Silicio: aplicación, propiedades químicas y físicas

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Última modificación: 2023-12-17 05:23

Uno de los elementos más comunes en la naturaleza es el silicio o silicio. Una distribución tan amplia habla de la importancia y el significado de esta sustancia. Esto fue rápidamente entendido y adoptado por personas que aprendieron a usar correctamente el silicio para sus propios fines. Su aplicación se basa en propiedades especiales, de las que hablaremos más adelante.

El silicio es un elemento químico

Si caracterizamos un elemento dado por su posición en el sistema periódico, podemos identificar los siguientes puntos importantes:

1. Número ordinal - 14.
2. El punto es el tercero pequeño.
3. Grupo - IV.
4. Subgrupo - principal.
5. La estructura de la capa externa de electrones se expresa mediante la fórmula 3s²3p².
6. El elemento silicio se denota con el símbolo químico Si, que se pronuncia "silicio".
7. Los estados de oxidación exhiben: -4; +2; +4.
8. La valencia de un átomo es IV.
9. La masa atómica del silicio es 28.086.
10. En la naturaleza, hay tres isótopos estables de este elemento con números de masa 28, 29 y 30.

Entonces el átomoDesde un punto de vista químico, el silicio es un elemento bien estudiado, muchas de sus diversas propiedades han sido descritas.

Historial de descubrimientos

Dado que los diversos compuestos del elemento en cuestión son muy populares y tienen un contenido masivo en la naturaleza, desde la antigüedad la gente usaba y conocía las propiedades de muchos de ellos. El silicio puro permaneció durante mucho tiempo más allá del conocimiento humano en química.

Los compuestos más populares utilizados en la vida cotidiana y la industria por los pueblos de las culturas antiguas (egipcios, romanos, chinos, rusos, persas y otros) eran piedras preciosas y ornamentales a base de óxido de silicio. Estos incluyen:

• ópalo;
• pedrería;
• topacio;
• crisoprasa;
• ónix;
• calcedonia y otros.

También ha sido costumbre utilizar cuarzo y arena de cuarzo en la construcción desde la antigüedad. Sin embargo, el silicio elemental en sí permaneció sin descubrir hasta el siglo XIX, aunque muchos científicos intentaron en vano aislarlo de varios compuestos, utilizando catalizadores, altas temperaturas e incluso corriente eléctrica. Estas son mentes brillantes como:

• Karl Scheele;
• Gay-Lussac;
• Tener;
• Humphry Davy;
• Antonie Lavoisier.

Jens Jacobs Berzelius logró obtener con éxito silicio puro en 1823. Para ello, realizó un experimento sobre la fusión de vapores de fluoruro de silicio y potasio metálico. Como resultado, recibió una modificación amorfa del elemento en cuestión. El mismo científico propuso un nombre latino para el átomo descubierto.

Un poco más tarde, en 1855, otro científico, Saint Clair-Deville, logró sintetizar otra variedad alotrópica: el silicio cristalino. Desde entonces, el conocimiento sobre este elemento y sus propiedades comenzó a crecer muy rápidamente. La gente se dio cuenta de que tiene características únicas que pueden usarse de manera muy inteligente para satisfacer sus propias necesidades. Por ello, hoy en día uno de los elementos más demandados en electrónica y tecnología es el silicio. Su uso solo expande sus límites cada año.

El científico Hess le dio el nombre ruso al átomo en 1831. Eso es lo que se ha mantenido hasta el día de hoy.

Contenido en la naturaleza

El silicio es el segundo más abundante en la naturaleza después del oxígeno. Su porcentaje en comparación con otros átomos en la composición de la corteza terrestre es del 29,5%. Además, el carbono y el silicio son dos elementos especiales que pueden formar cadenas al conectarse entre sí. Es por ello que se conocen más de 400 minerales naturales diferentes de este último, en el que se encuentra contenido en la litosfera, la hidrosfera y la biomasa.

¿Dónde se encuentra exactamente el silicio?

1. En las capas profundas del suelo.
2. En rocas, yacimientos y macizos.
3. En el fondo de cuerpos de agua, especialmente mares y océanos.
4. En las plantas y la vida marina del reino animal.
5. En humanos y animales terrestres.

Es posible designar varios de los minerales y rocas más comunes, que contienen una gran cantidad desilicio. Su química es tal que el contenido de masa de un elemento puro en ellos alcanza el 75%. Sin embargo, la cifra específica depende del tipo de material. Entonces, rocas y minerales que contienen silicio:

• feldespatos;
• mica;
• anfíboles;
• ópalos;
• calcedonia;
• silicatos;
• areniscas;
• aluminosilicatos;
• arcillas y otros.

Al acumularse en las conchas y esqueletos externos de los animales marinos, el silicio eventualmente forma poderosos depósitos de sílice en el fondo de los cuerpos de agua. Esta es una de las fuentes naturales de este elemento.

Además, se descubrió que el silicio puede existir en su forma nativa pura, en forma de cristales. Pero tales depósitos son muy raros.

Propiedades físicas del silicio

Si caracteriza el elemento bajo consideración por un conjunto de propiedades físicas y químicas, entonces, en primer lugar, son los parámetros físicos los que deben indicarse. Estas son algunas de las claves:

1. Existe en forma de dos modificaciones alotrópicas: amorfa y cristalina, que difieren en todas las propiedades.
2. La red cristalina es muy similar a la del diamante, porque el carbono y el silicio son casi iguales en este aspecto. Sin embargo, la distancia entre los átomos es diferente (el silicio tiene más), por lo que el diamante es mucho más duro y resistente. Tipo de celosía - cara cúbica centrada.
3. La sustancia es muy quebradiza, se vuelve plástica a altas temperaturas.
4. El punto de fusión es 1415˚C.
5. Temperaturapunto de ebullición - 3250˚С.
6. Densidad de la materia - 2,33 g/cm³.
7. El color de la conexión es gris plateado, con un característico brillo metálico.
8. Posee buenas propiedades semiconductoras, que pueden variar con la adición de ciertos agentes.
9. Insoluble en agua, disolventes orgánicos y ácidos.
10. Específicamente soluble en álcalis.

Las propiedades físicas designadas del silicio permiten a las personas controlarlo y usarlo para crear varios productos. Por ejemplo, el uso de silicio puro en la electrónica se basa en las propiedades de la semiconductora.

Propiedades químicas

Las propiedades químicas del silicio dependen mucho de las condiciones de reacción. Si hablamos de una sustancia pura en parámetros estándar, entonces debemos designar una actividad muy baja. Tanto el silicio cristalino como el amorfo son muy inertes. No interactuar con agentes oxidantes fuertes (excepto flúor), ni con agentes reductores fuertes.

Esto se debe al hecho de que una película de óxido SiO₂ se forma instantáneamente en la superficie de la sustancia, lo que evita futuras interacciones. Puede formarse bajo la influencia del agua, aire, vapores.

Si cambia las condiciones estándar y calienta el silicio a una temperatura superior a 400˚С, entonces su actividad química aumentará considerablemente. En este caso, reaccionará con:

• oxígeno;
• todo tipo de halógenos;
• hidrógeno.

Con un mayor aumento de la temperatura, es posible la formación de productos ainteracción con boro, nitrógeno y carbono. De particular importancia es el carborundo - SiC, ya que es un buen material abrasivo.

Además, las propiedades químicas del silicio se ven claramente en las reacciones con los metales. En relación con ellos, es un agente oxidante, por lo que los productos se denominan siliciuros. Se conocen compuestos similares por:

• alcalino;
• tierra alcalina;
• metales de transición.

Propiedades inusuales tienen un compuesto obtenido mediante la fusión de hierro y silicio. Se llama cerámica de ferrosilicio y se ha utilizado con éxito en la industria.

El silicio no interactúa con sustancias complejas, por lo tanto, de todas sus variedades, solo puede disolverse en:

• vodka real (una mezcla de ácido nítrico y clorhídrico);
• álcalis cáusticos.

En este caso, la temperatura de la solución debe ser de al menos 60˚С. Todo esto confirma una vez más la base física de la sustancia: una red cristalina estable similar a un diamante, que le da fuerza e inercia.

Métodos de obtención

Obtener silicio puro es un proceso bastante costoso económicamente. Además, debido a sus propiedades, cualquier método proporciona solo un 90-99 % de producto puro, mientras que las impurezas en forma de metales y carbono siguen siendo las mismas. Así que simplemente obtener la sustancia no es suficiente. También debe limpiarse cualitativamente de elementos extraños.

En general, la producción de silicio se lleva a cabo de dos formas principales:

1. De la arena blancaque es óxido de silicio puro SiO₂. Cuando se calcina con metales activos (la mayoría de las veces con magnesio), se forma un elemento libre en forma de modificación amorfa. La pureza de este método es alta, el producto se obtiene con un rendimiento del 99,9 por ciento.
2. Un método más extendido a escala industrial es la sinterización de arena fundida con coque en hornos térmicos especializados. Este método fue desarrollado por el científico ruso Beketov N. N.

El procesamiento posterior consiste en someter los productos a métodos de limpieza. Para ello se utilizan ácidos o halógenos (cloro, flúor).

Silicio amorfo

La caracterización del silicio será incompleta si no consideramos por separado cada una de sus modificaciones alotrópicas. El primero es amorfo. En este estado, la sustancia que estamos considerando es un polvo pardo-marrón, finamente disperso. Tiene un alto grado de higroscopicidad, exhibe una actividad química suficientemente alta cuando se calienta. En condiciones estándar, solo puede interactuar con el agente oxidante más fuerte: el flúor.

No es del todo correcto llamar al silicio amorfo una variedad de silicio cristalino. Su red muestra que esta sustancia es solo una forma de silicio finamente disperso que existe en forma de cristales. Por lo tanto, como tales, estas modificaciones son el mismo compuesto.

Sin embargo, sus propiedades difieren, por lo que se acostumbra hablar de alotropía. Por sí mismo, el silicio amorfo tieneAlta capacidad de absorción de luz. Además, bajo ciertas condiciones, este indicador es varias veces mayor que el de la forma cristalina. Por lo tanto, se utiliza con fines técnicos. En la forma considerada (polvo), el compuesto se aplica fácilmente a cualquier superficie, ya sea de plástico o de vidrio. Por lo tanto, es el silicio amorfo el que es tan conveniente para su uso. La aplicación se basa en la fabricación de paneles solares de varios tamaños.

Aunque el desgaste de este tipo de baterías es bastante rápido, lo que se asocia con la abrasión de una película delgada de la sustancia, sin embargo, el uso y la demanda no hacen más que crecer. De hecho, incluso con una vida útil corta, las células solares basadas en silicio amorfo pueden proporcionar energía a empresas enteras. Además, la producción de dicha sustancia no genera residuos, lo que la hace muy económica.

Consigue esta modificación reduciendo compuestos con metales activos, como el sodio o el magnesio.

Cristal de silicio

Modificación gris plata brillante del elemento en cuestión. Es esta forma la más común y la más demandada. Esto se debe al conjunto de propiedades cualitativas que posee esta sustancia.

La característica del silicio con red cristalina incluye una clasificación de sus tipos, ya que existen varios de ellos:

1. Calidad electrónica: la más pura y de la más alta calidad. Es este tipo el que se usa en electrónica para crear dispositivos especialmente sensibles.
2. Calidad soleada. El nombre en sídefine el área de uso. También es un silicio de alta pureza, cuyo uso es necesario para crear células solares de alta calidad y larga duración. Los convertidores fotovoltaicos creados a partir de una estructura cristalina son de mayor calidad y más duraderos que los creados mediante una modificación amorfa por deposición sobre varios tipos de sustratos.
3. Silicio técnico. Esta variedad incluye aquellas muestras de una sustancia que contienen alrededor del 98% del elemento puro. Todo lo demás va a varios tipos de impurezas:

• boro;
• aluminio;
• cloro;
• carbono;
• fósforo y otros.

La última variedad de la sustancia en cuestión se utiliza para obtener policristales de silicio. Para ello se llevan a cabo procesos de recristalización. Como resultado, en términos de pureza, se obtienen productos que se pueden atribuir a los grupos de calidad solar y electrónica.

Por naturaleza, el polisilicio es un producto intermedio entre la modificación amorfa y la cristalina. Esta opción es más fácil de trabajar, es mejor reciclarla y limpiarla con flúor y cloro.

Los productos resultantes se pueden clasificar de la siguiente manera:

• multicilicio;
• monocristalino;
• cristales perfilados;
• chatarra de silicio;
• silicio técnico;
• residuos de producción en forma de fragmentos y restos de materia.

Cada uno de ellos encuentra aplicación en la industria y se utilizauna persona por completo. Por lo tanto, los procesos de producción que involucran silicio se consideran libres de residuos. Esto reduce mucho su costo económico sin afectar la calidad.

Usando silicio puro

La producción de silicio en la industria está bastante bien establecida y su escala es bastante voluminosa. Esto se debe a que este elemento, tanto puro como en forma de varios compuestos, está muy extendido y es demandado en diversas ramas de la ciencia y la tecnología.

¿Dónde se utiliza el silicio amorfo y cristalino puro?

1. En metalurgia como aditivo de aleación capaz de cambiar las propiedades de los metales y sus aleaciones. Por lo tanto, se utiliza en la fundición de acero y hierro.
2. Se utilizan diferentes tipos de sustancias para hacer una versión más limpia: polisilicio.
3. Compuestos de silicio con sustancias orgánicas: esta es toda una industria química que ha ganado especial popularidad en la actualidad. Los materiales de silicona se utilizan en medicina, en la fabricación de platos, herramientas y mucho más.
4. Producción de varios paneles solares. Este método de obtención de energía es uno de los más prometedores en el futuro. Respetuoso con el medio ambiente, rentable y duradero: las principales ventajas de dicha producción de electricidad.
5. El silicio se ha utilizado en encendedores durante mucho tiempo. Incluso en la antigüedad, la gente usaba pedernal para crear una chispa al encender un fuego. Este principio es la base para la producción de encendedores de varios tipos. Hoy existen especies en las queel pedernal se reemplaza con una aleación de cierta composición, lo que da un resultado aún más rápido (chispas).
6. Electrónica y energía solar.
7. Producción de espejos en dispositivos láser de gas.

Por lo tanto, el silicio puro tiene muchas propiedades ventajosas y especiales que permiten que se utilice para crear productos importantes y necesarios.

Aplicación de compuestos de silicio

Además de una sustancia simple, también se utilizan varios compuestos de silicio, y muy ampliamente. Hay toda una rama de la industria llamada silicato. Es ella quien se basa en el uso de varias sustancias, que incluyen este elemento sorprendente. ¿Qué son estos compuestos y qué producen?

1. Cuarzo o arena de río - SiO₂. Se utiliza para la fabricación de materiales de construcción y decoración como el cemento y el vidrio. Donde se utilizan estos materiales, todo el mundo lo sabe. Ninguna construcción está completa sin estos componentes, lo que confirma la importancia de los compuestos de silicio.
2. Cerámica de silicato, que incluye materiales como loza, porcelana, ladrillo y productos a base de ellos. Estos componentes se utilizan en medicina, en la fabricación de platos, adornos decorativos, artículos para el hogar, en la construcción y otras áreas domésticas de la actividad humana.
3. Compuestos de silicona: siliconas, geles de sílice, aceites de silicona.
4. Pegamento de silicato: se utiliza como papelería, en pirotecnia y en la construcción.

Silicio, cuyo precio varía en el mercado mundial, pero no cruzade arriba a abajo, la marca de 100 rublos de la Federación Rusa por kilogramo (por cristalino), es una sustancia codiciada y valiosa. Naturalmente, los compuestos de este elemento también están muy extendidos y son aplicables.

El papel biológico del silicio

Desde el punto de vista de la importancia para el cuerpo, el silicio es importante. Su contenido y distribución tisular es la siguiente:

• 0, 002% - musculoso;
• 0, 000017% - hueso;
• sangre - 3,9 mg/l.

Todos los días, debe entrar alrededor de un gramo de silicio, de lo contrario, comenzarán a desarrollarse enfermedades. No hay mortales entre ellos, sin embargo, la inanición prolongada de silicio conduce a:

• pérdida de cabello;
• aparición de acné y espinillas;
• fragilidad y fragilidad de los huesos;
• permeabilidad capilar fácil;
• fatiga y dolores de cabeza;
• la aparición de numerosos hematomas y contusiones.

Para las plantas, el silicio es un oligoelemento importante necesario para el crecimiento y desarrollo normales. Los experimentos con animales han demostrado que las personas que consumen suficiente silicio al día crecen mejor.