O silício É um elemento não metálico e ao mesmo tempo metalóide representado pelo símbolo químico Si. É um semicondutor, que é parte essencial de computadores, calculadoras, telefones celulares, células solares, diodos, etc .; É praticamente o principal componente que permitiu o estabelecimento da Era Digital.
O silício sempre esteve presente no quartzo e nos silicatos, ambos minerais constituindo cerca de 28% em massa de toda a crosta terrestre. É, portanto, o segundo elemento mais abundante na superfície da Terra, e a vastidão dos desertos e praias oferecem uma perspectiva de quão abundante é..
O silício pertence ao grupo 14 da tabela periódica, igual ao carbono, localizado abaixo dele. É por isso que este elemento é considerado um metalóide tetravalente; Tem quatro elétrons de valência e em teoria pode perder todos eles para formar o cátion Si4+.
Uma propriedade que compartilha com o carvão é sua capacidade de se ligar; ou seja, seus átomos estão covalentemente ligados para definir as cadeias moleculares. Da mesma forma, o silício pode formar seus próprios “hidrocarbonetos”, chamados silanos..
Os compostos de silício predominantes na natureza são os famosos silicatos. Na sua forma pura, pode aparecer como um sólido monocristalino, policristalino ou amorfo. É um sólido relativamente inerte, portanto não representa riscos consideráveis.
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O silício é talvez um dos elementos que mais influiu na história da humanidade.
Este elemento é o protagonista da Idade da Pedra e também da Idade Digital. Suas origens remontam a quando civilizações trabalharam com quartzo e fizeram seus próprios vidros; e atualmente é o principal componente de computadores, laptops e smartphones.
O silício foi praticamente a pedra de duas épocas bem definidas da nossa história.
Visto que a sílica é tão abundante, um nome nascido da rocha de sílex, deve ter contido um elemento extremamente rico na crosta terrestre; esta foi a suspeita certa de Antoine Lavoisier, que em 1787 falhou em suas tentativas de reduzi-lo de sua ferrugem.
Algum tempo depois, em 1808, Humphry Davy fez suas próprias tentativas e deu ao elemento seu primeiro nome: 'silício', que traduzido viria a ser como 'sílex'. Ou seja, o silício passou a ser considerado um metal devido à sua falta de caracterização..
Então, em 1811, os químicos franceses Joseph L. Gay-Lussac e Louis Jacques Thénard conseguiram preparar silício amorfo pela primeira vez. Para isso, eles reagiram o tetrafluoreto de silício com o potássio metálico. Porém, não purificaram ou caracterizaram o produto obtido, portanto não concluíram que se tratava do novo elemento silício..
Só em 1823 o químico sueco Jacob Berzelius obteve um silício amorfo de pureza suficiente para reconhecê-lo como silício; nome dado em 1817 pelo químico escocês Thomas Thomson ao considerá-lo um elemento não metálico. Berzelius realizou a reação entre o fluorossilicato de potássio e o potássio fundido para produzir este silício..
O silício cristalino foi preparado pela primeira vez em 1854 pelo químico francês Henry Deville. Para isso, Deville realizou a eletrólise de uma mistura de cloretos de alumínio e sódio, obtendo cristais de silício recobertos por uma camada de siliceto de alumínio, que eliminou (aparentemente) lavando-os com água..
O silício em sua forma pura ou elementar consiste em um sólido acinzentado ou preto-azulado (imagem superior), que embora não seja um metal, tem faces brilhantes como se realmente fossem.
É um sólido duro, mas quebradiço, que também exibe uma superfície escamosa se for feito de policristais. O silício amorfo, por outro lado, parece um sólido marrom escuro em pó. Graças a isso, é fácil identificar e diferenciar um tipo de silício (cristalino ou policristalino) de outro (amorfo).
28,085 g / mol
14 (14Sim)
1414 ºC
3265 ºC
-À temperatura ambiente: 2,33 g / mL
-Bem no ponto de fusão: 2,57 g / mL
Observe que o silício líquido é mais denso do que o silício sólido; o que significa que seus cristais irão flutuar sobre uma fase líquida do mesmo, como acontece com o sistema gelo-água. A explicação se deve ao fato do espaço interatômico entre os átomos de Si em seu cristal ser maior (menos denso) do que o correspondente no líquido (mais denso)..
50,21 kJ / mol
383 kJ / mol
19,789 J / (mol K)
1,90 na escala de Pauling
-Primeiro: 786,5 kJ / mol
-Segundo: 1577,1 kJ / mol
-Terceiro: 3231,6 kJ / mol
111 pm (medidos em seus respectivos cristais de diamante)
149 W / (m K)
2,3 103 Ω · m a 20 ºC
6,5
Os átomos de silício têm a capacidade de formar ligações Si-Si simples, que acabam definindo uma cadeia (Si-Si-Si ...).
Esta propriedade também se manifesta pelo carbono e enxofre; no entanto, hibridizações sp3 o silício é mais deficiente em comparação com os outros dois elementos e, além disso, seus orbitais 3p são mais difusos, portanto a sobreposição dos orbitais sp3 o resultado é mais fraco.
As energias médias das ligações covalentes Si-Si e C-C são 226 kJ / mol e 356 kJ / mol, respectivamente. Portanto, as ligações Si-Si são mais fracas. Por causa disso, o silício não é a pedra angular da vida (e nem o enxofre). Na verdade, a cadeia mais longa ou esqueleto que o silício pode formar é geralmente de quatro membros (Si4).
O silício pode ter qualquer um dos seguintes números de oxidação, assumindo em cada um deles a existência de íons com suas respectivas cargas: -4 (Si4-), -3 (Sim3-), -2 (Simdois-), -1 (Sim-), +1 (sim+), +2 (simdois+), +3 (sim3+) e +4 (Sim4+) De todos eles, -4 e +4 são os mais importantes.
Por exemplo, -4 é assumido em silicidas (MgdoisSim ou Mgdoisdois+sim4-); enquanto o +4 corresponde ao da sílica (SiOdois ou sim4+OUdoisdois-).
O silício é completamente insolúvel em água, assim como em ácidos ou bases fortes. No entanto, ele se dissolve em uma mistura concentrada de ácidos nítrico e fluorídrico (HNO3-HF). Da mesma forma, ele se dissolve em uma solução alcalina quente, com a seguinte reação química ocorrendo:
Si (s) + 2 NaOH (aq) + HdoisO (l) => Nadoissim3(aq) + 2Hdois(g)
O sal metassilicato de sódio, Nadoissim3, Também é formado quando o silício se dissolve em carbonato de sódio fundido:
Si (s) + NadoisCO3(l) => Nadoissim3(l) + C (s)
À temperatura ambiente não reage de forma alguma com o oxigênio, nem mesmo a 900 ºC, quando uma camada vítrea protetora de SiO começa a se formardois; e então, a 1400 ºC, o silício reage com o nitrogênio no ar para formar uma mistura de nitretos, SiN e Si3N4.
O silício também reage a altas temperaturas com metais para formar silicidas metálicos:
2Mg (s) + Si (s) => MgdoisSim (s)
2Cu (s) + Si (s) => CudoisSim (s)
À temperatura ambiente, ele reage de forma explosiva e direta com halogênios (não há camada de SiOdois para protegê-lo disso). Por exemplo, temos a reação de formação de SiF4:
Sim (s) + 2Fdois(g) => SiF4(g)
E embora o silício seja insolúvel em água, ele reage em brasa com um fluxo de vapor:
Sim (s) + HdoisO (g) => SiOdois(s) + 2Hdois(g)
A imagem acima mostra a estrutura cúbica centrada na face (fcc), a mesma do diamante, para o cristal de silício. As esferas acinzentadas correspondem aos átomos de Si, que, como pode ser visto, estão covalentemente ligados entre si; além disso, eles têm ambientes tetraédricos que são reproduzidos ao longo do cristal.
O cristal de silício é fcc porque um átomo de Si é observado localizado em cada uma das faces do cubo (6 × 1/2). Da mesma forma, existem oito átomos de Si nos vértices do cubo (8 × 1/8) e quatro localizados dentro dele (aqueles que mostram um tetraedro bem definido ao redor deles, 4 × 1).
Dito isso, cada célula unitária possui um total de oito átomos de silício (3 + 1 + 4, números indicados no parágrafo acima); característica que ajuda a explicar sua alta dureza e rigidez, já que o silício puro é um cristal covalente como o diamante.
Esse caráter covalente se deve ao fato de que, assim como o carbono, o silício possui quatro elétrons de valência de acordo com sua configuração eletrônica:
[Ne] 3sdois 3pdois
Para a ligação, os orbitais 3s e 2p puros são inúteis. É por isso que o átomo cria quatro orbitais sp híbridos3, com o qual pode formar quatro ligações covalentes Si-Si e, desta forma, completar o octeto de valência para os dois átomos de silício.
O cristal de silício é então visualizado como uma rede tridimensional covalente composta de tetraedros interconectados..
No entanto, essa rede não é perfeita, pois possui defeitos e contornos de grão, que separam e definem um cristal do outro; e quando tais cristais são muito pequenos e numerosos, falamos de um sólido policristalino, identificado por seu brilho heterogêneo (semelhante a um mosaico de prata ou superfície escamosa).
As ligações Si-Si, com seus elétrons bem localizados, em princípio discordam do que se espera de um metal: um mar de elétrons "umedecendo" seus átomos; pelo menos isso é assim em temperatura ambiente.
Quando a temperatura aumenta, entretanto, o silício começa a conduzir eletricidade e, portanto, se comporta como um metal; ou seja, é um elemento metalóide semicondutor.
Os tetraedros de silício nem sempre adotam um padrão estrutural, mas podem ser arranjados de forma desordenada; e mesmo com átomos de silício cujas hibridizações parecem não ser sp3 mas spdois, o que contribui para aumentar ainda mais o grau de desordem. Portanto, falamos de um silício amorfo e não cristalino.
No silício amorfo existem lacunas eletrônicas, onde alguns de seus átomos têm um orbital com um elétron desemparelhado. Graças a isso, seu sólido pode ser hidrogenado, dando origem à formação do silício amorfo hidrogenado; ou seja, possui ligações Si-H, com as quais os tetraedros se completam em posições desordenadas e arbitrárias.
Esta seção é concluída dizendo que o silício pode ser apresentado em três tipos de sólidos (sem mencionar seu grau de pureza): cristalino, policristalino e amorfo..
Cada um deles tem seu próprio método ou processo de produção, bem como suas aplicações e trade-offs na hora de decidir qual dos três usar, conhecendo suas vantagens e desvantagens..
O silício é o sétimo elemento mais abundante no Universo e o segundo na crosta terrestre, enriquecendo também o manto terrestre com sua vasta família de minerais. Este elemento associa-se extremamente bem com o oxigênio, formando uma ampla gama de óxidos; entre eles, sílica, SOdois, e silicatos (de composição química diversa).
A sílica pode ser vista a olho nu em desertos e praias, já que a areia é composta principalmente de SiOdois. Por sua vez, esse óxido pode aparecer em alguns polimorfos, sendo os mais comuns: quartzo, ametista, ágata, cristobalita, trípoli, coesita, estishovita e tridimita. Além disso, pode ser encontrado em sólidos amorfos, como opalas e terra de diatomáceas..
Os silicatos, por sua vez, são ainda mais ricos estrutural e quimicamente. Alguns dos minerais de silicato incluem: amianto (branco, marrom e azulado), feldspato, argilas, micas, olivinas, aluminossilicatos, zeólitas, anfibólios e piroxênios.
Praticamente todas as rochas são compostas de silício e oxigênio, com suas ligações Si-O estáveis, e suas sílicas e silicatos misturados com óxidos metálicos e espécies inorgânicas..
O problema de obter silício é quebrar a ligação Si-O, para a qual fornos especiais e uma boa estratégia de redução são necessários. A matéria-prima desse processo é a sílica na forma de quartzo, que é previamente moída até a forma de um pó fino..
A partir desta sílica moída, pode ser preparado silício amorfo ou policristalino..
Em pequena escala, realizada em laboratório e com as medidas adequadas, a sílica é misturada com o pó de magnésio em um cadinho e incinerada na ausência de ar. A seguinte reação ocorre:
simdois(s) + Mg (s) => 2MgO (s) + Si (s)
O magnésio e seu óxido são removidos com uma solução diluída de ácido clorídrico. Em seguida, o sólido remanescente é tratado com ácido fluorídrico, para que o SiO acabe de reagirdois em excesso; caso contrário, o excesso de magnésio favorece a formação de seu respectivo siliceto, MgdoisSim, composto indesejável para o processo.
O SiOdois torna-se o gás volátil SiF4, que é recuperado para outras sínteses químicas. Finalmente, a massa amorfa de silício é seca sob uma corrente de gás hidrogênio..
Outro método semelhante para obter silício amorfo é usar o mesmo SiF4 produzido anteriormente, ou o SiCl4 (adquirido anteriormente). Os vapores desses haletos de silício são passados sobre o sódio líquido em uma atmosfera inerte, de forma que a redução do gás possa ocorrer sem a presença de oxigênio:
SiCl4(g) + 4Na (l) => Si (s) + 4NaCl (l)
Curiosamente, o silício amorfo é usado para fazer painéis solares de alta eficiência energética.
Partindo novamente da sílica ou quartzo pulverizado, são levados a um forno elétrico a arco, onde reagem com o coque. Desta forma, o agente redutor não é mais um metal, mas um material carbonáceo de alta pureza:
simdois(s) + 2C (s) => Si (s) + 2CO (g)
A reação também produz carboneto de silício, SiC, que é neutralizado com um excesso de SiOdois (novamente o quartzo está em excesso):
2SiC (s) + SiOdois(s) => 3Si (s) + 2CO (g)
Outro método para preparar silício cristalino é usar alumínio como agente redutor:
3SIMdois(s) + 4Al (l) => 3Si (s) + 2AldoisOU3(s)
E a partir do sal hexafluorurosilicato de potássio, Kdois[SiF6], também reage com alumínio metálico ou potássio para produzir o mesmo produto:
Kdois[SiF6] (l) + 4Al (l) => 3Si (s) + 6KF (l) + 4AlF3(g)
O silício se dissolve imediatamente no alumínio fundido e, quando o sistema é resfriado, o primeiro se cristaliza e se separa do segundo; ou seja, cristais de silício são formados, que aparecem em cores acinzentadas.
Ao contrário de outras sínteses ou produções, para obter silício policristalino começa-se com uma fase gasosa de silano, SiH4. Este gás é submetido a uma pirólise acima de 500 ºC, de forma que ocorre uma decomposição térmica e assim, a partir de seus vapores iniciais, os policristais de silício acabam se depositando sobre uma superfície semicondutora..
A seguinte equação química exemplifica a reação que ocorre:
Se H4(g) => Si (s) + Hdois(g)
Obviamente, não deve haver oxigênio na câmara, pois reagiria com o SiH4:
Se H4(g) + 2Odois(g) => SiOdois(s) + 2HdoisO (g)
E tal é a espontaneidade da reação de combustão que ocorre rapidamente à temperatura ambiente com exposição mínima do silano ao ar..
Outra rota sintética para produzir esse tipo de silício parte do silício cristalino como matéria-prima. Fazem com que reaja com o cloreto de hidrogênio a uma temperatura em torno de 300 ºC, formando assim o triclorosilano:
Si (s) + 3HCl (g) => SiCl3H (g) + Hdois(g)
E o SiCl3H reage a 1100 ºC para regenerar o silício, mas agora policristalino:
4SiCl3H (g) => Si (s) + 3SiCl4(g) + 2Hdois(g)
Basta olhar as equações para ter uma ideia do trabalho e dos rigorosos parâmetros de produção que devem ser considerados..
O silício ocorre naturalmente e principalmente como o isótopo 28Sim, com abundância de 92,23%.
Além disso, existem dois outros isótopos que são estáveis e, portanto, não sofrem decaimento radioativo: 29Sim, com abundância de 4,67%; Y 30Sim, com abundância de 3,10%. Sendo tão abundante o 28Sim, não é surpreendente que o peso atômico do silício seja 28,084 u.
O silício também pode ser encontrado em vários radioisótopos, entre os quais estão os 31Sim (t1/2= 2,62 horas) e 32Sim (t1/2= 153 anos). Os demais (22sim - 44Sim têm t1/2 muito curto ou breve (menos de centésimos de segundo).
O silício puro é uma substância relativamente inerte, portanto, geralmente não se acumula em nenhum órgão ou tecido, desde que a exposição a ele seja baixa. Na forma de pó, pode irritar os olhos, causando lacrimejamento ou vermelhidão, enquanto o toque pode causar desconforto na pele, coceira e descamação..
Quando a exposição é muito alta, o silício pode causar danos aos pulmões; mas sem sequelas, a menos que a quantidade seja suficiente para causar asfixia. No entanto, esse não é o caso do quartzo, que está associado ao câncer de pulmão e a doenças como bronquite e enfisema..
Da mesma forma, o silício puro é muito raro na natureza e seus compostos, tão abundantes na crosta terrestre, não representam nenhum risco para o meio ambiente..
Agora, com relação ao organossilício, eles podem ser tóxicos; Mas como são muitos, depende de qual está sendo considerado, bem como de outros fatores (reatividade, pH, mecanismo de ação, etc.).
Os minerais de silício constituem a "pedra" com a qual os edifícios, casas ou monumentos são construídos. Por exemplo, cimentos, concretos, estuques e tijolos refratários, consistem em misturas sólidas à base de silicatos. A partir dessa abordagem, pode-se imaginar a utilidade desse elemento nas cidades e na arquitetura..
Os cristais usados em dispositivos ópticos podem ser feitos de sílica, seja como isolantes, células de amostra, espectrofotômetros, cristais piezoelétricos ou meras lentes..
Da mesma forma, quando o material é preparado com múltiplos aditivos, ele acaba se transformando em um sólido amorfo, conhecido como vidro; e montanhas de areia são geralmente a fonte da sílica ou quartzo necessário para sua produção. Por outro lado, com silicatos são fabricados materiais cerâmicos e porcelanas..
Entrelaçando ideias, o silício também está presente no artesanato e na ornamentação.
Os átomos de silício podem coalescer e ser miscíveis com uma matriz metálica, tornando-se um aditivo para muitas ligas ou metais; por exemplo, aço, para fazer núcleos magnéticos; bronzes, para a fabricação de cabos telefônicos; e alumínio, na produção da liga alumínio-silício destinada a peças automotivas leves.
Portanto, ela não pode ser encontrada apenas na "pedra" dos edifícios, mas também nos metais de suas colunas..
A sílica, na forma de gel ou amorfa, permite a fabricação de sólidos que atuam como dessecantes, prendendo as moléculas de água que entram no recipiente e mantendo seu interior seco..
Camadas de silício de diferentes espessuras e cores fazem parte dos chips de computador, pois com seus sólidos (cristalinos ou amorfos), foram projetados circuitos integrados e células solares.
Por ser um semicondutor, ele incorpora átomos com menos (Al, B, Ga) ou mais elétrons (P, As, Sb) para transformá-lo em semicondutores do tipo p ou n, respectivamente. Com as junções de dois silicones, um n e o outro p, diodos emissores de luz são fabricados.
A famosa cola de silicone consiste em um polímero orgânico suportado pela estabilidade das cadeias de ligações Si-O-Si ... Se essas cadeias forem muito longas, curtas ou reticuladas, as propriedades do polímero de silicone mudam, bem como suas aplicações finais..
Dentre seus usos, listados a seguir, podem ser citados os seguintes:
-Colas ou adesivos, não apenas para unir papéis, mas blocos de construção, borrachas, painéis de vidro, pedras, etc..
-Lubrificantes em sistemas de travagem hidráulica
-Fortalece tintas e melhora o brilho e a intensidade de suas cores, ao mesmo tempo que permite que resistam às mudanças de temperatura sem rachar ou corroer.
-Eles são usados como sprays repelentes de água, o que mantém algumas superfícies ou objetos secos
-Eles dão aos produtos de higiene pessoal (cremes dentais, xampus, géis, cremes de barbear, etc.) a sensação de serem sedosos
-Seus revestimentos protegem os componentes eletrônicos de dispositivos delicados, como microprocessadores, do calor e da umidade
-Com polímeros de silicone, várias bolas de borracha foram feitas e quicam assim que caem no chão..
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