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Dióxido de silicio

El dióxido de silicio , también conocido como sílice , es un óxido de silicio con la fórmula química SiO 2 , que se encuentra comúnmente en la naturaleza como cuarzo . [5] [6] En muchas partes del mundo, la sílice es el componente principal de la arena . La sílice es una de las familias de materiales más complejas y abundantes , que existe como un compuesto de varios minerales y como un producto sintético. Los ejemplos incluyen cuarzo fundido , sílice pirogénica , ópalo y aerogeles . Se utiliza en materiales estructurales , microelectrónica y como componentes en las industrias alimentaria y farmacéutica. Todas las formas son blancas o incoloras, aunque las muestras impuras pueden ser coloreadas.

El dióxido de silicio es un componente fundamental común del vidrio .

Estructura

Motivo estructural que se encuentra en el cuarzo α, pero también en casi todas las formas de dióxido de silicio.
Subunidad típica para dióxido de silicio a baja presión
Relación entre el índice de refracción y la densidad de algunas formas de SiO 2 [7]

En la mayoría de los dióxidos de silicio, el átomo de silicio muestra una coordinación tetraédrica , con cuatro átomos de oxígeno rodeando a un átomo central de Si (ver Celda Unitaria 3-D). Por lo tanto, SiO 2 forma sólidos de red tridimensionales en los que cada átomo de silicio está unido covalentemente de manera tetraédrica a 4 átomos de oxígeno. [8] [9] Por el contrario, CO 2 es una molécula lineal. Las estructuras marcadamente diferentes de los dióxidos de carbono y silicio son una manifestación de la regla del doble enlace . [10]

En función de las diferencias estructurales de los cristales, el dióxido de silicio se puede dividir en dos categorías: cristalino y no cristalino (amorfo). En forma cristalina, esta sustancia se puede encontrar en la naturaleza como cuarzo , tridimita (forma de alta temperatura), cristobalita (forma de alta temperatura), stishovita (forma de alta presión) y coesita (forma de alta presión). Por otro lado, la sílice amorfa se puede encontrar en la naturaleza como ópalo y tierra de diatomeas . El vidrio de cuarzo es una forma de estado intermedio entre estas estructuras. [11]

Todas estas formas cristalinas distintas tienen siempre la misma estructura local alrededor del Si y el O. En el cuarzo α, la longitud del enlace Si-O es de 161 pm, mientras que en la α-tridimita está en el rango de 154-171 pm. El ángulo Si-O-Si también varía entre un valor bajo de 140° en la α-tridimita, hasta 180° en la β-tridimita. En el cuarzo α, el ángulo Si-O-Si es de 144°. [12]

Polimorfismo

El cuarzo alfa es la forma más estable de SiO 2 sólido a temperatura ambiente. Los minerales de alta temperatura, cristobalita y tridimita, tienen densidades e índices de refracción más bajos que el cuarzo. La transformación de α-cuarzo a beta-cuarzo tiene lugar abruptamente a 573 °C. Dado que la transformación está acompañada por un cambio significativo en el volumen, puede inducir fácilmente la fractura de cerámicas o rocas que pasan por este límite de temperatura. [13] Sin embargo , los minerales de alta presión, seifertita , stishovita y coesita, tienen densidades e índices de refracción más altos que el cuarzo. [14] La stishovita tiene una estructura similar al rutilo donde el silicio es de 6 coordenadas. La densidad de la stishovita es de 4,287 g/cm 3 , que se compara con el α-cuarzo, la más densa de las formas de baja presión, que tiene una densidad de 2,648 g/cm 3 . [15] La diferencia en densidad se puede atribuir al aumento en la coordinación, ya que las seis longitudes de enlace Si-O más cortas en la stishovita (cuatro longitudes de enlace Si-O de 176 pm y otras dos de 181 pm) son mayores que la longitud de enlace Si-O (161 pm) en el cuarzo α. [16] El cambio en la coordinación aumenta la ionicidad del enlace Si-O. [17]

La sílice faujasita , otro polimorfo, se obtiene mediante la desaluminización de una zeolita Y ultraestable con bajo contenido de sodio mediante un tratamiento combinado ácido y térmico. El producto resultante contiene más del 99 % de sílice y tiene una alta cristalinidad y área de superficie específica (más de 800 m 2 /g). La sílice faujasita tiene una estabilidad térmica y ácida muy alta. Por ejemplo, mantiene un alto grado de orden molecular de largo alcance o cristalinidad incluso después de hervir en ácido clorhídrico concentrado . [18]

SiO fundido2

La sílice fundida presenta varias características físicas peculiares que son similares a las observadas en el agua líquida : expansión térmica negativa, densidad máxima a temperaturas de ~5000 °C y una capacidad térmica mínima. [19] Su densidad disminuye de 2,08 g/cm 3 a 1950 °C a 2,03 g/cm 3 a 2200 °C. [20]

SiO molecular2

El SiO 2 molecular tiene una estructura lineal como el CO 2 . Se ha producido combinando monóxido de silicio (SiO) con oxígeno en una matriz de argón . El dióxido de silicio dimérico, (SiO 2 ) 2 se ha obtenido haciendo reaccionar O 2 con monóxido de silicio dimérico aislado de la matriz, (Si 2 O 2 ). En el dióxido de silicio dimérico hay dos átomos de oxígeno que forman un puente entre los átomos de silicio con un ángulo Si–O–Si de 94° y una longitud de enlace de 164,6 pm y la longitud de enlace Si–O terminal es de 150,2 pm. La longitud de enlace Si–O es de 148,3 pm, que se compara con la longitud de 161 pm en el cuarzo α. La energía de enlace se estima en 621,7 kJ/mol. [21]

Ocurrencia natural

Geología

El SiO2 se encuentra más comúnmente en la naturaleza como cuarzo , que comprende más del 10% en masa de la corteza terrestre. [22] El cuarzo es el único polimorfo de sílice estable en la superficie de la Tierra. Se han encontrado ocurrencias metaestables de las formas de alta presión coesita y stishovita alrededor de estructuras de impacto y asociadas con eclogitas formadas durante el metamorfismo de ultra alta presión . Las formas de alta temperatura de tridimita y cristobalita se conocen de rocas volcánicas ricas en sílice . En muchas partes del mundo, la sílice es el principal componente de la arena . [23]

Biología

Aunque es poco soluble, el sílice se encuentra en muchas plantas, como el arroz . Los materiales vegetales con un alto contenido de fitolitos de sílice parecen ser importantes para los animales de pastoreo, desde los insectos masticadores hasta los ungulados . El sílice acelera el desgaste de los dientes, y los altos niveles de sílice en las plantas que los herbívoros comen con frecuencia pueden haberse desarrollado como un mecanismo de defensa contra la depredación. [24] [25]

La sílice también es el componente principal de la ceniza de cáscara de arroz , que se utiliza, por ejemplo, en la filtración y como material cementante complementario (SCM) en la fabricación de cemento y hormigón . [26]

La silicificación en y por las células ha sido común en el mundo biológico y ocurre en bacterias, protistas, plantas y animales (invertebrados y vertebrados). [27]

Algunos ejemplos destacados incluyen:

Usos

Uso estructural

Aproximadamente el 95% del uso comercial del dióxido de silicio (arena) se produce en la industria de la construcción, por ejemplo para la producción de hormigón ( hormigón de cemento Portland ). [22]

Ciertos depósitos de arena de sílice, con tamaño y forma de partículas deseables y contenido deseable de arcilla y otros minerales, eran importantes para la fundición en arena de productos metálicos. [33] El alto punto de fusión de la sílice permite su uso en aplicaciones tales como la fundición de hierro; la fundición en arena moderna a veces utiliza otros minerales por otras razones.

La sílice cristalina se utiliza en la fracturación hidráulica de formaciones que contienen petróleo compacto y gas de esquisto . [34]

Precursor del vidrio y del silicio

La sílice es el ingrediente principal en la producción de la mayoría de los vidrios . A medida que se funden otros minerales con sílice, el principio de depresión del punto de congelación reduce el punto de fusión de la mezcla y aumenta la fluidez. La temperatura de transición vítrea del SiO2 puro es de aproximadamente 1475 K. [35] Cuando el dióxido de silicio fundido SiO2 se enfría rápidamente, no cristaliza, sino que se solidifica como vidrio. [36] Debido a esto, la mayoría de los esmaltes cerámicos tienen sílice como ingrediente principal. [37]

La geometría estructural del silicio y el oxígeno en el vidrio es similar a la del cuarzo y la mayoría de las demás formas cristalinas de silicio y oxígeno, con el silicio rodeado de tetraedros regulares de centros de oxígeno. La diferencia entre las formas vítreas y cristalinas surge de la conectividad de las unidades tetraédricas: aunque no hay una periodicidad de largo alcance en la red vítrea, el ordenamiento se mantiene en escalas de longitud mucho más allá de la longitud del enlace SiO. Un ejemplo de este ordenamiento es la preferencia por formar anillos de 6-tetraedros. [38]

La mayoría de las fibras ópticas para telecomunicaciones también están hechas de sílice. Se trata de una materia prima fundamental para muchos productos cerámicos, como la loza , el gres y la porcelana .

El dióxido de silicio se utiliza para producir silicio elemental . El proceso implica una reducción carbotérmica en un horno de arco eléctrico : [39]

Sílice pirogénica

La sílice pirogénica , también conocida como sílice ahumada, se prepara quemando SiCl4 en una llama de hidrógeno rica en oxígeno para producir un "humo" de SiO2 . [ 15]

También se puede producir vaporizando arena de cuarzo en un arco eléctrico a 3000 °C. Ambos procesos dan como resultado gotitas microscópicas de sílice amorfa fusionadas en partículas secundarias tridimensionales ramificadas en forma de cadena que luego se aglomeran en partículas terciarias, un polvo blanco con una densidad aparente extremadamente baja (0,03-0,15 g/cm 3 ) y, por lo tanto, una gran área superficial. [40] Las partículas actúan como un agente espesante tixotrópico o como un agente antiaglomerante y se pueden tratar para hacerlas hidrófilas o hidrófobas para aplicaciones en agua o líquidos orgánicos.

Sílice pirogénica fabricada con una superficie máxima de 380 m 2 /g

El humo de sílice es un polvo ultrafino que se obtiene como subproducto de la producción de aleaciones de silicio y ferrosilicio . Está formado por partículas esféricas amorfas (no cristalinas) con un diámetro medio de partícula de 150 nm, sin la ramificación del producto pirogénico. Su principal uso es como material puzolánico para hormigón de alto rendimiento. Las nanopartículas de sílice pirogénica se pueden utilizar con éxito como agente antienvejecimiento en aglutinantes asfálticos. [41]

Aplicaciones alimentarias, cosméticas y farmacéuticas.

La sílice, ya sea coloidal, precipitada o pirogénica, es un aditivo común en la producción de alimentos. Se utiliza principalmente como agente de flujo o antiaglomerante en alimentos en polvo, como especias y cremas para café no lácteas, o polvos para formar tabletas farmacéuticas. [40] Puede adsorber agua en aplicaciones higroscópicas . La sílice coloidal se utiliza como agente clarificante para vino, cerveza y jugo, con el número E de referencia E551 . [22]

En cosmética, la sílice es útil por sus propiedades de difusión de la luz [42] y su capacidad de absorción natural. [43]

La tierra de diatomeas , un producto extraído de minas, se ha utilizado en alimentos y cosméticos durante siglos. Consiste en las cáscaras de sílice de diatomeas microscópicas ; en una forma menos procesada se vendía como "polvo de dientes". [44] [45] La sílice hidratada fabricada o extraída se utiliza como abrasivo duro en la pasta de dientes .

Semiconductores

El dióxido de silicio se utiliza ampliamente en la tecnología de semiconductores:

Debido a que el dióxido de silicio es un óxido nativo de silicio, se utiliza más ampliamente en comparación con otros semiconductores como el arseniuro de galio o el fosfuro de indio .

El dióxido de silicio podría cultivarse en una superficie semiconductora de silicio . [46] Las capas de óxido de silicio podrían proteger las superficies de silicio durante los procesos de difusión y podrían usarse para enmascarar la difusión. [47] [48]

La pasivación de la superficie es el proceso por el cual una superficie semiconductora se vuelve inerte y no cambia las propiedades semiconductoras como resultado de la interacción con el aire u otros materiales en contacto con la superficie o el borde del cristal. [49] [50] La formación de una capa de dióxido de silicio cultivada térmicamente reduce en gran medida la concentración de estados electrónicos en la superficie del silicio . [50] Las películas de SiO2 preservan las características eléctricas de las uniones p–n y evitan que estas características eléctricas se deterioren por el entorno ambiental gaseoso. [48] Las capas de óxido de silicio podrían usarse para estabilizar eléctricamente las superficies de silicio. [47] El proceso de pasivación de la superficie es un método importante de fabricación de dispositivos semiconductores que implica recubrir una oblea de silicio con una capa aislante de óxido de silicio para que la electricidad pueda penetrar de manera confiable hasta el silicio conductor que se encuentra debajo. El crecimiento de una capa de dióxido de silicio sobre una oblea de silicio le permite superar los estados de la superficie que de otra manera evitarían que la electricidad llegue a la capa semiconductora. [49] [51]

El proceso de pasivación de la superficie del silicio mediante oxidación térmica (dióxido de silicio) es fundamental para la industria de los semiconductores . Se utiliza habitualmente para fabricar transistores de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor (MOSFET) y chips de circuitos integrados de silicio (con el proceso planar ). [49] [51]

Otro

La sílice hidrófoba se utiliza como componente antiespumante .

En su calidad de refractario , es útil en forma de fibra como tejido de protección térmica de alta temperatura . [52]

La sílice se utiliza en la extracción de ADN y ARN debido a su capacidad para unirse a los ácidos nucleicos en presencia de caótropos . [53]

El aerogel de sílice se utilizó en la nave espacial Stardust para recoger partículas extraterrestres. [54]

La sílice pura (dióxido de silicio), cuando se enfría como cuarzo fundido formando un vidrio sin punto de fusión real, se puede utilizar como fibra de vidrio para fibra de vidrio.

Producción

El dióxido de silicio se obtiene principalmente mediante la minería, incluida la extracción de arena y la purificación del cuarzo . El cuarzo es adecuado para muchos propósitos, mientras que se requiere un procesamiento químico para obtener un producto más puro o más adecuado (por ejemplo, más reactivo o de grano fino). [55] [56]

Sílice precipitada

La sílice precipitada o sílice amorfa se produce mediante la acidificación de soluciones de silicato de sodio . El precipitado gelatinoso o gel de sílice , primero se lava y luego se deshidrata para producir sílice microporosa incolora. [15] La ecuación idealizada que involucra un trisilicato y ácido sulfúrico es:

De esta manera se produjeron aproximadamente mil millones de kilogramos de sílice al año (1999), principalmente para su uso en compuestos de polímeros: neumáticos y suelas de zapatos. [22]

Sobre los microchips

Las películas delgadas de sílice crecen espontáneamente sobre obleas de silicio mediante oxidación térmica , produciendo una capa muy superficial de aproximadamente 1 nm o 10 Å del llamado óxido nativo. [57] Se utilizan temperaturas más altas y entornos alternativos para hacer crecer capas bien controladas de dióxido de silicio sobre silicio, por ejemplo a temperaturas entre 600 y 1200 °C, utilizando la llamada oxidación seca con O 2

o oxidación húmeda con H 2 O. [58] [59]

La capa de óxido nativo es beneficiosa en microelectrónica , donde actúa como aislante eléctrico con alta estabilidad química. Puede proteger el silicio, almacenar carga, bloquear la corriente e incluso actuar como una vía controlada para limitar el flujo de corriente. [60]

Métodos de laboratorio o especiales

A partir de compuestos organosilícicos

Muchas rutas para obtener dióxido de silicio comienzan con un compuesto de organosilicio, por ejemplo, HMDSO, [61] TEOS. La síntesis de sílice se ilustra a continuación utilizando tetraetilortosilicato (TEOS). [62] Simplemente calentando el TEOS a 680–730 °C se obtiene el óxido:

De manera similar, el TEOS arde alrededor de 400 °C:

El TEOS sufre hidrólisis mediante el llamado proceso sol-gel . El curso de la reacción y la naturaleza del producto se ven afectados por los catalizadores, pero la ecuación idealizada es: [63]

Otros métodos

El dióxido de silicio, al ser muy estable, se obtiene a partir de muchos métodos. La combustión del silano , que es conceptualmente sencilla pero de poco valor práctico, produce dióxido de silicio. Esta reacción es análoga a la combustión del metano:

Sin embargo, se ha utilizado la deposición química de vapor de dióxido de silicio sobre la superficie del cristal a partir de silano utilizando nitrógeno como gas portador a 200–500 °C. [64]

Reacciones químicas

El dióxido de silicio es un material relativamente inerte (de ahí su amplia presencia como mineral). El sílice se utiliza a menudo como recipiente inerte para reacciones químicas. A altas temperaturas, se convierte en silicio mediante reducción con carbono.

El flúor reacciona con el dióxido de silicio para formar SiF 4 y O 2 mientras que los otros gases halógenos (Cl 2 , Br 2 , I 2 ) no son reactivos. [15]

La mayoría de las formas de dióxido de silicio son atacadas ("grabadas") por ácido fluorhídrico (HF) para producir ácido hexafluorosilícico : [12]

SiO2 + 6HF → H2SiF6 + 2H2O​​

La stishovita no reacciona al HF en ningún grado significativo. [65] El HF se utiliza para eliminar o modelar el dióxido de silicio en la industria de los semiconductores.

El dióxido de silicio actúa como un ácido Lux-Flood , pudiendo reaccionar con bases bajo ciertas condiciones. Como no contiene hidrógeno, la sílice no hidratada no puede actuar directamente como un ácido de Brønsted-Lowry . Mientras que el dióxido de silicio es poco soluble en agua a pH bajo o neutro (normalmente, 2 × 10 −4 M para el cuarzo hasta 10 −3 M para la calcedonia criptocristalina ), las bases fuertes reaccionan con el vidrio y lo disuelven fácilmente. Por lo tanto, las bases fuertes tienen que almacenarse en botellas de plástico para evitar atascar la tapa de la botella, para preservar la integridad del recipiente y para evitar la contaminación indeseable por aniones de silicato. [66]

El dióxido de silicio se disuelve en álcali concentrado caliente o hidróxido fundido, como se describe en esta ecuación idealizada: [15]

El dióxido de silicio neutralizará los óxidos metálicos básicos (por ejemplo, óxido de sodio , óxido de potasio , óxido de plomo (II) , óxido de zinc o mezclas de óxidos, formando silicatos y vidrios a medida que los enlaces Si-O-Si en la sílice se rompen sucesivamente). [12] Como ejemplo, la reacción de óxido de sodio y SiO 2 puede producir ortosilicato de sodio , silicato de sodio y vidrios, dependiendo de las proporciones de los reactivos: [15]

.

Ejemplos de tales vidrios tienen importancia comercial, por ejemplo, el vidrio sódico-cálcico , el vidrio de borosilicato , el vidrio de plomo . En estos vidrios, la sílice se denomina formador de red o formador de retícula. [12] La reacción también se utiliza en altos hornos para eliminar las impurezas de arena en el mineral mediante neutralización con óxido de calcio , formando escoria de silicato de calcio .

Haz de fibras ópticas compuesto de sílice de alta pureza

El dióxido de silicio reacciona en reflujo caliente bajo dinitrógeno con etilenglicol y una base de metal alcalino para producir silicatos pentacoordinados altamente reactivos que brindan acceso a una amplia variedad de nuevos compuestos de silicio. [67] Los silicatos son esencialmente insolubles en todos los disolventes polares excepto el metanol .

El dióxido de silicio reacciona con el silicio elemental a altas temperaturas para producir SiO: [12]

Solubilidad en agua

La solubilidad del dióxido de silicio en agua depende en gran medida de su forma cristalina y es tres o cuatro veces mayor para la sílice amorfa que para el cuarzo; en función de la temperatura, alcanza un máximo alrededor de los 340 °C (644 °F). [68] Esta propiedad se utiliza para hacer crecer monocristales de cuarzo en un proceso hidrotermal en el que el cuarzo natural se disuelve en agua sobrecalentada en un recipiente a presión que está más frío en la parte superior. Se pueden hacer crecer cristales de 0,5 a 1 kg durante 1 a 2 meses. [12] Estos cristales son una fuente de cuarzo muy puro para su uso en aplicaciones electrónicas. [15] Por encima de la temperatura crítica del agua de 647,096 K (373,946 °C; 705,103 °F) y una presión de 22,064 megapascales (3200,1 psi) o superior, el agua es un fluido supercrítico y la solubilidad es una vez más mayor que a temperaturas más bajas. [69]

Efectos sobre la salud

Arena de cuarzo (sílice) como materia prima principal para la producción comercial de vidrio

La sílice ingerida por vía oral es esencialmente no tóxica, con una DL50 de 5000 mg/kg (5 g/kg). [22] Un estudio de 2008 que siguió a sujetos durante 15 años descubrió que niveles más altos de sílice en el agua parecían reducir el riesgo de demencia . Un aumento de 10 mg/día de sílice en el agua potable se asoció con una reducción del riesgo de demencia del 11%. [70]

La inhalación de polvo de sílice cristalino finamente dividido puede provocar silicosis , bronquitis o cáncer de pulmón , ya que el polvo se aloja en los pulmones e irrita continuamente el tejido, reduciendo las capacidades pulmonares. [71] Cuando se inhalan partículas finas de sílice en cantidades suficientemente grandes (como a través de la exposición ocupacional), aumenta el riesgo de enfermedades autoinmunes sistémicas como el lupus [72] y la artritis reumatoide en comparación con las tasas esperadas en la población general. [73]

Riesgo laboral

La sílice es un riesgo laboral para las personas que realizan trabajos de pulido con chorro de arena o trabajan con productos de sílice cristalina en polvo. La sílice amorfa, como la sílice pirogénica, puede causar daño pulmonar irreversible en algunos casos, pero no está asociada con el desarrollo de silicosis. Los niños, los asmáticos de cualquier edad, las personas con alergias y los ancianos (todos ellos con capacidad pulmonar reducida ) pueden verse afectados en menos tiempo. [74]

La sílice cristalina es un riesgo laboral para quienes trabajan con encimeras de piedra porque el proceso de corte e instalación de las encimeras crea grandes cantidades de sílice en el aire. [75] La sílice cristalina utilizada en la fracturación hidráulica presenta un riesgo para la salud de los trabajadores. [34]

Fisiopatología

En el cuerpo, las partículas de sílice cristalina no se disuelven durante períodos clínicamente relevantes. Los cristales de sílice dentro de los pulmones pueden activar el inflamasoma NLRP3 dentro de los macrófagos y las células dendríticas y, por lo tanto, dar lugar a la producción de interleucina , una citocina altamente proinflamatoria en el sistema inmunológico. [76] [77] [78]

Regulación

Las reglamentaciones que restringen la exposición a la sílice "con respecto al riesgo de silicosis" especifican que se refieren únicamente a la sílice, que es cristalina y forma polvo. [79] [80] [81] [82] [83] [84]

En 2013, la Administración de Seguridad y Salud Ocupacional de Estados Unidos redujo el límite de exposición a 50 μg /m 3 de aire. Antes de 2013, permitía 100 μg/m 3 y, en el caso de los trabajadores de la construcción, incluso 250 μg/m 3 . [34] En 2013, la OSHA también exigió la "terminación ecológica" de los pozos fracturados para reducir la exposición a la sílice cristalina y restringir el límite de exposición. [34]

Formas cristalinas

El SiO 2 , más que casi cualquier otro material, existe en muchas formas cristalinas, que se denominan polimorfos .

Seguridad

La inhalación de sílice cristalina finamente dividida puede provocar una inflamación grave del tejido pulmonar , silicosis , bronquitis , cáncer de pulmón y enfermedades autoinmunes sistémicas , como el lupus y la artritis reumatoide . La inhalación de dióxido de silicio amorfo , en dosis altas, provoca una inflamación no permanente a corto plazo, en la que todos los efectos se curan. [100]

Otros nombres

Esta lista ampliada enumera sinónimos de dióxido de silicio; todos estos valores provienen de una única fuente; los valores en la fuente se presentan en mayúscula. [101]

Véase también

Referencias

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