Silici

De Viquipèdia
Dreceres ràpides: navegació, cerca
Per a altres significats vegeu «Silici (desambiguació)».
Silici
14Si
aluminisilicifòsfor
C

Si

Ge
Aspecte
Cristal·lina i reflexant, amb matisos blaus a les cares



Línies espectrals del silici
Propietats generals
Nom, símbol, nombre Silici, Si, 14
Categoria d'elements Metal·loides
Grup, període, bloc 143, p
Pes atòmic estàndard 28,0855(3)
Configuració electrònica [Ne] 3s2 3p2
2, 8, 4
Configuració electrònica de Silici
Propietats físiques
Fase Sòlid
Densitat
(prop de la t. a.)
2,3290 g·cm−3
Densitat del
líquid en el p. f.
2,57 g·cm−3
Punt de fusió 1.687 K, 1.414 °C
Punt d'ebullició 3.538 K, 3.265 °C
Entalpia de fusió 50,21 kJ·mol−1
Entalpia de vaporització 359 kJ·mol−1
Capacitat calorífica molar 19,789 J·mol−1·K−1
Pressió de vapor
P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
a T (K) 1.908 2.102 2.339 2.636 3.021 3.537
Propietats atòmiques
Estats d'oxidació 4, 3 , 2 , 1[1] -1, -2, -3, -4
(òxid amfòter)
Electronegativitat 1,90 (escala de Pauling)
Energies d'ionització
(més)
1a: 786,5 kJ·mol−1
2a: 1.577,1 kJ·mol−1
3a: 3.231,6 kJ·mol−1
Radi atòmic 111 pm
Radi covalent 111 pm
Radi de Van der Waals 210 pm
Miscel·lània
Estructura cristal·lina Cúbica en diamant
Ordenació magnètica Diamagnètic[2]
Resistivitat elèctrica (20 °C) 103[3]Ω·m
Conductivitat tèrmica 149 W·m−1·K−1
Dilatació tèrmica (25 °C) 2,6 µm·m−1·K−1
Velocitat del so (barra prima) (20 °C) 8.433 m·s−1
Mòdul d'elasticitat 130-188[4] GPa
Mòdul de cisallament 51-80[4] GPa
Mòdul de compressibilitat 97,6[4] GPa
Coeficient de Poisson 0,064 - 0,28[4]
Duresa de Mohs 7
Nombre CAS 7440-21-3
Energia de banda prohibida a 300 K 1,12 eV
Isòtops més estables
Article principal: Isòtops del silici
Iso AN Semivida MD ED (MeV) PD
28Si 92,23% 28Si és estable amb 14 neutrons
29Si 4,67% 29Si és estable amb 15 neutrons
30Si 3,1% 30Si és estable amb 16 neutrons
32Si traça 170 a β 13,020 32P

El silici és un element químic no metàl·lic de la taula periòdica que té el símbol Si i un nombre atòmic de 14. Un metal·loide tetravalent de silici és menys reactiu que el seu equivalent químic, el carboni. És el segon element més abundant de l'escorça terrestre (suposa el 25.7% del seu pes) després de l'oxigen. Es presenta en dues formes, amorfa i cristal·lina; la primera és una pols terrosa, més activa que la variant cristal·lina, que es presenta en octaedres de color blau grisenc i brillantor metàl·lica. Apareix en l'argila, el feldspat, granit, quars i sorra, principalment en forma de diòxid de silici (també conegut com a sílice) i silicats (components que contenen silici, oxigen i metalls). El silici és el component principal del vidre, ciment, ceràmica, la majoria de silicones (substància plàstica).

Característiques principals[modifica | modifica el codi]

Les seves propietats són intermèdies entre les del carboni i el germani. En forma cristal·lina és molt dur, poc soluble i presenta una brillantor metàl·lica i un color grisenc. Tot i ser relativament inert i resistir l'acció de la majoria d'àcids, reacciona amb els halògens i els àlcalis diluïts. El silici transmet més del 95% de les longituds d'ona de la radiació infraroja. S'obté escalfant òxid de silici i un reductor en un forn elèctric. El silici pur té duresa 7, punt de fusió a 1411 °C, punt d'ebullició a 2355 °C, densitat 2,33g/ml i la seva massa atòmica és de 28,086u. Forma el 28% de l'escorça terrestre i no es troba en estat pur, sinó que es troba en el diòxid de silici i en silicats complexos. Els minerals amb silici constitueixen prop del 40% de tots els minerals comuns, incloent més del 90% que formen roques volcàniques. El quars i les seves variants són formes cristal·lines de silici en la natura. El diòxid de silici és el component principal de la sorra. Els silicats (concretament els d'alumini, calci i magnesi) són els components principals de les argiles, el sòl i les roques, en forma de feldspats, amfíbols, piroxens, miques i zeolites, i de pedres semiprecioses com l'olivina, el granat, el zircó, el topazi i la turmalina.

Aplicacions[modifica | modifica el codi]

S'utilitza en aliatges, en la preparació de les silicones, en la indústria ceràmica i pel fet que és un material semiconductor molt abundant, té un interés especial en la indústria electrònica i microelectrònica com a material bàsic per a la creació d'oblees o xips en els que es poden implementar transistors, cèl·lules solars, i una gran varietat de circuits electrònics.

El silici és un element vital en nombroses indústries. El diòxid de silici (arena i argila) és un important constituent del formigó i les rajoles, i s'empra a més en la producció de ciment pòrtland. Per les seves propietats semiconductores s'usa en la fabricació de transistors, cèl·lules solars i tot tipus de dispositius semicondutors; per aquesta raó es coneix com a Silicon Valley (Vall del Silici) a la regió de Califòrnia en la que es concentren nombroses empreses del sector de l'electrònica i la informàtica.

Altres importants usos del silici són:

Història[modifica | modifica el codi]

El silici (del llatí sílex, sílice) va ser identificat per primera vegada per Antoine Lavoisier el 1787, i posteriorment identificat com a element per Humphry Davy el 1800. El 1811 Gay-Lussac, i Louis J. Thénard probablement, van preparar silici amorf impur escalfant potassi amb tetrafluorur de silici(SiF4). El 1824 Berzelius va preparar silici amorf emprant un mètode semblant al de Gay-Lussac, purificant després el producte mitjançant rentats successius fins a aïllar l'element.

Abundància i obtenció[modifica | modifica el codi]

Làmina de silici polida

El silici és un dels components principals dels aeròlits, una classe de meteoroides.

Mesurat en pes, el silici representa més de la quarta part de l'escorça terrestre i és el segon element més abundant per darrere de l'oxigen. El silici no es troba en estat natiu, però apareix a la natura en forma d'òxid en diversos minerals, entre ells l'arena, quars, ametista, àgata, pedrenyal, òpal i jaspi, mentre que formant silicats es troba, entre altres, en el granit, feldespat, argila, hornblenda i mica. El silici comercial s'obté a partir de sílice d'alta puresa en forn d'arc elèctric reduint l'òxid amb elèctrodes de carboni a temperatura superior als 1900 °C:

SiO2 + C → Si + CO2

El silici líquid s'acumula en el fons del forn d'on s'extreu i es refreda. El silici produït amb aquest procés es denomina metal·lúrgic i té una puresa superior al 99%. Per a la construcció de dispositius semiconductors és necessari un silici de major puresa, silici ultrapur, que pot obtenir-se per mètodes físics o químics.

Els mètodes físics de purificació del silici metal·lúrgic es basen en la major solubilitat de les impureses en el silici líquid, de forma que aquest es concentra en les últimes zones solidificades. El primer mètode que es va idear, usat de forma limitada per a construir components de radars durant la Segona Guerra Mundial, consisteix a moldre el silici de forma que les impureses s'acumulen en les superfícies dels grans; dissolent aquests parcialment amb àcid s'obtenia una pols més pura. El primer mètode usat a escala industrial, la fusió per zones, consisteix a fondre un extrem de la barra de silici i traslladar lentament el focus de calor al llarg de la barra de mode que el silici va solidificant amb una puresa major, en arrossegar la zona fosa, gran part de les impureses. El procés pot repetir-se les vegades que sigui necessari fins a aconseguir la puresa desitjada, descartant-se llavors l'extrem final en què s'han acumulat les impureses.

Els mètodes químics, usats actualment, actuen sobre un compost de silici que és més fàcil de purificar. Els compostos freqüenment usats són el triclorosilà (HSiCl3), el tetraclorur de silici (SiCl4) i el silà (SiH4).

En el procés Siemens, les barres de silici d'alta puresa s'exposen a 1150 °C al triclorosilà, gas que es descompon dipositant silici addicional a la barra segons la reacció següent:

2 HSiCl3 → Si + 2 HCl + SiCl4

El silici produït per aquest i altres mètodes semblants es denomina silici policristallí i típicament té una fracció d'impureses d'unes 0,001 ppm o menor.

El mètode Dupont consisteix a fer reaccionar tetraclorur de silici a 950 °C amb vapors de zinc molt purs:

SiCl4 + 2 Zn → Si + 2 ZnCl2

Aquest mètode, això no obstant, és més delicat (el clorur de zinc, subproducte de la reacció, solidifica i obstrueix les línies) pel qual actualment s'ha abandonat en favor del procés Siemens.

Una vegada obtingut el silici ultraultrapur és necessari obtenir un monocristall, per a aconseguir-ho s'utilitza el procés Czochralski.

Isòtops[modifica | modifica el codi]

El silici té nou isòtops amb masses atòmiques entre 25 i 33 uma, dels quals el Si-28 (el més abundant, 92,23%), Si-29 (4,67%) i Si-30 (3,1%) són estables.

Precaucions[modifica | modifica el codi]

La inhalació de la pols de silici cristal·lina pot provocar silicosi.

Vegeu també[modifica | modifica el codi]

Referències[modifica | modifica el codi]

  1. Ram, R. S. et al.. «Fourier Transform Emission Spectroscopy of the A2D–X2P Transition of SiH and SiD». J. Mol. Spectr., vol. 190, 1998, pàg. 341–352. PMID: 9668026.
  2. Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds
  3. Physical Properties of Silicon. New Semiconductor Materials. Characteristics and Properties. Ioffe Institute
  4. 4,0 4,1 4,2 4,3 [1] Hopcroft, et al., "What is the Young's Modulus of Silicon?" IEEE Journal of Microelectromechanical Systems, 2010

Enllaços externs[modifica | modifica el codi]