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Compuestos binarios de silicio

Diagrama de fases experimental de hierro y silicio

Los compuestos binarios de silicio son compuestos químicos binarios que contienen silicio y otro elemento químico . [1] Técnicamente, el término siliciuro se reserva para cualquier compuesto que contenga silicio unido a un elemento más electropositivo . Los compuestos binarios de silicio se pueden agrupar en varias clases. Los siliciuros similares a sales se forman con los metales electropositivos del bloque s. Los siliciuros covalentes y los compuestos de silicio se producen con hidrógeno y los elementos de los grupos 10 a 17.

Los metales de transición forman siliciuros metálicos, con excepción de la plata , el oro y los elementos del grupo 12. La composición general es M n Si o MSi n, con n entre 1 y 6 y M representando metal. Algunos ejemplos son M 5 Si, M 3 Si (Cu, V, Cr, Mo, Mn, Fe, Pt, U), M 2 Si (Zr, Hf, Ta, Ir, Ru, Rh, Co, Ni, Ce), M 3 Si 2 (Hf, Th, U), MSi (Ti, Zr, Hf, Fe, Ce, Th, Pu) y MSi 2 (Ti, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Re).

Se aplica la ley de Kopp-Neumann ; las capacidades térmicas son lineales en la proporción de silicio:

Como regla general, la no estequiometría implica inestabilidad. Estos intermetálicos son en general resistentes a la hidrólisis, frágiles y se funden a una temperatura más baja que los carburos o boruros correspondientes . Son conductores eléctricos. Sin embargo, algunos, como CrSi 2 , Mg 2 Si, β-FeSi 2 y MnSi 1.7 , son semiconductores . Dado que los semiconductores degenerados presentan algunas propiedades metálicas, como brillo y conductividad eléctrica que disminuye con la temperatura, algunos siliciuros clasificados como metales pueden ser semiconductores.

Grupo 1

Los siliciuros de los elementos del grupo 1 son siliciuros similares a las sales, excepto el silano (SiH 4 ), cuyos enlaces al hidrógeno son covalentes. Los homólogos superiores del silano son el disilano y el trisilano . El hidruro de polisilicio es una red polimérica bidimensional .

Se conocen muchos compuestos de agrupamiento de siliciuros de litio, como Li 13 Si 4 , Li 22 Si 5 , Li 7 Si 3 y Li 12 Si 7 . [2] Li 4.4 Si se prepara a partir de silicio y litio metálico en un proceso de molino de bolas de alta energía . [3] Los usos potenciales incluyen electrodos en baterías de litio. Li 12 Si 7 tiene una fase Zintl con anillos planos Si 5 6− . La espectroscopia de RMN de Li sugiere que estos anillos son aromáticos . [4]

Otros elementos del grupo 1 también forman grupos: el siliciuro de sodio puede estar representado por NaSi, NaSi 2 y Na 11 Si 36 [5] y el siliciuro de potasio por K 8 Si 46 . Los siliciuros del grupo 1 son en general de alto punto de fusión, de color gris metálico, con una conductancia eléctrica de moderada a pobre y se preparan calentando los elementos. Se han descrito propiedades superconductoras para Ba 8 Si 46 . [6] Varios iones de silicio Zintl ( Si4−
4, Sí4−
9, Sí2−
5) se conocen con contraiones del grupo 1. [7]

Grupo 2

Los siliciuros de elementos del grupo 2 también son siliciuros similares a sales, excepto el berilio , cuyo diagrama de fases con silicio es un eutéctico simple (1085 °C @ 60% en peso de silicio). [8] Nuevamente hay variación en la composición: el siliciuro de magnesio está representado por Mg 2 Si, [9] el siliciuro de calcio puede estar representado por Ca 2 Si, CaSi, CaSi 2 , Ca 5 Si 3 y por Ca 14 Si 19 , [10] el siliciuro de estroncio puede estar representado por Sr 2 Si, SrSi 2 y Sr 5 Si 3 [11] y el siliciuro de bario puede estar representado por Ba 2 Si, BaSi 2 , Ba 5 Si 3 y Ba 3 Si 4 . [12] Mg 2 Si, y sus soluciones sólidas con Mg 2 Ge y Mg 2 Sn, son buenos materiales termoeléctricos y sus valores de figura de mérito son comparables con los de los materiales establecidos.

Metales de transición y de transición interna

Los metales de transición forman una amplia gama de intermetálicos de silicio con al menos una fase cristalina binaria. Existen algunas excepciones. El oro forma un eutéctico a 363 °C con 2,3% de silicio en peso (18% de porcentaje atómico) sin solubilidad mutua en estado sólido. [13] La plata forma otro eutéctico a 835 °C con 11% de silicio en peso, nuevamente con solubilidad mutua en estado sólido insignificante. En el grupo 12, todos los elementos forman un eutéctico cercano al punto de fusión del metal sin solubilidad mutua en estado sólido: zinc a 419 °C y > 99 por ciento atómico de zinc y cadmio a 320 °C (< 99% Cd).

Los intermetálicos comercialmente relevantes son el disiliciuro de molibdeno del grupo 6 , un material cerámico comercial que se utiliza principalmente como elemento de calefacción. El disiliciuro de tungsteno también es un material cerámico disponible comercialmente que se utiliza en microelectrónica. El siliciuro de platino es un material semiconductor. El ferrosilicio es una aleación de hierro que también contiene algo de calcio y aluminio.

El MnSi, conocido como brownleeíta , se puede encontrar en el espacio exterior. Varios siliciuros de Mn forman una fase Nowotny . Los nanocables basados ​​en silicio y manganeso se pueden sintetizar a partir de Mn(CO) 5 SiCl 3 formando nanocables basados ​​en Mn 19 Si 33 . [14] o crecer sobre una superficie de silicio [15] [16] [17] El MnSi 1.73 se investigó como material termoeléctrico [18] y como película delgada optoelectrónica. [19] El MnSi 1.73 monocristalino se puede formar a partir de una masa fundida de estaño y plomo [20]

En las fronteras de la investigación tecnológica, el disiliciuro de hierro está adquiriendo cada vez mayor relevancia en la optoelectrónica , especialmente en su forma cristalina β-FeSi 2 . [21] [22] Se utilizan como películas delgadas o como nanopartículas, obtenidas mediante crecimiento epitaxial sobre un sustrato de silicio. [23] [24]

Grupo 13

En el grupo 13, el boro (un metaloide ) forma varios compuestos binarios de boruro de silicio cristalino: SiB 3 , SiB 6 , SiB n . [78] Con aluminio , un metal post-transición , se forma un eutéctico (577 °C a 12,2 % atómico de Al) con una solubilidad máxima de silicio en aluminio sólido del 1,5 %. Las aleaciones de aluminio comercialmente relevantes que contienen silicio tienen al menos un elemento añadido. [79] El galio , también un metal post-transición , forma un eutéctico a 29 °C con 99,99 % de Ga sin solubilidad mutua en estado sólido; [80] el indio [81] y el talio [82] se comportan de forma similar.

Grupo 14

El carburo de silicio (SiC) se utiliza ampliamente como material cerámico, por ejemplo, en frenos de automóviles y chalecos antibalas. También se utiliza en electrónica de semiconductores. Se fabrica a partir de dióxido de silicio y carbono en un horno Acheson entre 1600 y 2500 °C. Se conocen 250 formas cristalinas, siendo el carburo de silicio alfa la más común. El silicio en sí es un material semiconductor importante que se utiliza en microchips. Se produce comercialmente a partir de sílice y carbono a 1900 °C y cristaliza en una estructura cristalina cúbica de diamante. El siliciuro de germanio forma una solución sólida y es también un material semiconductor de uso comercial. [83] El diagrama de fases estaño -silicio es eutéctico [84] y el diagrama de fases plomo -silicio muestra una transición monotéctica y una pequeña transición eutéctica, pero no solubilidad en sólidos. [85]

Grupo 15

El nitruro de silicio (Si 3 N 4 ) es un cerámico con muchas aplicaciones comerciales a alta temperatura, como piezas de motores. Se puede sintetizar a partir de los elementos a temperaturas entre 1300 y 1400 °C. Existen tres formas cristalográficas diferentes. Se han propuesto otros compuestos binarios de nitrógeno y silicio (SiN, Si 2 N 3 , Si 3 N) [86] y se han investigado otros compuestos de SiN a temperaturas criogénicas (SiN 2 , Si(N 2 ) 2 , SiNNSi). [87] La ​​tetraazida de silicio es un compuesto inestable que detona fácilmente.

El diagrama de fases con fósforo muestra SiP y SiP 2 . [88] Un fosfuro de silicio reportado es Si 12 P 5 (sin aplicaciones prácticas), [89] [90] formado por recocido de una aleación amorfa de Si-P.

El diagrama de fases arsénico -silicio medido a 40 Bar tiene dos fases: SiAs y SiAs 2 . [91] El sistema antimonio -silicio comprende un único eutéctico cercano al punto de fusión del Sb. [92] El sistema bismuto es monotéctico. [93]

Grupo 16

En el grupo 16, el dióxido de silicio es un compuesto muy común que se encuentra ampliamente en forma de arena o cuarzo. El SiO2 es tetraédrico y cada átomo de silicio está rodeado por 4 átomos de oxígeno. Existen numerosas formas cristalinas con los tetraedros unidos para formar una cadena polimérica. Algunos ejemplos son la tridimita y la cristobalita . Un óxido menos común es el monóxido de silicio que se puede encontrar en el espacio exterior. Existen informes no confirmados de Si2O, Si3O2, Si3O4, Si2O3 y Si3O5 fuera de equilibrio . [ 94 ] El sulfuro de silicio también es un compuesto en cadena . Se ha informado de que el SiS2 cíclico existe en fase gaseosa. [ 95 ] El diagrama de fases del silicio con selenio tiene dos fases: SiSe2 y SiSe . [96] El siliciuro de telurio es un semiconductor con fórmula TeSi2 o Te2Si3 . [ 97]

Grupo 17

Los compuestos binarios de silicio del grupo 17 son compuestos estables que van desde el fluoruro de silicio gaseoso (SiF 4 ) hasta los líquidos cloruro de silicio (SiCl 4 y bromuro de silicio SiBr 4 ) y el yoduro de silicio sólido (SiI 4 ). La geometría molecular de estos compuestos es tetraédrica y el modo de enlace covalente. Otros fluoruros estables conocidos en este grupo son Si 2 F 6 , Si 3 F 8 (líquido) y sólidos poliméricos conocidos como fluoruros de polisilicio (SiF 2 ) x y (SiF) x . Los otros haluros forman compuestos binarios de silicio similares. [98]

La tabla periódica de los compuestos binarios de silicio.

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