuarzo -basado vidrio sódico-cálcico. Más compuestos de silicio modernas como formar carburo de silicio abrasivos y cerámica de alta resistencia. El silicio es la base de los polímeros a base de silicio sintéticos ubicuos llamada siliconas.
El silicio elemental también tiene un gran impacto en la economía mundial moderna. Aunque la mayoría de silicio libre se utiliza en la refinación de acero, de aluminio de fundición a presión, y las industrias de química fina (a menudo para hacer sílice de pirólisis), la porción relativamente pequeña de silicio muy altamente purificada que se utiliza en la electrónica de semiconductores (<10%) es quizás aún más crítico. Debido a un amplio uso de silicio en circuitos integrados , la base de la mayoría de los ordenadores, una gran parte de la tecnología moderna depende de ello.
El silicio es un elemento esencial en la biología, aunque sólo pequeños rastros de ella parecen ser requerido por los animales. Sin embargo, varios esponjas de mar, así como microorganismos como diatomeas necesitan de silicio con el fin de tener una estructura. Es mucho más importante para el metabolismo de las plantas, en particular de muchas hierbas.
Características
Físico
El silicio es un sólido a temperatura ambiente, con relativamente alto punto de fusión y puntos de ebullición de aproximadamente 1400 y 2800 grados centígrados, respectivamente. Curiosamente, el silicio tiene una mayor densidad en estado líquido que un estado sólido. No se contrae cuando se congela como la mayoría de las sustancias, pero se expande, similar a cómo es menos denso que el agua de hielo y tiene menos masa por unidad de volumen que el agua líquida. Con un relativamente alto conductividad térmica de 149 W · m -1 · K -1, silicio conduce bien el calor y como consecuencia no se utiliza a menudo para aislar objetos calientes.
En su cristalina forma, silicio puro tiene un color gris y un brillo metálico. Como el germanio , silicio es más bien fuerte, muy frágil y propenso a astillarse. El silicio, como el carbono y germanio, cristaliza en una diamante cúbico estructura cristalina, con un espaciado reticular de 0.5430710 nm (5.430710 Å).
El exterior electrón orbital de silicio, como el de carbono, tiene cuatro electrones de valencia. Los 1 s, 2 s, 2 p y 3 s subniveles están completamente llenos, mientras que el 3 p subshell contiene dos electrones de un máximo de seis.
El silicio es un semiconductor . Tiene un coeficiente de temperatura negativo de resistencia , ya que el número de portadores de carga libres aumenta con la temperatura. La resistencia eléctrica de silicio monocristalino cambia significativamente bajo la aplicación de esfuerzo mecánico debido a la efecto piezoresistivo.
Químico
El silicio es un metaloide, fácilmente ya sea donando o compartir sus cuatro electrones externos, lo que permite muchas formas de enlaces químicos. Al igual que el carbono, por lo general forma cuatro enlaces. A diferencia de carbono, que puede aceptar electrones adicionales y formar cinco o seis enlaces en un veces más lábil forma de silicatos. De silicio tetra-valente es relativamente inerte, pero todavía reacciona con halógenos y diluida álcalis, pero la mayoría de los ácidos (excepto para algunas combinaciones de hiper-reactiva de ácido nítrico y ácido fluorhídrico) no tienen ningún efecto conocido sobre la misma. Sin embargo, tiene cuatro electrones de enlace le da, como el carbono, muchas oportunidades para combinar con otros elementos o compuestos bajo las circunstancias adecuadas.
Isótopos
Naturalmente silicio se producen se compone de tres estables isótopos , silicio-28, silicio-29, y silicio-30, con el silicio-28 siendo la más abundante (92% abundancia natural). De estos, sólo el silicio-29 es de uso en RMN y Espectroscopia EPR. Veinte radioisótopos se han caracterizado, con el ser de silicio-32 más estable con una vida media de 170 años, y silicio-31 con una vida media de 157,3 minutos. Todos los restantes isótopos radiactivos tienen vidas medias que son menos de siete segundos, y la mayoría de ellos tienen vidas medias que son menos de un décimo de un segundo. El silicio no tiene ningún conocida isómeros nucleares.
Los isótopos del rango de silicio en número de masa de 22 a 44. El más común modo de desintegración de seis isótopos con números de masa menor que el isótopo estable más abundante, silicio-28, es β +, isótopos de aluminio que forman principalmente (13 protones) como productos de desintegración. El modo de desintegración más común (s) durante 16 isótopos con números de masa mayores que el silicio-28 es β -, formando principalmente isótopos de fósforo (15 protones) como productos de desintegración.
Aparición
Medido en masa, silicio constituye el 27,7% de la corteza terrestre y es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre, con sólo el oxígeno que tiene una mayor abundancia. El silicio se encuentra generalmente en forma de complejo minerales de silicato, y con menos frecuencia como dióxido de silicio (sílice, un componente principal de la arena común). Cristales de silicio puro son muy rara vez se encuentran en la naturaleza.
La minerales-diversos silicatos minerales que contienen silicio, oxígeno y reactiva metales representan el 90% de la masa de la corteza terrestre. Esto es debido al hecho de que a las altas temperaturas características de la formación del sistema solar interior, el silicio y el oxígeno tienen una gran afinidad entre sí, formando redes de silicio y oxígeno en compuestos químicos de muy baja volatilidad. Puesto que el oxígeno y el silicio son los elementos que no sean gaseosos y no metálicos más comunes en los restos de la supernova del polvo que formaron la disco protoplanetario en el formación y evolución del Sistema Solar, se formaron muchos silicatos complejos de la acreción en mayor rocosa planetesimales que se formaron el planetas terrestres. Aquí, la matriz mineral de silicato reducida atrapado los metales lo suficientemente reactivos para ser oxidado (aluminio, calcio, sodio, potasio y magnesio). Después de la pérdida de los gases volátiles, así como de carbono y de azufre a través de la reacción con hidrógeno, esta mezcla de silicato de elementos formó la mayor parte de la corteza de la Tierra. Estos silicatos eran de densidad relativamente baja con respecto al hierro, níquel y otros metales no reactivas al oxígeno y por lo tanto un residuo de hierro sin combinar y níquel se hundieron hasta el núcleo del planeta, dejando un manto grueso que consiste principalmente de magnesio y hierro silicatos anteriores.
Ejemplos de minerales de silicato en la corteza incluyen los de la piroxeno, anfíbol, mica y feldespato grupos. Estos minerales se producen en arcilla y diversos tipos de rocas como el granito y arenisca.
La sílice se produce en minerales que consiste en dióxido de silicio muy puro en diferentes formas cristalinas, de cuarzo , ágata amatista, cristal de roca , calcedonia, pedernal, jaspe, y ópalo. Los cristales tienen la fórmula empírica de dióxido de silicio, pero no consisten en moléculas de dióxido de silicio separadas en la forma de dióxido de carbono sólido. Más bien, la sílice es estructuralmente una red sólida que consiste en silicio y oxígeno en los cristales tridimensionales, como el diamante. Menos de sílice pura forma el vidrio naturales obsidiana. Sílice biogénica se produce en la estructura de diatomeas, radiolarios y esponjas silíceas.
El silicio es también un componente principal de muchos meteoritos, y es un componente de tectitas, un mineral de silicato de origen posiblemente lunar, o (si deriva Tierra) que ha sido sometida a temperaturas y presiones inusuales, posiblemente de huelga de meteoritos.
Producción
Aleaciones
Ferrosilicio, una aleación de hierro-silicio que contiene proporciones variables de silicio elemental y hierro, representa alrededor del 80% de la producción mundial de silicio elemental, con China, el proveedor líder de silicio elemental, proporcionando 4,6 millones toneladas (o 2/3 de la producción mundial) de silicio, la mayor parte de la cual es en la forma de ferrosilicio. Es seguido por Rusia (610.000 t), Noruega (330.000 t), Brasil (240.000 t) y Estados Unidos (170.000 t). El ferrosilicio es utilizado principalmente por la industria del acero (ver más abajo).
Aleaciones de aluminio-silicio se utilizan mucho en la industria de fundición de aleación de aluminio, donde el silicio es el único aditivo más importante de aluminio para mejorar sus propiedades de colada. Desde fundición de aluminio se utiliza ampliamente en la industria del automóvil, este uso de silicio es por lo tanto el único uso industrial más grande de "grado metalúrgico" de silicio puro (como este de silicio purificado se añade a aluminio puro, mientras que ferrosilicio nunca se purifica antes de ser añadido al acero ).
Grado metalúrgico
El silicio elemental no aleado con cantidades significativas de otros elementos, y por lo general> 95%, a menudo se hace referencia en términos generales como metal de silicio. Se constituye alrededor del 20% del total mundial de producción de silicio elemental, con menos de 1 a 2% de silicio elemental total (5-10% de silicio de grado metalúrgico) cada vez purificada a los grados más altos para uso en electrónica. Silicio de grado metalúrgico se prepara comercialmente mediante la reacción de alta pureza de sílice con madera, carbón vegetal, y carbón en una horno de arco eléctrico utilizando carbón electrodos. A temperaturas más de 1.900 ° C (3.450 ° F), el carbono de los materiales antes mencionados y el silicio se someten a la reacción química SiO 2 + 2 C → Si + 2 CO. silicio líquido se acumula en el fondo del horno, que luego se drena y se enfrió. El silicio producido de esta manera se llama de silicio de grado metalúrgico y es al menos 98% puro. Usando este método, carburo de silicio (SiC) también puede formar de un exceso de carbono en una o ambas de las siguientes maneras:. SiO2 + C + CO → SiO o SiO + 2 C → SiC + CO Sin embargo, siempre que la concentración de SiO 2 se mantiene alta, el carburo de silicio puede ser eliminado por la reacción química 2 SiC + SiO 2 → 3 Si + 2 CO.
Como se señaló anteriormente, el silicio de grado metalúrgico "metal" tiene su uso principal en la industria de fundición de aluminio para hacer piezas de aleación de aluminio-silicio. El resto (aproximadamente 45%) es utilizada por el industria química, donde se emplea principalmente para hacer sílice ahumada.
En septiembre de 2008, metalúrgicas costos de silicio de grado sobre US $ 1,45 por libra ($ 3.20 / kg), frente a US $ 0,77 por libra (1,70 $ / kg) en 2005.
Grado Electrónico
El uso de silicio en semiconductores dispositivos exige una mayor pureza que proporcionó por el silicio de grado metalúrgico. De silicio muy puro (> 99,9%) se puede extraer directamente de sílice sólida u otros compuestos de silicio por electrólisis de sales fundidas. Este método, conocido ya en 1854 (véase también FFC proceso de Cambridge), tiene el potencial de producir directamente de silicio de grado solar sin ningún dióxido de carbono emisión a consumo de energía mucho menor.
Silicio de grado solar no puede ser utilizado para semiconductores, donde la pureza debe ser extremas para controlar adecuadamente el proceso. Obleas de silicio a granel utilizadas en el comienzo del proceso de toma de circuito integrado primero deben ser refinados a "nueve nueves" pureza (99.9999999%), un proceso que requiere aplicaciones repetidas de la tecnología de refinación.
La mayoría de los cristales de silicio crecido para la producción de dispositivo son producidos por la Proceso de Czochralski, (CZ-Si), ya que es el método más barato disponible y es capaz de producir cristales de gran tamaño. Sin embargo, los cristales individuales cultivados por el proceso Czochralski contienen impurezas debido a que el crisol que contiene la masa fundida a menudo se disuelve. Históricamente, un número de métodos se han utilizado para producir silicio ultra-alta pureza.
Técnicas de purificación de silicio Early se basaron en el hecho de que si el silicio se funde y se re-solidificado, las últimas partes de la masa a solidificar contienen la mayor parte de las impurezas. El primer método de purificación de silicio, descrita por primera vez en 1919 y se utiliza de forma limitada para hacer radar componentes durante la Segunda Guerra Mundial , que participan de trituración de silicio de grado metalúrgico y luego disolver parcialmente el polvo de silicio en un ácido. Cuando triturado, el silicio agrietado de modo que las regiones de impurezas ricos eran más débiles en el exterior de los granos resultantes de silicio. Como resultado, la impureza de silicio rico fue el primero en ser disuelto cuando se tratan con ácido, dejando atrás un producto más puro.
En fusión por zonas, también llamada zona de refinación, el primer método de purificación de silicio a ser ampliamente utilizados industrialmente, varillas de silicio de grado metalúrgico se calientan para fundir en un extremo. Entonces, el calentador se mueve lentamente hacia abajo la longitud de la varilla, manteniendo una pequeña longitud de los fundida de varilla como el silicio se enfría y se solidifica detrás de él. Como la mayoría de las impurezas tienden a permanecer en la región fundida lugar de volver a solidificar, cuando el proceso esté completo, la mayoría de las impurezas en la varilla se habrá pasado al extremo de que fue el último en ser fundido. Este extremo se corta y se desecha, y se repite el proceso si se desea una pureza todavía mayor.
De una sola vez, DuPont produce de silicio ultra-pura por reacción de tetracloruro de silicio con alta pureza de zinc vapores a 950 ° C, produciendo de silicio por SiCl 4 + 2 Zn → Si + 2 ZnCl2. Sin embargo, esta técnica estuvo plagado de problemas prácticos (como el cloruro de zinc solidificación subproducto y líneas de obstrucción) y finalmente fue abandonado en favor del proceso de Siemens . En el proceso Siemens, barras de silicio de alta pureza se exponen a triclorosilano a 1150 ° C. El gas triclorosilano se descompone y los depósitos de silicio adicional sobre las varillas, que se alargan porque 2 HSiCl3 → Si + 2 HCl + SiCl4. El silicio producido a partir de éste y de otros procesos se llama silicio policristalino. El silicio policristalino tiene típicamente niveles de impurezas de menos de una parte por mil millones.
En el año 2006 REC ha anunciado la construcción de una planta basada en lecho fluidizado (FB) utilizando tecnología de silano: 3 SiCl4 + Si + 2 H 2 → 4 HSiCl3, 4 HSiCl3 → 3 SiCl4 + SiH4, SiH4 → Si + 2 H 2. La ventaja de la tecnología de lecho fluido es que los procesos se pueden ejecutar continuamente, produciendo rendimientos más altos que Proceso de Siemens, que es un proceso por lotes.
Hoy en día, el silicio se purifica mediante la conversión a un silicio compuesto que puede ser más fácilmente purificado por destilación que en su estado original, y luego convertir ese compuesto de silicio de nuevo en silicio puro. Triclorosilano es el compuesto de silicio más comúnmente utilizado como el intermedio, aunque tetracloruro de silicio y también se utilizan silano. Cuando estos gases se sopla a través de silicio a alta temperatura, que se descomponen a silicio de alta pureza.
Además, existe la Proceso de Schumacher, que utiliza tribromosilane en lugar de triclorosilano y la tecnología de lecho fluido. Se requiere temperaturas de deposición más bajos, menores costes de capital para construir instalaciones y operar, no hay polímeros peligrosos ni material explosivo, y no produce residuos de polvo de silicio amorfo, todos los cuales son inconvenientes del proceso Siemens. Sin embargo, todavía hay que ser ningún principales fábricas construidas mediante este proceso.
Compuestos
- Silicio forma compuestos binarios llamados siliciuros con muchos elementos metálicos cuyas propiedades variar de compuestos reactivos, por ejemplo, siliciuro de magnesio, Mg 2 Si a través de compuestos refractarios alto punto de fusión tales como disiliciuro de molibdeno, MoSi2.
- El carburo de silicio, carburo de silicio (carborundo) es un duro, sólido de gran fusión y una bien conocida abrasivo. También puede ser sinterizado en un tipo de cerámica de alta resistencia utilizado en la armadura.
- Silano, SiH 4, es una gas pirofórico con una estructura tetraédrica similar al metano , CH 4. Cuando pura, que no reacciona con agua pura o ácidos diluidos; Sin embargo, incluso pequeñas cantidades de impurezas alcalinos del vidrio de laboratorio pueden dar lugar a una hidrólisis rápida. Hay una gama de hidruros de silicio concatenados que forman una serie homóloga de compuestos, Si n H 2 n n 2, donde = 2-8 (análogo a los alcanos ). Estos son todos hidrolizan fácilmente y son térmicamente inestables, particularmente a los miembros más pesados.
- Disilenes contienen un doble enlace de silicio-silicio (análogo a los alquenos ) y son generalmente altamente reactivo que requiere grandes grupos sustituyentes a su estabilización. La disilyne con un silicio de silicio triple enlace fue aislado por primera vez en 2004; aunque como el compuesto es no lineal, la unión es diferente a la de alquinos.
- Tetrahaluros, SiX4, se forman con todos los halógenos. El tetracloruro de silicio, por ejemplo, reacciona con el agua, a diferencia de su análogo de carbono, tetracloruro de carbono . Dihaluros de silicio se forman por la reacción de alta temperatura de tetrahaluros y silicio; con una estructura análoga a una carbeno que son compuestos reactivos. Difluoride silicio se condensa para formar un compuesto polimérico, (SiF 2) n.
- El dióxido de silicio es un sólido de gran fusión con un número de formas cristalinas; el más conocido de los cuales es el mineral de cuarzo . En cuarzo cada átomo de silicio está rodeado por cuatro átomos de oxígeno que unen a otros átomos de silicio para formar un retículo tridimensional. La sílice es soluble en agua a altas temperaturas formando una gama de compuestos llamados ácido monosilícico, Si (OH) 4.
- Bajo el ácido monosilícico condiciones adecuadas polimeriza fácilmente para formar ácidos silícicos más complejas, que van desde la más simple de condensado, ácido disilicic (H 6 Si 2 O 7) para lineales, estructuras de cinta, y la capa de celosía que forman la base de los muchos minerales de silicato y son llamados ácidos polisilícicos {Si x (OH) 4-2x} n.
- Con óxidos de otros elementos de la reacción de alta temperatura de dióxido de silicio puede dar una amplia gama de vidrios con diversas propiedades. Los ejemplos incluyen el vidrio de sosa cal, vidrio de borosilicato y vidrio de cristal de plomo.
- Sulfuro de silicio, SiS 2, es un sólido polimérico (a diferencia de su análogo de carbono líquido CS 2).
- Silicio forma un nitruro, Si 3 N 4, que es una cerámica. Silatranes, un grupo de compuestos tricíclicos que contienen de cinco coordenadas de silicio, pueden tener propiedades fisiológicas.
- Muchos complejos de metales de transición que contienen un enlace metal-silicio son ahora conocidos, que incluyen los complejos que contienen SiH n X 3- n ligandos, Six 3 ligandos, y Si (OR) 3 ligandos.
- Las siliconas son gran grupo de compuestos poliméricos con un (Si-O-Si) backbone. Un ejemplo es el aceite de silicona PDMS (polidimetilsiloxano). Estos polímeros pueden ser reticulados para producir resinas y elastómeros.
- Muchos compuestos orgánicos de silicio son conocidos que contienen un enlace sencillo de silicio-carbono. Muchos de estos se basan en un átomo de silicio tetraédrico central, y algunos son ópticamente activa cuando el centro existe quiralidad. Polímeros de cadena larga que contienen una cadena principal de silicio son conocidos, tales como polydimethysilylene (SiMe $ 2) n. Policarbosilano, [(SiMe $ 2) 2 CH 2] n con una cadena principal que contiene una unidad -Si-Si-C repetir, es un precursor en la producción de fibras de carburo de silicio.
Historia
Se llamó la atención primero a la sílice como el posible óxido de un fundamental elemento químico por Antoine Lavoisier , en 1787. Después de un intento de aislar el silicio en 1808, Sir Humphry Davy propuso el nombre de "silicio" para el silicio, del silex América, silicis para pedernal, pedernales, y añadiendo el "-ium" acabar porque creía que era un metal. En 1811, Gay-Lussac y Thénard se cree que tienen impuro preparado silicio amorfo, a través del calentamiento de aislado recientemente de potasio metal con tetrafluoruro de silicio, pero no a purificar y caracterizar el producto, ni lo identifican como un nuevo elemento. El silicio se le dio su nombre actual en 1817 por el químico escocés Thomas Thomson. Él conservó parte del nombre de Davy, pero agregó "-on" porque creía que el silicio era un no metal similar al de boro y carbono . En 1823, Berzelius preparó silicio amorfo utilizando aproximadamente el mismo método que Gay-Lussac (metal de potasio y fluorosilicato de potasio), pero purificando el producto a un polvo de color marrón repetidamente lavarlo. Como resultado, él generalmente se le da crédito por el descubrimiento del elemento.
Silicio en su forma cristalina más común no estaba preparado hasta 31 años después, por Deville. Por electrólisis impura de sodio - aluminio cloruro que contiene aproximadamente 10% de silicio, que fue capaz de obtener una ligeramente impuro alótropo del silicio en 1854. Más tarde, los métodos más rentables se han desarrollado para aislar silicio en varias allotrope formas, siendo la más reciente Siliceno.
Debido a que el silicio es un elemento importante en los semiconductores y dispositivos de alta tecnología, muchos lugares en el mundo llevan su nombre. Por ejemplo, Silicon Valley en California , ya que es la base para una serie de industrias relacionadas con la tecnología, lleva el nombre de silicio. Otras ubicaciones geográficas con conexiones a la industria ya se han nombrado después de silicio también. Los ejemplos incluyen Silicio bosque en Oregon , Silicon Hills en Austin, Texas, Silicon Saxony en Alemania , Silicon Valley en la India , Silicon Border en Mexicali, México, Silicon Fen en Cambridge, Inglaterra , Silicio Roundabout en Londres , Silicon Glen en Escocia , y Silicio Gorge en Bristol, Inglaterra .
Aplicaciones
Compuestos
La mayoría de silicio se utiliza industrialmente sin separarse en el elemento, y de hecho a menudo con comparativamente poco procesamiento de ocurrencia natural. Más del 90% de la corteza terrestre se compone de minerales de silicato. Muchos de éstos tienen usos comerciales directas, tales como arcillas, arena de sílice y la mayoría de los tipos de piedra de construcción. Por lo tanto, la gran mayoría de usos de silicio son como compuestos estructurales, ya sea como los minerales de silicato o de sílice (dióxido de silicio crudo). Por ejemplo, la sílice es una parte importante de ladrillo cerámico. Los silicatos se utilizan en la fabricación de cemento Portland que se utiliza en la construcción de mortero y estuco, pero lo más importante combina con arena de sílice, y grava (por lo general contienen minerales de silicato como el granito), para hacer el hormigón que es la base de la mayor parte de la muy grande industrial los proyectos de construcción del mundo moderno.
Minerales de silicato son también en cerámica loza, una clase importante de productos generalmente contienen diversos tipos de arcilla cocida (silicato de aluminio natural). Un ejemplo es la porcelana que se basa en mineral de silicato caolinita. La cerámica incluye objetos de arte y productos domésticos, industriales y de construcción. Tradicional de vidrio de sosa-cal a base de cuarzo también funciona en muchas de las mismas funciones.
Más compuestos de silicio modernas funcionan también como abrasivos de alta tecnología y nuevas cerámicas de alta resistencia con base en ( carburo de silicio), y, en superaleaciones.
Alternando las cadenas de silicio-oxígeno con hidrógeno unidos a los enlaces silicio restantes formar los materiales poliméricos a base de silicio conocidas como ubicuos siliconas. Estos compuestos que contienen silicio-oxígeno y ocasionalmente enlaces silicio-carbono tienen la capacidad de actuar como intermedios de unión entre el vidrio y compuestos orgánicos, y para formar polímeros con propiedades útiles, tales como impermeabilidad al agua, flexibilidad y resistencia al ataque químico. Las siliconas se utilizan a menudo en tratamientos de impermeabilización, compuestos de moldeo, moldeo agentes de liberación, sellos mecánicos, alta temperatura grasas y ceras, y compuestos para calafatear. Silicona también se utiliza a veces en los implantes mamarios, lentes de contacto, explosivos y pirotecnia. Silly Putty fue hecha originalmente por la adición de ácido bórico para aceite de silicona.
Aleaciones
Se añade silicio elemental para fundir hierro fundido como ferrosilicio o silicocalcium aleaciones para mejorar el rendimiento en la fundición de secciones finas y para evitar la formación de cementita cuando se expone al aire exterior. La presencia de silicio elemental en actos de hierro fundido como un sumidero de oxígeno, por lo que el contenido de carbono de acero, que debe mantenerse dentro de límites estrechos para cada tipo de acero, puede ser controlado más de cerca. Producción y uso de ferrosilicio es un monitor de la industria del acero, y aunque esta forma de silicio elemental es impuro, que representa el 80% del uso mundial de silicio libre.
Las propiedades de silicio en sí se pueden utilizar para modificar aleaciones. Importancia de silicio en la fundición de aluminio es que una cantidad significativamente alta (12%) de silicio en aluminio forma una mezcla eutéctica que se solidifica con muy poca contracción térmica. Esto reduce considerablemente la rotura y las grietas formadas por el estrés como aleaciones de fundición enfríen a la solidez. El silicio también mejora significativamente la dureza y por lo tanto la resistencia al desgaste de aluminio. El silicio es un componente importante de acero eléctrico, modificando su resistividad y propiedades ferromagnéticas.
Silicio de grado metalúrgico es el silicio de 95 a 99% de pureza. Alrededor del 55% del consumo mundial de silicio pureza metalúrgica va para la producción de aleaciones de aluminio-silicio para pieza de aluminio yesos, principalmente para su uso en el industria automotriz. La razón para el uso de alta silicio en estas aleaciones se señaló anteriormente. Gran parte del resto de silicio de grado metalúrgico es utilizado por la industria química para la producción del producto industrial importante sílice ahumada. El resto se utiliza en la producción de otros productos químicos finos, tales como silanos y algunos tipos de siliconas.
Electrónica
Desde silicio más elemental produjo restos como aleación de ferrosilicio, sólo una cantidad relativamente pequeña (20%) del silicio elemental producido es refinado a la pureza de grado metalúrgico (un total de 1,3 a 1.500.000 toneladas métricas / año). La fracción de silicio metálico que se refina aún más a la pureza de semiconductores se estima en sólo el 15% de la producción mundial de silicio de grado metalúrgico. Sin embargo, la importancia económica de esta fracción muy alta pureza pequeñas (especialmente el ~ 5% que se procesa al silicio monocristalino para el uso en circuitos integrados) es desproporcionadamente grande.
Puro silicio monocristalino se utiliza para producir silicio obleas utilizados en la industria de los semiconductores, la electrónica y en algunos de alto costo y alta eficiencia aplicaciones fotovoltaicas. En cuanto a la conducción responsable, silicio puro es un semiconductor intrínseco que significa que a diferencia de los metales se lleva a cabo huecos de electrones y los electrones que pueden ser liberados a partir de átomos dentro del cristal por el calor, y así aumentar de silicio de conductividad eléctrica con temperaturas más altas. De silicio puro tiene una conductividad demasiado baja (es decir, demasiado alto resistividad) para ser utilizado como un elemento de circuito en la electrónica. En la práctica, el silicio puro es dopado con pequeñas concentraciones de algunos otros elementos, un proceso que aumenta en gran medida su conductividad y ajusta su respuesta eléctrica mediante el control del número y de carga ( positivo o negativo ) de los portadores activados. Tal control es necesario para transistores, células solares, detectores de semiconductores y otros dispositivos semiconductores , que se utilizan en la industria informática y otras aplicaciones técnicas. Por ejemplo, en fotónica de silicio, el silicio se pueden utilizar como una onda continua Medio láser Raman para producir luz coherente, aunque es ineficaz como una fuente de luz diaria.
En comunes circuitos integrados , una oblea de silicio monocristalino sirve como un soporte mecánico para los circuitos, que se crean por el dopaje, y aislados unos de otros por capas delgadas de óxido de silicio , un aislante que se produce fácilmente mediante la exposición del elemento de oxígeno bajo las condiciones adecuadas. El silicio se ha convertido en el material más popular para construir los dos semiconductores de alta potencia y circuitos integrados. La razón es que el silicio es el semiconductor que puede soportar las temperaturas más altas y potencias eléctricas sin convertirse en disfuncional debido a ruptura de avalancha (un proceso en el que una avalancha de electrones es creado por un proceso de reacción en cadena de lo que el calor produce electrones y los huecos libres, que a su vez producen más corriente que produce más calor). Además, el óxido aislante de silicio no es soluble en agua, lo que le da una ventaja sobre el germanio (un elemento con propiedades similares que también pueden ser utilizados en dispositivos semiconductores) en cierto tipo de técnicas de fabricación.
El silicio monocristalino es caro de producir, y por lo general sólo justifica en la producción de circuitos integrados, donde las imperfecciones cristalinas pequeñas pueden interferir con la trayectoria de los circuitos minúsculos. Para otras aplicaciones, se pueden emplear otros tipos de silicio puro que no existen en forma de cristales individuales. Éstos incluyen de silicio amorfo hidrogenado y el silicio de grado metalúrgico actualizado (UMG-Si) que se utilizan en la producción de bajo costo, la electrónica de gran superficie en aplicaciones tales como pantallas de cristal líquido, y de gran superficie, de bajo costo, de película delgada células solares. Tales grados semiconductores de silicio que son o ligeramente menos puro que los utilizados en los circuitos integrados, o que se produce en policristalino lugar de forma monocristalino, conforman cantidad más o menos similar de silicio como se producen para la industria de semiconductores de silicio monocristalino, o 75.000 a 150.000 toneladas métricas por año. Sin embargo, la producción de tales materiales está creciendo más rápidamente que el silicio para el mercado de circuito integrado. En 2013 la producción de silicio policristalino, utilizado sobre todo en las células solares, se proyecta llegar a 200.000 toneladas métricas por año, mientras que la producción de silicio monocristalino de semiconductores (utilizado en microchips de ordenador) se mantiene por debajo de 50.000 toneladas / año.
Papel biológico
Aunque el silicio es fácilmente disponible en la forma de silicatos, son muy pocos los organismos tienen un uso para él. Las diatomeas, radiolarios y esponjas silíceas utilizan sílice biogénico como material estructural para construir esqueletos. En las plantas más avanzadas, la sílice fitolitos (fitolitos de ópalo) son organismos microscópicos rígidos que ocurren en la célula; algunas plantas, por ejemplo de arroz , de silicio necesitan para su crecimiento. Aunque el silicio se propuso ser un nutriente de ultra traza, su función exacta en la biología de los animales está aún en discusión. Los organismos superiores sólo son conocidos para usar en ocasiones muy limitadas en la forma de ácido silícico y silicatos solubles.
El silicio se sabe que la necesaria para la síntesis de elastina y colágeno; la aorta contiene la mayor cantidad de elastina y de silicio.
El silicio es actualmente bajo consideración para la elevación a la categoría de "plantar sustancia beneficiosa por la Asociación de Funcionarios de la planta estadounidense de Control de Alimentos (AAPFCO)." Silicio se ha demostrado en los estudios universitarios y de campo para mejorar la resistencia de la pared celular vegetal y la integridad estructural, mejorar la resistencia a la sequía y las heladas, disminuya el potencial alojamiento e impulsar sistemas de lucha contra plagas y enfermedades naturales de la planta. El silicio también se ha demostrado para mejorar el vigor de la planta y la fisiología mediante la mejora de la masa de raíces y la densidad, y el aumento de biomasa de la planta por encima del suelo y rendimiento de los cultivos.
Formas de vida a base de silicio hipotéticos son el tema de la bioquímica de silicio, por analogía con carbono formas de vida -basado. Silicio, está por debajo de carbono en la tabla periódica, se cree que tiene propiedades similares suficientes que hagan posible la vida basada en el silicio, pero muy diferente de la vida tal como la conocemos.
