IL SILICIO. YOUSSEF MICHAEL Liceo scientifico Leonardo da Vinci Jesi (AN) Classe 3ªC

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1 IL SILICIO YOUSSEF MICHAEL Liceo scientifico Leonardo da Vinci Jesi (AN) Classe 3ªC

2 Il Silicio (dal latino silex, selce) è un elemento della tabella periodica che ha come simbolo Si, numero atomico 14, peso atomico 28,06 ed appartiene al 4 gruppo, lo stesso del Carbonio, seppur meno reattivo. E stato scoperto nel 1787 da Antoine Lavoisier, per poi essere preparato del silicio Tavola periodica degli elementi amorfo nel 1811 e, nel 1823/1824, Berzelius lo purificò ed il silicio diventò un vero e proprio elemento della tavola periodica. Caratteristiche Il silicio è molto abbondante nella crosta terrestre, subito dopo l ossigeno, mentre nell universo si stima che sia il 4 elemento in ordine di abbondanza dopo idrogeno, elio ed ossigeno. Ha una forma cristallina con reticolo cubico simile al diamante nel quale ogni atomo è legato ad altri 4 atomi di silicio tetraedricamente; ha un colore blu-grigio e presenta una lucidità metallica. E un elemento poco reattivo a temperatura ambiente e debolmente elettronegativo, tendendo a formare composti con i non metalli. Reagisce con l ossigeno a 800 C circa, con lo zolfo a 600 C e con l azoto a 1000 C. La temperatura di fusione invece è posta a 1414 C, perciò il silicio si trova nella natura soltanto allo stato solido. Ricavo del silicio In natura il silicio non si presenta allo stato puro ma sotto forma di biossido, SiO2; da questo lo si può ricavare in diversi modi raggiungendo diversi stadi di purezza: - Attraverso una riduzione del biossido di silicio con il magnesio metallico: SiO2 + 2Mg Si + 2MgO ;

3 - Attraverso il riscaldamento in una fornace elettrica usando elettrodi di carbonio: SiO2 + 2C Si + 2CO Questo silicio viene poi raffreddato ed è puro al 98%, e con un eccesso di silicio si forma il carburo di silicio, ma se il biossido di silicio è mantenuto in quantità elevate, il carburo di silicio si può eliminare ed il silicio ottenuto è ad uno dei più alti gradi di purezza possibile. Per raggiungere gradi di purezza ancora più elevati si utilizza il metodo Siemens, che fa reagire il silicio con l acido cloridrico. Composti del silicio Il silicio tende a formare composti con i non metalli e presenta diversi composti in corrispondenza degli stati di ossidazione -4, -2, +2, +4. Quest ultimo stato è quello più stabile ed importante e forma SiH4, formalmente e strutturalmente analogo al metano CH4. Il silicio però non forma legami stabili doppi o tripli come il carbonio ma complessi pentacoordinati o, più frequentemente, esacoordinati. Comunque i principali composti del silicio sono i seguenti: - Il Carburo di silicio, solido cristallino molto duro simile al diamante, che si ottiene alla temperatura di circa 2000 C facendo reagire il silicio con il carbonio: Si + C SiC ; - La Silice o anche biossido di silicio, di formula chimica SiO2. Lo stato fisico più comune è quello cristallino in minerali come il quarzo. Esso costituisce diverse rocce ignee e sedimentarie. Viene anche usato da diversi organismi come le diatomee, i radiolari, le spugne silicee, i cereali, la canna da zucchero e diversi equiseti come materiale di impalcatura per le loro strutture scheletriche. Inoltre il vetro è composto principalmente di silice ed è anche usato come materiale refrattario; - I Silicati, che sono una famiglia con gruppo silicato SiO4 4-. Essi costituiscono i principali minerali presenti sulla crosta terrestre, in particolare quelli di origine magmatica.

4 - I Siliconi, polimeri inorganici basati su una catena silicio ossigeno e gruppi funzionali organici legati agli atomi di silicio. Tra questi ricordiamo gli adesivi, i lubrificanti, gli isolanti, i sigillanti ecc Questi sono i composti del silicio più conosciuti e che sono di utilizzo anche nella vita quotidiana. Gli svariati usi del silicio Il silicio, elemento molto importante non solo per le industrie ma anche per gli esseri viventi, non ha trovato alcun utilizzo specifico fino alla fine del secolo scorso quando si è scoperto che riesce a sviluppare proprietà magnetiche. Non trova però soltanto uso grazie alle sue proprietà magnetiche ma, grazie alle sue caratteristiche, il silicio viene usato in abbondanza nelle industrie ma anche per prevenire malattie. Il silicio è un materiale refrattario, cioè è in grado di resistere a lungo a temperature molto alte senza reagire chimicamente con i materiali con i quali viene a contatto. In particolare il suo composto, la silice, che è il più economico tra i materiali refrattari, è in grado di essere lavorato per produrre forni per la produzione di ghisa, acciaio e materiali ceramici; inceneritori; reattori chimici; reattori nucleari; crogioli e caminetti a legna. Viene anche usato per produrre cemento e mattoni a causa della sua bassa attività chimica. Il vetro La silice, in particolare il quarzo, è di grande importanza anche per la produzione di vetro, infatti il vetro comune può essere chiamato anche vetro siliceo ed è utile per produrre materiali da costruzione, soprattutto negli infissi, contenitori, come vasi e bicchieri, o nella manifattura di elementi decorativi, ad esempio oggettistica e lampadari. Per produrre il vetro il biossido di silicio, che ha una temperatura di fusione di circa

5 1800 C, viene aggiunto ad altre sostanze chiamate fondenti che riducono questa temperatura fino a 1000 C. Queste sostanze sono il carbonato di sodio Na2CO3, il carbonato di potassio K2CO3, i borati ed i nitrati. Dopodiché il composto viene raffreddato a circa 800 C e viene lavorato attraverso diversi processi come la soffiatura, lo stampaggio, la filatura e la colatura. Nella forma pura il vetro è duro, trasparente, quasi inerte dal punto di vista chimico e biologico e liscio ma allo stesso momento è fragile e può rompersi in frammenti taglienti. Possono essere aggiunte altre sostanze chimiche o utilizzati mezzi di trattamento termici per ovviare a questo problema. Con l aggiunta invece di elementi chimici come il bario ed il torio, al vetro può essere conferita una particolare brillantezza. L ossidiana Il vetro che può essere trovato allo stato naturale è l ossidiana. Alle alte temperature di un vulcano, il magma riesce a fondersi con il silicio e, a contatto con l aria, si raffredda così velocemente che il tempo per formare un cristallo non è sufficiente, creandosi questo vetro vulcanico. L ossidiana era molto usata nel passato per la produzione di Frammento di ossidiana strumenti taglienti, ed ancora oggi trova particolarmente uso nella lavorazione di piccoli oggetti decorativi, monili e lame per bisturi. Il silicio e l elettronica Il silicio è un importante elemento chimico per l elettronica e per le sue varie branche perché è un semiconduttore ed è utile per la produzione di principali dispositivi elettronici e microelettronici come i transistor, i microcircuiti, i diodi ed i diodi ad emissione luminosa (LED) ma anche i pannelli fotovoltaici. In passato veniva molto usato il germanio come semiconduttore naturale, ma è stato sostituito dal silicio per le sue migliori prestazioni.

6 Un elemento può essere un semiconduttore se ha una resistività (o anche conducibilità) che si trova tra i conduttori e gli isolanti. Tra la banda di conduzione e la banda di valenza c è uno spazio, chiamato energia di gap o banda proibita, che se è troppo elevato l elemento è un isolante ma se non è presente per niente l elemento è un conduttore o un metallo. Il silicio ha un livello di energia di gap intermedio, rendendolo così un semiconduttore. Questa energia di gap può essere superata tramite un aumento della temperatura, favorendo così la conducibilità. Il silicio è un semiconduttore puro, o anche Differenza fra metallo, semiconduttore ed isolante intrinseco, la quale capacità di conduzione può essere modificata attraverso l aggiunta di piccole percentuali di atomo non facenti parte dello stesso semiconduttore. Questo processo viene chiamato drogaggio ed esistono due tipi: - Il drogaggio di tipo n, dove viene aggiunto un atomo con valenza superiore a quella del silicio, come il fosforo, avendo un aumento degli elettroni liberi e quindi una carica negativa. Il silicio di questo tipo viene chiamato intrinseco di tipo n; - Il drogaggio di tipo p, dove viene aggiunto un atomo con valenza inferiore a quella del silicio, come il boro, avendo una riduzione degli elettroni e quindi una carica positiva. Il silicio di questo tipo viene chiamato intrinseco di tipo p. Le basi dell elettronica si fondano sulla possibilità di introdurre in modo controllato questi due tipi di impurità in modo da modificare la conducibilità elettrica ed il tipo di conduzione del materiale semiconduttore. Nel 1959, grazie a queste capacità del silicio semiconduttore, si realizzò il primo microprocessore con i componenti di un circuito elettronico su uno stesso substrato composto da un unico semiconduttore. Ogni due anni la frequenza massima di funzionamento di un transistor aumentò ed ogni tre anni le dimensioni della regione attiva diminuirono del 30%. Oggi infatti abbiamo disponibili dei microprocessori con elevate

7 prestazioni e di piccole dimensioni. La tecnologia del silicio è quindi diventata indispensabile per l elettronica non solo perché la disponibilità del silicio è praticamente illimitata, ma anche perché vennero scoperti metodi facilitati per la produzioni di cristalli di silicio con bassa densità di difetti. Il silicio monocristallino Il silicio monocristallino è particolarmente utilizzato all interno dell elettronica. E costituito da un singolo cristallo di silicio, con reticolo cristallino continuo senza interruzioni in tutto il solido. Può essere sia puro sia drogato, quindi con modifiche alle proprietà di conduttore. Questo tipo di silicio non presenta delle imperfezioni che possono alterare le proprietà elettroniche e diminuire l affidabilità dei dispositivi, e senza questa perfezione sarebbe impossibile creare i circuiti integrati per realizzare i microprocessori. Esso è forse il più importante materiale tecnologico dell ultimo secolo ed è disponibile a costi non elevati ed è alla base dei microcircuiti elettronici, fondamenti dell elettronica e dell informatica. Il silicio monocristallino al più alto grado di purezza viene prodotto tramite il processo Czochralski, introdotto agli inizi degli anni 50, per produrre i substrati di circuiti elettronici privi di difetti, omogenei e di alta qualità. I substrati sono chiamati wafer, composti soltanto di silicio monocristallino. Questo deve avere una struttura con gli atomi disposti ordinatamente in un reticolo cristallino e non in una struttura policristallina. Nel processo, un seme monocristallino di silicio, appropriatamente orientato, Il processo Czochralski viene introdotto nel silicio fuso a 1425 C attraverso un asta metallica, mentre il crogiolo gira in senso opposto. Una parte del seme, che rimane fuori, non fonde e viene

8 sollevata verticalmente mentre avviene una progressiva solidificazione dell interfaccia tra solido e liquido, generandosi così un monocristallo di grande dimensioni. E un processo simile alla formazione del quarzo, soltanto che mentre quest ultimo avviene in milioni di anni, il silicio monocristallino può essere prodotto in pochi giorni. Dopodiché, il cilindro del silicio monocristallino viene tagliato tramite dischi o fili diamantati, ottenendo quindi sottili dischi che sono proprio i wafer i quali hanno il diametro di circa 1cm 2, utili successivamente per la produzione di materiali elettronici. Il quarzo Il diossido di silicio viene trovato nella crosta terrestre sotto forma di quarzo, un minerale tra i più abbondanti nella crosta terrestre. E il costituente di rocce magmatiche come il granito ma anche di rocce sedimentarie. Ha una struttura cristallina trigonale, ma la forma è un prisma esagonale con ai vertici, due triangoli, formando quindi una bipiramide esagonale. Può comunque essere visibile ad occhio nudo oppure visibile solo con il microscopio, formando rispettivamente le varietà macrocristallina e microcristallina. Frammento di quarzo Il quarzo ha due proprietà: la piezoelettricità, che consiste nel polarizzarsi generando una differenza di potenziale e al tempo stesso deformarsi in maniera elastica in presenza di corrente, e la piroelettricità, per cui si formano sulle facce di un cristallino cariche elettriche di segno opposto sotto ad un cambiamento di temperatura. L oscillatore al quarzo usa proprio la proprietà piezoelettrica del quarzo per ottenere un segnale elettrico caratterizzato da una frequenza molto precisa, usata per mantenere quindi una sincronia negli orologi al quarzo, un segnale di clock stabile nei circuiti elettrici o per la frequenza dei segnali dei trasmettitori radio. Il quarzo viene anche usato per creare rivestimenti, pavimentazioni o piani da lavoro, bulbi delle comune lampade alogene ed è alla base della produzione del vetro.

9 Il silicio e l essere umano Prima degli anni 70, il silicio non è stato mai analizzato perché, a causa delle sue caratteristiche fisiologiche e biologiche, il suo studio era molto difficile, richiedeva tempo e gli errori erano comuni dato che viene assorbito attraverso la parete intestinale e poi eliminato nelle urine. Però, con il tempo e con continua ricerca, i benefici per la salute dell essere umano diventarono mano a mano sempre più evidenti. Prima di tutto, il silicio previene la deformità delle ossa dato che assiste il calcio e quindi aumenta la quantità di collagene, componente proteica delle ossa, ed allo stesso momento le rafforza coadiuvando l azione della vitamina D; impedisce alla pelle di diventare flaccida e migliora la condizione della cute; evita la fragilità delle unghia e le mantiene, rafforzandone la struttura; evita il diradamento dei capelli e ne aumenta la lucentezza e la ricrescita; previene la tubercolosi, la malattia di Alzheimer, che diminuisce la tossicità dell alluminio che la causa, e l aterosclerosi, dato che riduce la formazione di placche ateromasiche. In conclusione il silicio non è di importanza soltanto per l industria ed in particolare per l elettronica, ma anche per la salute dell uomo. Non è soltanto intorno a noi ma anche dentro di noi perché lo possiamo assumere per migliorare la nostra condizione, facendone uno tra i più importanti elementi nel mondo ma anche uno tra i più disponibili nella natura.

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