El silicio es un elemento químico ; tiene símbolo Si y número atómico 14. Es un sólido cristalino duro y quebradizo con un brillo metálico gris azulado, no metálico y semiconductor . Es miembro del grupo 14 de la tabla periódica: el carbono está por encima; y debajo de él se encuentran el germanio , el estaño , el plomo y el flerovio . Es relativamente poco reactivo.
Debido a su alta afinidad química por el oxígeno, no fue hasta 1823 que Jöns Jakob Berzelius pudo prepararlo por primera vez y caracterizarlo en forma pura. Sus óxidos forman una familia de aniones conocidos como silicatos . Sus puntos de fusión y ebullición de 1414 °C y 3265 °C, respectivamente, son los segundos más altos entre todos los metaloides y no metales, siendo superados sólo por el boro . [a]
El silicio es el octavo elemento más común en el universo por masa, pero muy rara vez se encuentra como elemento puro en la corteza terrestre. Está ampliamente distribuido en el espacio en polvos cósmicos , planetoides y planetas como diversas formas de dióxido de silicio (sílice) o silicatos . Más del 90% de la corteza terrestre está compuesta por minerales de silicato , lo que convierte al silicio en el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre (alrededor del 28% en masa), después del oxígeno .
La mayor parte del silicio se utiliza comercialmente sin separarse, a menudo con muy poco procesamiento de los minerales naturales. Dicho uso incluye la construcción industrial con arcillas , arena de sílice y piedra . Los silicatos se utilizan en el cemento Portland para mortero y estuco , y se mezclan con arena de sílice y grava para fabricar hormigón para pasarelas, cimientos y carreteras. También se utilizan en cerámica blanca como la porcelana , y en vidrio tradicional de cal sodada a base de silicato y muchos otros vidrios especiales . Los compuestos de silicio, como el carburo de silicio , se utilizan como abrasivos y componentes de cerámicas de alta resistencia. El silicio es la base de los polímeros sintéticos ampliamente utilizados llamados siliconas .
Desde finales del siglo XX hasta principios del XXI se ha descrito como la Era del Silicio (también conocida como Era Digital o Era de la Información ) debido al gran impacto que el silicio elemental tiene en la economía mundial moderna. La pequeña porción de silicio elemental muy purificado que se utiliza en la electrónica semiconductora (<15%) es esencial para los transistores y los chips de circuitos integrados utilizados en la mayoría de las tecnologías modernas, como los teléfonos inteligentes y otras computadoras . En 2019, el 32,4 % del segmento del mercado de semiconductores correspondía a redes y dispositivos de comunicaciones, y se prevé que la industria de los semiconductores alcance los 726 730 millones de dólares en 2027. [12]
El silicio es un elemento esencial en la biología. La mayoría de los animales solo necesitan trazas, pero algunas esponjas marinas y microorganismos, como las diatomeas y los radiolarios , secretan estructuras esqueléticas hechas de sílice. La sílice se deposita en muchos tejidos vegetales. [13]
Debido a la abundancia de silicio en la corteza terrestre , durante miles de años se han utilizado materiales naturales a base de silicio. Los cristales de roca de silicio eran familiares para varias civilizaciones antiguas , como los egipcios predinásticos que los usaban para cuentas y pequeños jarrones , así como los antiguos chinos . El vidrio que contenía sílice fue fabricado por los egipcios desde al menos el año 1500 a.C., así como por los antiguos fenicios . Los compuestos de silicato natural también se utilizaron en varios tipos de mortero para la construcción de las primeras viviendas humanas . [14]
En 1787, Antoine Lavoisier sospechó que la sílice podría ser un óxido de un elemento químico fundamental , [15] pero la afinidad química del silicio por el oxígeno es tan alta que no tenía medios para reducir el óxido y aislar el elemento. [16] Después de un intento de aislar el silicio en 1808, Sir Humphry Davy propuso el nombre "silicium" para el silicio, del latín silex , silicis para pedernal, y añadió la terminación "-ium" porque creía que era un metal. [17] La mayoría de los demás idiomas utilizan formas transliteradas del nombre de Davy, a veces adaptadas a la fonología local (por ejemplo, el alemán Silizium , el turco silisyum , el catalán silici , el armenio ցָ۫ւִ o Silitzioum ). Algunos otros usan en su lugar un calco de raíz latina (p. ej. , ruso кремний , de кремень "pedernal"; griego πυρίτιο de πυρ "fuego"; finlandés pii de piikivi "pedernal", checo křemík de křemen "cuarzo", "pedernal") . [18]
Se cree que Gay-Lussac y Thénard prepararon silicio amorfo impuro en 1811, mediante el calentamiento de potasio metálico recientemente aislado con tetrafluoruro de silicio , pero no purificaron ni caracterizaron el producto, ni lo identificaron como un nuevo elemento. [19] El silicio recibió su nombre actual en 1817 por el químico escocés Thomas Thomson . Conservó parte del nombre de Davy pero añadió "-on" porque creía que el silicio era un no metal similar al boro y al carbono . [20] En 1824, Jöns Jacob Berzelius preparó silicio amorfo utilizando aproximadamente el mismo método que Gay-Lussac (reduciendo el fluorosilicato de potasio con potasio metálico fundido), pero purificando el producto hasta convertirlo en un polvo marrón lavándolo repetidamente. [21] Como resultado, generalmente se le da crédito por el descubrimiento del elemento. [22] [23] El mismo año, Berzelius se convirtió en el primero en preparar tetracloruro de silicio ; El tetrafluoruro de silicio ya había sido preparado mucho antes, en 1771, por Carl Wilhelm Scheele disolviendo sílice en ácido fluorhídrico . [16] En 1823, Jacob Berzelius descubrió por primera vez el tetracloruro de silicio (SiCl 4 ). [24] En 1846 Von Ebelman sintetizó ortosilicato de tetraetilo (Si(OC 2 H 5 ) 4 ). [25] [24]
El silicio en su forma cristalina más común no fue preparado hasta 31 años después, por Deville . [26] [27] Al electrolizar una mezcla de cloruro de sodio y cloruro de aluminio que contenía aproximadamente un 10% de silicio, pudo obtener un alótropo de silicio ligeramente impuro en 1854. [28] Posteriormente, se desarrollaron métodos más rentables para aislar varias formas alótropas, la más reciente fue el siliceno en 2010. [29] [30] Mientras tanto, continuaron las investigaciones sobre la química del silicio; Friedrich Wöhler descubrió los primeros hidruros volátiles de silicio, sintetizando triclorosilano en 1857 y el propio silano en 1858, pero Alfred Stock no llevó a cabo una investigación detallada de los silanos hasta principios del siglo XX , a pesar de las primeras especulaciones sobre el tema que se remontaban a mucho tiempo atrás. como los inicios de la química orgánica sintética en la década de 1830. [31] [32] De manera similar, el primer compuesto de organosilicio , el tetraetilsilano, fue sintetizado por Charles Friedel y James Crafts en 1863, pero Frederic Kipping no realizó una caracterización detallada de la química del organosilicio hasta principios del siglo XX . [dieciséis]
A partir de la década de 1920, los trabajos de William Lawrence Bragg sobre cristalografía de rayos X aclararon las composiciones de los silicatos, que hasta entonces se conocían por la química analítica pero aún no se habían comprendido, junto con el desarrollo de la química cristalina por parte de Linus Pauling y Victor El desarrollo de la geoquímica de Goldschmidt . La mitad del siglo XX vio el desarrollo de la química y el uso industrial de los siloxanos y el uso creciente de polímeros , elastómeros y resinas de silicona . A finales del siglo XX, se mapeó la complejidad de la química cristalina de los siliciuros , junto con la física del estado sólido de los semiconductores dopados . [dieciséis]
Los primeros dispositivos semiconductores no utilizaron silicio, pero sí galena , incluido el detector de cristal del físico alemán Ferdinand Braun en 1874 y el detector de radiocristal del físico indio Jagadish Chandra Bose en 1901. [33] [34] El primer dispositivo semiconductor de silicio fue un detector de radiocristales de silicio, desarrollado por el ingeniero estadounidense Greenleaf Whittier Pickard en 1906. [34]
En 1940, Russell Ohl descubrió la unión p-n y los efectos fotovoltaicos en el silicio. En 1941, se desarrollaron técnicas para producir cristales de germanio y silicio de alta pureza para cristales detectores de microondas de radar durante la Segunda Guerra Mundial . [33] En 1947, el físico William Shockley teorizó un amplificador de efecto de campo hecho de germanio y silicio, pero no logró construir un dispositivo que funcionara, antes de trabajar finalmente con germanio. El primer transistor que funcionó fue un transistor de contacto puntual construido por John Bardeen y Walter Brattain más tarde ese año mientras trabajaban con Shockley. [35] En 1954, el químico físico Morris Tanenbaum fabricó el primer transistor de unión de silicio en los Laboratorios Bell . [36] En 1955, Carl Frosch y Lincoln Derick en Bell Labs descubrieron accidentalmente que el dióxido de silicio ( SiO
2) podría cultivarse en silicio, [37] y más tarde propusieron que esto podría enmascarar las superficies de silicio durante los procesos de difusión en 1958. [38]
La "Era del Silicio" se refiere a finales del siglo XX y principios del siglo XXI. [39] [40] [41] Esto se debe a que el silicio es el material dominante de la Edad del Silicio (también conocida como Era Digital o Era de la Información ), similar a cómo la Edad de Piedra , la Edad del Bronce y la Edad del Hierro fueron definidas por el materiales dominantes durante sus respectivas edades de civilización . [39]
Dado que el silicio es un elemento importante en los dispositivos semiconductores de alta tecnología, muchos lugares del mundo llevan su nombre. Por ejemplo, el Valle de Santa Clara en California adquirió el sobrenombre de Silicon Valley , porque el elemento es el material base en la industria de semiconductores de ese lugar. Desde entonces, muchos otros lugares han recibido nombres similares, incluido Silicon Wadi en Israel; Silicon Forest en Oregón; Silicon Hills en Austin, Texas; Silicon Slopes en Salt Lake City, Utah; Silicio Sajonia en Alemania; Silicon Valley en la India; Frontera de Silicio en Mexicali, México; Silicon Fen en Cambridge, Inglaterra; Rotonda del Silicio en Londres; Silicon Glen en Escocia; Silicon Gorge en Bristol, Inglaterra; Silicon Alley en la ciudad de Nueva York; y Silicon Beach en Los Ángeles. [42]
Un átomo de silicio tiene catorce electrones . En el estado fundamental, están dispuestos en la configuración electrónica [Ne]3s 2 3p 2 . De ellos, cuatro son electrones de valencia , ocupando el orbital 3s y dos de los orbitales 3p. Al igual que los otros miembros de su grupo, el carbono más ligero y el germanio , estaño y plomo más pesados , tiene el mismo número de electrones de valencia que orbitales de valencia: por lo tanto, puede completar su octeto y obtener la configuración estable de gas noble del argón mediante formando orbitales híbridos sp 3 , formando tetraédrico SiX
4derivados donde el átomo de silicio central comparte un par de electrones con cada uno de los cuatro átomos a los que está unido. [44] Las primeras cuatro energías de ionización del silicio son 786,3, 1576,5, 3228,3 y 4354,4 kJ/mol respectivamente; estas cifras son lo suficientemente altas como para excluir la posibilidad de una química catiónica simple para el elemento. Siguiendo tendencias periódicas , su radio covalente de enlace simple de 117,6 pm es intermedio entre los del carbono (77,2 pm) y el germanio (122,3 pm). Se puede considerar que el radio iónico hexacoordinado del silicio es 40 pm, aunque debe tomarse como una cifra puramente teórica dada la falta de un Si simple.4+
catión en la realidad. [45]
A temperatura y presión estándar, el silicio es un semiconductor brillante con un brillo metálico de color gris azulado; Como es típico de los semiconductores, su resistividad disminuye a medida que aumenta la temperatura. Esto surge porque el silicio tiene una pequeña brecha de energía ( banda prohibida ) entre sus niveles de energía ocupados más altos (la banda de valencia) y los desocupados más bajos (la banda de conducción). El nivel de Fermi se encuentra aproximadamente a medio camino entre las bandas de valencia y de conducción y es la energía a la que es más probable que un estado esté ocupado por un electrón o no. Por tanto, el silicio puro es efectivamente un aislante a temperatura ambiente. Sin embargo, dopar el silicio con un pnictógeno como fósforo , arsénico o antimonio introduce un electrón extra por dopante y estos luego pueden excitarse en la banda de conducción ya sea térmica o fotolíticamente, creando un semiconductor de tipo n . De manera similar, dopar el silicio con un elemento del grupo 13 como el boro , el aluminio o el galio da como resultado la introducción de niveles de aceptores que atrapan electrones que pueden excitarse desde la banda de valencia llena, creando un semiconductor de tipo p . [46] Unir silicio de tipo n con silicio de tipo p crea una unión p-n con un nivel de Fermi común; los electrones fluyen de n a p, mientras que los huecos fluyen de p a n, creando una caída de voltaje. Por lo tanto, esta unión p-n actúa como un diodo que puede rectificar la corriente alterna y permite que la corriente pase más fácilmente en un sentido que en el otro. Un transistor es una unión n-p-n, con una fina capa de silicio débilmente tipo p entre dos regiones de tipo n. Polarizar el emisor a través de un voltaje directo pequeño y el colector a través de un voltaje inverso grande permite que el transistor actúe como un amplificador triodo . [46]
El silicio cristaliza en una estructura covalente gigante en condiciones estándar, concretamente en una red cristalina cúbica de diamante ( grupo espacial 227 ). Por tanto, tiene un alto punto de fusión de 1414 °C, ya que se necesita mucha energía para romper los fuertes enlaces covalentes y fundir el sólido. Al derretirse, el silicio se contrae a medida que la red tetraédrica de enlaces de largo alcance se rompe y los vacíos en esa red se llenan, similar al hielo de agua cuando los enlaces de hidrógeno se rompen al derretirse. No tiene ningún alótropo termodinámicamente estable a presión estándar, pero se conocen varias otras estructuras cristalinas a presiones más altas. La tendencia general es la de aumentar el número de coordinación con la presión, culminando en un alótropo hexagonal compacto de aproximadamente 40 gigapascales conocido como Si-VII (la modificación estándar es Si-I). Un alótropo llamado BC8 (o bc8), que tiene una red cúbica centrada en el cuerpo con ocho átomos por celda unitaria primitiva ( grupo espacial 206 ), se puede crear a alta presión y permanece metaestable a baja presión. Sus propiedades han sido estudiadas en detalle. [47]
El silicio hierve a 3265 °C: esta temperatura, aunque alta, sigue siendo inferior a la temperatura a la que se sublima su congénere más ligero, el carbono (3642 °C), y el silicio también tiene un calor de vaporización más bajo que el carbono, lo que concuerda con el hecho de que el Si- El enlace Si es más débil que el enlace C-C. [46]
También es posible construir capas de siliceno análogas al grafeno . [29] [30]
El silicio natural se compone de tres isótopos estables , 28 Si (92,23%), 29 Si (4,67%) y 30 Si (3,10%). [48] De estos, sólo 29 Si es útil en espectroscopia de RMN y EPR , [49] ya que es el único con un espín nuclear ( I =1/2). [31] Los tres se producen en supernovas de tipo Ia [50] [51] mediante el proceso de quema de oxígeno , siendo el 28 Si el que se produce como parte del proceso alfa y, por lo tanto, el más abundante. La fusión del 28 Si con partículas alfa mediante reordenamiento por fotodesintegración en estrellas se conoce como proceso de quema de silicio ; es la última etapa de la nucleosíntesis estelar antes del rápido colapso y violenta explosión de la estrella en cuestión en una supernova de tipo II . [52]
Se han caracterizado veinte radioisótopos , siendo los dos más estables el 32 Si, con una vida media de unos 150 años, y el 31 Si, con una vida media de 2,62 horas. [48] Todos los isótopos radiactivos restantes tienen vidas medias inferiores a siete segundos, y la mayoría de ellos tienen vidas medias inferiores a una décima de segundo. [48] El silicio tiene un isómero nuclear conocido , el 34m Si, con una vida media inferior a 210 nanosegundos. [48] El 32 Si sufre una desintegración beta de baja energía hasta el 32 P y luego se estabiliza en el 32 S. El 31 Si puede producirse mediante la activación neutrónica del silicio natural y, por tanto, es útil para el análisis cuantitativo; se puede detectar fácilmente por su característica desintegración beta al 31 P estable , en la que el electrón emitido transporta hasta 1,48 MeV de energía. [31]
Los isótopos conocidos de silicio varían en número de masa de 22 a 44. [48] El modo de desintegración más común de los isótopos con números de masa inferiores a los tres isótopos estables es la desintegración beta inversa , formando principalmente isótopos de aluminio (13 protones) como productos de desintegración. . [48] El modo de desintegración más común para los isótopos inestables más pesados es la desintegración beta, formando principalmente isótopos de fósforo (15 protones) como productos de desintegración. [48]
El silicio puede ingresar a los océanos a través del transporte fluvial y de aguas subterráneas . Los grandes flujos de entrada de agua subterránea tienen una composición isotópica distinta de la entrada de silicio fluvial. Las variaciones isotópicas en los transportes fluviales y de aguas subterráneas contribuyen a las variaciones en los valores de 30 Si oceánicos. Actualmente, existen diferencias sustanciales en los valores isotópicos de las aguas profundas en las cuencas oceánicas del mundo . Entre los océanos Atlántico y Pacífico, hay un gradiente de 30 Si en aguas profundas superior a 0,3 partes por mil. 30 Si se asocia más comúnmente con la productividad en los océanos. [53]
El silicio cristalino en masa es bastante inerte, pero se vuelve más reactivo a altas temperaturas. Al igual que su vecino el aluminio, el silicio forma una capa superficial delgada y continua de dióxido de silicio ( SiO
2) que protege el metal de la oxidación. Por lo tanto, el silicio no reacciona de manera mensurable con el aire por debajo de 900 °C, pero la formación de dióxido vítreo aumenta rápidamente entre 950 °C y 1160 °C y cuando se alcanzan los 1400 °C, el nitrógeno atmosférico también reacciona para dar los nitruros SiN y Si.
3norte
4. El silicio reacciona con azufre gaseoso a 600 °C y fósforo gaseoso a 1000 °C. Sin embargo, esta capa de óxido no impide la reacción con los halógenos ; el flúor ataca vigorosamente al silicio a temperatura ambiente, el cloro lo hace a unos 300 °C y el bromo y el yodo a unos 500 °C. El silicio no reacciona con la mayoría de los ácidos acuosos, pero se oxida y forma complejos con mezclas de ácido fluorhídrico que contienen cloro o ácido nítrico para formar hexafluorosilicatos . Se disuelve fácilmente en álcali acuoso caliente para formar silicatos . [54] A altas temperaturas, el silicio también reacciona con haluros de alquilo ; esta reacción puede ser catalizada por cobre para sintetizar directamente cloruros de organosilicio como precursores de polímeros de silicona . Al fundirse, el silicio se vuelve extremadamente reactivo, se alea con la mayoría de los metales para formar siliciuros y reduce la mayoría de los óxidos metálicos debido a que el calor de formación del dióxido de silicio es muy grande. De hecho, el silicio fundido reacciona prácticamente con todos los tipos conocidos de material de crisol (excepto su propio óxido, SiO) .
2). [55] : 13 Esto sucede debido a las altas fuerzas de unión del silicio para los elementos ligeros y a su alto poder de disolución para la mayoría de los elementos. [55] : 13 Como resultado, los recipientes para silicio líquido deben estar hechos de materiales refractarios y no reactivos, como dióxido de circonio o boruros de los grupos 4, 5 y 6. [46] [56]
La coordinación tetraédrica es un motivo estructural importante en la química del silicio, al igual que lo es en la química del carbono. Sin embargo, el subnivel 3p es bastante más difuso que el subnivel 2p y no se hibrida tan bien con el subnivel 3s. Como resultado, la química del silicio y sus congéneres más pesados muestra diferencias significativas con la del carbono [57] y, por tanto, la coordinación octaédrica también es significativa. [46] Por ejemplo, la electronegatividad del silicio (1,90) es mucho menor que la del carbono (2,55), porque los electrones de valencia del silicio están más lejos del núcleo que los del carbono y, por lo tanto, experimentan fuerzas electrostáticas de atracción más pequeñas desde el núcleo. . La escasa superposición de los orbitales 3p también resulta en una tendencia mucho menor hacia la catenación (formación de enlaces Si-Si) para el silicio que para el carbono, debido al debilitamiento concomitante del enlace Si-Si en comparación con el enlace C-C: [58 ] la energía promedio del enlace Si-Si es de aproximadamente 226 kJ/mol, en comparación con un valor de 356 kJ/mol para el enlace C-C. [59] Esto da como resultado que los compuestos de silicio con enlaces múltiples generalmente sean mucho menos estables que sus homólogos de carbono, un ejemplo de la regla del doble enlace . Por otro lado, la presencia de nodos radiales en los orbitales 3p del silicio sugiere la posibilidad de hipervalencia , como se ve en derivados del silicio de cinco y seis coordenadas como SiX .−
5y SiF2-6
_. [60] [58] Por último, debido a la creciente brecha de energía entre los orbitales de valencia s y p a medida que el grupo desciende, el estado divalente crece en importancia del carbono al plomo, de modo que se conocen algunos compuestos divalentes inestables para el silicio; Esta disminución del estado de oxidación principal, junto con el aumento de los radios atómicos, da como resultado un aumento del carácter metálico en el grupo. El silicio ya muestra un comportamiento metálico incipiente, particularmente en el comportamiento de sus compuestos de óxido y su reacción con ácidos y bases (aunque esto requiere algo de esfuerzo), por lo que a menudo se lo denomina metaloide en lugar de no metal. [58] El germanio muestra más y el estaño generalmente se considera un metal. [dieciséis]
El silicio muestra claras diferencias con el carbono. Por ejemplo, la química orgánica tiene muy pocas analogías con la química del silicio, mientras que los minerales de silicato tienen una complejidad estructural que no se ve en los oxocarbonos . [61] El silicio tiende a parecerse mucho más al germanio que al carbono, y este parecido se ve reforzado por la contracción del bloque d , lo que da como resultado que el tamaño del átomo de germanio sea mucho más cercano al del átomo de silicio de lo que predecirían las tendencias periódicas. [62] Sin embargo, todavía existen algunas diferencias debido a la creciente importancia del estado divalente en el germanio en comparación con el silicio. Además, la menor resistencia del enlace Ge-O en comparación con la resistencia del enlace Si-O da como resultado la ausencia de polímeros "germanona" que serían análogos a los polímeros de silicona . [59]
El silicio es el octavo elemento más abundante en el universo, después del hidrógeno , el helio , el carbono , el nitrógeno , el oxígeno , el hierro y el neón . Estas abundancias no se replican bien en la Tierra debido a la separación sustancial de los elementos que tuvo lugar durante la formación del Sistema Solar . El silicio constituye el 27,2% del peso de la corteza terrestre, sólo superado por el oxígeno con un 45,5%, con el que siempre ha estado asociado en la naturaleza. Un mayor fraccionamiento tuvo lugar en la formación de la Tierra por diferenciación planetaria : el núcleo de la Tierra , que constituye el 31,5% de la masa de la Tierra, tiene una composición aproximada de Fe.
25Ni
2Co
0.1S
3; El manto constituye el 68,1% de la masa de la Tierra y está compuesto principalmente por óxidos y silicatos más densos, como por ejemplo el olivino ( Mg,Fe).
2SiO
4; mientras que los minerales silíceos más ligeros, como los aluminosilicatos , suben a la superficie y forman la corteza, constituyendo el 0,4% de la masa terrestre. [63] [64]
La cristalización de rocas ígneas a partir de magma depende de varios factores; entre ellos se encuentran la composición química del magma, la velocidad de enfriamiento y algunas propiedades de los minerales individuales que se van a formar, como la energía reticular , el punto de fusión y la complejidad de su estructura cristalina. A medida que el magma se enfría, aparece primero el olivino , seguido del piroxeno , el anfíbol , la mica biotita , el feldespato ortoclasa , la mica moscovita , el cuarzo , las zeolitas y, finalmente, los minerales hidrotermales. Esta secuencia muestra una tendencia hacia unidades de silicato cada vez más complejas con enfriamiento y la introducción de aniones hidróxido y fluoruro además de óxidos. Muchos metales pueden sustituir al silicio. Después de que estas rocas ígneas sufren erosión , transporte y deposición, se forman rocas sedimentarias como arcilla, esquisto y arenisca. El metamorfismo también puede ocurrir a altas temperaturas y presiones, creando una variedad aún mayor de minerales. [63]
Hay cuatro fuentes de flujos de silicio hacia el océano: la erosión química de las rocas continentales, el transporte fluvial, la disolución de silicatos terrígenos continentales y la reacción entre basaltos submarinos y fluidos hidrotermales que liberan silicio disuelto. Estos cuatro flujos están interconectados en el ciclo biogeoquímico del océano, ya que todos se formaron inicialmente a partir de la erosión de la corteza terrestre. [sesenta y cinco]
Cada año se depositan aproximadamente entre 300 y 900 megatoneladas de polvo eólico en los océanos del mundo. De ese valor, entre 80 y 240 megatones se encuentran en forma de partículas de silicio. La cantidad total de partículas de silicio depositadas en el océano es aún menor que la cantidad de silicio que ingresa al océano a través del transporte fluvial. [66] Las entradas eólicas de partículas de silicio litogénico en los océanos Atlántico Norte y Pacífico Norte Occidental son el resultado del polvo que se deposita en los océanos desde el Sahara y el desierto de Gobi, respectivamente. [65] Los transportes fluviales son la principal fuente de entrada de silicio al océano en las regiones costeras, mientras que la deposición de silicio en mar abierto está muy influenciada por la sedimentación del polvo eólico. [66]
El silicio con una pureza del 96 al 99% se obtiene reduciendo carbotérmicamente cuarcita o arena con coque de alta pureza . La reducción se realiza en horno de arco eléctrico , con un exceso de SiO
2utilizado para evitar la acumulación de carburo de silicio (SiC): [31]
Esta reacción, conocida como reducción carbotérmica de dióxido de silicio, suele realizarse en presencia de chatarra con bajas cantidades de fósforo y azufre , produciendo ferrosilicio . [31] El ferrosilicio, una aleación de hierro y silicio que contiene proporciones variables de silicio elemental y hierro, representa alrededor del 80% de la producción mundial de silicio elemental, y China, el principal proveedor de silicio elemental, proporciona 4,6 millones de toneladas (o 2 (terceras partes de la producción mundial) de silicio, la mayor parte en forma de ferrosilicio. Le siguen Rusia (610.000 t), Noruega (330.000 t), Brasil (240.000 t) y Estados Unidos (170.000 t). [67] El ferrosilicio se utiliza principalmente en la industria del hierro y el acero (ver más abajo), principalmente como adición de aleación en hierro o acero y para la desoxidación del acero en plantas siderúrgicas integradas. [31]
Otra reacción, a veces utilizada, es la reducción aluminotérmica de dióxido de silicio, como sigue: [68]
La lixiviación de silicio en polvo con una pureza del 96 % al 97 % con agua da como resultado ~ 98,5 % de silicio puro, que se utiliza en la industria química. Sin embargo, se necesita una pureza aún mayor para las aplicaciones de semiconductores, y esta se produce a partir de la reducción de tetraclorosilano (tetracloruro de silicio) o triclorosilano . El primero se fabrica clorando restos de silicio y el segundo es un subproducto de la producción de silicona . Estos compuestos son volátiles y, por lo tanto, pueden purificarse mediante destilación fraccionada repetida, seguida de reducción a silicio elemental con zinc metálico muy puro como agente reductor. Los trozos esponjosos de silicio así producidos se funden y luego se cultivan para formar monocristales cilíndricos, antes de ser purificados mediante refinado por zonas . Otras rutas utilizan la descomposición térmica de silano o tetrayodosilano ( SiI
4). Otro proceso utilizado es la reducción del hexafluorosilicato de sodio , un producto de desecho común de la industria de los fertilizantes fosfatados, por sodio metálico : es altamente exotérmico y, por lo tanto, no requiere ninguna fuente de energía externa. El silicio hiperfino se fabrica con una pureza mayor que casi cualquier otro material: la producción de transistores requiere niveles de impureza en los cristales de silicio inferiores a 1 parte por 10 10 y, en casos especiales, se necesitan y alcanzan niveles de impureza inferiores a 1 parte por 10 12 . [31]
Las nanoestructuras de silicio se pueden producir directamente a partir de arena de sílice mediante procesos metalotérmicos convencionales o el enfoque de síntesis por combustión. Estos materiales de silicio nanoestructurados se pueden utilizar en diversas aplicaciones funcionales, incluido el ánodo de baterías de iones de litio (LIB) o aplicaciones fotocatalíticas. [69]
La mayor parte del silicio se utiliza industrialmente sin ser purificado, a menudo con un procesamiento comparativamente pequeño a partir de su forma natural. Más del 90% de la corteza terrestre está compuesta de minerales de silicato , que son compuestos de silicio y oxígeno, a menudo con iones metálicos cuando los aniones de silicato cargados negativamente requieren cationes para equilibrar la carga. Muchos de ellos tienen usos comerciales directos, como arcillas, arena de sílice y la mayoría de los tipos de piedra de construcción. Por lo tanto, la gran mayoría de los usos del silicio son como compuestos estructurales, ya sea como minerales de silicato o sílice (dióxido de silicio crudo). Los silicatos se utilizan para fabricar cemento Portland (hecho principalmente de silicatos de calcio), que se utiliza en morteros de construcción y estucos modernos , pero lo que es más importante, se combinan con arena de sílice y grava (que generalmente contiene minerales de silicato como el granito) para fabricar el concreto que es la base de la mayoría de los proyectos de construcción industrial más grandes del mundo moderno. [70]
La sílice se utiliza para fabricar ladrillos refractarios , un tipo de cerámica. Los minerales de silicato también se encuentran en la cerámica blanca , una clase importante de productos que generalmente contienen varios tipos de minerales de arcilla cocida (filosilicatos de aluminio naturales). Un ejemplo es la porcelana , que se basa en el mineral de silicato caolinita . El vidrio tradicional ( vidrio sodocálcico a base de sílice ) también funciona de muchas de las mismas maneras y también se utiliza para ventanas y contenedores. Además, las fibras de vidrio especiales a base de sílice se utilizan para fibra óptica , así como para producir fibra de vidrio para soporte estructural y lana de vidrio para aislamiento térmico .
Las siliconas se utilizan a menudo en tratamientos impermeabilizantes , compuestos de moldeo , agentes desmoldeantes , sellos mecánicos, grasas y ceras para altas temperaturas y compuestos de calafateo . La silicona también se utiliza a veces en implantes mamarios , lentes de contacto, explosivos y pirotecnia . [71] Silly Putty se hacía originalmente agregando ácido bórico al aceite de silicona . [72] Otros compuestos de silicio funcionan como abrasivos de alta tecnología y nuevas cerámicas de alta resistencia basadas en carburo de silicio . El silicio es un componente de algunas superaleaciones .
El silicio elemental se agrega al hierro fundido como ferrosilicio o aleaciones de silicocalcio para mejorar el rendimiento en la fundición de secciones delgadas y evitar la formación de cementita cuando se expone al aire exterior. La presencia de silicio elemental en el hierro fundido actúa como un sumidero de oxígeno, de modo que se puede controlar más estrechamente el contenido de carbono del acero, que debe mantenerse dentro de límites estrechos para cada tipo de acero. La producción y el uso de ferrosilicio son un monitor de la industria del acero, y aunque esta forma de silicio elemental es extremadamente impura, representa el 80% del uso mundial de silicio libre. El silicio es un constituyente importante del acero eléctrico , modificando su resistividad y propiedades ferromagnéticas .
Las propiedades del silicio pueden utilizarse para modificar aleaciones con metales distintos del hierro. El silicio de "grado metalúrgico" es silicio con una pureza del 95 al 99%. Aproximadamente el 55% del consumo mundial de silicio de pureza metalúrgica se destina a la producción de aleaciones de aluminio y silicio ( aleaciones de siluminio ) para piezas fundidas de aluminio , principalmente para su uso en la industria automotriz . La importancia del silicio en la fundición de aluminio es que una cantidad significativamente alta (12%) de silicio en el aluminio forma una mezcla eutéctica que solidifica con muy poca contracción térmica. Esto reduce en gran medida los desgarros y las grietas formadas por la tensión a medida que las aleaciones de fundición se enfrían hasta solidificarse. El silicio también mejora significativamente la dureza y, por tanto, la resistencia al desgaste del aluminio. [73] [74]
La mayor parte del silicio elemental producido permanece como una aleación de ferrosilicio, y sólo aproximadamente el 20% se refina hasta alcanzar una pureza de grado metalúrgico (un total de 1,3 a 1,5 millones de toneladas métricas/año). Se estima que el 15% de la producción mundial de silicio de grado metalúrgico se refina hasta obtener pureza de semiconductor. [74] Este suele ser el material monocristalino "nueve-9" o 99,9999999% de pureza, [75] casi libre de defectos . [76]
El silicio monocristalino de tal pureza suele producirse mediante el proceso de Czochralski , y se utiliza para producir obleas de silicio utilizadas en la industria de semiconductores , en electrónica y en algunas aplicaciones fotovoltaicas de alto costo y alta eficiencia . [77] El silicio puro es un semiconductor intrínseco , lo que significa que a diferencia de los metales, conduce huecos de electrones y electrones liberados de los átomos por el calor; La conductividad eléctrica del silicio aumenta con temperaturas más altas. El silicio puro tiene una conductividad demasiado baja (es decir, una resistividad demasiado alta ) para usarse como elemento de circuito en electrónica. En la práctica, el silicio puro está dopado con pequeñas concentraciones de otros elementos determinados, que aumentan en gran medida su conductividad y ajustan su respuesta eléctrica controlando el número y la carga ( positiva o negativa ) de los portadores activados. Dicho control es necesario para transistores , células solares , detectores de semiconductores y otros dispositivos semiconductores utilizados en la industria informática y otras aplicaciones técnicas. [78] En fotónica de silicio , el silicio se puede utilizar como medio láser Raman de onda continua para producir luz coherente. [79]
En los circuitos integrados comunes , una oblea de silicio monocristalino sirve como soporte mecánico para los circuitos, que se crean mediante dopaje y se aíslan entre sí por finas capas de óxido de silicio , un aislante que se produce fácilmente en las superficies de Si mediante procesos de oxidación térmica. u oxidación local (LOCOS) , que implica exponer el elemento al oxígeno en las condiciones adecuadas que pueden predecirse mediante el modelo de Deal-Grove . El silicio se ha convertido en el material más popular tanto para semiconductores de alta potencia como para circuitos integrados porque puede soportar las temperaturas más altas y la mayor actividad eléctrica sin sufrir una avalancha de electrones (una avalancha de electrones se crea cuando el calor produce electrones libres y huecos, que a su vez dejan pasar más corriente). , que produce más calor). Además, el óxido de silicio aislante no es soluble en agua, lo que le confiere una ventaja sobre el germanio (un elemento con propiedades similares que también puede utilizarse en dispositivos semiconductores) en determinadas técnicas de fabricación. [80]
El silicio monocristalino es caro de producir y normalmente sólo se justifica en la producción de circuitos integrados, donde pequeñas imperfecciones del cristal pueden interferir con las trayectorias de los circuitos diminutos. Para otros usos, se pueden emplear otros tipos de silicio puro. Entre ellos se incluyen el silicio amorfo hidrogenado y el silicio de grado metalúrgico mejorado (UMG-Si), que se utilizan en la producción de productos electrónicos de bajo costo y de gran superficie en aplicaciones como pantallas de cristal líquido y de paneles solares de película delgada y de bajo costo y de gran superficie. células . Estos grados semiconductores de silicio son ligeramente menos puros o policristalinos en lugar de monocristalinos, y se producen en cantidades comparables a las del silicio monocristalino: de 75.000 a 150.000 toneladas métricas por año. El mercado del silicio de menor calidad está creciendo más rápidamente que el del silicio monocristalino. Para 2013, se proyectaba que la producción de silicio policristalino, utilizado principalmente en células solares, alcanzaría las 200.000 toneladas métricas por año, mientras que se esperaba que el silicio monocristalino de calidad semiconductor se mantuviera en menos de 50.000 toneladas por año. [74]
Los puntos cuánticos de silicio se crean mediante el procesamiento térmico de hidrógeno silsesquioxano en nanocristales que van desde unos pocos nanómetros hasta unas pocas micras, que muestran propiedades luminiscentes que dependen del tamaño . [81] [82] Los nanocristales muestran grandes cambios de Stokes que convierten fotones en el rango ultravioleta en fotones en el visible o infrarrojo, dependiendo del tamaño de la partícula, lo que permite aplicaciones en pantallas de puntos cuánticos y concentradores solares luminiscentes debido a su autoabsorción limitada. Una ventaja de utilizar puntos cuánticos basados en silicio en lugar de cadmio o indio es la naturaleza no tóxica y libre de metales del silicio. [83] [84] Otra aplicación de los puntos cuánticos de silicio es la detección de materiales peligrosos. Los sensores aprovechan las propiedades luminiscentes de los puntos cuánticos apagando la fotoluminiscencia en presencia de la sustancia peligrosa. [85] Hay muchos métodos utilizados para la detección de sustancias químicas peligrosas, algunos de los cuales son la transferencia de electrones, la transferencia de energía por resonancia de fluorescencia y la generación de fotocorriente. [86] La extinción de la transferencia de electrones ocurre cuando el orbital molecular desocupado más bajo (LUMO) tiene una energía ligeramente menor que la banda de conducción del punto cuántico, lo que permite la transferencia de electrones entre los dos, evitando la recombinación de los huecos y electrones dentro de los nanocristales. . El efecto también se puede lograr a la inversa, con una molécula donante que tenga su orbital molecular ocupado más alto (HOMO) ligeramente más alto que el borde de la banda de valencia del punto cuántico, lo que permite que los electrones se transfieran entre ellos, llenando los huecos y evitando la recombinación. La transferencia de energía por resonancia de fluorescencia ocurre cuando se forma un complejo entre el punto cuántico y una molécula extintora. El complejo seguirá absorbiendo luz, pero cuando la energía se convierte al estado fundamental no libera un fotón, apagando el material. El tercer método utiliza un enfoque diferente al medir la fotocorriente emitida por los puntos cuánticos en lugar de monitorear la pantalla fotoluminiscente. Si la concentración de la sustancia química deseada aumenta, la fotocorriente emitida por los nanocristales cambiará en respuesta. [87]
Aunque el silicio está disponible en forma de silicatos , muy pocos organismos lo utilizan directamente. Las diatomeas , los radiolarios y las esponjas silíceas utilizan sílice biogénica como material estructural para sus esqueletos. Algunas plantas acumulan sílice en sus tejidos y requieren silicio para su crecimiento, por ejemplo el arroz . El silicio puede ser absorbido por las plantas como ácido ortosilícico (también conocido como ácido monosilícico) y transportado a través del xilema , donde forma complejos amorfos con componentes de la pared celular. Se ha demostrado que esto mejora la resistencia de la pared celular y la integridad estructural en algunas plantas, reduciendo así la herbivoría de insectos y las infecciones patógenas. En determinadas plantas, el silicio también puede regular positivamente la producción de compuestos orgánicos volátiles y fitohormonas que desempeñan un papel importante en los mecanismos de defensa de las plantas. [90] [91] [92] En plantas más avanzadas, los fitolitos de sílice (fitolitos de ópalo) son cuerpos microscópicos rígidos que se encuentran en la célula. [93] [94] [91]
Se sabe que varios cultivos hortícolas se protegen contra patógenos fúngicos de las plantas con sílice, hasta tal punto que la aplicación de fungicidas puede fallar a menos que vaya acompañada de una nutrición suficiente de silicio. Las moléculas de defensa de las plantas silíceas activan algunas fitoalexinas , es decir, algunas de ellas son sustancias señalizadoras que producen la inmunidad adquirida . Cuando se les priva, algunas plantas lo sustituyen con una mayor producción de otras sustancias defensivas. [91]
La vida en la Tierra está compuesta en gran parte por carbono , pero la astrobiología considera que la vida extraterrestre puede tener otros hipotéticos tipos de bioquímica . El silicio se considera una alternativa al carbono, ya que puede crear moléculas complejas y estables con cuatro enlaces covalentes, necesarios para un análogo del ADN , y está disponible en grandes cantidades. [95]
Las diatomeas utilizan silicio en forma de sílice biogénica (bSi), [96] que es absorbido por la proteína transportadora de silicio (SIT) para ser utilizado predominantemente en la estructura de la pared celular como frústulas. [97] El silicio ingresa al océano en forma disuelta, como ácido silícico o silicato. [98] Dado que las diatomeas son uno de los principales usuarios de estas formas de silicio, contribuyen en gran medida a la concentración de silicio en todo el océano. El silicio forma un perfil similar a un nutriente en el océano debido a la productividad de las diatomeas en aguas poco profundas. [98] Por lo tanto, la concentración de silicio es menor en el océano poco profundo y mayor en el océano profundo.
La productividad de las diatomeas en la parte superior del océano contribuye a la cantidad de silicio exportado al fondo del océano. [99] Cuando las células de diatomeas se lisan en la parte superior del océano, sus nutrientes, como el hierro, el zinc y el silicio, se llevan a la parte inferior del océano a través de un proceso llamado nieve marina . La nieve marina implica la transferencia descendente de materia orgánica particulada mediante la mezcla vertical de materia orgánica disuelta. [100] Se ha sugerido que el silicio se considera crucial para la productividad de las diatomeas y, siempre que haya ácido silícico disponible para que lo utilicen, las diatomeas también pueden contribuir a otras concentraciones importantes de nutrientes en las profundidades del océano. [101]
En las zonas costeras, las diatomeas son los principales organismos fitoplanctónicos y contribuyen en gran medida a la producción de sílice biogénica. Sin embargo, en mar abierto, las diatomeas tienen un papel reducido en la producción anual mundial de sílice. Las diatomeas en los giros subtropicales del Atlántico Norte y el Pacífico Norte sólo contribuyen entre el 5% y el 7% de la producción anual mundial de sílice marina. El Océano Austral produce aproximadamente un tercio de la sílice biogénica marina mundial. [65] Se dice que el Océano Austral tiene una "división biogeoquímica" [102] ya que sólo se transportan cantidades minúsculas de silicio fuera de esta región.
Existe cierta evidencia de que el silicio es importante para la salud humana para los tejidos de las uñas, el cabello, los huesos y la piel, [103] por ejemplo, en estudios que demuestran que las mujeres premenopáusicas con una mayor ingesta de silicio en la dieta tienen una mayor densidad ósea y que la suplementación con silicio Puede aumentar el volumen y la densidad ósea en pacientes con osteoporosis . [104] El silicio es necesario para la síntesis de elastina y colágeno , de los cuales la aorta contiene la mayor cantidad en el cuerpo humano, [105] y ha sido considerado un elemento esencial ; [106] sin embargo, es difícil demostrar su esencialidad, porque el silicio es muy común y, por lo tanto, los síntomas de deficiencia son difíciles de reproducir. [107] [108]
Actualmente, la Asociación Estadounidense de Funcionarios de Control de Alimentos Vegetales (AAPFCO) está considerando elevar el silicio al estado de "sustancia beneficiosa para las plantas". [109] [110]
Las personas pueden quedar expuestas al silicio elemental en el lugar de trabajo al inhalarlo, tragarlo o tener contacto con la piel o los ojos. En los dos últimos casos, el silicio presenta un ligero riesgo como irritante. Es peligroso si se inhala. [111] La Administración de Salud y Seguridad Ocupacional (OSHA) ha establecido el límite legal para la exposición al silicio en el lugar de trabajo en 15 mg/m 3 de exposición total y 5 mg/m 3 de exposición respiratoria durante una jornada laboral de ocho horas. El Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH) ha establecido un límite de exposición recomendado (REL) de 10 mg/m 3 de exposición total y 5 mg/m 3 de exposición respiratoria durante una jornada laboral de ocho horas. [112] La inhalación de polvo de sílice cristalina puede provocar silicosis , una enfermedad pulmonar profesional caracterizada por inflamación y cicatrización en forma de lesiones nodulares en los lóbulos superiores de los pulmones . [113]
Se realizó presentación para Excell Minerals para reconocer el Silicio como nutriente vegetal reconocido
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