Il silicio è un semimetallo appartenente al terzo periodo del Gruppo 14 (o IVA) della Tavola periodica insieme a carbonio, germanio, stagno e piombo.
La configurazione elettronica del silicio è: 1s2,2s2,2p6,3s2,3p2 che presenta numeri di ossidazione +4, +3, +2, +1, -1, -2, -3 e -4 sebbene i numeri di ossidazione più comuni siano +4 e -4.
Il silicio, non si trova allo stato elementare, costituisce un componente di molti minerali.
quarzo
Esso è pertanto il secondo elemento, dopo l’ossigeno, più abbondante sulla crosta terrestre. Si trova nell’argilla, nel feldspato, granito, quarzo sotto forma di biossido di silicio, silicati e alluminosilicati.
Il biossido di silicio SiO2 detto silice è il costituente della selce materiale di base delle tecnologie preistoriche di lavorazione della pietra.
Il silicio tende a ricoprirsi di un sottile strato di biossido di silicio che lo rende relativamente inerte a reazioni chimiche con l’acqua. A temperature superiori ai 1400°C reagisce con l’azoto per dare il nitruro di silicio.
È utilizzato per ottenere cemento, materiali refrattari, vetro e mattoni.
Produzione del silicio
Il chimico svedese Jöns Jacob Berzelius nel 1824 isolò il silicio in forma amorfa riducendo l’esafluorosilcato di potassio K2SiF6 in presenza di potassio fuso; Deville nel 1854 ottenne il silicio in forma cristallina.
In forma amorfa appare come una polvere di colore marrone mentre quello in forma cristallina ha un aspetto metallico e un colore grigio.
Il silicio monocristallino è ottenuto tramite il processo Czochralski così chiamato in onore del chimico polacco che lo mise a punto nel 1916 nell’ambito dei suoi studi sulla cristallizzazione dei metalli.
Silicati
Il carburo di silicio è utilizzato come abrasivo. I silicati che presentano lo ione a struttura tetraedrica a formula SiO42-hanno utilizzi più svariati per la loro capacità di impermeabilizzazione, resistenza agli attacchi chimici, capacità di consolidare e indurire materiali resistenti al fuoco.
Il silicato di sodio è noto come water glass poiché pur avendo l’aspetto di un vetro si scioglie in acqua formando soluzioni viscose ed alcaline. Esso è utilizzato nella produzione di:
- saponi
- adesivi
- insetticidi
- nell’industria tessile per il candeggio o la tintura del cotone
- in edilizia come ignifugo e come accelerante per il calcestruzzo proiettato
- come agente protettivo per le pitture murali.
Il tetracloruro di silicio è usato per creare schermi di fumo che per reazione con i reattivi di Grignard dà luogo alla formazione dei siliconi che presentano una molteplice varietà di forme e utilizzo. Inerti, resistenti al calore, sono usati come sigillanti, adesivi, lubrificanti, in applicazioni mediche, utensili da cucina e quali materiali isolanti.
Tali cristalli, quando sono dopati con boro, gallio, germanio, fosforo o arsenico sono usati quali semiconduttori e utilizzati in una serie di dispositivi quali diodi, transistor, celle solari, microchips.
Un semiconduttore a base di silicio ad alto grado di purezza è ottenuto fondendo il silicio in un crogiuolo abitualmente di quarzo alla temperatura di 1425°C ed aggiungendo l’elemento dopante in modo da ottenere semiconduttori di tipo n e di tipo p.
Il termine Silicon Valley fu coniato nel 1971 per indicare la Contea di Santa Clare in California in cui vi era una forte concentrazione di industrie di semiconduttori e microchip che funsero da polo attrattore per l’’insediamento di aziende di computer e produttori di software.
Reazioni
Reagisce con gli alogeni per dare tetralogenuri: la reazione con il fluoro avviene a temperatura ambiente mentre la reazione con gli altri alogeni avviene a temperature superiori ai 300°C.
Non reagisce con gli acidi in condizioni normali ma reagisce con l’acido fluoridrico per dare il fluorosilicato:
Si(s) + 6 HF)aq) → SiF62-(aq) + 2 H+(aq) + 2 H2(g)
mentre reagisce con le basi come NaOH per dare silicati:
Si(s) + 4 NaOH(aq) → SiO44-(aq) + 4 Na+(aq) + 2 H2(g)
Una classe di composti del silicio sono i silani, analoghi agli alcani, in cui il carbonio viene sostituito dal silicio e hanno formula generale SinH2n+2.
I silani hanno molte applicazioni in campo industriale come, ad esempio, agenti di accoppiamento per far aderire le fibre di vetro alla matrice di un polimero o per proteggere le superfici degli edifici e in campo medico per accoppiare uno strato biologicamente inerte su una protesi di titanio.
Applicazioni del silicio
Il silicio è uno degli elementi più importanti per la tecnologia moderna. Le sue proprietà semiconduttrici, la capacità di formare composti stabili e la possibilità di essere combinato con altri elementi lo rendono un materiale estremamente versatile. Le sue applicazioni spaziano dall’elettronica alla produzione di energia, dall’edilizia alla produzione di materiali avanzati.
Silicio nell’elettronica e nei semiconduttori
L’applicazione più nota è probabilmente quella nel settore dei semiconduttori. La sua conducibilità elettrica può essere controllata mediante il drogaggio, cioè l’introduzione di piccole quantità di altri elementi, ottenendo materiali con proprietà elettriche differenti. Questa caratteristica permette di realizzare diodi, transistor, circuiti integrati e microprocessori.
Il silicio costituisce quindi il materiale di base di una parte considerevole dell’elettronica moderna. Microchip e dispositivi utilizzati in computer, smartphone, sistemi di controllo, automobili ed apparecchiature industriali contengono componenti realizzati attraverso tecnologie basate sul silicio.
Celle fotovoltaiche
Un’altra applicazione fondamentale riguarda la conversione dell’energia solare in energia elettrica. Il silicio è infatti il principale materiale utilizzato nelle celle fotovoltaiche, nelle quali la luce incidente genera una separazione di cariche elettriche e quindi una corrente.
Le celle possono essere realizzate con silicio monocristallino o policristallino, mentre lo sviluppo tecnologico ha portato anche a strutture sempre più efficienti e a celle caratterizzate da architetture più sofisticate. Il silicio fotovoltaico rappresenta quindi uno dei principali collegamenti tra la tecnologia dei semiconduttori e la produzione di energia rinnovabile.
Silicio e materiali da costruzione
Il silicio è importante anche nell’edilizia, soprattutto attraverso i suoi composti. La silice (SiO₂) è un componente fondamentale di sabbia, quarzo e numerosi materiali utilizzati per la produzione del vetro. I silicati, invece, sono alla base di molti materiali ceramici e contribuiscono alla composizione di cementi e altri materiali da costruzione.
Il vetro, ottenuto principalmente dalla fusione di silice insieme ad altri componenti, trova applicazioni negli edifici, nei contenitori, negli strumenti scientifici e in numerosi dispositivi tecnologici.
Siliconi e materiali polimerici
Dal silicio derivano anche i siliconi, polimeri contenenti legami silicio-ossigeno. Grazie alla loro stabilità termica, alla resistenza all’acqua e alla flessibilità, vengono utilizzati per produrre sigillanti, adesivi, guarnizioni, rivestimenti e numerosi prodotti destinati all’edilizia e all’industria.
Alcuni siliconi trovano inoltre impiego in ambito medico, cosmetico ed elettronico, dove vengono sfruttate proprietà specifiche come elasticità, inerzia chimica e resistenza alle alte temperature.
Applicazioni industriali e tecnologiche
E’ utilizzato anche nella produzione di leghe metalliche, in particolare di leghe di alluminio e silicio impiegate nell’industria automobilistica e meccanica. L’aggiunta di silicio può migliorare alcune caratteristiche dei materiali, rendendoli adatti alla realizzazione di componenti sottoposti a sollecitazioni meccaniche e termiche.
Nel complesso, la sua versatilità deriva dalla combinazione delle sue proprietà elettriche, chimiche, termiche e strutturali, che ne hanno fatto uno dei materiali fondamentali della società tecnologica
